一种智能过滤装置的研究与设计

2024-01-13郎庆阳黄志东

辽宁科技学院学报 2023年5期

郎庆阳，黄志东，王仲，赵亮，张磊，支珊

（辽宁科技学院机械工程学院，辽宁本溪 117004）

在液压或气压系统中，需要有过滤装置把工作中产生的杂质去除，才能保证系统正常工作。过滤装置一般由滤芯对液压油或气体进行过滤，滤芯需要定期更换，常用的方法是依靠经验估计或通过观察来确定是否更换滤芯，或者是定期更换。滤芯已经达到寿命却没有更换，或滤芯还没有达到寿命提前更换，都会影响系统性能、生产安全及成本［1］。在更换滤芯的过程中，需要把液压或气压系统暂停，会对需要连续工作的系统产生影响，会降低工作效率或对设备产生损伤。针对上述问题，文章研究和设计了一种可以自动检测滤芯寿命、更换滤芯无需暂停系统、可以连续工作、具备物联网功能的智能过滤装置。

1 总体方案

在压力系统的输入接口和输出接口之间连通有至少两个并列的过滤通道，每个过滤通道内均设有过滤器，每个所述过滤器连接于所述输入接口和输出接口之间。该过滤装置中的输入接口压力传感器检测输入端压力，输出接口压力传感器检测输出端压力，控制器实时检测记录端口压力，并计算输入端压力和输出端压力的差值，当差值达到预定阈值时，控制当前过滤通道输入输出控制阀关闭过滤通道，同时开启所述至少两个并列的过滤通道中的剩余任意一个过滤通道，并上传相关信息和发出报警信号。这样，可通过压力检测实现自动检测压力系统中的过滤器滤芯寿命，且有多个过滤通道轮流切换使用，当一个过滤通道无法工作时（即滤芯损坏或达到寿命），不影响压力系统连续工作。控制器可以与上位机相连，实时上传监控信息。

2 结构设计

智能过滤装置的结构如图1 所示，过滤装置的输入接口和输出接口之间连通有至少两个并列的过滤通道，每个过滤通道内均设有过滤器，每个所述过滤器连接于所述输入接口和输出接口之间。

图1 过滤装置结构

过滤装置的主体框架结构由控制器、输入接口及连接在其上的输入压力传感器、输出接口及连接在其上的输出压力传感器构成。输入接口和输出接口对外连接压力系统管路，在其间为过滤通道，以两路过滤通道为例，其中一路过滤通道为当前工作过滤通道，另一路为备用过滤通道。每一路过滤通道均包括输入控制阀、过滤器（具有壳体和其内部的滤芯）、输出控制阀。液压油或气体由输入接口流入过滤装置，由输出接口流出过滤装置，输入压力传感器与输入接口连接，测量输入的液压油或气体的压力，输出压力传感器与输出接口连接，测量输出的液压油或气体的压力，输入接口和输出接口之间为两条过滤通道，分别是第一过滤通道和第二过滤通道。

对于输入输出控制阀，可以采用电磁阀，也可以采用电机控制的机械阀。在新建系统管路或管路修改比较方便的情况下，可以选用电磁阀或电机控制的机械阀。对于不易修改的已成型管路可以对现有机械阀进行改造，改成电机控制的机械阀。电机控制机械阀，可以选用直流电机加限位的形式，也可以选择步进电机的形式，并根据实际情况加装减速结构。

3 控制系统设计

智能过滤装置的控制系统由单片机作为主控制器，配以各类功能模块和驱动模块，如图2 所示。

图2 过滤装置控制系统

单片机有多种方案选择，方案一为低成本应用，可采用51 单片机，并简化外围配件，实现基本功能；方案二采用Arduino 控制器，可以选择Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino Mega 2560 中的一种；方案三可采用ESP32 控制器，其具有双核32 位CPU，集成了2.4 GHz Wi-Fi 和蓝牙功能［2］；方案四可以采用STM32 系列单片机，其工作频率高，接口丰富，功能强大，适合于物联网应用。

