基于電加熱器斷路故障測(cè)控裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

呂玉明 劉印貴

摘 要:全自動(dòng)包裝機(jī)、制袋機(jī)等設(shè)備均需電加熱器對(duì)塑料產(chǎn)品的進(jìn)行封裝,電加熱器燒斷(斷路)是設(shè)備使用中最常見(jiàn)的故障。利用電流檢測(cè)電路的感應(yīng)電壓,來(lái)判斷電加熱器是否工作正常,利用光電耦合器件來(lái)判斷溫度控制器正常通斷,實(shí)現(xiàn)報(bào)警輸出或主機(jī)控制。電加熱器斷路故障測(cè)控裝置能夠自動(dòng)識(shí)別溫度升高加熱器自動(dòng)斷電和電加熱器斷路故障。經(jīng)在包裝機(jī)上試用,該裝置的各項(xiàng)性能參數(shù)均滿(mǎn)足包裝設(shè)備及用戶(hù)使用要求,符合包裝機(jī)械設(shè)備的配套需要。

關(guān)鍵詞:包裝機(jī);電加熱器;自動(dòng)斷電;斷路故障

中圖分類(lèi)號(hào):TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-141-03

Design and Application of Measuring and Control Device of

Open Circuit Fault in Electric Heater

LV Yuming,LIU Yingui

(Tianjin Electronic Information Vocational College,Tianjin,300132,China)

Abstract:In equipments such as automatic packing machine and bagging machines which required the electric heater to package plastic products,it is common that electric heater is often in open circuit fault.To detect the inductive voltage of the circuit by current is to determine whether the electric heater is working properly.Alarm output or host control can be realized by using opto-coupler device to determine whether the normal temperature controller is on/off.Electric heater circuit fault monitoring and control devices can automatically identify whether temperature heater is off and whether the electric heater is in open circuit.After trial on the packaging machine,the device of the performance parameters can meet requirements of packaging equipments and users.It also meets the requirement of packaging machinery equipment.

Keywords:packaging machines;electric heater;automatic power-off;open circuit fault

針對(duì)目前全自動(dòng)包裝機(jī)、制袋機(jī)、塑料注塑機(jī)等設(shè)備均需電加熱器進(jìn)行塑料產(chǎn)品的封裝,電加熱器燒斷(斷路)是設(shè)備使用中最常見(jiàn)的故障,一旦電加熱器出現(xiàn)斷路故障,不及時(shí)排除,輕則不能保證塑料成形產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量,重則會(huì)造成原材料浪費(fèi),增加企業(yè)運(yùn)行成本。本技術(shù)及專(zhuān)利產(chǎn)品能正確判斷電加熱器是溫度升高自動(dòng)斷電還是電加熱器斷路故障。

1 該裝置的研究意義

該裝置的研究意義主要來(lái)源于相關(guān)設(shè)備廠(chǎng)家(如包裝機(jī)械、制袋機(jī)械、注塑機(jī)械等)及產(chǎn)品的直接應(yīng)用企業(yè),這些企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程表明:

(1) 在包裝行業(yè)電加熱設(shè)備具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。

(2) 電加熱器燒斷(斷路)是設(shè)備使用中最常見(jiàn)的故障。

(3) 電加熱器燒斷故障不及時(shí)排除,輕則不能保證塑料成形產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量,重則會(huì)造成原材料浪費(fèi),造成人力、物力資源損失,增加企業(yè)運(yùn)行成本。

針對(duì)塑料包裝加工行業(yè)的需求,該裝置應(yīng)達(dá)到下列要求:

