小型制氧壓氧一體機的控制系統(tǒng)設(shè)計

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. 天 津 大 學(xué) 網(wǎng) 絡(luò) 教 育 學(xué) 院 ?？飘厴I(yè)論文 題目：小型制氧壓氧一體機的控制系統(tǒng)設(shè)計 完成期限：2016年7月5日 至 2016年11月5日 學(xué)習(xí)中心：杭州 專業(yè)名稱：機械制造與自動化 學(xué)生姓名：王國慶 學(xué)生學(xué)號：142092403011 指導(dǎo)教師：劉艷玲 . . 小型制氧壓氧一體機的控制系統(tǒng)設(shè)計 第一章 緒論 1.1課題背景 氧氣是空氣中的主要成分，是人類呼吸中必不可少的氣體，人類對氧氣的需求是一刻不能停止的。當(dāng)氧氣濃度變低后會對人的生命活動產(chǎn)生影響。比如：缺少氧氣會對神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，缺氧危害最大的便是神經(jīng)系統(tǒng)，就算是輕度的缺氧也會造成視覺和智力的功能性紊亂；同時缺氧也會對呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生影響，當(dāng)在低氧環(huán)境中工作學(xué)習(xí)時，會導(dǎo)致過度換氣，從而使CO2呼出過多導(dǎo)致呼吸性堿中毒，如果二氧化碳分壓高于6.67Pa，或動脈血氧分壓低于8KPa，則會出現(xiàn)呼吸功能衰竭；對循環(huán)系統(tǒng)的影響，缺氧后，身體會反饋式增加紅細(xì)胞，當(dāng)紅細(xì)胞過多時，氧氣供應(yīng)不足便會引起循環(huán)阻礙；此外缺氧還會引起肝細(xì)胞水腫、變形和壞死，肝功障礙，肝纖維化等疾病。因此對于處于缺氧環(huán)境或進(jìn)入缺氧環(huán)境的工作人員，為了保證工作的安全，工作人員需要隨身裝備供氧設(shè)備，于是氧氣的制備與儲存便成為首要解決的問題。 自從18世紀(jì)空氣的組成被人類發(fā)現(xiàn)以后，已經(jīng)發(fā)明很多方法來制造和存儲氧氣。其中最具代表性的是變壓吸附制氧技術(shù)，由于其能耗低、方便、投資少、操作簡單、靈活等優(yōu)點，目前得到廣泛的運用，并處于迅速發(fā)展中。目前，變壓吸附制氧技術(shù)正在向高濃度氧、小型化和大型化的方向發(fā)展。其中設(shè)計小型化的變壓吸附設(shè)備是目前變壓吸附制氧領(lǐng)域中一個發(fā)展迅速且具有重要意義的方向。在小型化的過程中我們面對一個問題，小型制氧機在制備氧氣供人員使用的過程中富裕的產(chǎn)品氣往往白白浪費，制氧機空閑時間的閑置也造成資源浪費。所以，引入壓氧機來保存氧氣，將富裕產(chǎn)品氣儲存到氧氣罐中，用于保存制造的氧氣，有利于資源的節(jié)約。 1.2研究意義 目前，有很多對小型制氧機的研究，市場上也有一些很好的產(chǎn)品出現(xiàn)。對于小型壓氧機而言，雖然對加工要求比較高，但市面上還是出現(xiàn)了一些相關(guān)成品。但是，將小型制氧機與小型壓氧機結(jié)合起來的研究還比較少，目前國內(nèi)外很少有壓氧制氧一體機的設(shè)計，基本上都是制氧機與壓縮機進(jìn)行分體化設(shè)計。雖然分體設(shè)計有一定的優(yōu)點，比如，分體設(shè)計時，各自的功能獨立，供電系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等互不影響，系統(tǒng)耦合程度低。但同時又很大的缺點，吸氧與壓氧不能夠在同步進(jìn)行，在氧氣使用量較少時會造成產(chǎn)品氣的浪費，無法將多余的氧氣存儲起來，產(chǎn)生的多余的氧氣將會被浪費掉。