基于電加熱器斷路故障測控裝置的設計與應用

呂玉明 劉印貴

摘 要:全自動包裝機、制袋機等設備均需電加熱器對塑料產品的進行封裝,電加熱器燒斷(斷路)是設備使用中最常見的故障。利用電流檢測電路的感應電壓,來判斷電加熱器是否工作正常,利用光電耦合器件來判斷溫度控制器正常通斷,實現報警輸出或主機控制。電加熱器斷路故障測控裝置能夠自動識別溫度升高加熱器自動斷電和電加熱器斷路故障。經在包裝機上試用,該裝置的各項性能參數均滿足包裝設備及用戶使用要求,符合包裝機械設備的配套需要。

關鍵詞:包裝機;電加熱器;自動斷電;斷路故障

中圖分類號:TP277 文獻標識碼:B

文章編號: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

針對目前全自動包裝機、制袋機、塑料注塑機等設備均需電加熱器進行塑料產品的封裝,電加熱器燒斷(斷路)是設備使用中最常見的故障,一旦電加熱器出現斷路故障,不及時排除,輕則不能保證塑料成形產品的產品質量,重則會造成原材料浪費,增加企業運行成本。本技術及專利產品能正確判斷電加熱器是溫度升高自動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源于相關設備廠家(如包裝機械、制袋機械、注塑機械等)及產品的直接應用企業,這些企業的生產過程表明:

(1) 在包裝行業電加熱設備具有廣泛的應用市場。

(2) 電加熱器燒斷(斷路)是設備使用中最常見的故障。

(3) 電加熱器燒斷故障不及時排除,輕則不能保證塑料成形產品的產品質量,重則會造成原材料浪費,造成人力、物力資源損失,增加企業運行成本。

針對塑料包裝加工行業的需求,該裝置應達到下列要求:

(1) 電加熱器斷路檢測裝置能夠自動識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器停止運行,給出報警信號。

2 該裝置提出的背景

中國是世界包裝制造和消費大國,在20世紀90年代后由于包裝制品工業發展的需要而出現了高速度發展,年平均增長率為30%[1],而塑料包裝在包裝產業總產值中的比例已超過30%,成為包裝產業中的生力軍,在食品塑料包裝、醫藥塑料包裝、化妝品塑料包裝、農藥塑料包裝及工農業生產各個領域發揮著不可替代的作用[2]。目前國內包裝機、制袋機、注塑機等電加熱類機械設備產量將大增,但它的電加熱器使用壽命卻僅有2~3個月,一旦加熱器出現燒斷故障,將造成原材料的浪費和使產品質量受到影響。

2.1 關鍵技術

包裝機上電加熱器一般由溫度控制儀表的觸點來控制交流電源通斷。當電加熱器溫度低于設定溫度時,溫度控制儀表的觸點接通,電加熱器溫度上升。當電加熱器溫度高于設定溫度時,溫度控制儀表的觸點斷開,電加熱器溫度下降。溫度控制儀表的觸點通斷,保證電加熱器工作在一定溫度范圍內。一旦加熱器出現燒斷故障,操作人員無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,溫度需延遲一段時間才降下來,這樣當操作人員發現產品不合格后,已造成百上千的產品浪費,使產品質量受到影響。電加熱器斷路檢測裝置應能夠自動識別溫度升高加熱器斷電和電加熱器斷路故障[3]。

2.2 國內外的現有技術情況

目前,國外智能溫度控制儀表中兼有低溫檢測及報警功能,而無加熱器斷路故障檢測,如日本富士、歐姆龍公司產品;國內某些企業生產的相關產品體積大、檢測及報警配置復雜、可靠性差、不便于安裝維護,不能很好滿足相關企業的需求。

2.3 市場需求量大,要求該技術產品性價比高、便于安裝

目前國內包裝機、制袋機、注塑機等電加熱類機械設備產量大增,用戶多為中小型企業。由于市場競爭激烈,特別是塑料加工機械成形產品的直接用戶更需要產品價格低、性能可靠、安裝維護方便的電加熱器斷路故障測控裝置以保證塑料包裝機械成形產品的質量。

3 該裝置的工作原理

電加熱器斷路故障測控裝置是串接于加熱器和溫度控制儀表觸點之間,主要用加熱器斷路(燒斷)的電流檢測和儀表觸開關點K通斷的電壓檢測。若儀表觸點K正常通斷,對本裝置沒有影響,無信號輸出;只有當加熱器出現斷路故障,本裝置才有信號輸出,再與其他裝置(顯示、蜂鳴、主機控制等)配合,實現控制功能要求。

系統配置示意圖如圖1所示。包裝機電加熱器斷路測控裝置,由觸點動作檢測電路、加熱器故障檢測電路、測控信號輸出電路及直流電源組成;橫封觸點動作檢測電路、縱封觸點動作檢測電路分別并接于橫封溫度控制儀表觸點開關(K1)和縱封溫度控制儀表觸點開關(K2)的兩端,用于對儀表觸點開關處的電壓檢測。當觸點開關K1和K2斷開時,發光二極管L1和L2發光;當觸點開關K1和K2閉合時,發光二極管L3和L4發光。橫封(縱封)加熱器故障檢測電路串接于橫封(縱封)加熱器和溫度控制儀表觸點開關K1(K2)之間,用于對橫封(縱封)加熱器斷路的電流檢測;當加熱器正常時,發光二極管L5(L6)不發光;當橫封(縱封)加熱器斷路時,發光二極管L5(L6)發光報警;同時繼電器J吸合,對外給出控制信號。如圖2所示[4]。

