优化制氧系统

优化制氧系统（精选7篇）

优化制氧系统 篇1

0 引言

家用制氧机多通过变压吸附式 (PSA) 的方式制取高浓度的氧气[1], 其基本结构包括气路系统和电气控制系统。电气控制系统的主要任务是控制压缩机和电磁阀, 以及为实现操作的方便性而增设的LED或LCD指示电路。张万林等[2]提出用光电耦合器驱动固态继电器从而驱动电磁阀的方案, 用光电二极管指示灯显示机器的运行状态。由于采用了固态继电器, 其设计较高。沈克宇等[3]在移动式制氧机一文中提出压缩机采用无刷直流电机、指示电路采用触摸屏的方案, 同时加装氧浓度传感器。这种设计在功耗、噪音、操作的方便性等方面上具有优势, 较适合于高端机。当前, 采用一级提取的方式, 使氧浓度达到95%及以上, 现有的PSA技术很难达到[4]。冯念伦等[5]指出了PSA技术的3个发展方向:即提升分子筛性能、改进吸附流程、优化电控系统。在这些方面有所突破的话, 有可能使出氧浓度进一步提升。

本研究在综合考虑各种文献提出的方案基础上, 并经过市场调研提出用达林顿管直接驱动电磁阀、压缩机采用继电器控制和用LCD作为显示界面的设计方案。整个设计充分体现功能可靠、设计简洁、成本较低的特点。

1 硬件系统设计

1.1 电源系统

电源系统的组成如图1所示。

出于成本控制的需要, 本研究采用一进二出的变压器, 原边电源为220 V, 副边分别为AC8.5 V、14 V, 经整流滤波稳压后为DC5 V、12 V。DC5 V电源供给上、下位单片机、六反相器、液晶显示器使用, DC12 V电源提供给压缩机继电器、蜂鸣器和功率驱动管ULN2003使用[6]。由于DC12 V电源直接推动两个电磁阀的动作, 负荷较重, 稳压块MC7812须选用额定输出电流较大的规格, 最好能达到1 A。

1.2 压缩机和电磁阀控制系统

该系统集成在下位机电路板上, 下位机系统如图2所示。

从控制的方便性考虑, 本研究选用宏晶电子的STC12C2052作为控制芯片[7]。该芯片超小封装, 仅20个管脚, 时钟周期等于机器周期, 而且功耗非常低, 正常工作时为7 m A。家用制氧机的出氧量一般控制在5 L/min以内, 采用的无油压缩机的输入电功率多在300 W以下。从制氧机原理图中可以看出, 系统需要两个电磁阀, 每个电磁阀均采用制氧机专用的DC12 V/3W规格。STC12C2052输出信号进入CD40106B六反相施密特触发器, 由触发器对控制信号进行缓冲整形, 调理后的信号直接输入到功率驱动元件ULN2003。该芯片每个管脚的灌流电流可达300 mA, 可直接用来驱动继电器和电磁阀。继电器采用DC12 V/8 A规格, 图2中, CON4接口在电路板覆铜时1、4相连, 2、3相连, 确保压缩机可靠运行。图2中CON3接口的3、4端和5、6端分别接两个电磁阀。基于运行的可靠性, 使ULN2003的两个管脚并联后驱动一个电磁阀, 其灌流电流达600 mA, 大于电磁阀的工作电流。CON3接口的1、2端接排水电磁阀, 用于每次制氧结束后排出管路中的凝结水。

1.3 显示和操作系统

该系统集中在上位机电路板中, 上位机系统如图3所示。

上位机采用的芯片为89C52[8], 主要功能为处理手动操作指令、驱动LCD显示。LCD使用接口为16位并口8080时序的12864规格显示屏, 用于显示生产商、开关机等信息。CON2的1~8为数据接口, 9脚为电源, 10脚接地, 11脚背光显示调节, 12~16为功能引脚。手动操作指令通过复合功能按键S1、S2、S3来实现。S1为强制中断按键, 按下S1后, 通过S2、S3配合调节下位机电磁阀通断电时间, 从而调节吸附塔内的压力, 间接调节出氧浓度;再次按下S1, 即退出压力调节模式进入正常工作模式。在正常工作模式下, S2为开关机按键、S3为工作时间设定按键。

1.4 上下位机通讯系统

上、下位机采用串行通讯, 图3显示, CON1为通讯接口, 同时上位机需用的DC5 V电源通过此接口采集, 因为DC12 V、DC5 V两个电源均集成在下位机电路板中。下位机通过通讯接口采集上位机的开关机、电磁阀设定工作周期等指令信息, 从而驱动压缩机和电磁阀的工作。

2 程序设计

程序设计时要重点考虑两电磁阀的工作周期和交错时间。由于压缩机连续运转, 一定要确保压缩空气顺畅地进入到吸附塔。若气路堵塞, 将会使排气压力迅速升高, 造成管路爆破事故。

A、B电磁阀的时序图如图4所示。

高电平表示电磁阀打开, 压缩机排气管路通畅;低电平时电磁阀关闭, 气路阻塞。从图4中可以看出, A阀关闭时, B阀已提前1.25 s打开;A阀打开时, B阀滞后1.25 s关闭, 即每个阀都呈现出“提前打开、延迟关闭”的特点。该图显示每个阀的工作周期都是12.5 s。试验结果表明, 改变阀的工作周期即可改变出氧浓度, 增大周期, 出氧浓度增大, 减小周期, 氧气浓度减少。合理控制电磁阀的工作周期, 其出氧浓度可达90%以上, 可达到医用要求。规格不同的制氧机, 其出氧浓度曲线也不同, 需要通过多次试验才能找出最佳的电磁阀通电周期。基于以上事实, 在程序运行通过后, 需反复调试电磁阀的工作周期。

整个系统的程序框图如图5所示[9,10]。图5中提及的设置键即图3中S1、开关键为S2、定时键为S3。

3 试验结果

该产品完成后, 笔者在本地企业生产的5 L/min制氧机上进行了测试。测试按照医药行业标准YY/T0298-1998《医用分子筛制氧设备通用技术规范》所规定的项目逐项进行[11]。

3.1 环境测试

(1) 低温贮存试验, 断电后将样机放入-40℃的低温箱中4 h后取出, 在室温环境中恢复4 h, 再进行测试。

(2) 高温贮存试验, 断电后将样机放入55℃的老化车间4 h, 在室温环境中恢复4 h, 再进行通电试机。

(3) 额定高温运行测试, 在40℃的环境中, 通电试机1 h。

机器在上述各类环境下测试均能正常工作。

3.2 氧浓度测试

前文已叙述, 出氧浓度可改变电磁阀的交替工作时间进行调整。测试时本研究首先验证出氧浓度的可调性, 然后再依据技术规范设定氧浓度≥90%时设定电磁阀的转换时间。测试方法为:在室温环境下开机运行稳定后即用氧浓度测试仪在出氧口进行测试。两者的关系如图6所示, 从图6中可以看到在交替时间为7.5 s时出氧浓度即达到90%, 再增大交替时间, 其氧浓度变化很小, 但整机功耗却增加很多。一般把电磁阀的交替间隔设置为7 s~8 s较好。