同時，分體設(shè)計不利于設(shè)備的安裝和攜帶，也不利于使用。與現(xiàn)在裝備多功能化、系統(tǒng)功能集成化的趨勢不符。因此，小型制氧壓氧一體機具有很高的研究價值和實際運用的意義。 1.3 本文主要內(nèi)容 本文主要本文主要研究了小型制氧壓氧控制系統(tǒng)的設(shè)計。首先，對制氧技術(shù)進(jìn)行整體性介紹，并通過對常用制氧技術(shù)的分析比較得出變壓吸附技術(shù)的優(yōu)勢，說明變壓吸附技術(shù)適合小型制氧系統(tǒng)。其次，在詳細(xì)分析變壓技術(shù)之后，針對本課題，進(jìn)行制氧機及壓氧機的零部件設(shè)計選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要包括：吸附塔的設(shè)計，壓縮機的選型，制氧機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，一體機的結(jié)構(gòu)設(shè)計等。在進(jìn)行整機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于顧及本設(shè)計對設(shè)備結(jié)構(gòu)的考慮，所以，在整機設(shè)計的過程中，研究了多種方案設(shè)計，并在零部件的布局及組合方式過程中進(jìn)行了多套嘗試，在此研究和實驗的基礎(chǔ)上選擇一中最為合理的結(jié)構(gòu)方案。 在整機結(jié)構(gòu)方案確定后，在保證整機強度的前提下盡量減少整機重然后，對一體機的控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件的設(shè)計和軟件的編寫。在硬件設(shè)計過程中，首先進(jìn)行主控制器的選型，根據(jù)所選控制器進(jìn)行相關(guān)芯片的選擇，及相關(guān)電路的設(shè)計。在控制系統(tǒng)設(shè)計過程中分別進(jìn)行了電源電路設(shè)計、復(fù)位電路設(shè)計、報警電路、人機交互電路、輸出及接口電路、信號采集處理等電路的設(shè)計。軟件方面，首先設(shè)計出軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，然后自上而下的設(shè)計軟件的結(jié)構(gòu)，從整體到局部的編寫軟件程序。 第二章 制氧壓氧一體機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 制氧技術(shù) 常用的制氧方法有深冷法、變壓吸附法、膜分離法等等。深冷法常常使用在大規(guī)模生產(chǎn)中或者是大型設(shè)備中，而在小型設(shè)備中使用更多的制氧方法是變壓吸附法。而變壓吸附制氧技術(shù)與其他技術(shù)相比，具有其他技術(shù)不具備的優(yōu)點，比如設(shè)備投資少、單位制氧量能耗低、運行過程安全、操作方便、自動化程度高等，適合用于那些對氧氣純度要求不高且氧氣需求量較小的中小型設(shè)備。變壓吸附（PSA）的基本原理是根據(jù)不同氣體在同一吸附劑上的吸附量會隨著溫度的變化而變化，在溫度一定的情況下，通過改變氣體壓強將不同的氣體分離、提純，這樣的循環(huán)過程。 變壓吸附（PSA）分離法的主要使用沸石分子篩、碳分子篩、活性炭、氧化鋁以及硅膠等材料進(jìn)行氣體分離的原理，一般情況下，常用沸石分子篩和碳分子篩進(jìn)行氧氣和氮氣分離。這是被大規(guī)模使用的制氧技術(shù)。 沸石分子篩（ZMS）是一種天然的或人工合成的結(jié)晶鋁硅酸金屬鹽的水合物，沸石分子篩活化后，隨后將其加熱沸石分子到一定程度后，就可以去除里面的水分子，于是就能形成籠形的結(jié)構(gòu)，表面積大大增加。