自动滤毒通风系统的设计

彭 涛

（国营785厂第一研究所，山西 太原 030024）

自动滤毒通风系统配属于车载方舱，当空气遭受污染时，系统自动启动，将舱外受污染空气净化后输入到方舱内，舱内保持规定的超压，使乘员免受污染空气的侵害。

我们研制的自动滤毒通风系统既有检测报警功能，又有自动调控和净化防护功能，是一种非常实用的自动控制系统。

1 用途

当方舱遭受核化袭击时，自动滤毒通风系统能自动探测到报警信号并启动滤毒通风装置，将舱外受污染的空气净化后输入到方舱内，供舱内人员使用，使舱内保持一定的超压，阻止外界受污染的空气经门窗等缝隙进入，使方舱形成一个无污染的防护空间。

2 系统组成及工作原理

自动滤毒通风系统主要由滤毒罐、控制器、核化报警器、差压变送器等组成一个闭环自动调节系统。如图1所示。

图1 自动滤毒通风系统的组成

其工作原理简述如下:当发生核化袭击时，核化报警器报警，报警信号传送到控制器，由控制器启动滤毒罐内的通风机工作，受污染的空气被过滤后形成净化空气送入方舱内。由于方舱处于相对密封状态，舱体内的空气进入量大于空气泄露量，舱体内逐渐形成超压。传感器检测舱体内外的气压差，并将与差压成正比的电信号量传送到控制器的输入端，控制器据此调节通风机转速，控制进风量，将舱体内的超压控制在300 Pa～1 000 Pa。

2.1 核化报警器

核化报警器是实现自动滤毒通风的前提;没有报警信号，我们将不知道是否遭受了核化袭击，什么时候启动/停止自动滤毒通风系统的工作。

核化报警器主要用于监测环境化学毒剂浓度及放射性沾染的程度，当二者达到损伤人体浓度或放射照射剂量时，仪器对化学毒剂污染或放射性污染产生声光报警，同时将信号送给控制器。

2.2 差压变送器

差压变送器用于检测和控制气体的过程压力，将采集的差压信号通过放大转换成标准信号。该信号再通过屏蔽导线传送到控制器单片机的A/D输入端。

2.3 控制器

控制器主要由转速控制器，功率驱动器，稳压电源等组成。图2是控制器的电路框图。

图2 控制器电路框图

2.3.1 转速控制器

转速控制是滤毒通风系统的控制核心。主要由控制计算机和外围扩展电路组成。

主要技术特性:

（1）含微处理器标准内核

·20 MHz时钟频率;

·可编程看门狗定时器;

·3个16位定时器，2个外部中断;

（2）3个各自独立的存储器

·128 KB主Flash存储器;

·32 KB第2块Flash存储器;

·8 KB SRAM/支持后备电池自动切换;

·支持片内程序或数据的加密保护;

（3）可编程逻辑

·存储器译码和管理PLD;

·16个宏单元通用PLD;

（4）I/O和通信通道

·多达46个GPIO和4个PWM通道;

·USB1.1接口（最低速度为1.5 Mbps）;

·I2C主/从接口;

·两个UART接口;

（5）模拟功能

·4个通道8位ADC;

·4通道PWM控制器;

·具有Reset发生器和Vcc监控。

转速控制器计算机的I/O口接受核化报警器的报警信号，采样差压变送器的模拟量电压值，经过软件处理，输出模拟量电压去控制功率驱动器，使功率驱动器的输出电压得以改变，从而调节直流电动机的转速。

2.3.2 功率驱动器

功率驱动器由两部分组成，即AC/DC变换器和DC/DC变换器。滤毒装置内直流电动机的功率为380 W，加上变换效率，再考虑电动机的启动电流，AC/DC变换器应满足约500 W的功率需求。因是由交流220 V 50 Hz变换为+24 V，AC/DC变换器的选择可省去一个大功率变压器。

DC/DC变换器实际上是一种直流斩波调压模块。模块内由单片机控制，并且配合IGBT功率器件，输入为+24 V，在外界信号电压的控制下，其输出电压可以由0 V变化到+24 V。这种具有功率输出的变化电压，正是直流电动机调速所需要的。

模块内已设置电压负反馈，具有过流、过热、短路保护和制动刹车功能。

2.3.3 稳压电源

稳压电源的功率不超过50 W，有±5 V、+24 V和+12 V四种电压。

2.4 滤毒装置

2.5 软件设计

自动滤毒通风系统是一个涉及到气压数据采集的闭环控制系统。传统设备的压力、流量、液位、温度自控系统中，对压缩机、电动机等通常采用起、停控制（或通、断控制）。这种控制方法的优点是简单易行，缺点是启动电流大，噪音大，运行不平稳。

本设计方案并不采用传统的起、停控制法，而是采用电动机调速控制法，保持方舱内部的差压在300 Pa～1 000 Pa之间。

自动滤毒通风系统的控制精度并不需要很高，方舱内的超压即使是1 000 Pa，也仅仅是增加了0.01个大气压，对人体显然无任何危害。另外，如果面对这样一种超压式的防护模式，建立准确的数学模型既不容易，也无必要。在这种情况下，采用计算机的模糊控制方式是比较适宜的。

通常，计算机数字控制的方式有三种:即顺序控制、数字程序控制、直接数字控制。所有这些控制方式都必须知道被控制对象的数学模型，根据数学模型设计出相应的控制算法，计算机通过软件编程来实现对象控制。

计算机模糊控制方式是用模糊控制算法取代原有的数字控制算法。直接查表法是常规模糊控制的设计方法之一，它适合与本方案的软件设计。图3是自动滤毒通风系统的动态结构框图。

图3 自动滤毒通风系统的动态结构框图

注:R:方舱内超压量的设定值，在计算机内以8位数字量表示;

Y:差压变送器实际检测到的差压值，在计算机内也是以8位数字量表示;

e=R-Y:差压设定值和实际检测值的偏差:

e':单位时间内本次偏差值和上次偏差值之差，即偏差的变化率;

K1，K2，K3:比例系数;

n:与电动机转速成正比的电压量。数字滤波技术是对模拟量数据采集易受干扰而采取的软件抗干扰措施。自动滤毒通风系统中差压变送器的模拟信号尽管在硬件设计上已经进行了抗干扰处理，但是在软件设计上的抗干扰措施也是十分必要的。

3 结束语

自动滤毒通风系统的研制是以国防现代化为宗旨，以高新技术为手段，以强化部队的防核化装备为目的，同时为我军提供了一种安全可靠、操作方便、易于维护的系统。

［1］金之诚，李德领，马潮.μPSD32× ×高速SOC51单片机原理及应用［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［2］李成章.现代UPS电源及电路图集［M］.北京:电子工业出版社，2001.