3.3 其他测试

本研究对通用技术规范要求的其他一系列指标分别进行了测试, 均能达到预期效果。如:待机功耗≤2 W, 整机连续运转12 h性能稳定, 短时间内多次开关机均能正常运行等。

4 结束语

本研究从软、硬件两个方面介绍了家用制氧机的电气控制设计系统, 以89C52和STC12C2052分别作为上下位机控制芯片, LCD作为人机对话的显示界面, 采用C语言编程。整个系统具有设计简洁、运行可靠、成本较低的特点, 能够满足企业的技术要求。该设计没有设置压力报警功能, 生产企业在采用该方案时需要在压缩机排气口设置一机械式泄压阀, 以进一步提高使用的安全性。

随着生活水平的提高, 人们的保健意识逐渐增强, 制氧机正逐步走向寻常百姓家, 并成为家电电器, 具有较大的市场空间。家用制氧机在产品外观、操作方便、运行稳定、浓度可调等方面还有进一步提升的空间, 这都是专业技术人员需要努力的方向。

参考文献

[1]毕光迎.医用分子筛制氧机的应用研究[J].医疗装备, 2009 (9) :21-23.

[2]张万林, 葛立峰.基于单片机的制氧控制系统[J].自动化与仪表, 2007, 22 (5) :31-33.

[3]沈克宇, 熊伟, 李志俊, 等.移动式制氧设备控制系统设计[J].湖南工业大学学报, 2008, 22 (6) :68-71.

[4]吴昊.变压吸附制氧技术研究[D].武汉:华中科技大学能源与动力工程学院, 2008.

[5]冯念伦, 夏文龙, 孙铁军.医用分子筛变压吸附制氧技术的探讨[J].中国医学装备, 2006, 11 (3) :39-41.

[6]宏晶科技有限公司.STC12C2052AD系列单片机器件手册[M].深圳:宏晶科技 (深圳) 有限公司, 2005.

[7]南国国芯微电子有限公司.STC89C51RC/RD系列单片机器件手册[M].深圳:南国国芯微电子有限公司, 2011.

[8]杨振江.单片机应用与实践指导[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2010.

[9]武亚平.基于单片机技术研究DXD系列包装机的控制系统[J].包装与食品机械, 2013 (2) :31-33.

[10]刘润生, 高文焕.电子线路基础[M].北京:高教出版社, 1997.

[11]国家标准化管理委员会.YY/T0298-1998中国标准书号[S].北京:中国标准出版社, 1998.

制氧机高压配电系统改造 篇2

某厂制氧机(12 000m3/h)为德国林德公司产品,自1996年投运以来,运行稳定、性能优良,带来了可观的经济效益。但是该制氧机配套的电气系统设备质量较差,特别是高压配电系统的YJN2-10型开关柜在运行中多次发生短路、起火等故障,近年还频繁出现接触不良、过热、启动困难等电气故障,严重影响制氧机的安全稳定运行。

1 制氧机电气系统存在的问题

1.1 高压开关柜存在安全隐患

该制氧机高压配电系统配置的YJN2-10型开关柜为金属封闭型移开式手车柜,手车笨重,推入移出困难,目前已被淘汰。该开关柜在使用中常出现一、二次触头接触不良发热烧坏等问题,多次发生短路、灭弧室爆炸等故障,导致制氧机非正常停机。

1.2 设备配置不合理且老化严重

该YJN2-10型开关柜配置的断路器辅助开关为压接式,运行一段时间后出现变形,断路器动作极易造成辅助开关触点接触不良。手车限位、二次触头等老化变形严重,常因接触不良而造成空压机电机启动困难。同时,空压机额定电流为571A,而其配置的电流互感器变比为600/5,电流互感器容量偏小,出现过热时需重新选用大容量电流互感器。

1.3 氧压机电机保护不完善

按规范要求,额定功率超过2 000kW的电机需增设差动保护。然而,氧压机电机尾端电流互感器接线箱电缆头过热着火烧坏后一直未恢复,造成氧压机电机一直缺少差动保护,影响氧压机电机安全运行。

1.4 元器件老化

空压机等高压设备的继电保护装置均采用老式电磁式继电器,运行近20年后运行稳定性、可靠性、准确性都有所降低,常出现不能正常启闭情况,严重影响单体设备及制氧机的稳定与安全。所有继电器集中安装在值班室继电器屏上,电机的高压开关柜、励磁屏、低压设备等与仪控系统DCS等间的保护控制联锁多,接线交叉转接多,问题出现时查找困难。

1.5 电缆头运行时间长存隐患

制氧机高压设备或线路高压电缆头运行近20年,本次改造将电缆从高配室抽拉至底层电缆室过程中,会损坏电缆头,影响制氧机运行安全。

2 改造方案

结合制氧机电气系统存在的问题和实际控制需要进行改造。

(1)本次改造范围为原6kV配电室及电缆室,土建部分不动,保持原电缆走向不变;6kV系统主接线仍采用单母线分段接线方式,分别供制氧机6kV高压电机、动力变压器、公辅系统循环水泵等;6kV配电设备由YJN2-10型开关柜更换为KYN28A-12型金属铠装抽出式开关柜,室内双面布置。

(2)高压断路器选用VYG系列固封式高压真空断路器。VYG真空断路器开断能力强、可靠性高,可满足电网正常或事故状态下的各种操作,包括关合和开断负荷电流及短路电流;采用弹簧操作机构,布局清晰、简洁,传动平稳、可靠,可确保辅助触点接触良好。

(3)二次系统采用微机综合自动化监控系统,综保装置分散安装在各高压柜上。控制室设1套后台监控站,对高压配电室各设备实现保护、遥测、遥信、遥控、遥调等功能,并具有处理顺序事件的记录、故障录波、预告报警指标打印等功能。

(4)将空压机变比为600/5的电流互感器更换为变比为800/5的电流互感器。氧压机电机尾端电流互感器接线箱损坏后氧压机一直无差动保护,因此为氧压机电机新增1个电流互感器接线箱,并在电流互感器箱中配置3只电流互感器,以完善氧压机电机差动保护。

(5)本次改造中高压电缆、控制电缆全部利旧。由于电缆运行近20年,且本次改造中需将电缆全部抽出至电缆室,会造成电缆头损伤,因此电缆头全部更换。

3 安装及调试中问题处理

3.1 励磁装置接线确认

本次改造图纸按原林德励磁屏保护控制原理设计,而实际已改用国产TWL-D5型励磁装置,因此图纸与实物不符。鉴于此,校核励磁接线时需结合原林德励磁屏保护控制原理校核确定设计图纸中的励磁接线,同时结合新励磁控制原理,确定新励磁屏内接线,综合后重新确定新高压柜、仪控等与新励磁屏实际接线,以确保新励磁屏与高压柜、仪控等接线正确。