由于沸石分子篩對極性分子和不飽和鍵分子有很高的選擇性。因為極性分子影響了無極性的氧分子和氮分子，從而使它們產(chǎn)生了偶極，而吸附劑本身固有的極性偶極與氧分子和氮分子的誘導(dǎo)偶極具有吸附作用，所以導(dǎo)致氧氣和氫氣的分離。在等溫條件下，氮分子的誘導(dǎo)偶極的誘導(dǎo)力大于氧分子誘導(dǎo)偶極的誘導(dǎo)力，因而沸石分子篩吸附劑對氧分子和氮分子的吸附量是不同的。氣體行業(yè)常用的分子篩主要有：方鈉型，如Ａ型，鉀Ａ（3A），鈉Ａ（4A），鈣Ａ（5A）；八面型，如Ｘ型，鈣X(10X)，鈉Ｘ（13X）和Ｙ型，鈉Ｙ，鈣Ｙ；絲光型，（-M型），高硅型沸石，如ZMS-５等。其中，5A小型富氧分子篩是一種特制的5A分子篩，是專門為醫(yī)療保健制氧機而生產(chǎn)的，該分子篩具有制氧純度高、產(chǎn)氧速度快、制氧壽命長的特 點，是5A分子篩在醫(yī)療保健制氧領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用。 碳分子篩CMS是上世紀(jì)七十年代出現(xiàn)的一種新型吸附劑。它以煤為原料，在流化床中氧化，經(jīng)粘合劑粘結(jié)成型，并進(jìn)行炭化后，使原來的大孔變?yōu)檫m合空分的有效孔徑而制成的。碳分子篩主要是利用篩分的特性來分離氧氣和氮氣的。在分子篩吸附過程中，大孔和中孔只起到通道的作用，將被吸附的分子運送到微 孔和亞微孔中，微孔和亞微孔是吸附的主要場所。碳分子篩內(nèi)部包含有大量的微孔，這 些微孔允許動力學(xué)尺寸小的分子快速擴(kuò)散到孔內(nèi)，同時限制大直徑分子的進(jìn)入。它的有效孔徑在0.4nm～0.9nm之間，利用氮分子和氧分子的動力學(xué)直徑的差異（氮分子和氧分子的動力學(xué)直徑分別0.364nm、0.364nm），通過氮分子和氧分子在碳分子篩微孔中擴(kuò)散速率的不同來實現(xiàn)氮氣和氧氣的分離 2.2氣體壓縮技術(shù) 在工業(yè)及民用領(lǐng)域，有時需要使用壓力較大的壓縮氣體，特別是在石油、采礦、制冷、冶金、化工和動力等部門。他們通常采用氣體壓縮機來提高氣體壓力或輸送氣體。在氣體壓縮機的選型過程中雖然最終實現(xiàn)的用途可能一樣，但氣體壓縮機的工作原理和結(jié)構(gòu)形式卻大不相同。如我們所知，氣體的壓力取決于單位時間內(nèi)氣體分子撞擊單位面積的強烈程度與次數(shù)，而提高氣體壓力的辦法主要有兩種：提高密閉空間內(nèi)氣體的溫度：縮小氣體所占據(jù)的封閉空間的體積。增加密閉空間內(nèi)氣體的溫度，提高氣體分子運動的速度可以使密閉空間內(nèi)氣體的壓力提高，但是，當(dāng)溫度降低之后，氣體壓力有隨之降低，而通常情況下要求壓縮氣體溫度不宜過高，所以在大多數(shù)情況下，通過提高氣體溫度 來增加氣體壓力的方法是不可取的。那么，我們通常采用的辦法就是通過縮小氣體所使用的封閉空間的容積，縮短氣體分子間距離，也就是增加單位體積內(nèi)氣體分子數(shù)目來提高封閉空間內(nèi)氣體的壓力。而壓縮氣體的體積，給氣體加壓的機器即為氣體壓縮機。氣 體壓縮機按照結(jié)構(gòu)類型分類，可以分為：容積式氣體壓縮機；速度式氣體壓縮機。 （1）容積式氣體壓縮機，包括：往復(fù)式、回轉(zhuǎn)式。其中往復(fù)式又可分為活塞式和隔膜式等，回轉(zhuǎn)式又可分為螺桿式、滑片式和羅茨式等。 （2）速度式氣體壓縮機，包括：離心式、軸流式、噴射式、混流式等。 第3章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1控制系統(tǒng)整體設(shè)計 在控制領(lǐng)域常用的控制器是工控機、單片機、PLC等等。