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. 天 津 大 學 網(wǎng) 絡 教 育 學 院 ?？飘厴I(yè)論文 題目：小型制氧壓氧一體機的控制系統(tǒng)設計 完成期限：2016年7月5日 至 2016年11月5日 學習中心：杭州 專業(yè)名稱：機械制造與自動化 學生姓名：王國慶 學生學號：142092403011 指導教師：劉艷玲 . . 小型制氧壓氧一體機的控制系統(tǒng)設計 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，當在低氧環(huán)境中工作學習時，會導致過度換氣，從而使CO2呼出過多導致呼吸性堿中毒，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胞，當紅細胞過多時，氧氣供應不足便會引起循環(huán)阻礙；此外缺氧還會引起肝細胞水腫、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。其中設計小型化的變壓吸附設備是目前變壓吸附制氧領域中一個發(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計，基本上都是制氧機與壓縮機進行分體化設計。雖然分體設計有一定的優(yōu)點，比如，分體設計時，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，分體設計不利于設備的安裝和攜帶，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)的設計。首先，對制氧技術(shù)進行整體性介紹，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，在詳細分析變壓技術(shù)之后，針對本課題，進行制氧機及壓氧機的零部件設計選型及結(jié)構(gòu)設計。主要包括：吸附塔的設計，壓縮機的選型，制氧機的結(jié)構(gòu)設計，一體機的結(jié)構(gòu)設計等。在進行整機結(jié)構(gòu)設計時，由于顧及本設計對設備結(jié)構(gòu)的考慮，所以，在整機設計的過程中，研究了多種方案設計，并在零部件的布局及組合方式過程中進行了多套嘗試，在此研究和實驗的基礎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)進行了硬件的設計和軟件的編寫。在硬件設計過程中，首先進行主控制器的選型，根據(jù)所選控制器進行相關(guān)芯片的選擇，及相關(guān)電路的設計。在控制系統(tǒng)設計過程中分別進行了電源電路設計、復位電路設計、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計。軟件方面，首先設計出軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，然后自上而下的設計軟件的結(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)中或者是大型設備中，而在小型設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偶極具有吸附作用，所以導致氧氣和氫氣的分離。在等溫條件下，氮分子的誘導偶極的誘導力大于氧分子誘導偶極的誘導力，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)療保健制氧領域的一個重要應用。 碳分子篩CMS是上世紀七十年代出現(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 些微孔允許動力學尺寸小的分子快速擴散到孔內(nèi)，同時限制大直徑分子的進入。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直徑的差異（氮分子和氧分子的動力學直徑分別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：往復式、回轉(zhuǎn)式。其中往復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)硬件設計 3.1控制系統(tǒng)整體設計 在控制領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)動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，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。當驅(qū)動直流電機時，可以直接控制步進電機，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，同時連接上保護的二極管，主要的功能是作為高壓和抵壓保護。 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 因為在硬件設計階段選擇的單片機為Cygnal公司的C8051f系列，所以在進行軟件設計時，選擇的開發(fā)軟件也是Cygnal公司所提供的專用開發(fā)軟件。 進行單片機程序設計時常用的語言有匯編和C51，C語言是一個運用廣泛，應用平臺多樣，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)化設計，有完整的模塊化程序結(jié)構(gòu)，為軟件設計過程的模塊提供了方便，提高了軟件設計的速度、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，以便以后的維護和擴展。 本系統(tǒng)中軟件設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)開始上電復位。在上電期間，器件保持在復位狀態(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)復位完成后，程序開始初始化設備然后系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，等待操作人員進行下一步操作。當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開始進行首次進氣，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)達到一定的壓力。在首次進氣結(jié)束后，系統(tǒng)開始循環(huán)進行吸附、均壓的運行過程，并在每次循環(huán)當中監(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，當吸附周期增加到某一數(shù)值，吸附劑達到飽和狀態(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。當均壓時間達到一定長度后，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)，當壓氧按鍵按下時，對單片機提出中斷請求，單片機判斷當前狀態(tài)下是否允許中斷，當中斷條件具備時，單片機響應中斷請求，發(fā)出壓氧機運行指令，相應電磁閥閉合，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)進行實時控制，其運行狀態(tài)通過LED進行指示，壓氧和制氧共用一塊LED。當壓氧發(fā)生故障，或壓氧過程結(jié)束，氧氣壓力達到設計目標值時，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標量法對氧氣濃度進行測量。 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，達到標準要求的水平。 5.2 壓氧機性能測試 壓氧機主要是對氧氣壓力、時間以及可靠性進行測試。 對1L的鋼瓶進行了罐裝實驗。最大壓力達到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。 .