(1) 電加熱器斷路檢測(cè)裝置能夠自動(dòng)識(shí)別溫度升高加熱器斷電和電加熱器斷路故障。

(2) 電加熱器斷路后立即控制加工機(jī)器停止運(yùn)行,給出報(bào)警信號(hào)。

2 該裝置提出的背景

中國(guó)是世界包裝制造和消費(fèi)大國(guó),在20世紀(jì)90年代后由于包裝制品工業(yè)發(fā)展的需要而出現(xiàn)了高速度發(fā)展,年平均增長(zhǎng)率為30%[1],而塑料包裝在包裝產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值中的比例已超過(guò)30%,成為包裝產(chǎn)業(yè)中的生力軍,在食品塑料包裝、醫(yī)藥塑料包裝、化妝品塑料包裝、農(nóng)藥塑料包裝及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用[2]。目前國(guó)內(nèi)包裝機(jī)、制袋機(jī)、注塑機(jī)等電加熱類(lèi)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)量將大增,但它的電加熱器使用壽命卻僅有2~3個(gè)月,一旦加熱器出現(xiàn)燒斷故障,將造成原材料的浪費(fèi)和使產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

包裝機(jī)上電加熱器一般由溫度控制儀表的觸點(diǎn)來(lái)控制交流電源通斷。當(dāng)電加熱器溫度低于設(shè)定溫度時(shí),溫度控制儀表的觸點(diǎn)接通,電加熱器溫度上升。當(dāng)電加熱器溫度高于設(shè)定溫度時(shí),溫度控制儀表的觸點(diǎn)斷開(kāi),電加熱器溫度下降。溫度控制儀表的觸點(diǎn)通斷,保證電加熱器工作在一定溫度范圍內(nèi)。一旦加熱器出現(xiàn)燒斷故障,操作人員無(wú)法判斷是溫度升高加熱器正常斷電還是加熱器斷路故障造成的斷電。由于加熱器的熱慣性,溫度需延遲一段時(shí)間才降下來(lái),這樣當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品不合格后,已造成百上千的產(chǎn)品浪費(fèi),使產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。電加熱器斷路檢測(cè)裝置應(yīng)能夠自動(dòng)識(shí)別溫度升高加熱器斷電和電加熱器斷路故障[3]。

2.2 國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)有技術(shù)情況

目前,國(guó)外智能溫度控制儀表中兼有低溫檢測(cè)及報(bào)警功能,而無(wú)加熱器斷路故障檢測(cè),如日本富士、歐姆龍公司產(chǎn)品;國(guó)內(nèi)某些企業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品體積大、檢測(cè)及報(bào)警配置復(fù)雜、可靠性差、不便于安裝維護(hù),不能很好滿(mǎn)足相關(guān)企業(yè)的需求。

2.3 市場(chǎng)需求量大,要求該技術(shù)產(chǎn)品性?xún)r(jià)比高、便于安裝

目前國(guó)內(nèi)包裝機(jī)、制袋機(jī)、注塑機(jī)等電加熱類(lèi)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)量大增,用戶(hù)多為中小型企業(yè)。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,特別是塑料加工機(jī)械成形產(chǎn)品的直接用戶(hù)更需要產(chǎn)品價(jià)格低、性能可靠、安裝維護(hù)方便的電加熱器斷路故障測(cè)控裝置以保證塑料包裝機(jī)械成形產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 該裝置的工作原理

電加熱器斷路故障測(cè)控裝置是串接于加熱器和溫度控制儀表觸點(diǎn)之間,主要用加熱器斷路(燒斷)的電流檢測(cè)和儀表觸開(kāi)關(guān)點(diǎn)K通斷的電壓檢測(cè)。若儀表觸點(diǎn)K正常通斷,對(duì)本裝置沒(méi)有影響,無(wú)信號(hào)輸出;只有當(dāng)加熱器出現(xiàn)斷路故障,本裝置才有信號(hào)輸出,再與其他裝置(顯示、蜂鳴、主機(jī)控制等)配合,實(shí)現(xiàn)控制功能要求。