其中，在大中型制氧設(shè)備中多采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心。對于小型制氧機，由于設(shè)備體積小、靈活性高、便于攜帶等特點一般采用單片機作為其控制系統(tǒng)的CPU。 本系采用C8051F單片機為制氧機控制系統(tǒng)的主控制器，制氧機的主控板主要包括電源電路、系統(tǒng)復(fù)位電路、報警電路、輸出接口及驅(qū)動電路、信號采集電路、外部振蕩電路。其系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。 圖3-1 系統(tǒng)整體框圖 3.2 電源電路 系統(tǒng)控制板上主要使用的兩種電源為5V和3.3V兩種電源。本系統(tǒng)采用兩級電源變化，首先將220V交流電源轉(zhuǎn)化為5V直流電源，再通過線性穩(wěn)壓器將5V直流電轉(zhuǎn)化為3.3直流電源。 控制板通過變壓器將內(nèi)部220V和外部220V隔離，防止電力線電壓的劇烈變化會損壞控制電路板。再經(jīng)過熔斷器，熔斷器主要起保護(hù)作用。通過熔斷器后仍然是交流電，我們需要將其轉(zhuǎn)化為直流電。全橋整流電路就是將220V，50Hz的交流電轉(zhuǎn)化為直流。通過通過C1，C2兩個濾波電容為電源噪聲提供一個低阻抗的路，將噪聲瀉放到地平面，防止其影響電源變換電路。電源電路通過LM7825將直流電轉(zhuǎn)化為5V直流電，LM7825是采用DC-DC的開關(guān)電源，C3和C4主要起濾波作用。電路圖如3-2所示。 圖3-2 220V轉(zhuǎn)5V電源電路 1117是常用的線性穩(wěn)壓器，采用直流5V輸入，3.3V直流輸出。在輸出端采用不同的數(shù)量級的電容，以濾掉不同頻率的電源噪聲。5V轉(zhuǎn)3.3V電路圖如3-3所示。 圖3-3 5V轉(zhuǎn)3.3V電源電路 3.3 輸出接口及驅(qū)動電路 輸出接口電路如圖3-4所示，單片機的4個GPIO口連接4個光耦，通過光耦實現(xiàn)光電隔離，防止電機側(cè)的強電流損壞控制測電路。光耦連接到驅(qū)動芯片L298N，L298N是專用驅(qū)動集成電路，屬于H橋集成電路，與L293D的差別是其輸出電流增大，功率增強。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅(qū)動感性負(fù)載，如大功率直流電機，步進(jìn)電機，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機控制。當(dāng)驅(qū)動直流電機時，可以直接控制步進(jìn)電機，并可以實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。為了避免電機對單片機的干擾，本模塊加入光耦，進(jìn)行光電隔離，從而使系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠的工作。 本驅(qū)動電路中電源使用12V電源，同時連接上保護(hù)的二極管，主要的功能是作為高壓和抵壓保護(hù)。 圖3-4 電機驅(qū)動電路 3.4信號采集電路 傳感器輸出的電壓為0～5V的模擬信號，通過兩個10K電阻連接到地，選用大電阻主要是想減小電流，防止傳感器驅(qū)動能力不足。將1/2的電壓也就是0～2.5V輸入到運算放大器，本運算放大器主要是一個電壓跟隨的作用。由于運算放大器高輸入阻抗和低輸出阻抗的特性，這樣可以很好的為AD轉(zhuǎn)化提供良好的信號源。 圖3-5 信號采集電路 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1 軟件整體架構(gòu) 4.1.1 軟件開發(fā)環(huán)境 因為在硬件設(shè)計階段選擇的單片機為Cygnal公司的C8051f系列，所以在進(jìn)行軟件設(shè)計時，選擇的開發(fā)軟件也是Cygnal公司所提供的專用開發(fā)軟件。 