小型制氧压氧一体机的控制系统设计

1、天 津 大 学 网 络 教 育 学 院专科毕业论文题目：小型制氧压氧一体机的控制系统设计完成期限：2016年7月5日 至 2016年11月5日学习中心：杭州专业名称：机械制造与自动化学生姓名：王国庆学生学号：142092403011指导教师：刘艳玲天津大学网络教育学院专科毕业论文小型制氧压氧一体机的控制系统设计第一章 绪论1.1课题背景氧气是空气中的主要成分，是人类呼吸中必不可少的气体，人类对氧气的需求是一刻不能停止的。当氧气浓度变低后会对人的生命活动产生影响。比如：缺少氧气会对神经系统产生影响，缺氧危害最大的便是神经系统，就算是轻度的缺氧也会造成视觉和智力的功能性紊乱；同时缺氧也会对呼吸系统

2、产生影响，当在低氧环境中工作学习时，会导致过度换气，从而使CO2呼出过多导致呼吸性碱中毒，如果二氧化碳分压高于6.67Pa，或动脉血氧分压低于8KPa，则会出现呼吸功能衰竭；对循环系统的影响，缺氧后，身体会反馈式增加红细胞，当红细胞过多时，氧气供应不足便会引起循环阻碍；此外缺氧还会引起肝细胞水肿、变形和坏死，肝功障碍，肝纤维化等疾病。因此对于处于缺氧环境或进入缺氧环境的工作人员，为了保证工作的安全，工作人员需要随身装备供氧设备，于是氧气的制备与储存便成为首要解决的问题。自从18世纪空气的组成被人类发现以后，已经发明很多方法来制造和存储氧气。其中最具代表性的是变压吸附制氧技术，由于其能耗低、方便

3、、投资少、操作简单、灵活等优点，目前得到广泛的运用，并处于迅速发展中。目前，变压吸附制氧技术正在向高浓度氧、小型化和大型化的方向发展。其中设计小型化的变压吸附设备是目前变压吸附制氧领域中一个发展迅速且具有重要意义的方向。在小型化的过程中我们面对一个问题，小型制氧机在制备氧气供人员使用的过程中富裕的产品气往往白白浪费，制氧机空闲时间的闲置也造成资源浪费。所以，引入压氧机来保存氧气，将富裕产品气储存到氧气罐中，用于保存制造的氧气，有利于资源的节约。1.2研究意义目前，有很多对小型制氧机的研究，市场上也有一些很好的产品出现。对于小型压氧机而言，虽然对加工要求比较高，但市面上还是出现了一些相关成品。但

4、是，将小型制氧机与小型压氧机结合起来的研究还比较少，目前国内外很少有压氧制氧一体机的设计，基本上都是制氧机与压缩机进行分体化设计。虽然分体设计有一定的优点，比如，分体设计时，各自的功能独立，供电系统，控制系统等互不影响，系统耦合程度低。但同时又很大的缺点，吸氧与压氧不能够在同步进行，在氧气使用量较少时会造成产品气的浪费，无法将多余的氧气存储起来，产生的多余的氧气将会被浪费掉。同时，分体设计不利于设备的安装和携带，也不利于使用。与现在装备多功能化、系统功能集成化的趋势不符。因此，小型制氧压氧一体机具有很高的研究价值和实际运用的意义。1.3 本文主要内容本文主要本文主要研究了小型制氧压氧控制系统的

5、设计。首先，对制氧技术进行整体性介绍，并通过对常用制氧技术的分析比较得出变压吸附技术的优势，说明变压吸附技术适合小型制氧系统。其次，在详细分析变压技术之后，针对本课题，进行制氧机及压氧机的零部件设计选型及结构设计。主要包括：吸附塔的设计，压缩机的选型，制氧机的结构设计，一体机的结构设计等。在进行整机结构设计时，由于顾及本设计对设备结构的考虑，所以，在整机设计的过程中，研究了多种方案设计，并在零部件的布局及组合方式过程中进行了多套尝试，在此研究和实验的基础上选择一中最为合理的结构方案。在整机结构方案确定后，在保证整机强度的前提下尽量减少整机重然后，对一体机的控制系统进行了硬件的设计和软件的编写。