3.2 空压机比率差动保护跳闸

第一次启动时,比率差动跳闸,跳闸信息显示故障类型为C,动作值Idc=17.02A(CT变比800/5)。经查,接入空压机差动保护装置的机尾侧电流应是同名端,而实际是异名端,造成差动保护动作跳闸。将空压机电源柜3TA电流互感器的同名端与异名端接线倒换后,再次启动正常。

3.3 氧压机比率差动保护跳闸

检查电流回路发现,氧压机电机尾端5TA电流互感器电流接线接至测量电流端子。该电流互感器为新增差动保护用电流互感器,电缆及接线都是新敷设的,接线时却误接入测量电流端子。将电机尾端5TA电流互感器电流接线接至保护电流端子后,电机启动正常。

4 结束语

民用飞机机载分子筛制氧系统初探 篇3

关键词：分子筛,机载制氧,制氧-制氮耦合

0 引言

美国海军于20世纪60年代初就开展了机载制氧装置的研究。经过近50多年的研究与发展, 机载分子筛制氧技术几乎在所有欧美战斗机上得到了应用, 成熟度已很高。我国机载分子筛制氧技术处于世界领先水平, 自主研发的分子筛制氧系统已广泛地应用于军机。

近几年来机载分子筛制氮技术 (燃油箱惰化系统) 研究和验证, 为分子筛制氧技术应用于民用飞机提供了可借鉴工程经验和技术储备。在燃油箱惰化系统中, 氧气是当作废气排出机外的, 而对氧气系统来说, 这些“废气”可以成为氧源, 若在飞机上实现机载分子筛制氮系统和机载制氧系统的耦合, 可提高机载系统的集成水平和使用效率。

机载分子筛制氧技术应用于民用飞机, 可能会成为航空氧气专业近几年的研究热点和主攻方向。

1 机载分子筛制氧系统基本组成

机载分子筛制氧系统主要由气源部分、制氧部分、供氧部分、备用氧部分、控制部分等组成。气源部分包括进气装置、稳压装置、调温装置和过滤装置, 主要是将来自发动机某级引气或压缩机气体进行降温和降压处理, 除去空气中的水和杂质;制氧部分由分子筛制氧装置和氧气增压装置组成, 通过分子筛制氧装置, 采用变压吸附方法分离出氧气、氮气等气体, 氧气加压后输入飞机的氧气调节器, 其它气体排出机外;供氧部分由分配管路和氧气面罩组成, 将制氧部分产生的氧气, 依照供氧规律输送给机上人员呼吸用;控制部分则是利用氧分压传感器装置及控制装置, 自动控制输出氧气浓度及氧气压力。

2 民用机载分子筛制氧系统构架探讨

图1为民用飞机机载分子筛制氧系统概念构架框图。为安全起见, 加装机载分子筛制氧系统后, 需配备一套备用氧气瓶进行供氧。机载制氧和氧气瓶共用一套供氧管路和面罩。备用氧气瓶选用小型氧气瓶, 在机载分子筛制氧系统供氧量不足或系统故障时 (监控机载分子筛制氧系统的出口压力) , 自动切换到备用氧气瓶供氧。该概念构架即适用于机组供氧, 也适用于旅客供氧。

新研的民用飞机一般都配备了机载分子筛制氮系统。在进行民用飞机机载分子筛制氧系统的设计时, 可考虑与制氮系统联合设计, 分子筛分离出的富氮气体用于燃油箱惰化, 富氧气体用于机上人员供氧, 实现机载分子筛制氮系统和制氧系统的耦合, 提高飞机的集成性, 达到减重节能的作用。图2是机载分子筛制氮-制氧耦合系统概念架构。

3 机载分子筛制氧系统的优点

初步评估, 相对于传统的民用飞机氧气系统, 机载分子筛制氧系统主要具有以下优点:

1) 供氧时间无限制:机载分子筛制氧系统具有长时不断产氧、远距长时飞行供氧能力, 特别适合需要配备长时间应急供氧的飞机。

2) 安全性高:传统的民用飞机氧气系统采用高压氧气瓶或化学氧发生器作为氧源。高压氧气瓶在安装不当或受到冲击时, 有发生爆炸的可能, 历史上已发生多起该类事故。化学氧发生器在工作时会产生大量热, 处理不当会损害周围设备, 安装布置时需要进行散热隔热设计。而机载分子筛制氧系统完全可避免高压气氧的易燃易爆隐患, 也不会产生大量的热。

3) 维护性好:机载分子筛制氧系统仅需进行必要的定期维护工作, 维护时间短、费用低, 可减轻机务勤务负担。尤其是对高高原机场, 明显减少了氧气瓶充氧工作。

4) 重量轻:机载分子筛制氧系统不受供氧时间的限制, 在整个航程中随时可以按需用氧, 可避免加装大量的氧气瓶, 显著节省了重量和安装空间。

4 民用飞机机载分子筛制氧系统工作展望

民用飞机机载分子筛制氧系统的研究工作尚处在概念设计阶段。从系统集成方面考虑, 笔者认为后续可主要从以下几个方面开展机载分子筛制氧系统的研究工作:

1) 机载分子筛制氧系统如何满足适航条款的要求。

2) 机载分子筛制氧系统构架的优化和细化, 以及机载分子筛制氧-制氮耦合技术的研究。

3) 机载分子筛制氧系统在不同飞行条件下的供氧能力分析。

4) 机载分子筛制氧系统的输出压力控制技术研究。

5) 机载分子筛制氧系统对发动机引气的影响分析。

6) 机载分子筛制氧系统配套面罩TSO标准的制订 (传统的民用飞机机组氧气面罩和旅客氧气面罩均是TSO产品) 。

7) 机载分子筛制氧系统供气源的研究 (如进行空气压缩机供气和发动机引气的权衡分析) 。

8) 机载分子筛制氧系统安全性评估。

参考文献

制氧厂空分装置自动化控制系统 篇4

工业制氧的主要方法是深度冷冻液化分离法,就是通过空分装置对空气进行压缩、冷却以及液化流程后,根据空气中氧、氮等气体沸点的高低,通过多次蒸发与冷凝工序进行精馏分离,从而产出所需要的气体。空分装置自动化控制系统的特点是:安全系数要求高,工艺相对复杂,参数以及调节步骤多,能够进行遥控操作,同时要具备完善的监控功能,对整个运行过程能够进行准确而快速地记录。

空分装置构成相对繁琐,包括原料空气过滤器、空气压缩机、空气预冷系统、分子筛纯化系统、膨胀机组、分馏塔系统、稀有气体系统、液氧贮槽、液氮贮槽、液氢贮槽、氧压机以及氮压机等。

