橡膠打包機的設計與可靠性研究

陳 廣 邵建龍 張 燚 趙建平

(昆明理工大學信息工程與自動化學院,昆明 650504)

橡膠打包機的設計與可靠性研究

陳 廣 邵建龍 張 燚 趙建平

(昆明理工大學信息工程與自動化學院,昆明 650504)

針對橡膠打包機存在可靠性不高、時常燒壞繼電器甚至PLC的問題，基于CP1E-E30DR-A型PLC設計了一款橡膠打包機。給出了打包機的總體結構、電氣回路設計方案、主程序流程和繼電器觸點與電磁閥負載的保護方案。實際應用結果表明：該橡膠打包機操作簡單，性能穩(wěn)定可靠，符合工業(yè)生產要求；能夠與液壓站、操作臺共同工作，利用位置接近傳感器、電磁閥、空氣開關、接觸器及繼電器等實現(xiàn)橡膠打包機的自動和手動打包操作。

橡膠打包機 PLC 繼電器保護 續(xù)流二極管 RC保護

橡膠在石油化工生產領域中占有重要地位，但它大多在熱帶地區(qū)生產，而熱帶地區(qū)季節(jié)性強、環(huán)境惡劣，因此人工實現(xiàn)橡膠打包難度較大。橡膠打包機是橡膠處理設備中的關鍵設備之一[1]，它能自動將橡膠壓縮成規(guī)定尺寸與重量，提高生產效率，但對機械可靠性要求較高。目前，我國對打包機的相關研究較多，如玉米秸稈、菠蘿秸稈及青飼料等打包機[2]，但對橡膠打包機的研究相對較少，導致其部分設備仍然采用傳統(tǒng)的接觸器、繼電器/時間控制方式，難以實現(xiàn)在橡膠生產地的長時間、穩(wěn)定、高效工作。

針對上述情況，筆者設計了一款橡膠打包機，采用液壓系統(tǒng)和位置接近傳感器提高打包質量，使用高可靠性的CP1E-E30DR-A型PLC作為主控制器[3]，并對繼電器保護部分進行了相關設計，以提高橡膠打包機的可靠性。

1 橡膠打包機總體結構

橡膠打包機(圖1)主要由主機、液壓站和操作臺3部分組成，用于將橡膠壓縮成規(guī)定尺寸和重量的橡膠包。

主機上裝有下壓液壓缸、料斗模箱平移液壓缸和位置接近傳感器。其中，位置接近傳感器包括主缸回退限位(CX1)、主缸脫包限位(CX2)、推缸左極限位(CX3)、推缸右極限位(CX4)和推缸脫包限位(CX5)；當打包機自動操作時，料斗到達左右極限位或壓塊到達上下極限位時，可利用位置接近傳感器對其位置進行精確控制。機架接線盒則是各部分接線的匯集點，即各接近開關的引出線、液壓站上電磁閥和壓力開關的引出線與操作臺的出線都在此匯接。用單電機雙聯(lián)泵液壓系統(tǒng)、一臺四極18.5kW電機帶一臺高低壓復合泵。液壓站是壓塊和料斗模箱運行的動力源，并具有各機構的電磁閥和壓力開關。操作臺是打包機的控制中心，安裝有操作面板，操作面板上安裝有按鈕、指示燈等元件；操作臺內部安裝PLC、空氣開關及接觸器等主回路和控制回路用電器元件。采用CP1E-E30DR-A型PLC處理各輸入/輸出之間的邏輯控制關系，并通過輸出控制中間繼電器進而控制液壓站上的電磁閥，最終控制液壓缸動作。

圖1 橡膠打包機結構示意圖

2 橡膠打包機設計方案

2.1硬件電路部分

橡膠打包機電路主要包括PLC輸入/輸出端子接口電路(圖2)和打包機控制電路(圖3)[4]。

圖2 PLC輸入/輸出端子接口電路

圖3 打包機控制回路電氣原理

圖2中間部分是PLC，上方為輸入端，下方為輸出端。PLC電源接220V(AC)電源，開關電源電壓為24V(DC)。在輸入端中，S1～S7是控制回路中的開關器件，具體功能已在圖中標出；BY1和BY2分別是高/低壓壓力開關；CX1～CX5是安裝在主機上的5個限位開關；FR1是熱繼電器動端觸點，具有油泵過熱保護作用。在輸出端中，F(xiàn)U和續(xù)流二極管主要用于保護電路，其中續(xù)流二極管保護繼電器線圈；H5和H6分別是油泵啟動和步進運行指示燈。