進(jìn)行單片機程序設(shè)計時常用的語言有匯編和C51，C語言是一個運用廣泛，應(yīng)用平臺多樣，從單片機搭配大型計算機系統(tǒng)都可運行的一種結(jié)構(gòu)化程序語言。它具有豐富的庫函數(shù)，編譯效率高運行速度快，且具有較好的可移植性。同時它還支持從上而下的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，有完整的模塊化程序結(jié)構(gòu)，為軟件設(shè)計過程的模塊提供了方便，提高了軟件設(shè)計的速度、效率。相對而言，匯編語言是較底層的的語言，其直接面對設(shè)備硬件，程序效率高，結(jié)構(gòu)小巧、緊湊。但由于其不是結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言，用其編程可讀性較差，移植性較差。在編寫和調(diào)試過程中對編程人員的要求更高。所以用C語言編寫程序效率高、開發(fā)周期短，以便以后的維護(hù)和擴(kuò)展。 本系統(tǒng)中軟件設(shè)計主要包括以下部分：主程序、制氧程序、壓氧程序、數(shù)據(jù)采集處理程序與人機交互程序等。所有程序均采用C語言編寫，要求實現(xiàn)整機的正常運行，運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、顯示，故障的停機報警等功能。其中制氧系統(tǒng)中吸附時間和均壓時間的長短對產(chǎn)氧質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，是軟件設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。 主程序如圖4-1所示，在接通電源后，系統(tǒng)開始上電復(fù)位。在上電期間，器件保持在復(fù)位狀態(tài)，/RST引腳被驅(qū)動到低電平，直到VDD上升到超過VRST電平。系統(tǒng)復(fù)位完成后，程序開始初始化設(shè)備然后系統(tǒng)進(jìn)入待機狀態(tài)，等待操作人員進(jìn)行下一步操作。當(dāng)操作人員按下開機按鍵后，系統(tǒng)識別到按鍵操作，向顯示屏發(fā)出顯示運行狀態(tài)的指令。此時吸附塔A開始進(jìn)行首次進(jìn)氣，由于剛開機時吸附塔內(nèi)壓力為大氣壓力，需要先向吸附塔內(nèi)注入一定量的空氣，從而使吸附塔內(nèi)達(dá)到一定的壓力。在首次進(jìn)氣結(jié)束后，系統(tǒng)開始循環(huán)進(jìn)行吸附、均壓的運行過程，并在每次循環(huán)當(dāng)中監(jiān)測是否有關(guān)機按鈕按下，以確定是否關(guān)機。 圖4-1 系統(tǒng)主程序圖 4.1.2 吸附時間與切換時間的確定 在變壓吸附制氧工藝中吸附時間和均壓時間對產(chǎn)品氣的氧氣濃度起著至關(guān)重要的作用氧氣的濃度會隨吸附時間增加先升高后降低，存在一個最佳吸附周期。在均壓過程中，也存在一個最佳均壓時間。吸附時間和均壓時間的調(diào)整是通過調(diào)整電磁閥切換時間來實現(xiàn)的，需要在軟件編程中設(shè)定好切換時間。因此需要通過實驗來確定最佳的切換時間和均壓時間。 4-2 吸附時間、均壓時間對氧氣濃度的影響 采用本控制系統(tǒng)的制氧機以不同切換時間運行時氧氣濃度如圖4-2所示。有圖可知在均壓時間同為0.75s的情況下，吸附時間為6.05s時氧氣濃度要高于其他兩組。這是由于吸附周期較短時，吸附尚未完成以及解吸也不完全，造成產(chǎn)品氣純度下降。