其基本工艺流程(如图1所示):空气进入从空气吸入塔后,首先对其进行过滤,然后利用空气压缩机进行加压,送入空气预冷塔,通过冷却水对空气进行冷却;再将冷却后的空气送入纯化系统进行吸附净化,将其中的水分、二氧化碳以及乙炔等部分碳氢化合物清除后送入膨胀机中进行膨胀;最后在分馏塔系统中实现分离,得到氧气或者氮气。

2 自动化控制系统的主要功能

利用DCS对空分装置系统进行自动监控,能够提升装置自动化水平,促进装置长期安全运行。

空分装置自动化控制系统氧压机控制系统配置如图2所示。

控制系统的操作站、网络采用冗余配置来提高系统的可靠性,系统有两台操作站,分别置于主控室与工程师站,此站可建立整个控制系统的全局数据库,并能进行系统组态、诊断、仿真。操作员站的作用是使操作员对生产过程参数可在线监视,根据实际情况进行操作。远程管理机使管理人员能够随时监视、查看各种数据和报表,掌握生产情况。

控制系统功能:

(1)空分装置启动准备控制。

氧压机控制系统控制方式打到自动位置,岗位工作人员将状态的DC点切换“准备”按钮,控制系统根据需求自动完成各个阀门开或关的动作,与此同时,将氮气入口压力与混合气放空以及轴封差压等的调节投入自动,实现设定值自动给定,对各个阀门位置与工艺参数进行确认,实现联锁开车条件。

(2)空分装置自动启动。

启动条件具备后,岗位工作人员按启动按钮,空分装置通过相关指令系统自动完成警铃启动,轴振动报警联锁倍增后,主电机开始启动,然后轴振动报警联锁倍增解除,空分装置控制系统的对应调节自动投入,阀门进行缓开或者缓关,相应的轴封差压调节系统投入联锁。

(3)空分装置氮氧自动切换。

空分装置完成自动启动后,系统的压缩机在一定的出口压力下运行,通过岗位操作人员对计算机画面上的“氮、氧”按钮的切换操作,控制系统的相应阀缓开,自动调节设定值,由氮气条件自动修正为氧气介质下的值。当氧气的纯度符合相关设定值的要求时,岗位操作人员点击人工确认按钮,控制系统自动完成缸间旁通阀、出口旁通阀全关功能。经过约2min后,氧气输送的阀门打开向外输送氧气,氧压机运转正常。

(4)空分装置回路自动调节。

氧压机从启动到正常运行阶段,各执行元件正确协调动作,实现控制系统自动调节回路的自动投入、设定值的自动设置及修正,各个阀门在所设定的时间内进行缓开或者缓关,完成动作要求。

(5)空分装置正常停车及联锁。

空分装置回路完成自动调节后,岗位工作人员将启动位置切换至准备位置,控制系统自动停车。对应的相关联锁启动,氧气排出阀自动关闭,混合气旁通阀都开启,同时轴封差压联锁解除,缸间旁通阀、防喘振阀、出口旁通阀、出口放空都开启,氧气压力迅速下降,送氧停止;岗位工作人员再将操作台上的准备位置调到停止位置,主电机停止运行,达到设置停车时间后氧气吸入系统的切断阀全部关闭,停车结束。

(6)控制系统的联锁事故停车。

遇到各类不同的事故时,氧压机应自动联锁停车。主电机带负荷停车,混合气排放阀、缸间旁通阀、出口放空阀、防喘振阀、出门旁通阀等都打开;同时,氧气排出阀、混合气放空阀、吸入切断阀等都关闭。对于重大事故,控制系统自动联锁停车后,各个阀门按相应要求动作,还要对其进行紧急喷氮处理。

(7)控制系统的主油泵与备用油泵间的自动切换。

控制系统的氧压机润滑油系统具有互为备用的两台油泵,某一台润滑油主油泵压力出现过低状况,系统能够通过联锁自动启动备用油泵,延时后,原主油泵停止,让润滑油系统始终能够及时地给氧压机润滑油系统供油。

3 典型空分装置自动化控制系统应用

(1)空压机报警联锁保护功能。

空压机报警联锁保护所引用的条件参数有轴振动、轴位移、过滤器前油压、过滤器后油压、主油压、油温、主电机电流、三级排气压力、油泵运行信号、三级进气温度等。

(2)防喘振控制系统。

空分装置自动化控制系的压缩机很容易发生喘振,其自动控制的好坏直接影响控制系统的品质指标。压缩机自动连续控制一般有两个过程:导叶的自动加载与防喘振阀的连续控制。为防止空分离心压缩机在输气过程中发生喘振,可采取以下自动化控制:根据离心压缩机的额定最小流量特性曲线和输气系统的特定参数确定压缩机的最佳工作区;根据离心压缩机的进出口温度与实际最小流量的偏移,对喘振线和防喘控制线进行实时补偿;用工况点求取的喘振点最小流量与实际工况点的最小流量进行比较,通过对压缩机进口导叶(进气阀)、防喘阀(放空阀)的控制,实现对离心压缩机的防喘控制。

(3)控制系统的入口导叶调节。

在鼓风机吸风入口附近装设一组可调节转角的导叶,其作用是使气流在进入叶轮之前发生旋转,进入风机叶轮的气流方向发生相应改变。入口导叶调节通过对入口压力定值的调节来实现。入口导叶一般限制瞬间大幅度动作,并且在运行过程中不允许导叶全关,在自动控制时其开度不低于满开度的10%～15%。

(4)分子筛(纯化器)时序控制。

分子筛的自控以安全第一、功能齐全、操作方便为原则。分子筛纯化器一般都有两组,一组工作,一组再生,交替切换,其工作流程如图3所示。

各个电磁阀都有确定的开关状态,下一步工作的开始依赖于时间和上一步阀门动作是否到位的状态反馈,时间或状态反馈不满足要求,电磁阀将维持原有状态并延时报警。

(5)氧气/氮气透平压缩机组启停控制和联锁保护。

氧气/氮气透平压缩机组启停控制和联锁保护的自动控制主要有以下过程:启动判断和启动过程顺控;正常停车顺控;重故障条件判断和顺控停车;喷氮停车条件判断和顺控;油加热器和油泵启停联锁。

(6)增压机回流阀控制与膨胀喷嘴自动控制。

增压机回流阀控制和膨胀喷嘴控制在现场膨胀机机旁盘和中控室DCS系统操作站上均可操作。膨胀机开车阶段,通常在机旁盘上操作;机组运行正常后,转入中控室DCS操作。

参考文献

[1]王欣荣.化工企业空气分离装置工艺流程选择[J].安徽科技,2011,(2)

[2]李秀英,梁日钧.分子筛自动切换程序的优化控制[J].包钢科技,2009,(2)

