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

    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%，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。目前國(guó)內(nèi)包裝機(jī)、制袋機(jī)、注塑機(jī)等電加熱類機(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。
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)品性價(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)等電加熱類機(jī)械設(shè)備產(chǎn)量大增，用戶多為中小型企業(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。

   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。
    由法拉第電磁感應(yīng)定律知道，只要線圈所交鏈的磁通發(fā)生變化，均要在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，不管所交鏈的磁通是否是由本線圈的電流產(chǎn)生。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)。
    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。
    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。
    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。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)專利轉(zhuǎn)化成果
    該裝置已申報(bào)實(shí)用新型專利，專利號(hào)為：ZL20072 0096249．2，專利名稱：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)?？萍及l(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：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。