包裝機一般都由橫封加熱電路和縱封加熱電路組成,兩電路結構一樣,故只分析橫封加熱電路。橫封觸點動作檢測電路包括電阻(R1,R2)、整流二極管(D1)、濾波電容(C1)、光電耦合器件TLP521-1(U1)及LED發光二極管(L1)。當觸點開關(K1)斷開時,LED發光二極管(L1)發光;光電耦合器件(U1)輸出低電平,測控信號輸出電路三極管(Q3,Q5)截止;當觸點開關(K1)閉合時,LED發光二極管(L1)不發光,光電耦合器件(U1)輸出高電平,二極管(D9)截止,三極管(Q1)導通,LED發光二極管(L3)發光,鉗位二極管(D10)導通,測控信號輸出電路三極管(Q3,Q5)截止[5]。

由法拉第電磁感應定律知道,只要線圈所交鏈的磁通發生變化,均要在線圈中產生感應電動勢,不管所交鏈的磁通是否是由本線圈的電流產生[6]。所以,橫封加熱器故障檢測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的基準電壓;當橫封加熱器正常時,LED發光二極管(L3)發光,指示橫封觸點開關K1閉合,電壓比較器(U3)輸出高電平,三極管(Q1)導通,鉗位二極管(D10)導通,橫封加熱回路指示LED發光二極管(L5)不發光,輸出驅動電路三極管(Q3,Q5)截止,對外沒有輸出;當橫封加熱器斷路時,電流檢測互感器(H1)上沒有感應電壓,電壓比較器(U3)輸出低電平,三極管(Q1)截止,測控信號輸出電路三極管(Q3,Q5)導通,發光二極管(L5)發光報警;同時繼電器(J)吸合,對外給出控制信號[7]。

電源模塊采用三端集成穩壓器,在三端集成穩壓器中包括了串聯型直流穩壓的各個組成部分,另外加上保護電路和啟動電路。在W7800系列三端集成穩壓器中,已將三種保護電路集成在芯片內部,它們是限流保護電路、過熱保護電路和過壓保護電路[8]。

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

在電加熱器斷路故障測控裝置設計中主要考慮:

(1) 在實際的電子電路系統中,不可避免地存在各種各樣的干擾信號,若電路的抗干擾能力差將導致測量、控制準確性的降低,產生誤動作,從而帶來破壞性的后果。若硬件上采用一些設計技術,破壞干擾信號進入測控系統的途徑,可有效地提高系統的抗干擾能力。采用隔離技術是一種簡便目行之有效的方法。隔離技術是破壞“地”干擾途徑的抗干擾方法,硬件上常用光電耦合器件實現電一光一電的隔離,他能有效地破壞干擾源的進入,可靠地實現信號的隔離[10]。因此,在輸入/輸出電路上采用光電隔離技術,保證強弱電間的隔離及干擾的串入。

(2) 獨立的外觀結構,明確的信號輸入/輸出接線端子,保證安裝維護的安全與快捷。

(3) 電加熱器斷路后使主機立即停止運行。

經過反復試驗和調試,產品如圖3所示。

4 申報專利轉化成果

該裝置已申報實用新型專利,專利號為:ZL2007 2 0096249.2,專利名稱:包裝機加熱器斷路測控器。

由天津電子信息職業技術學院研發的 “電加熱器斷路故障測控裝置”已由天津市富航儀表新技術產業有限公司組織生產,并為包裝機械行業的電加熱器控制系統配套使用。

該項目是天津市高等學校科技發展基金計劃項目,項目名稱:電加熱器斷路故障測控裝置,項目號:20060617,已于2008年7月通過專家驗收結題。

5 結 語

該實用新型裝置作為相關設備的配套部件,具備了加熱器斷路檢測,并且在加熱器斷路后快速報警輸出,迅速停止主機運行,同時在故障出現后不浪費塑料成形材料,降低工業生產成本,保證產品質量。經過一年來的使用,該產品結構設計合理,電路構思巧妙、成本低、性能可靠,特別是對于舊包裝機械的改造安裝方便靈活,取得很好的經濟效益和社會效益。

創新點:該裝置能夠準確判斷電加熱器是由于溫度升高自動斷電還是電加熱器斷路故障,徹底解決了包裝行業電加熱器斷路故障檢測難題。

參考文獻

[1]戴宏民.中國包裝機械的發展戰略研究[J].包裝工程,2003(3):5-9.

[2]塑料包裝機械發展迅速.http://news.pack.net.cn.2005.

[3]呂玉明,劉福順,劉印貴.電加熱器斷路故障傳感器 [P].中國:ZL2005 2 0123706.3,2007.1.17.

[4]呂玉明,劉印貴.包裝機電加熱器斷路測控器[P].中國:ZL2007 2 0096249.2,2008.3.26.

[5]童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京:人民教育出版社,1983.

[6]石生,韓肖寧.電路基本分析[M].北京:高等教育出版社,2000.

[7]李春林.電子技術[M].大連:大連理工大學出版社,2005.

[8]莊淵昭.實用智能窗簾機的設計[J].現代電子技術,2008,31(4):181-183.

[9]呂玉明.模擬電子技術[M].大連:大連理工大學出版社,2008.

[10]謝子青.光電隔離抗干擾技術及應用[J].現代電子技術,2003,26(13):33-34.

作者簡介 呂玉明 男,1955年出生,副教授。研究方向為高職教育和電氣自動化。

劉印貴 男,1953年出生,天津人,副教授,學士。研究方向為電氣自動化。