基于工控机的负压控制系统设计与实现

发布时间：2019-09-19 03:26

【摘要】：氧气监控器作为机载供氧系统的关键设备,其稳定性与可靠性非常重要,需要在其投入使用前进行严格的测试。目前氧气监控器的主要测试方法是手动测试,由于该方法存在着效率低、精度差等缺点,文章设计了一种能够为氧气监控器自动化测试提供模拟高空环境的负压控制系统,介绍了负压控制系统的结构,分析了以脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)技术控制高速开关阀的方式进行负压控制的原理。并以嵌入式工控机作为控制系统核心,设计了一种能够准确快速模拟负压环境的负压舱、高速开关阀驱动电路、电源电路等。实验结果表明,该负压控制系统具有精确、高效、可靠、自动化等特性,能满足氧气监控器的测试要求。
【图文】：

系统结构图,负压控制,系统结构

，，系统能够快速、平稳地达到设定值，且控制误差在５０ｍ范围内。（２）当氧气监控器在某一高度下发出报警信号时，系统能够采集到该信号，并结合氧浓度判断该条件下氧气监控器的报警功能是否正常。（３）当负压舱内气压达到设定负压值时，为确保负压舱门能正常打开，系统应包括使负压舱回到常压的功能。（４）由于氧气监控器是精密的贵重设备，其电源需要稳定可靠，硬件电路中的电压与电流不能出现过载现象。１．２总体结构设计系统总体设计结构如图１所示。该系统由工控机、数据采集板卡、功率驱动电路模块、高速开关阀、真空泵、气压传感器、继电器模块、系统电源模块、负压舱等部分构成。其中工控机与数据采集板卡作为系统控制中心，同时起到了人机交互的作用。功率驱动电路是用来驱动高速开关阀的。系统电源模块起到为各硬件设备供电的作用，其中部分设备的通断电是通过控制继电器来实现的。高速开关阀、真空泵和负压舱等构成整个气动执行机构。图１负压控制系统结构６３０１合肥工业大学学报（自然科学版）第４１卷

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集板卡作为控制核心。在工控机上可以直接编写软件，实现控制系统的操作、数据采集分析和存储、决策等功能的人机界面。数据采集板卡具有１６个１２ｂｉｔ单端模拟量输入通道，采样率高达１００ｋＨｚ，２个１２ｂｉｔ模拟量输出通道，１６个数字量输入和１６个数字量输出通道。同时具有可编程计数器和脉宽调制等特性。２．２负压舱负压舱作为系统的控制对象，其主要功能是为氧气监控器的测试提供一套模拟的高空负压环境。负压舱的结构示意图如图２所示，负压舱的尺寸为４５０ｍｍ×４５０ｍｍ×５００ｍｍ，体积约为１０１Ｌ。负压舱内有氧气监控器固定装置、２个电磁阀、１个排气阀、１个高精度数字压力表，负压舱的侧壁装有安全阀，负压舱与真空泵通过高速开关阀相连。为了保证负压舱的密闭性，氧气监控器与外界的通信通过安装在负压舱上的航空插头转接。图２负压舱结构示意图从图２中可以看出外界的供给气体先通过减压阀，再经过电磁阀进入氧气监控器。由于氧气监控器内部有限流的功能，因此经氧气监控器右侧电磁阀流入负压舱内的气流很小，对负压舱内的气压影响可以忽略不计。图２中排气阀的作用是当负压舱内气压为负压时，打开它使负压舱内压力恢复到常压。安全阀的作用是防止负压舱内的气压过大。负压舱上的航空插头一个与电源相连为氧气监控器供电，一个与数据采集板卡ＩＯ口相连传输信号。负压舱中的气压传感器获取的气压值，通过（１）式可以转换为对应的高度值，即Ｈ＝４４３００［１－（Ｐ／Ｐ０）１／５．２５５
【作者单位】：合肥工业大学电子科学与应用物理学院
【基金】：国家自然科学基金资助项目(61274036)
【分类号】：V245.31

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