节能型空压机自动控制系统研究

2014-04-13聂广鹿方懂平

机械设计与制造工程 2014年5期

聂广鹿，方懂平

(1．北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044)

(2．舟山市定海区巨洋技术开发有限公司，浙江舟山 316000)

空压机自动控制节能装置主要用在电机驱动的空压机上，而在柴油或汽油驱动的空压机上却很少看到。这是因为相对于用电直接驱动，柴油或汽油驱动会占用大量内部空间，很难再布置自动控制装置。但柴油和汽油驱动的空压机应用十分广泛，因此急需开发一种实用、高效、节能的空压机自动控制系统，以适应全球化低碳节能的要求。

1 节能型空压机的自动控制原理

自动控制系统(如图1、图2所示)启动时检测压力控制开关的状态，压力控制开关打开时，表示过压，系统将关闭油门，关闭电磁阀(电磁阀为断电状态);压力控制开关闭合时，开启电磁阀，通过舵机将油门调节到流量最大的位置(如图3、图4所示)，随后再关闭电磁阀。

图1 接口分布

图2 舵机连接

图3 舵机左转油门关闭

正常工作时，系统根据压力控制开关状态的变化来判断下一步的动作。若压力控制开关由打开变为闭合，表示压力达到下限，此时需要启动动力系统(具体过程:打开电磁阀，等待转速达到额定值，达到额定值后缓慢开启油门(暂定24s)，油门完全开启后关闭电磁阀，舵机信号线停止向舵机提供执行信号(如图5所示)，结束后等待下一次状态改变);压力控制开关由闭合变为打开，表示压力达到上限值，此时需要关闭动力系统(具体过程:缓慢关闭油门(暂定24s)，结束，等待下一次状态改变［1］)。

2 执行机构设计

图4 舵机右转油门打开

图5 舵机接口定义

空压机由动力机构、油门控制装置、储气罐、传感器、小型发电机、电磁阀、控制器、调压开关、气体压缩机构、进气管、飞轮、气动马达等构成(如图6所示)。动力机构、调压开关和气体压缩机构安装在储气罐上构成空压机的主体构架，动力机构的主体部分为柴油机或汽油机，动力机构的上部安装有气动马达，气动马达上的齿轮与飞轮上的齿圈相啮合，动力机构的下部安装有功率低于20W的小型发电机;动力机构上安装有飞轮;动力机构的中部安装有传感器;进气管上安装有电磁阀，气动马达的进气管由电磁阀引出，控制器安装在靠近调压开关的一侧，为了方便与调压开关进行电气连接，控制器通过导线与油门控制装置、传感器、小型发电机、电磁阀相连接［2］。

图6 空压机构造

气动马达只进行单方向动力输出，因此只接有一根气管;气动马达上的齿轮也进行单方向扭矩输出，其功能犹如自行车后轮上的飞轮，这样当气动马达带动动力机构启动后，就不会跟着同时转动，延长了气动马达的使用寿命;电磁阀为两位三通气动电磁阀或两位四通电磁阀;传感器为霍尔元件或转轴电压式;小型发电机为转动式或振动发电式;油门控制装置由小型气缸、电磁阀、限位开关和弹簧构成;电磁阀用来驱动小型气缸执行动作［3］。

3 电路设计

电路主要基于51单片机系统进行开发设计，以52单片机为智能控制单元进行外围布局。首先，发电机提供交流电能，经整流桥进行整流稳压后，分成两路变压模式，变成5V后输入到单片机和传感器;变成12V后输入到电磁阀。由于野外工作环境恶劣及供电电源的不稳定，因此在外围电路上设有抗谐波构造，其主要原理是基于傅立叶分解法求出各次谐波含量，然后计算出总谐波含量，将计算数值运用于外围电路中，可保护供电系统，如图7所示。

图7 供电部分

智能控制部分主要由单片机系统构成(如图8所示)。控制信号进入单片机首先要经过光电隔离模块进行物理隔离后进行闭环输入，其作用就是在两个供电控制之间创建了一个物理隔断，这意味着信号数据包不能从一个信号路径流向另外一个信号路径。并且两者线路上从不会有实际的连接，以防止外来干扰影响单片机工作。执行机构采用舵机模块，由单片机输入控制信号，配合12V供电进行精确控制，基本实现了电路的整体工作流程［4］。