6、在硬件设计过程中，首先进行主控制器的选型，根据所选控制器进行相关芯片的选择，及相关电路的设计。在控制系统设计过程中分别进行了电源电路设计、复位电路设计、报警电路、人机交互电路、输出及接口电路、信号采集处理等电路的设计。软件方面，首先设计出软件系统的整体结构，然后自上而下的设计软件的结构，从整体到局部的编写软件程序。第二章 制氧压氧一体机的结构设计2.1 制氧技术常用的制氧方法有深冷法、变压吸附法、膜分离法等等。深冷法常常使用在大规模生产中或者是大型设备中，而在小型设备中使用更多的制氧方法是变压吸附法。而变压吸附制氧技术与其他技术相比，具有其他技术不具备的优点，比如设备投资少、单位制氧量能耗低、

7、运行过程安全、操作方便、自动化程度高等，适合用于那些对氧气纯度要求不高且氧气需求量较小的中小型设备。变压吸附（PSA）的基本原理是根据不同气体在同一吸附剂上的吸附量会随着温度的变化而变化，在温度一定的情况下，通过改变气体压强将不同的气体分离、提纯，这样的循环过程。变压吸附（PSA）分离法的主要使用沸石分子筛、碳分子筛、活性炭、氧化铝以及硅胶等材料进行气体分离的原理，一般情况下，常用沸石分子筛和碳分子筛进行氧气和氮气分离。这是被大规模使用的制氧技术。沸石分子筛（ZMS）是一种天然的或人工合成的结晶铝硅酸金属盐的水合物，沸石分子筛活化后，随后将其加热沸石分子到一定程度后，就可以去除里面的水分子，于

8、是就能形成笼形的结构，表面积大大增加。由于沸石分子筛对极性分子和不饱和键分子有很高的选择性。因为极性分子影响了无极性的氧分子和氮分子，从而使它们产生了偶极，而吸附剂本身固有的极性偶极与氧分子和氮分子的诱导偶极具有吸附作用，所以导致氧气和氢气的分离。在等温条件下，氮分子的诱导偶极的诱导力大于氧分子诱导偶极的诱导力，因而沸石分子筛吸附剂对氧分子和氮分子的吸附量是不同的。气体行业常用的分子筛主要有：方钠型，如型，钾（3A），钠（4A），钙（5A）；八面型，如型，钙X(10X)，钠（13X）和型，钠，钙；丝光型，（-M型），高硅型沸石，如ZMS-等。其中，5A小型富氧分子筛是一种特制的5A分子筛，是专

9、门为医疗保健制氧机而生产的，该分子筛具有制氧纯度高、产氧速度快、制氧寿命长的特 点，是5A分子筛在医疗保健制氧领域的一个重要应用。 碳分子筛CMS是上世纪七十年代出现的一种新型吸附剂。它以煤为原料，在流化床中氧化，经粘合剂粘结成型，并进行炭化后，使原来的大孔变为适合空分的有效孔径而制成的。碳分子筛主要是利用筛分的特性来分离氧气和氮气的。在分子筛吸附过程中，大孔和中孔只起到通道的作用，将被吸附的分子运送到微 孔和亚微孔中，微孔和亚微孔是吸附的主要场所。碳分子筛内部包含有大量的微孔，这 些微孔允许动力学尺寸小的分子快速扩散到孔内，同时限制大直径分子的进入。它的有效孔径在0.4nm0.9nm之间，利

10、用氮分子和氧分子的动力学直径的差异（氮分子和氧分子的动力学直径分别0.364nm、0.364nm），通过氮分子和氧分子在碳分子筛微孔中扩散速率的不同来实现氮气和氧气的分离2.2气体压缩技术在工业及民用领域，有时需要使用压力较大的压缩气体，特别是在石油、采矿、制冷、冶金、化工和动力等部门。他们通常采用气体压缩机来提高气体压力或输送气体。在气体压缩机的选型过程中虽然最终实现的用途可能一样，但气体压缩机的工作原理和结构形式却大不相同。如我们所知，气体的压力取决于单位时间内气体分子撞击单位面积的强烈程度与次数，而提高气体压力的办法主要有两种：提高密闭空间内气体的温度：缩小气体所占据的封闭空间的体积。增