输入压力传感器接口和输出压力传感器接口与单片机相连，其中包括必要的AD 转换电路等数据处理电路，将输入输出压力传感器的测量数据传递给单片机处理。当然，如果选用数据输出的压力传感器，则可以直连单片机。

输入输出控制阀驱动器由单片机控制驱动过滤装置中输入输出控制阀的开闭。对于电磁阀，可以选用普通继电器模块或固态继电器模块，以及其他半导体功率元件。对于电机控制的机械阀，如果采用直流电机加限位的形式，可以选择继电器模块或者L298N 等直流电机驱动模块；如果采用步进电机的形式，可以结合功率情况选用A4988、DRV8825、TB6560、TB6600 等步进电机驱动模块［3］。

显示屏用来显示过滤装置的基本参数和工作状态，可以采用简单实用的数码管，也可以选用OLED等液晶显示模块，对于复杂系统，也可以选用触控屏。需要注意的是，对于简单人机交互接口，还需要按键输入模块，用来输入数据设定阈值等基本参数。

存储器用来存放压力差阈值数据和滤芯信息，时钟模块用来产生时间数据，GSM 模块用来向用户手机发送短信，报警器模块用来发出声音报警信号。

基于物联网技术实现远程的数据采集与设备监控，可以优化生产流程提高效率。物联网功能模块也可以有多种形式。可以基于无线数据传输，将一定范围内单个或多个过滤装置与上位机进行组网，如选用无线串口透传模块，其内置单片机射频芯片，可以支持不同信道、速率和功率，使用简单，无需关心其复杂的无线相关参数，只需通过串口发送、接收需要处理的数据。

可以采用基于CC2530 芯片方案的ZigBee 自组网模块，其内置ZigBee 协议栈、32.768 Hz 时钟晶体振荡器、PA+LNA，支持ADC、PWM、GPIO 等外设直驱。 ZigBee 是一种低功耗、低速率的无线通信技术，广泛应用于自动控制和远程控制领域。 ZigBee 技术采用自组织网络，无需中心控制器，能够自动发现并连接设备，具有网络容量大、安全性高、低功耗等优点［4］。

在具有Wi-Fi 信号的工作场景中，可以选用ESP8266 串口无线Wi-Fi 模块进行联网。 ESP8266是一款低成本、低功耗的Wi-Fi 微控制器，集成了Wi-Fi 和TCP/IP 协议栈，支持多种网络协议。ESP8266 支持多种无线网络协议，如TCP/IP、UDP、HTTP、DHCP、DNS、ARP、TFTP 等。 ESP8266 还具有丰富的GPIO 接口，可实现多种功能，如串口通信、PWM、ADC、DAC 等。 ESP8266 体积小巧，可嵌入各种设备中，广泛应用于物联网、智能家居、无线监控、智能城市等领域。ESP8266 支持多种天线类型，可以选择内置天线、外置天线等，以适应不同的应用场景［5］。

对于远程监控，4G DTU 模块。 4G DTU，即4G Data Transfer Unit，是一种基于4G（LTE/3G/2G）无线网络的数据传输终端，它能将串口数据转换为IP 数据或将IP 数据转换为串口数据，通过4G 网络进行传输。 4G DTU 广泛应用于各种行业，如物联网、智能家居、工业自动化、气象、环保、水利等。 4G DTU模块均支持远程管理平台，可对常用物联网平台协议进行优化，支持百度云、华为云、OneNET 等物联网云平台，方便用户进行设备管理和监控。

机械结构采用标准元件，由继电器等标准功能模块控制，其实验验证较为简单。文章针对控制系统基本功能，进行了实验验证，搭建了基础测试环境，采用ATmega16 单片机为控制核心，采用输出信号为4 mA～20 mA 的压力传感器结合IV 转换电路作为测量信号输入，采用单片机内部AD 转换模块。采用数码管模块显示压力信息，采用ZigBee 通信模块实现物联网基础通信功能。经过实验，各项基本功能均可以实现。