Perancangan Sistem Pengendalian Generator Oksigen Adsorpsi Ayunan Tekanan Portabel

Perancangan sistem kontrol untuk generator oksigen adsorpsi ayunan tekanan portabel
 

 

Oksigen merupakan elemen dasar untuk menunjang aktivitas kehidupan manusia dan berperan penting dalam berbagai perawatan medis dan penyelamatan darurat. Peralatan produksi oksigen merupakan peralatan penunjang medis yang penting. Metode produksi oksigen pressure swing adsorpsi (PSA) telah banyak digunakan pada peralatan produksi oksigen skala kecil dan menengah karena keunggulannya berupa konsumsi energi yang rendah, tidak ada polusi, dan investasi yang rendah. Prinsip kerja metode adsorpsi ayunan tekanan adalah: melalui perbedaan karakteristik adsorpsi saringan molekuler terhadap oksigen dan nitrogen, nitrogen diadsorpsi dalam kondisi bertekanan untuk memisahkan oksigen; dalam kondisi tekanan rendah, nitrogen diserap untuk mengembalikan kinerja adsorpsi saringan molekuler untuk mencapai pemisahan oksigen dan nitrogen. Sebagian besar peralatan produksi oksigen adsorpsi ayunan tekanan saat ini berukuran besar dan berat, sehingga tidak dapat memenuhi kebutuhan portabilitas di lapangan atau di kendaraan. Generator oksigen adsorpsi ayunan tekanan portabel mengacu pada peralatan produksi oksigen yang dapat dibawa dengan ringan, memiliki catu daya sendiri, dan ringan. Namun, penelitian dalam bidang ini di Tiongkok relatif sedikit, dan sistem kendali yang ada umumnya berukuran besar, otomatisasi rendah, dan stabilitas buruk. Dalam penelitian ini, dikombinasikan dengan proses produksi oksigen adsorpsi ayunan tekanan, sistem kontrol yang sesuai untuk generator oksigen adsorpsi ayunan tekanan portabel dirancang dan dikembangkan untuk memberikan dukungan teknis untuk penelitian lebih lanjut dan penerapan generator oksigen portabel.

Proses produksi oksigen adsorpsi ayunan tekanan

Untuk mengembangkan generator oksigen adsorpsi ayunan tekanan portabel, penelitian ini menggabungkan prinsip produksi oksigen adsorpsi ayunan tekanan dan terlebih dahulu menentukan aliran proses dasar produksi oksigen, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Untuk mengurangi volume dan berat generator oksigen portabel, percobaan ini mengadopsi proses produksi oksigen dua menara. Proses produksi oksigen dua menara banyak digunakan pada peralatan produksi oksigen kecil karena strukturnya yang sederhana, perawatan yang mudah, dan biaya rendah. Dengan pengoperasian dua menara adsorpsi secara bergantian, produksi oksigen yang berkelanjutan dan stabil dapat dicapai, sekaligus secara efektif mengurangi volume dan massa peralatan. Untuk meningkatkan hasil oksigen dan mengurangi konsumsi energi, percobaan ini merancang dan mengadopsi proses dengan proses pemerataan. Proses pemerataan semakin meningkatkan efisiensi produksi oksigen dan mengurangi konsumsi energi sistem dengan mengoptimalkan perbedaan tekanan. Kombinasi proses ini tidak hanya meningkatkan kinerja generator oksigen adsorpsi ayunan tekanan portabel, namun juga secara efektif mengontrol konsumsi energi dan volume peralatan sekaligus memastikan kemurnian oksigen.



Desain sirkuit penggerak beban
Beban kerja utama konsentrator oksigen PSA portabel meliputi kompresor udara dan katup solenoid. Dengan menggunakan katup solenoid gabungan, volume dan berat konsentrator oksigen dapat dikurangi secara efektif sekaligus meningkatkan stabilitas sistem. Namun karena tegangan operasi kompresor udara dan katup solenoid adalah DC 12V, sedangkan tegangan operasi mikrokontroler adalah DC 3.3V, maka sulit untuk menggerakkan beban-beban ini secara langsung. Oleh karena itu, sinyal keluaran mikrokontroler dibalik oleh inverter 74LVC04 dan diperkuat oleh tabung Darlington ULN2003 untuk menggerakkan pengoperasian kompresor udara dan katup solenoid.
ULN2003 adalah susunan transistor komposit berkinerja tinggi dengan ketahanan suhu tinggi dan tekanan tinggi yang baik serta kapasitas beban yang kuat. Ini mengintegrasikan dioda freewheeling dan dapat secara langsung menggerakkan beban arus tinggi termasuk relay. Skema rangkaian penggerak kompresor udara dan katup solenoid ditunjukkan pada gambar.