系統(tǒng)配置示意圖如圖1所示。包裝機(jī)電加熱器斷路測(cè)控裝置,由觸點(diǎn)動(dòng)作檢測(cè)電路、加熱器故障檢測(cè)電路、測(cè)控信號(hào)輸出電路及直流電源組成;橫封觸點(diǎn)動(dòng)作檢測(cè)電路、縱封觸點(diǎn)動(dòng)作檢測(cè)電路分別并接于橫封溫度控制儀表觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)(K1)和縱封溫度控制儀表觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)(K2)的兩端,用于對(duì)儀表觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)處的電壓檢測(cè)。當(dāng)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)K1和K2斷開(kāi)時(shí),發(fā)光二極管L1和L2發(fā)光;當(dāng)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)K1和K2閉合時(shí),發(fā)光二極管L3和L4發(fā)光。橫封(縱封)加熱器故障檢測(cè)電路串接于橫封(縱封)加熱器和溫度控制儀表觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)K1(K2)之間,用于對(duì)橫封(縱封)加熱器斷路的電流檢測(cè);當(dāng)加熱器正常時(shí),發(fā)光二極管L5(L6)不發(fā)光;當(dāng)橫封(縱封)加熱器斷路時(shí),發(fā)光二極管L5(L6)發(fā)光報(bào)警;同時(shí)繼電器J吸合,對(duì)外給出控制信號(hào)。如圖2所示[4]。

包裝機(jī)一般都由橫封加熱電路和縱封加熱電路組成,兩電路結(jié)構(gòu)一樣,故只分析橫封加熱電路。橫封觸點(diǎn)動(dòng)作檢測(cè)電路包括電阻(R1,R2)、整流二極管(D1)、濾波電容(C1)、光電耦合器件TLP521-1(U1)及LED發(fā)光二極管(L1)。當(dāng)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)(K1)斷開(kāi)時(shí),LED發(fā)光二極管(L1)發(fā)光;光電耦合器件(U1)輸出低電平,測(cè)控信號(hào)輸出電路三極管(Q3,Q5)截止;當(dāng)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)(K1)閉合時(shí),LED發(fā)光二極管(L1)不發(fā)光,光電耦合器件(U1)輸出高電平,二極管(D9)截止,三極管(Q1)導(dǎo)通,LED發(fā)光二極管(L3)發(fā)光,鉗位二極管(D10)導(dǎo)通,測(cè)控信號(hào)輸出電路三極管(Q3,Q5)截止[5]。

由法拉第電磁感應(yīng)定律知道,只要線(xiàn)圈所交鏈的磁通發(fā)生變化,均要在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),不管所交鏈的磁通是否是由本線(xiàn)圈的電流產(chǎn)生[6]。所以,橫封加熱器故障檢測(cè)電路是由互感電路完成,包括互感器(H1)、整流二極管(D2)、濾波回路電容(C2)、電阻(R4)、三極管(Q1)、LED發(fā)光二極管(L3)及雙路電壓比較器LM393(U3);電阻(R9,R10)組成分壓電路為電壓比較器(U3)提供1 V的基準(zhǔn)電壓;當(dāng)橫封加熱器正常時(shí),LED發(fā)光二極管(L3)發(fā)光,指示橫封觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)K1閉合,電壓比較器(U3)輸出高電平,三極管(Q1)導(dǎo)通,鉗位二極管(D10)導(dǎo)通,橫封加熱回路指示LED發(fā)光二極管(L5)不發(fā)光,輸出驅(qū)動(dòng)電路三極管(Q3,Q5)截止,對(duì)外沒(méi)有輸出;當(dāng)橫封加熱器斷路時(shí),電流檢測(cè)互感器(H1)上沒(méi)有感應(yīng)電壓,電壓比較器(U3)輸出低電平,三極管(Q1)截止,測(cè)控信號(hào)輸出電路三極管(Q3,Q5)導(dǎo)通,發(fā)光二極管(L5)發(fā)光報(bào)警;同時(shí)繼電器(J)吸合,對(duì)外給出控制信號(hào)[7]。

