烘箱總線分布式系統(tǒng)設計

焦國慶

（深圳市新嘉拓自動化技術有限公司，廣東深圳 518118）

涂布機作為鋰電池生產的重要設備，其自動化水平直接影響電池的品質。烘箱作為涂布機工作的最關鍵部分，所需監(jiān)測的信息越來越多，如壓差、風速、溫度等，傳感器分布廣泛、距離遠。如果采用傳統(tǒng)的點對點控制，信號易受干擾，控制精度差，不僅耗費大量的控制電纜和電纜橋架，增加大量人工成本，同時給調試帶來很大不便，對后期維護工作也產生很大困難。為了解決這一難題，經過層層分析、驗證，最終確認設計一套烘箱總線分布式溫控系統(tǒng)能很好地解決這些難題，并能提高高速涂布機的溫度控制指標。

1 設計原理

整體設計思路是聯(lián)合模塊廠家開發(fā)一款適合深圳市新嘉拓自動化技術有限公司烘箱的遠程通信模塊。所有的信號到單節(jié)烘箱頂部進行集成，單個烘箱之間串聯(lián)，最近的那節(jié)烘箱與控制柜連接，采用Ethercat高速總線進行通信，程序中對所采集到的信號進行處理，增加一些特殊溫控控制算法。烘箱總線式溫控系統(tǒng)信號傳輸快、響應快、布線簡單。

涂布機整體示意如圖1所示。傳統(tǒng)烘箱布線如圖2所示，大量的傳感器信號線、控制線需使用一根根單獨的電纜連接烘箱與控制柜，強弱電不可避免會有交叉，熱電偶一般傳輸為毫伏信號，極容易受到干擾，且現(xiàn)場施工量極大，客戶交期不可控。

圖1 涂布機整體示意圖

圖2 傳統(tǒng)烘箱布線

新設計烘箱布線如圖3所示，信號進行本地集成處理，各節(jié)烘箱與控制柜之間只需一根Ethercat網線連接，再提供一根24V電源供電。整機烘箱區(qū)的電纜減少，模塊化設計程度更高。

圖3 新設計烘箱布線

單個烘箱原理設計如圖4所示。

圖4 總線控制原理

2 功能設計、驗證

2.1 組態(tài)通信測試

將熱電偶模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊的通信、電源連接完成。與歐姆龍PLC采用Ethercat通信，導入模塊的配置文件，添加模塊的型號、組態(tài)，測試通信，驗證成功。

2.2 模擬量信號批量采集

將現(xiàn)場使用濃度傳感器、濕度傳感器、電子壓差表、紅外傳感器的模擬量信號接入模塊，信號穩(wěn)定，驗證成功。

2.3 熱電偶信號采集

K型熱電偶、PT100接入進行測試，輸入毫伏信號穩(wěn)定準確，增加環(huán)境溫度補償，溫度采集準確。

2.4 油閥控制測試

高速機常用品牌導熱油閥、蒸汽閥，輸出4～20mA控制信號連續(xù)無中斷，無波動，完成驗證。

2.5 開關量信號采集

烘箱傳動輥轉速信號接入模塊，信號傳輸準確無干擾，完成驗證。

3 冷卻方案設計

使用環(huán)境：烘箱內部及排風管處為防爆一區(qū)，烘箱外部及排風管為防爆二區(qū)[1]。

3.1 渦流管散熱

方案描述：電箱內安裝渦流管，使用普通壓縮空氣就可正常工作，可瞬間將壓縮空氣分流成冷熱兩股氣流。熱氣端出口處有一個可調旋鈕，可通過設定冷、熱氣流的比例來調節(jié)對應氣流的溫度與流量。只輸入通用壓力（0.6～1MPa）的壓縮空氣，通過渦流管轉換，一端產生冷空氣（在干燥空氣的前提下低溫可達-46℃），一端產生熱空氣（溫度高達127℃）。在保證空氣壓力的情況下，散熱效果十分理想。

測試效果：在壓縮空氣保持充足供應的情況下，冷卻散熱效果很好。

（1）優(yōu)點：散熱效果好；電箱內正壓環(huán)境，可以起到防塵防爆效果。

（2） 缺點：需要干燥的壓縮空氣；單體壓縮空氣用量大，需配空壓機，整線使用能耗特別大，空壓機噪聲大；電箱內要監(jiān)控濕度，防止冷凝水。

3.2 熱管原理散熱

方案描述：在防爆電箱上安裝熱管。熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，通過在全封閉真空管內的液體的蒸發(fā)與凝結來傳遞熱量。它利用毛細作用等流體原理，起到類似冰箱壓縮機制冷的效果。熱管冷端在電箱內部，熱端在電箱外部，冷端通過軸流風扇不斷循環(huán)吸收電箱內熱量，熱端通過冷卻風管將吸收的熱量進行散熱，從而使防爆電箱內維持一個相對較低的溫度，如圖5所示。