制氧空压机控制系统的研究与应用 篇5

关键词：控制系统,空压机,励磁系统,防喘系统

山东莱钢天元气体公司2200m3制氧的ATLAS空压机是采用4极同步电动机拖动的4级离心式空气压缩机。空压机作为空分装置中首要的设备,其运行的稳定可靠性直接关系到整个制氧机组的正常运行。空压机控制系统主要包括励磁和压缩机本体两大部分。励磁系统使空压机顺利启动,本体系统是监测空压机运行的关键,尤其是防止发生喘振和保护跳闸方面。因此,该控制系统的设计与实施是极其重要的。本文以ATLAS空压机为例,探讨如何保证该控制系统的可靠性。

1 空压机励磁系统

空压机的励磁系统采用的是常用的带交流发电机的无电刷系统(结构图如图1)。无电刷励磁系统主要由以下三个部分组成:旋转整流器的三相同步主励磁器;用于电动机起动程序的可控硅和触发器单元的旁通电路;用于励磁器励磁的电动机控制设备。

电动机控制单元由交流系统供电,由限流器和保护功能的自动化调节器电路两部分组成。调节器电路包括可控硅换流器和一个具有调节器、限流器、保护功能的PLC。(见原理框图2)

1.1 主励磁机

在无电刷励磁系统中,励磁电流是在主励磁机中产生的,该励磁机是一个同步的或感应的三相交流发电机。它在转子上有交流绕组,在定子中有励磁绕组,起到一个来自控制系统的励磁电流放大器的作用。

1.2 旋转二极管整流器

旋转二极管整流器是安装在励磁机的轴上,由以下组成:一个三相全波六脉冲整流器,每个支路用一个二极管,总共6个二极管;用于整流器高峰电压保护的2个RC电路;两个带触发单元的可控硅,在电机应用中的同步启动期间用作磁场过电压保护和旁路。

1.3 可控硅控制器

可控硅控制器主要用来控制主励磁机磁场的励磁电流,也可控制主电机的电压或无功电流或功率因数。调节器的输出用来控制可控硅控制器。可控硅控制器用风扇强制冷却的,由三相可控硅单元组成。可控硅控制器同时有相位角控制,根据负载大小,可控硅控制器的输出线性地高于或小于调节器的控制电压。

1.4 去励磁

励磁电路在可控硅控制器的输出侧上提供了一个励磁断路器。

1.5 调节器

调节器是建立在ABB Advant Controller AC 800M的基础上。AC800M是Compact Products 800系列产品中的一个重要组件,它是一款基于导轨安装的模块化的控制器,包含了CPU、通信模块、电源模块及一系列附件。集成了多种通信功能、可以实现全方位冗余,并且支持宽范围的I/O信号,同时也包括在危险区域的本质安全信号。AC800M控制器通过Compact Control Builder编程软件为其编程组态,使得AC800M控制器可以实现各种控制应用。可重复使用代码和库文件的功能特点也使AC800M的应用程序更加容易组态和建立。

控制器包括起动逻辑电路、调节器功能、过励磁和欠励磁的限制、保护和监督功能。调节器功能包含励磁电流调节器、电压调节器、无功功率调节器和功率因数调节器。采用功能块图FBD编制了应用程序,该应用程序包含了有三个单独执行时间的程序,即快速程序、正常程序和慢速程序。对电压调节器、快动作保护功能、欠励磁限制器和控制功能,则使用快速程序。对大部分控制任务,则使用正常程序。对启动阻塞、温度监控,则使用慢速程序。

1.5.1 快速程序

(1) 电压调节器是PID(比例积分微分)控制的,并测量电机的电压,且将它与设定值相比较。将从电压调节器的输出连接到模拟输出,并控制可控硅转换器。

(2) 二极管故障会造成励磁丢失和造成电机不能运行。二极管发生故障时,会使励磁机励磁电流产生电流波动。励磁电流是通过只对交流谐波敏感的传感器进行测量的。引至PLC与设定值比较,一旦超过时,在设定的时间延迟后,二极管监控跳闸电机达到保护目的。

(3) 不同步保护,保护电机防止在欠励磁下不稳定地运行。

(4) 差动保护是对电机的短路保护。

(5) 使用欠励磁限制器,来防止电机运行在太低的欠励磁区域中。

(6) 用于跳闸线路的逻辑,断开主断路器和励磁断路器。包括的功能例如:长启动、二极管故障、不同步、高或低电压、高或低励磁电流、差动保护、外部的跳闸、紧急停止。

1.5.2 正常程序

对正常程序的执行时间,设定到100-200ms。

(1) 当从压缩机控制活动了启动信号时,就引发了启动逻辑。在启动顺序期间,由PLC监视着自动变压器断路器。当闭合CB1且电动机已同步时,就闭合励磁断路器。

用计时器监控启动时间,当闭合CB 2时计时器就启动了。当完成启动时,该计时器就停止了。长启动时间就跳闸主断路器。

(2) 用于每个调节器的设定值,可以从操作员的控制盘上,使用升高、降低按钮来改变。升高和降低命令,都连接到运行中的调节器。

(3) 励磁电流调节器是PID特性的,且测量励磁电流,并将它与设定值相比较。从励磁电流调节器的输出,连接到模拟输出,并控制可控硅转换器。

(4) 用于电压调节器和励磁电流调节器的励磁电流限制器。

(5) 无功功率调节器。

(6) 功率因数调节器。

(7) 可控硅转换器监控。

(8) 使用高和低励磁保护,来防止电机运行在安全励磁电流极限范围之外。

(9) 过和欠电压保护。

1.5.3 慢速程序

在慢速程序中,将励磁时间设定到500-1000ms,并包含启动计数器、启动阻塞功能的报警。

1.6 操作员控制面板

此系统中,使用ABB操作员控制面板用于电动机运行数据、报警、跳闸和状态指示。其主要功能是:显示实际的电机运行数据,有电压、电流、功率因数、有功负载、无功负载和励磁电流,以及设定值;显示启动和断路器位置的状态;显示所有的报警与释放信号; 使用此操作面板的唯一不足是没有历史记录,为此利用AC800M提供的以太网接口,采用IFIX4.0 通过OPC实现了空压机整个启动过程的历史纪录,方便了空压机的故障迅速解决。

2 压缩机本体系统

2.1 压缩机的启动与跳闸保护

空压机由操作员直接在画面上发出启动命令,在空压机允许启动条件都满足后,通过PLC输出直接去空压机高压柜和励磁柜,从而使空压机启动。整个启动过程受励磁系统监控。

在空压机运行过程中,时刻监测空压机的振动,轴温,电机绕组温度,出口温度,油压等关键数据。若出现如下异常,振动高、轴温高,出口温度高,电机绕组温度高,油压低,喘振将会造成空压机保护跳闸。