Desain rangkaian penggerak kompresor udara
Kompresor udara adalah komponen daya inti dari generator oksigen adsorpsi ayunan tekanan portabel (PSA). Ini memisahkan oksigen dengan menghirup udara sekitar dan memberikan tekanan untuk mengirimkannya ke menara adsorpsi, yang merupakan penghubung utama dalam proses produksi oksigen. Untuk memenuhi persyaratan kinerja peralatan portabel yang efisien dan stabil, sistem ini menggunakan kompresor DC micro brushless Thomas, yang memiliki keunggulan kelancaran pengoperasian, aliran besar, getaran rendah, kebisingan rendah, dan konsumsi energi rendah, serta sangat cocok untuk skenario penerapan generator oksigen.
Motor DC tanpa sikat memerlukan sirkuit penggerak khusus untuk menyelesaikan pergantian elektronik guna memastikan pengoperasian normal. Oleh karena itu, dirancanglah seperangkat rangkaian penggerak motor berbasis chip kontrol JY01. Prinsipnya ditunjukkan pada gambar. Melalui desain sirkuit yang dioptimalkan, kecepatan pengoperasian dan stabilitas kompresor udara dapat dikontrol secara akurat.
Desain dan Prinsip Sirkuit
JY01 adalah chip kontrol yang khusus digunakan untuk motor DC brushless, dengan fungsi utama sebagai berikut:
Pengaturan kecepatan linier: untuk mencapai kontrol kecepatan motor yang tepat;
Berbagai mekanisme proteksi: termasuk proteksi arus berlebih, proteksi tegangan rendah, dan proteksi hubung singkat untuk memastikan pengoperasian sirkuit yang aman;
Output modulasi lebar pulsa sinusoidal (SPWM): untuk meningkatkan efisiensi berkendara dan mengurangi getaran dan kebisingan motor.
Sirkuit penggerak didasarkan pada JY01, dan sinyal posisi rotor (Ha, Hb, Hc) diperoleh melalui sensor Hall, dan chip menghasilkan sinyal penggerak yang sesuai. Output sinyal SPWM oleh JY01 mengontrol modul penggerak IR2021, sehingga menggerakkan transistor efek medan (FET) dari lengan jembatan atas dan bawah. Sinyal penggerak dibagi menjadi sinyal kendali lengan atas dan bawah: sinyal lengan atas MA, MB, dan MC masing-masing diwakili oleh AT, BT, dan CT, dan sinyal lengan bawah diwakili oleh AB, BB, dan CB.

Kesimpulannya
Sejalan dengan mekanisme produksi oksigen pemisahan membran, penelitian ini merancang sistem kontrol generator oksigen pemisahan membran kompak yang menggunakan komputer mikro chip tunggal STM32F407 sebagai unit kontrol pusat, sekaligus merumuskan sirkuit kontrol periferal yang sesuai dan algoritma kontrol. Seluruh pengaturan kontrol menunjukkan keunggulannya yaitu mudah digunakan, mudah dioperasikan, sangat stabil, dan sangat andal, serta kemampuan interaksi manusia-mesin yang sangat baik. Prototipe generator oksigen yang dikembangkan di bawah rezim kendali ini berukuran kecil dan memiliki bobot yang sangat ringan. Ketika laju keluaran oksigen mencapai 0,8 L/menit, kemurnian oksigen dapat mencapai 93,2%, memenuhi tolok ukur desain yang telah ditentukan sebelumnya. Ke depan, terdapat rencana untuk mengeksplorasi regulasi cerdas dalam proses produksi oksigen. Dengan menyesuaikan parameter seperti kecepatan pompa, waktu permeasi, dan tekanan membran secara tepat, laju keluaran oksigen dan kemurnian generator oksigen dapat disetel secara otomatis sesuai dengan perubahan suhu sekitar dan dipertahankan pada tingkat yang relatif konstan.