聶廣鹿，方懂平

(1．北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

(2．舟山市定海區(qū)巨洋技術(shù)開發(fā)有限公司，浙江舟山 316000)

空壓機(jī)自動(dòng)控制節(jié)能裝置主要用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)上，而在柴油或汽油驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)上卻很少看到。這是因?yàn)橄鄬τ谟秒娭苯域?qū)動(dòng)，柴油或汽油驅(qū)動(dòng)會占用大量內(nèi)部空間，很難再布置自動(dòng)控制裝置。但柴油和汽油驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)應(yīng)用十分廣泛，因此急需開發(fā)一種實(shí)用、高效、節(jié)能的空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，以適應(yīng)全球化低碳節(jié)能的要求。

1 節(jié)能型空壓機(jī)的自動(dòng)控制原理

自動(dòng)控制系統(tǒng)(如圖1、圖2所示)啟動(dòng)時(shí)檢測壓力控制開關(guān)的狀態(tài)，壓力控制開關(guān)打開時(shí)，表示過壓，系統(tǒng)將關(guān)閉油門，關(guān)閉電磁閥(電磁閥為斷電狀態(tài));壓力控制開關(guān)閉合時(shí)，開啟電磁閥，通過舵機(jī)將油門調(diào)節(jié)到流量最大的位置(如圖3、圖4所示)，隨后再關(guān)閉電磁閥。

圖1 接口分布

圖2 舵機(jī)連接

圖3 舵機(jī)左轉(zhuǎn)油門關(guān)閉

正常工作時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)壓力控制開關(guān)狀態(tài)的變化來判斷下一步的動(dòng)作。若壓力控制開關(guān)由打開變?yōu)殚]合，表示壓力達(dá)到下限，此時(shí)需要啟動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)(具體過程:打開電磁閥，等待轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，達(dá)到額定值后緩慢開啟油門(暫定24s)，油門完全開啟后關(guān)閉電磁閥，舵機(jī)信號線停止向舵機(jī)提供執(zhí)行信號(如圖5所示)，結(jié)束后等待下一次狀態(tài)改變);壓力控制開關(guān)由閉合變?yōu)榇蜷_，表示壓力達(dá)到上限值，此時(shí)需要關(guān)閉動(dòng)力系統(tǒng)(具體過程:緩慢關(guān)閉油門(暫定24s)，結(jié)束，等待下一次狀態(tài)改變［1］)。

2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 舵機(jī)右轉(zhuǎn)油門打開

圖5 舵機(jī)接口定義

空壓機(jī)由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、油門控制裝置、儲氣罐、傳感器、小型發(fā)電機(jī)、電磁閥、控制器、調(diào)壓開關(guān)、氣體壓縮機(jī)構(gòu)、進(jìn)氣管、飛輪、氣動(dòng)馬達(dá)等構(gòu)成(如圖6所示)。動(dòng)力機(jī)構(gòu)、調(diào)壓開關(guān)和氣體壓縮機(jī)構(gòu)安裝在儲氣罐上構(gòu)成空壓機(jī)的主體構(gòu)架，動(dòng)力機(jī)構(gòu)的主體部分為柴油機(jī)或汽油機(jī)，動(dòng)力機(jī)構(gòu)的上部安裝有氣動(dòng)馬達(dá)，氣動(dòng)馬達(dá)上的齒輪與飛輪上的齒圈相嚙合，動(dòng)力機(jī)構(gòu)的下部安裝有功率低于20W的小型發(fā)電機(jī);動(dòng)力機(jī)構(gòu)上安裝有飛輪;動(dòng)力機(jī)構(gòu)的中部安裝有傳感器;進(jìn)氣管上安裝有電磁閥，氣動(dòng)馬達(dá)的進(jìn)氣管由電磁閥引出，控制器安裝在靠近調(diào)壓開關(guān)的一側(cè)，為了方便與調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行電氣連接，控制器通過導(dǎo)線與油門控制裝置、傳感器、小型發(fā)電機(jī)、電磁閥相連接［2］。

圖6 空壓機(jī)構(gòu)造

氣動(dòng)馬達(dá)只進(jìn)行單方向動(dòng)力輸出，因此只接有一根氣管;氣動(dòng)馬達(dá)上的齒輪也進(jìn)行單方向扭矩輸出，其功能猶如自行車后輪上的飛輪，這樣當(dāng)氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)啟動(dòng)后，就不會跟著同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，延長了氣動(dòng)馬達(dá)的使用壽命;電磁閥為兩位三通氣動(dòng)電磁閥或兩位四通電磁閥;傳感器為霍爾元件或轉(zhuǎn)軸電壓式;小型發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)動(dòng)式或振動(dòng)發(fā)電式;油門控制裝置由小型氣缸、電磁閥、限位開關(guān)和彈簧構(gòu)成;電磁閥用來驅(qū)動(dòng)小型氣缸執(zhí)行動(dòng)作［3］。

3 電路設(shè)計(jì)

電路主要基于51單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，以52單片機(jī)為智能控制單元進(jìn)行外圍布局。首先，發(fā)電機(jī)提供交流電能，經(jīng)整流橋進(jìn)行整流穩(wěn)壓后，分成兩路變壓模式，變成5V后輸入到單片機(jī)和傳感器;變成12V后輸入到電磁閥。由于野外工作環(huán)境惡劣及供電電源的不穩(wěn)定，因此在外圍電路上設(shè)有抗諧波構(gòu)造，其主要原理是基于傅立葉分解法求出各次諧波含量，然后計(jì)算出總諧波含量，將計(jì)算數(shù)值運(yùn)用于外圍電路中，可保護(hù)供電系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 供電部分

智能控制部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成(如圖8所示)?？刂菩盘栠M(jìn)入單片機(jī)首先要經(jīng)過光電隔離模塊進(jìn)行物理隔離后進(jìn)行閉環(huán)輸入，其作用就是在兩個(gè)供電控制之間創(chuàng)建了一個(gè)物理隔斷，這意味著信號數(shù)據(jù)包不能從一個(gè)信號路徑流向另外一個(gè)信號路徑。并且兩者線路上從不會有實(shí)際的連接，以防止外來干擾影響單片機(jī)工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用舵機(jī)模塊，由單片機(jī)輸入控制信號，配合12V供電進(jìn)行精確控制，基本實(shí)現(xiàn)了電路的整體工作流程［4］。

圖8 控制部分

4 結(jié)束語

通過以上幾大模塊的設(shè)計(jì)、改進(jìn)與優(yōu)化，并利用其自身壓縮空氣進(jìn)行啟動(dòng)，不增加額外的大容量電瓶電機(jī)，實(shí)現(xiàn)自行啟動(dòng)，節(jié)能環(huán)保，同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡潔高效，可以節(jié)約大量油料，尤其是在大型戶外工程的使用上，節(jié)能效果更為明顯，具有廣闊的市場空間。

［1］ 張曉光．信號檢測與控制電路［M］．北京:中國計(jì)量出版社，2008．

［2］ 劉建民，陳建軍．螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行及維護(hù)技術(shù)問答［M］．北京:中國電力出版社，2011．

［3］ 彼得·斯托伊卡．現(xiàn)代信號譜分析［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2008．

［4］ 李萍．51系列單片機(jī)叢書［M］．北京:中國電力出版社，2008．