空压机的电机温度、齿轮箱轴承温度、出口温度都是非常重要的参数,温度高将直接联锁设备停车。温度直接接进西门子S7-400PLC的热电阻模板,测温的一次元件经常会因为机体振动而断线,使得温度显示最大值,导致停车。为了避免这种情况发生,影响生产,在程序中设计了“断阻保护”,如果出现铂电阻断线,程序将不会联锁停车,如果是工艺原因而温度确实高,程序会正常联锁停车。

空压机的停机信号采用常闭点,正常时,停止继电器处于得电闭合状态,停止命令发出时失电,防止因为PLC故障,无法停止空压机。

所有的现场检测仪表选用了可靠的进口元器件。由于设备安装原因,在空压机运行时,导致管道震动太大,为此,将放空阀由一体式西门子定位器改为分体式定位器,从而避免了放空阀因振动太大而导致关不严的现象。

2.2 压缩机的升压和防喘控制

压缩机的升压操作和防喘保护是由2个入口导叶和放空阀共同作用实现的。

2.2.1 压缩机的升压

压缩机的升压操作是工况的需要。压缩机设有1级导叶和2级导叶(图3所示),入口导叶为手动控制,一级导叶将根据升压要求和二级导叶的逻辑关系自动调节。

二级入口导叶的开度值是由电流控制器的输出和手操值(手动输入值)两者的最小值决定。正常工况下,操作人员通过二级导叶的手操器控制二级和一级的阀门开度。当负荷超过额定负荷时,电流控制器起作用。当电流大于设定值时,二级入口导叶会从当前开度关小,直到实际值与设定值相等。

空压机的启动升压过程:

空压机启动5分钟后,一级入口导叶IGV自动从0逐渐开到30%(最小运行位置)。空压机启动10分钟后,允许空压机升压(加载),此时将放空阀手操值由100%改为0% ,点“加载”按钮,放空阀跟随加载斜波的输出,由100%逐渐关到0%,空压机出口压力会不断提升,放空阀全关后,如果压力没超过设定值,这时可以逐渐增加二级导叶的开度,而一级入口导叶开度也自动跟着增加,直到压力与设定值一致,满足工况的需要。

2.2.2 防喘保护

压缩机达到最小流量时,叶轮中的气流将失速。也称为“喘振”。喘振是周期性的、有声音的、对压缩机机械元件造成严重应力的现象。压缩机必须有防止喘振的保护,并且决不可以在喘振条件下运行。为了使压缩机能够在稳定的运行范围内持续地运行,从两方面防止发生喘振:

在压缩机达到(最小流量+固定值)之前,放空阀一直处于调节状态,当接近喘振保护线时,放空阀慢慢打开,防止空压机进入喘振区;(见图4)

进入喘振保护线内,还没进入喘振区,则放空阀立即打开到100%,空压机卸载;

2.2.2.1 流量控制器控制放空阀

流量控制器比较PV和SP。

负控制误差 (即过程值大于设定点)导致输出信号减小↓,Y → 0%(放空阀关闭)。

正控制误差 (即过程值小于设定点)导致输出信号增大↑,Y → 100%(放空阀打开)。

流量控制器的输出信号作用于“高选择器”。

2.2.2.2 限压控制器控制放空阀

控制器的过程值PV指最后一级的出口压力。限压控制器比较设定点SP和过程值(PV)。

负控制误差:(即过程值大于设定点)导致输出信号增大↑,Y → 100%(通过工艺的流量减小意味着放空阀打开)。

正控制误差:(即过程值小于设定点)导致输出信号减小↓,Y → 0%(通过工艺的流量增大意味着放空阀关闭)。

限压控制器的输出信号通过“高选择器”和“逆函数”传送给放空阀。出口限压控制器达到最大输出信号(100%输出信号对应100%开度 )时,放空阀必须打开。为了保证这与放空阀的运行一致,需要有“逆函数”。

只有在极端的工艺条件下限压控制器才工作,所以“高选择器”的输出信号作为反馈信号FB给限压控制器。启动时需要有斜波进行自动启动。利用该斜波,放气阀逐渐关闭并使控制器能够平稳的移交。

2.2.2.3 手操调节放空阀

操作人员可以通过画面对放空阀进行遥控,放空阀的最终输出是由手操、加载—卸载斜波输出、流量控制器和限压控制器的输出,四者高选值所决定。

2.3 喘振保护

上面说明了如何防止空压机在运行时进入喘振区域,而如果因为某些原因导致空压机直接进入喘振区,则应立即停止空压机。这部分是通过喘振保护器S7-300实现的,通过监测空压机流量与出口差压的比值,多次下于某个值时,判断空压机已经发生喘振,则立即发出保护跳闸命令,停止空压机,达到保护空压机的目的。

3 结束语

在该制氧空压机控制系统中无论是励磁系统还是压缩机本体系统,都是从三电一体化的角度综合考虑去如何控制,而不单单从某一方面上考虑,作为核心的自动控制系统除了选用性能价格比高的系统,更从软件方面以严谨的态度,完善控制功能。因此该系统自投运以来,运行稳定可靠,达到了预期目标,受到了用户的好评。

参考文献

[1]王敏.制氧站空压机防喘振自动调节系统[J].河北冶金,2002,(03).

[2]马小亮.大功率交——交变频调速及矢量控制技术[M].北京:机械工业出版社,1999.

优化制氧系统 篇6

内压缩流程是制氧生产的关键设备, 但其存在稳定工作区域窄及容易发生喘振等问题, 其中喘振对压缩机的危害极大, 必须配备控制系统来防止喘振的发生[1]。随着计算机控制技术的发展, 防喘振的控制手段和控制品质都得到了提高, 但防喘振控制还存在大量气体放空导致的能源浪费及控制回路单一导致的控制质量不好等问题[2]。

针对某新型双导叶离心式内压缩流程制氧机生产中存在的控制难点, 本文提出了一套综合控制策略, 即采用自适应动态干预控制改进了常规的基于PID控制的防喘振算法, 建立了多重防御体系, 抑制了喘振的发生;同时采用最小二乘曲线拟合方法求得了双导叶随动专家经验公式, 实现了双导叶的协调动作。

1 自适应PID防喘振控制

离心式压缩机虽然有体积小、流量大、调节性能好、控制气量的变化范围广等优点, 但它也有本身固有的喘振、轴向推力、轴振动等不足, 需要设计合理的系统对喘振进行控制及实现连锁保护[3]。

通过一定的数学推导, 可以得到如下的离心式压缩机制氧装置的近似喘振曲线:

其中, 2p为离心式压缩机出口气体压力;∆p1为离心式压缩机入口气体压差;a与b为与离心式压缩机工作参数相关的常数。这样在2p-∆p1关系图上可用一条直线来近似描述离心式压缩机的喘振曲线, 为保证压缩机工作在安全区, 其工作点首先应满足不等式p2

实际应用时工业现场工况的影响因素众多, 根据一条防喘振线进行常规的PID控制算法往往难以适时有效地预防和抑制喘振的发生, 需要采用多种控制方式建立多重防御体系 (如图1所示) 以提高控制系统的适应性和鲁棒性。