11、加密闭空间内气体的温度，提高气体分子运动的速度可以使密闭空间内气体的压力提高，但是，当温度降低之后，气体压力有随之降低，而通常情况下要求压缩气体温度不宜过高，所以在大多数情况下，通过提高气体温度 来增加气体压力的方法是不可取的。那么，我们通常采用的办法就是通过缩小气体所使用的封闭空间的容积，缩短气体分子间距离，也就是增加单位体积内气体分子数目来提高封闭空间内气体的压力。而压缩气体的体积，给气体加压的机器即为气体压缩机。气 体压缩机按照结构类型分类，可以分为：容积式气体压缩机；速度式气体压缩机。（1）容积式气体压缩机，包括：往复式、回转式。其中往复式又可分为活塞式和隔膜式等，回转式又可分为螺杆式

12、、滑片式和罗茨式等。 （2）速度式气体压缩机，包括：离心式、轴流式、喷射式、混流式等。第3章 控制系统硬件设计3.1控制系统整体设计在控制领域常用的控制器是工控机、单片机、PLC等等。其中，在大中型制氧设备中多采用PLC作为控制系统的核心。对于小型制氧机，由于设备体积小、灵活性高、便于携带等特点一般采用单片机作为其控制系统的CPU。本系采用C8051F单片机为制氧机控制系统的主控制器，制氧机的主控板主要包括电源电路、系统复位电路、报警电路、输出接口及驱动电路、信号采集电路、外部振荡电路。其系统框图如图3-1所示。图3-1 系统整体框图3.2 电源电路系统控制板上主要使用的两种电源为5V和3.3

13、V两种电源。本系统采用两级电源变化，首先将220V交流电源转化为5V直流电源，再通过线性稳压器将5V直流电转化为3.3直流电源。控制板通过变压器将内部220V和外部220V隔离，防止电力线电压的剧烈变化会损坏控制电路板。再经过熔断器，熔断器主要起保护作用。通过熔断器后仍然是交流电，我们需要将其转化为直流电。全桥整流电路就是将220V，50Hz的交流电转化为直流。通过通过C1，C2两个滤波电容为电源噪声提供一个低阻抗的路，将噪声泻放到地平面，防止其影响电源变换电路。电源电路通过LM7825将直流电转化为5V直流电，LM7825是采用DC-DC的开关电源，C3和C4主要起滤波作用。电路图如3-2所

14、示。图3-2 220V转5V电源电路1117是常用的线性稳压器，采用直流5V输入，3.3V直流输出。在输出端采用不同的数量级的电容，以滤掉不同频率的电源噪声。5V转3.3V电路图如3-3所示。图3-3 5V转3.3V电源电路3.3 输出接口及驱动电路输出接口电路如图3-4所示，单片机的4个GPIO口连接4个光耦，通过光耦实现光电隔离，防止电机侧的强电流损坏控制测电路。光耦连接到驱动芯片L298N，L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L293D的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等

15、，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。为了避免电机对单片机的干扰，本模块加入光耦，进行光电隔离，从而使系统能稳定可靠的工作。本驱动电路中电源使用12V电源，同时连接上保护的二极管，主要的功能是作为高压和抵压保护。图3-4 电机驱动电路3.4信号采集电路传感器输出的电压为05V的模拟信号，通过两个10K电阻连接到地，选用大电阻主要是想减小电流，防止传感器驱动能力不足。将1/2的电压也就是02.5V输入到运算放大器，本运算放大器主要是一个电压跟随的作用。由于运算放大器高输

16、入阻抗和低输出阻抗的特性，这样可以很好的为AD转化提供良好的信号源。图3-5 信号采集电路第四章 系统软件设计4.1 软件整体架构4.1.1 软件开发环境因为在硬件设计阶段选择的单片机为Cygnal公司的C8051f系列，所以在进行软件设计时，选择的开发软件也是Cygnal公司所提供的专用开发软件。进行单片机程序设计时常用的语言有汇编和C51，C语言是一个运用广泛，应用平台多样，从单片机搭配大型计算机系统都可运行的一种结构化程序语言。它具有丰富的库函数，编译效率高运行速度快，且具有较好的可移植性。同时它还支持从上而下的结构化设计，有完整的模块化程序结构，为软件设计过程的模块提供了方便，提高了软