圖5 熱管散熱方案連接

3.2.1 注意事項

（1）防爆電箱外部必須包保溫棉，防止外部環(huán)境持續(xù)加熱電箱，影響散熱效果。

（2）電箱內部風扇增加故障報警，對電箱內溫度進行監(jiān)控。

（3）冷卻風機安裝在非防爆區(qū)域，傳輸到防爆區(qū)的風管表面需增加保溫棉保溫，防止空氣被加熱。

3.2.2 試驗過程及效果

試驗時先用加熱器將電箱外環(huán)境溫度加熱到60℃左右，待電箱內溫度也穩(wěn)定在60℃，保持持續(xù)加熱的同時開啟熱管風扇，冷卻風機，待穩(wěn)定后開始記錄數據。通過試驗數據可以看出，通過熱管的散熱，防爆箱的溫度比外界環(huán)境溫度降低15℃左右，該防爆電箱熱管組件（環(huán)境溫度50～60℃）冷卻效果與風量有關（與電箱保溫棉厚度有關），但其風量存在一個上限值，在風量增加60%的情況下，電箱內整體溫度比之前降低1℃。故認為，風速在3.5m/s、50mm管徑下，幾乎達到熱管的極限，判斷出所需冷卻風量不大（風機、風管的選型成本不會很高，可行性較高）。保溫棉厚度關系暫未驗證，不過亦達到了想要的冷卻效果。

（1） 優(yōu)點：成本相對較低；電箱內溫度可控，內部干燥，不會有凝水。所需冷卻風量較小。

（2）缺點：防爆電箱增加熱管組件，需要重新做防爆認證，計劃由電箱制作廠家整體認證。

3.3 正壓防爆方式散熱

3.3.1 測試方案

正壓防爆原理主要是采用空氣介質隔離點燃源，使電箱內部形成正壓環(huán)境，從而達到電器防爆的目的，結構上主要采用柜式[2]，根據散熱需求一般選擇持續(xù)吹掃型。持續(xù)吹掃型為不間斷連續(xù)供氣，正壓腔內裝元件的工作熱量可隨氣路帶走，具有很好的散熱功能；正壓吹掃控制系統(tǒng)保護裝置齊全，只有達到規(guī)定的換氣時間后方能自動送電，并有高、低壓自動聲光報警及壓力下限、開門自動斷電、緊急手動斷電等安全聯(lián)鎖保護。

3.3.2 試驗效果

之前有轉移涂布機已使用。方案成熟，達到冷卻效果。（1）優(yōu)點：成熟產品，有防爆認證；散熱效果好。

（2）缺點：成本較高；箱體笨重，尺寸較大，適合集中控制，不太適合烘箱頂部小尺寸批量使用；壓縮空氣用量較大；安裝復雜。需干燥空氣，防止凝水。

綜合以上各項試驗，并結合現(xiàn)場環(huán)境分析，最終確認使用熱管的冷卻方式。

3.4 故障失效分析

可能故障原因：烘箱環(huán)境溫度過高，模塊工作異常。解決措施如下。

（1）模塊工作溫度范圍選擇寬溫型：-30～70℃，使模塊能較好適應烘箱環(huán)境。

（2）陰陽極電箱均預留熱管散熱安裝孔位，可根據實際情況隨時增加。熱管內部、外部安裝散熱風扇，可保持內部溫度與環(huán)境溫度無限接近一致。

（3）如果增加熱管溫度還是超標，可以增加冷卻風管對熱管進行冷卻，相關的試驗已經完成，可以控制電箱內的溫度在40℃以內，但是施工量較大，風管布置較為繁瑣，現(xiàn)在僅做預留。

4 結束語

該設計風險可控，優(yōu)勢較大，適合推廣，能很好地解決目前烘箱批量信號收集和處理問題，加上總線傳輸，更加可靠，響應快，烘箱溫度控制達到行業(yè)類先進水平。整體有以下優(yōu)勢。

（1）溫度控制精度的提升，使烘箱的溫度控制精度從±3℃提升到±1℃，達到業(yè)界先進水平。

（2）信號線縮短，弱電信號就近采集、處理,然后通過總線模塊轉化為總線信號傳輸到PLC，干擾降低，可靠性提升。

（3）線纜及布線工作量減少。

（4）模塊標準化的提升，熱電偶線纜、閥門等傳感器線纜長度可標準化。

（5）每節(jié)烘箱可在公司模塊化裝配，減少現(xiàn)場工作量。

（6）降低信號傳輸受到電磁干擾的可能性。

（7）電纜成本降低。