压缩机喘振自适应多重防御体系中的6条线把控制区域分割成6个区域根据压缩机当前的工作点位置自适应地进行控制, 基于此构建的的离心式压缩机喘振自适应控制系统的控制框图建立如图2所示。

压缩机喘振自适应控制系统工作原理如下:1) 喘振控制线L4是防喘振控制器的基准线将压缩机喘振线L1右侧的区域划分为控制区和安全区, 调控时基于压缩机实际工作点根据PID运行结果减小或增加防喘振阀的开度以使工作点回到控制线L4。2) 紧关线L5右侧为“绝对安全区”, 压缩机工作在该区域时控制器输出电流大于额定值强制防喘振阀完全关闭, 而当压缩机的工作点左移时控制器首先将输出信号跳回额定值, 然后再实施正常的控制作。3) 设置快速响应线L3作为非线性控制方式的起动线, 即根据测量与给定偏差的大小和方向来改变PID对偏差信号的调节增益, 以实现非线性自适应控制。4) 释放线L2使防喘振控制系统可以通过检测控制偏差的减小速率来判断工作点的左移速度, 进而阶跃性地减小输出信号以增大气体流量, 梯度性地让压缩机脱离喘振危险。5) 控制器检测到压缩机工作点移至保安线L6的左侧, 即已发生喘振时立即将控制线L4向右移动适当距离以抑制喘振再次发生, 并发出报警信息以提醒操作人员查找并排除喘振原因, 然后再将控制线复位到初始位置。

同时所设计的离心式压缩机防喘振控制系统还设计了许多安全措施以防止压缩机正常投运和报警状态下人为因素给压缩机带来危险。

2 双导叶随动专家控制

所研究内压缩流程制氧机的空气压缩机由于在一级压缩吸入口和二级压缩吸入口都装有入口导流叶片, 如果两个导叶的开度匹配不好, 便会导致压缩机吸入气流不顺、功耗上升及效率下降, 严重时甚至会造成压缩机喘振或极端情形导致机械损坏。投入使用初期, 该两级入口导叶开度的调整都是由现场操作人员手动进行, 这不仅导致人员的劳动强度大, 而且经常出现两个导叶的开度匹配不好的情况, 这些都严重影响了工厂的生产效益。

通过认真分析压缩机历史操作数据 (如图3所示) , 可以发现这些数据近似分布在一条直线上下, 从而考虑通过最小二乘法拟合出了操作曲线。

具体地, 可根据历史数据构建如下的拟合方程组求取一、二级入口导叶开度匹配的线性函数关系式系数a与b:

其中, xi与yi分别为一、二级入口导叶IGV1与IGV2的开度数据。代入该压缩机已积累的历史经验数据得到两者的函数关系为y=27.83+0.71x, 这样构建如图4所示的离心压缩机双导叶随动专家控制系统。

双导叶随动专家控制系统可使压缩机吸入气流顺畅、使压缩机的能耗稳定在较低的水平、同时也大幅度降低了能耗波动与提高生产的自动化水平。

3 现场控制系统调试结果分析

现场双导叶离心式压缩制氧机控制系统由PCS7 DCS、Profibus现场总线、ET200M远程I/O等硬件组成, 控制系统软件采用PCS7软件包, 提供有CFC、LAD、IL、SFC等图形化组态手段和WINCC6.0监控软件。由于各种调节阀门、导叶执行机构等, 一般都接收4~20m ADC标准信号。我们在其定位执行器输入端加入标准的4m A、8m A、12m A、16m A及20m A模拟量控制信号, 通过观察相应装置是否对应0%、25%、50%、75%、100%的开度而判断其工作的正确性, 从而研究所设计控制系统的有效性。

现场离心式压缩机制氧机组有100多个受控阀门, 这样调试时记录的数据很多, 受篇幅限制, 在此仅列出了氧气流量调节阀FV200A的调试记录数据如表一所示。可见本文所设计的PID自适应控制方案较常规PID控制方法能更好地跟踪调节信号, 能够更好地抑制离心式压缩制氧机出现喘振现象。

传统操作人员手动与双导叶随动专家控制两种情况下双导叶离心式压缩制氧机升压过程如图5所示, 图中红线和紫线分别表示压缩机的出口压力和驱动电机电流。可见采用人工手动调节两个导叶进行升压时压缩机的出口压力曲线和电机电流曲线波动较大, 而采用双导叶随动专家控制后出压缩机的出口压力曲线和电机电流曲线都比较平滑稳定, 压缩机的能耗和工作稳定性大为改善。

4 结束语

针对内压缩流程制氧机喘振及双导叶开度调节问题, 本文改建立了自适应多重防御控制系统, 使得控制器反应更加迅速, 能够更快和更有效的防止喘振的发生, 且节能效果明显;采用最小二乘曲线拟合方法得到了双导叶随动专家经验公式, 实现了双导叶的协调动作、节约了能源、降低了人员劳动强度。工业现场实用表明所研制的内压缩流程制氧机自动控制系统性能稳定, 控制效果良好。

参考文献

[1]李方涛, 李书臣, 苏成利, 等.离心式压缩机防喘振控制及故障诊断系统研究与应用[J].化工自动化及仪表, 2011, 38 (5) :589-592.

[2]阮荣波.离心式压缩机的调节控制系统[J].中国石油和化工标准与质量, 2012, 33 (13) :65-66.

优化制氧系统 篇7

氧是产生人体功能活动所需能量的必要物质,是人体不可缺少的生命元素。制氧装备是重要的医技保障装备,是战伤救治的重要手段[1]。制氧装备常用的制氧工艺主要有膜分离法、深冷空分法、化学法和变压吸附法(PSA)。变压吸附法制氧以其能耗低、无污染以及成本低等特点,在便携式制氧设备中得到广泛应用[2～5]。为减小便携式变压吸附制氧机的体积和重量,采用先进的节氧方法是制供氧器微型化的重要途径。目前的节氧法主要有节氧面罩法、节氧鼻导管法、固定频率供氧法和呼吸脉冲供氧法等[6]。有研究表明,呼吸脉冲供氧法是节氧最有效的方式之一,达到相同的供氧效果,脉冲供氧的耗氧量仅为连续供氧的1/6,目前呼吸脉冲供氧法已被广泛应用于各类呼吸机中[7～12]。本文以变压吸附制供氧工艺研制出便携式制氧机,在连续供氧模式下的平均供氧流量为500ml/min~700ml/min,为提高便携式制氧机的氧气利用率,设计了微型压力差压开关检测呼吸压力的控制系统,以实现便携式制氧机的呼吸脉冲供氧。