17、件设计的速度、效率。相对而言，汇编语言是较底层的的语言，其直接面对设备硬件，程序效率高，结构小巧、紧凑。但由于其不是结构化的程序设计语言，用其编程可读性较差，移植性较差。在编写和调试过程中对编程人员的要求更高。所以用C语言编写程序效率高、开发周期短，以便以后的维护和扩展。本系统中软件设计主要包括以下部分：主程序、制氧程序、压氧程序、数据采集处理程序与人机交互程序等。所有程序均采用C语言编写，要求实现整机的正常运行，运行状态的实时监测、显示，故障的停机报警等功能。其中制氧系统中吸附时间和均压时间的长短对产氧质量起着至关重要的作用，是软件设计的关键参数。主程序如图4-1所示，在接通电源后，系统开始

18、上电复位。在上电期间，器件保持在复位状态，/RST引脚被驱动到低电平，直到VDD上升到超过VRST电平。系统复位完成后，程序开始初始化设备然后系统进入待机状态，等待操作人员进行下一步操作。当操作人员按下开机按键后，系统识别到按键操作，向显示屏发出显示运行状态的指令。此时吸附塔A开始进行首次进气，由于刚开机时吸附塔内压力为大气压力，需要先向吸附塔内注入一定量的空气，从而使吸附塔内达到一定的压力。在首次进气结束后，系统开始循环进行吸附、均压的运行过程，并在每次循环当中监测是否有关机按钮按下，以确定是否关机。图4-1 系统主程序图4.1.2 吸附时间与切换时间的确定在变压吸附制氧工艺中吸附时间和均压

19、时间对产品气的氧气浓度起着至关重要的作用氧气的浓度会随吸附时间增加先升高后降低，存在一个最佳吸附周期。在均压过程中，也存在一个最佳均压时间。吸附时间和均压时间的调整是通过调整电磁阀切换时间来实现的，需要在软件编程中设定好切换时间。因此需要通过实验来确定最佳的切换时间和均压时间。4-2 吸附时间、均压时间对氧气浓度的影响采用本控制系统的制氧机以不同切换时间运行时氧气浓度如图4-2所示。有图可知在均压时间同为0.75s的情况下，吸附时间为6.05s时氧气浓度要高于其他两组。这是由于吸附周期较短时，吸附尚未完成以及解吸也不完全，造成产品气纯度下降。随着吸附周期逐渐变长，吸附将更加充分，解吸也会更加完

20、全，产品气的纯度自然会上升。这并不是表示吸附时间越长越好，当吸附周期增加到某一数值，吸附剂达到饱和状态，如果仍然延长吸附周期，氮气就会穿透吸附层，因而呈现出一种产品气浓度随吸附时间延长氧气浓度先增高后降低的状态，同时在吸附时间同为6.05s的情况下，均压时间为0.70s时氧气浓度均要高于其他两组。这是因为被均压的吸附塔内的气体压力快速上升从而保证出口氧气稳定在较高的浓度水平。因此均压时间越长会使的吸附塔内压力快速上升从而保证出口氧气稳定在较高的浓度水平。因此均压时间越长会使的吸附塔内压力上升越快，产氧量越大，氧气浓度越高，所以在一定均压时间范围内，氧气浓度会随均压时间延长而增加。当均压时间达到一定长度后，分子筛中解析出的氮气就会均压到被均压的吸附塔内，从而使得氧气浓度降低。根据以上数据我们确定了本制氧机的最佳吸附时间与均压时间分别为6.05s、0.75s。4.1.3 压氧控制程序压氧机控制程序主要包括，对电机的启动停止控制、对压力信号检测等。由于压缩机在压氧过程中要经历一个压力从0MPa到13MPa以上的变化过程，此过程中电动机的扭矩也要跟随压力变化进行实时调整。我们将压氧机的开启通过中断对电磁阀的控制来实