隨著吸附周期逐漸變長，吸附將更加充分，解吸也會更加完全，產(chǎn)品氣的純度自然會上升。這并不是表示吸附時間越長越好，當(dāng)吸附周期增加到某一數(shù)值，吸附劑達(dá)到飽和狀態(tài)，如果仍然延長吸附周期，氮氣就會穿透吸附層，因而呈現(xiàn)出一種產(chǎn)品氣濃度隨吸附時間延長氧氣濃度先增高后降低的狀態(tài)，同時在吸附時間同為6.05s的情況下，均壓時間為0.70s時氧氣濃度均要高于其他兩組。這是因為被均壓的吸附塔內(nèi)的氣體壓力快速上升從而保證出口氧氣穩(wěn)定在較高的濃度水平。因此均壓時間越長會使的吸附塔內(nèi)壓力快速上升從而保證出口氧氣穩(wěn)定在較高的濃度水平。因此均壓時間越長會使的吸附塔內(nèi)壓力上升越快，產(chǎn)氧量越大，氧氣濃度越高，所以在一定均壓時間范圍內(nèi)，氧氣濃度會隨均壓時間延長而增加。當(dāng)均壓時間達(dá)到一定長度后，分子篩中解析出的氮氣就會均壓到被均壓的吸附塔內(nèi)，從而使得氧氣濃度降低。根據(jù)以上數(shù)據(jù)我們確定了本制氧機的最佳吸附時間與均壓時間分別為6.05s、0.75s。 4.1.3 壓氧控制程序 壓氧機控制程序主要包括，對電機的啟動停止控制、對壓力信號檢測等。由于壓縮機在壓氧過程中要經(jīng)歷一個壓力從0MPa到13MPa以上的變化過程，此過程中電動機的扭矩也要跟隨壓力變化進(jìn)行實時調(diào)整。我們將壓氧機的開啟通過中斷對電磁閥的控制來實現(xiàn)，當(dāng)壓氧按鍵按下時，對單片機提出中斷請求，單片機判斷當(dāng)前狀態(tài)下是否允許中斷，當(dāng)中斷條件具備時，單片機響應(yīng)中斷請求，發(fā)出壓氧機運行指令，相應(yīng)電磁閥閉合，壓氧機開始工作。電磁閥閉合后，中斷返回，繼續(xù)制氧程序的運行。壓氧機采用對立的控制系統(tǒng)，對壓狀態(tài)進(jìn)行實時控制，其運行狀態(tài)通過LED進(jìn)行指示，壓氧和制氧共用一塊LED。當(dāng)壓氧發(fā)生故障，或壓氧過程結(jié)束，氧氣壓力達(dá)到設(shè)計目標(biāo)值時，壓氧機控制系統(tǒng)自行控制電磁閥，切斷電源。 圖4-3 中斷流程圖 5 系統(tǒng)性能測試 5.1 制氧機性能測試 我們主要需要測量的指標(biāo)是以下幾個：氧氣濃度、產(chǎn)氧量以及可靠性。采用簡易的氧氣濃度測試儀和化學(xué)標(biāo)量法對氧氣濃度進(jìn)行測量。 表5-1 氧氣濃度測量表 時間（min） 測試結(jié)果1（%） 測試結(jié)果2（%） 測試結(jié)果3（%） 5 93.0 92.4 93.5 10 93.9 92.4 93.0 15 93.5 92.8 91.3 20 93.0 92.4 92.9 25 92.8 92.8 93.5 30 93.7 93.4 92.3 35 93.2 93.5 93.5 40 93.4 93.6 93.5 45 93.0 92.9 93.6 50 93.9 93.4 93.6 55 93.9 93.5 93.5 60 93.8 93.7 93.5 將制氧系統(tǒng)運行60min后，品均每隔5min測量一次，共測量3次。測量結(jié)果記錄在表5-1中，實驗結(jié)果表示制氧機產(chǎn)氧量均在90%以上，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的水平。 5.2 壓氧機性能測試 壓氧機主要是對氧氣壓力、時間以及可靠性進(jìn)行測試。 對1L的鋼瓶進(jìn)行了罐裝實驗。最大壓力達(dá)到13.5MPa。罐裝的速度大概為2L/min，罐裝結(jié)束后，系統(tǒng)自動停止工作，啟動蜂鳴器提示報警。 .