1工艺设计

便携式制氧机属于小型制氧设备,小型便携的基本内容包括:1)容易携带或移动,特别是能用手方便携带;2)自带电源。因此,研制适合便携使用制氧机的关键是减轻制氧机的体积和重量。综合考虑制氧和供氧两方面特殊的功能,为使结构简单、运行稳定,采用变压吸附制供氧技术工艺设计自备电源的便携式制氧机。 变压吸附法制氧原理是根据沸石等分子筛对氧气和氮气吸附性能不同,在加压条件下吸附氮气,在减压条件下解吸氮气,从而分离出空气中的氧气和氮气。

为连续稳定制取氧气,便携式制氧机采用低压两塔变压吸附制氧工艺流程,如图1所示。为节约能耗, 提高制氧效率,制氧工艺增加了反吹过程,在吸附塔底部增加一个反吹孔,实现对分子筛的清洗。吸附塔为一体化组合化吸附塔,内装超低压高效锂分子筛,有利于减小设备的体积重量并降低压缩机功耗;电磁阀为组合化的专用电磁阀,集成在吸附塔上,结构紧凑,控制方便。供氧工艺采用依呼吸频率供氧的方式,采用微动差压开关准确检测人体呼吸频率,由单片机控制供氧电磁阀的开闭,实现吸气时供氧,呼气时停止供氧,但氧气制备过程是连续的,不因呼气时供氧停止而停止,从而有效提高了氧气的利用率。

1.过滤器;2.压缩机;3.流量计;4.压力表;5.组合电磁阀;6.吸附塔1#; 7.吸附塔2#;8.反吹器;9.单向阀;10.储气罐;11.减压阀;12.氧浓度传感器; 13.压力表;14.流量计;15.供氧电磁阀;16.压力传感器;17.控制板

2系统设计

2.1呼吸脉冲供氧原理

人体正常呼吸时,呼和吸的气量随频率而变。图2为三种呼吸频率下的呼吸气量波形,从图中可以看出, 一个呼吸周期为2s~4s,吸气时间小于呼气时间[13]。 在吸气阶段的前0.5s内,吸气量最大,因此在吸气的前0.5s供氧是最有效的。采用鼻吸管呼吸时,人体对气体的吸入和呼出产生的压力随时间的变化关系基本上呈正弦函数关系[14]。当人正常吸气时,鼻吸管内的压力呈相对负压状态,而呼气时压力则呈相对正压的状态。为能灵活、准确地采集呼吸压力的变化,本设计设置的压力传感器阈值为20Pa[15,16]。

2.2呼吸脉冲供氧管路

根据呼吸时的压力变化,设计的呼吸脉冲供氧管路连接如图3所示,储氧罐中的氧气先经过电磁阀,通过三通一端连接压力传感器,另一端与人鼻相连。采用的压力传感器是美国Dwyer公司的机械型的微型压力差压开关,可以测正压,即呼气;也可测负压,即吸气(如图4所示)。本系统是对呼吸时的吸气动作进行检测, 所以采用了负压形式。

根据微动压力开关的内部结构,两个引出的终端是不导通的,当吸气时,鼻吸管内呈现负压状态,内部的两个金属薄片就会接触在一起,从而使两个终端导通, 通过单片机程序的控制,供氧电磁阀导通,实现供氧; 当呼气时,鼻吸管内呈现正压状态,金属薄片断开,从而电磁阀关闭,停止供氧。

供氧电磁阀采用欧卡达公司的OKD-0520B微型两通常闭式电磁阀,其体积小巧、质量可靠,便于与制供氧气集成。电磁阀的工作电压为12V,工作电流为125m A,单片机的控制信号经74LVC04反相器取反后再由达林顿管UN2003放大后再驱动电磁阀。由于UN2003是大电流、高耐压的复合晶体管阵列,它由七个硅NPN复合晶体管组成,所以换向电磁阀、压缩机以及供氧电磁阀均由达林顿管UN2003驱动。

2.3控制系统软件设计

脉冲供氧时,压力传感器检测人体的呼吸信号, 当压力传感器检测到呼吸信号时,由单片机控制电磁阀的开闭状态,从而实现脉冲供氧。脉冲供氧主程序如图5所示。根据人体正常呼吸的规律,在吸气阶段的前0.5s内吸氧最有效,为此设计供氧电磁阀的导通时间为0.5s。

在脉冲供氧模式下,若出现鼻吸管脱落或出现呼吸困难等问题,单片机检测不到呼吸信号,则通过蜂鸣器进行报警提示。具体方法是,每检测一次呼吸信号后, 计时器开始计时,若在设定的时间内检测到下一次呼吸信号,则计时器清零,正常供氧;若在设定的时间内没有检测到呼吸信号,则蜂鸣器报警提示,为防止有呼吸困难等意外事件的发生,供氧电磁阀打开,实行连续供氧方式。

3性能评价

将鼻吸管与便携式制氧机相连,启动制氧机,吸气时能感觉到气体供应存在,停止吸气时则无气体感觉, 说明可实现依呼吸频率供氧。由于人体实际使用脉冲供氧时,供氧流量和氧气浓度直接测量困难,因此试验时采用单片机以一定频率控制电磁的开闭来模拟人体的呼吸频率。用排水法测量1min内制氧机制取氧气的体积, 用氧气分析仪测量氧气浓度,计算出单次吸氧量,实验结果如表1所示。

设计的脉冲供氧电磁阀导通时间是固定的,不随呼吸频率改变而变。从表1可以看出,随着呼吸频率的增加,制氧机的产氧流量和供氧流量也相应增加,单次吸氧流量会逐渐降低,而且随着呼吸频率的增加,氧气浓度逐渐降低,呼吸频率越快,氧气浓度越低。这是因为呼吸频率越快,制氧机排气量越大,吸附塔内的压力越低,导致吸附不完全,造成氧气浓度降低。但当呼吸频率在每分钟20次以下时,氧气浓度大于90%。

4结论

以微型压力差压开关检测人体的呼吸频率,代替传统用压力传感器检测呼吸压力的方法,既简单准确又稳定可靠,可有效降低电磁阀的误操作,降低氧气错误输出的概率,大大节约了制取的氧气,提高了氧气利用率,相对地降低了制氧机的体积、重量和能耗,解决了便携式制氧机的瓶颈问题,同时也为其他类型供氧系统的设计提供了借鉴。

摘要：目的:设计便携式制氧机的呼吸脉冲供氧系统。方法:采用变压吸附技术工艺制取氧气,根据人呼吸过程中流量和压力变化的特点,设计压力传感器与电磁阀的管路连接,通过微动差压开关检测人体呼吸压力的变化,由单片机控制电磁阀的开闭实现脉冲供氧。结果:通过检测呼吸频率实现了便携式制氧机的脉冲供氧,当呼吸频率在每分钟20次以下时,氧气浓度能达到90%(ml/ml)。结论:采用微型压力差压开关检测人体呼吸频率来实现脉冲供氧,稳定可靠,节约氧气,提高了氧气利用率,减小了制氧机的体积、重量和能耗,同时也为其他类型供氧系统的设计提供了借鉴。