電源模塊采用三端集成穩(wěn)壓器,在三端集成穩(wěn)壓器中包括了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓的各個(gè)組成部分,另外加上保護(hù)電路和啟動(dòng)電路。在W7800系列三端集成穩(wěn)壓器中,已將三種保護(hù)電路集成在芯片內(nèi)部,它們是限流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路和過(guò)壓保護(hù)電路[8]。

電路直流穩(wěn)壓電路由變壓器(H3)、整流二極管(D5～D8)、濾波電容(C5,C6)及三端穩(wěn)壓器W7812(U4)組成,為斷路測(cè)控器提供12 V直流電壓[9]。

在電加熱器斷路故障測(cè)控裝置設(shè)計(jì)中主要考慮:

(1) 在實(shí)際的電子電路系統(tǒng)中,不可避免地存在各種各樣的干擾信號(hào),若電路的抗干擾能力差將導(dǎo)致測(cè)量、控制準(zhǔn)確性的降低,產(chǎn)生誤動(dòng)作,從而帶來(lái)破壞性的后果。若硬件上采用一些設(shè)計(jì)技術(shù),破壞干擾信號(hào)進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)的途徑,可有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。采用隔離技術(shù)是一種簡(jiǎn)便目行之有效的方法。隔離技術(shù)是破壞“地”干擾途徑的抗干擾方法,硬件上常用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)電一光一電的隔離,他能有效地破壞干擾源的進(jìn)入,可靠地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離[10]。因此,在輸入/輸出電路上采用光電隔離技術(shù),保證強(qiáng)弱電間的隔離及干擾的串入。

(2) 獨(dú)立的外觀結(jié)構(gòu),明確的信號(hào)輸入/輸出接線(xiàn)端子,保證安裝維護(hù)的安全與快捷。

(3) 電加熱器斷路后使主機(jī)立即停止運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和調(diào)試,產(chǎn)品如圖3所示。

4 申報(bào)專(zhuān)利轉(zhuǎn)化成果

該裝置已申報(bào)實(shí)用新型專(zhuān)利,專(zhuān)利號(hào)為:ZL2007 2 0096249.2,專(zhuān)利名稱(chēng):包裝機(jī)加熱器斷路測(cè)控器。

由天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院研發(fā)的 “電加熱器斷路故障測(cè)控裝置”已由天津市富航儀表新技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司組織生產(chǎn),并為包裝機(jī)械行業(yè)的電加熱器控制系統(tǒng)配套使用。

該項(xiàng)目是天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目,項(xiàng)目名稱(chēng):電加熱器斷路故障測(cè)控裝置,項(xiàng)目號(hào):20060617,已于2008年7月通過(guò)專(zhuān)家驗(yàn)收結(jié)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

該實(shí)用新型裝置作為相關(guān)設(shè)備的配套部件,具備了加熱器斷路檢測(cè),并且在加熱器斷路后快速報(bào)警輸出,迅速停止主機(jī)運(yùn)行,同時(shí)在故障出現(xiàn)后不浪費(fèi)塑料成形材料,降低工業(yè)生產(chǎn)成本,保證產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)過(guò)一年來(lái)的使用,該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,電路構(gòu)思巧妙、成本低、性能可靠,特別是對(duì)于舊包裝機(jī)械的改造安裝方便靈活,取得很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

創(chuàng)新點(diǎn):該裝置能夠準(zhǔn)確判斷電加熱器是由于溫度升高自動(dòng)斷電還是電加熱器斷路故障,徹底解決了包裝行業(yè)電加熱器斷路故障檢測(cè)難題。

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作者簡(jiǎn)介 呂玉明 男,1955年出生,副教授。研究方向?yàn)楦呗毥逃碗姎庾詣?dòng)化。

劉印貴 男,1953年出生,天津人,副教授,學(xué)士。研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。