圖3中，H1～H4用于對相應操作進行指示；電阻R1～R6和電容C1～C6構成RC網絡用于保護繼電器觸點；FU9～FU14是熔斷器，具有過流、短路保護作用；KA2～KA7是中間繼電器動合觸點；DT1和DT2是電液換向閥的兩個線圈，DT1對應主缸向下運動，DT2對應主缸向上運動；DT3和DT4是電磁換向閥的兩個線圈，DT3對應推缸向前運動，DT4對應推缸向后運動，即控制料斗模箱左右移動；DT5是高壓調壓閥的線圈，對應總閥即高壓閥的動作；DT6是低壓調壓閥的線圈，對應低壓閥的動作。當PLC控制相應的KA接通時，被控制的DT將做出相應動作。

2.2軟件部分

橡膠打包機的操作臺上有手動按鈕和自動按鈕，可實現(xiàn)手動和自動工作方式。各種控制邏輯通過PLC的內部編程實現(xiàn)，主程序流程如圖4所示[5]。

圖4 橡膠打包機主程序流程

為使橡膠打包機的操作更簡潔，正常運行時一般選擇自動工作方式。當打包機需要調試或出現(xiàn)故障時，改為手動操作，進行點動調試或查找故障，然后將現(xiàn)場應用中出現(xiàn)的故障匯總，以便在出現(xiàn)類似故障時維護人員能夠快速解決處理，提高生產效率[6]。

3 橡膠打包機的繼電器保護

繼電器是根據輸入信號來接通或斷開小電流控制電路以實現(xiàn)遠距離控制和保護的自動控制電路[7]。繼電器使用壽命有限，為了盡量延長其使用時間，達到資源的最大利用，提高橡膠打包機的可靠性，需要采用一定的保護措施對繼電器進行保護[4,8]。同時，由于CP1E-E30DR-A型PLC的輸出形式為繼電器輸出，因此對繼電器進行保護也是對PLC進行保護。

筆者主要采取了兩種方法對繼電器進行保護。

對于繼電器控制線圈部分，由于繼電器具有電感，因此在繼電器斷電的瞬間會產生較高的反向電動勢，干擾其他電路正常工作，為此在感性負載兩端并聯(lián)一個反向保護二極管[9]，防止過高的反向電壓，從而對繼電器線圈進行保護[10]。繼電器線圈沒有連接二極管時的回動時間約1.5ms，連接二極管后回動時間延長至9.8ms左右，可見反向保護二極管能較好地延長回動時間。當繼電器斷開后，二極管起到續(xù)流作用，為繼電器線圈釋放能量并且散發(fā)熱量。二極管選取時參數(shù)必須滿足反向擊穿電壓大于其實際最大承受反向電壓的2～3倍的要求，整流二極管的額定電流(通態(tài)平均電流)ITa應滿足：

其中，IT為流過二極管的最大電流有效值。最終，筆者采用1N4007二極管，經試驗，其參數(shù)基本達到要求。

采用RC網絡對繼電器觸點進行保護。圖3中，電容C起到抑制電感放電時的過大電壓的作用，電阻R限制電源啟動時的電流，RC的值取決于繼電器和負載特性。需要注意的是，PLC的負載是電磁閥，采用RC網絡保護回路，釋放時間將會延長。綜合考慮后，筆者最終選擇電阻R=510Ω，電容C=0.1μF/63V，經試驗，電阻、電容均能很好地滿足預期要求。

4 結束語

筆者設計的橡膠打包機經現(xiàn)場使用表明，通過安裝續(xù)流二極管對繼電器線圈驅動電路進行保護，以及采用電阻電容對繼電器觸點進行保護，達到了預期設計目標，有效解決了繼電器甚至是PLC經常燒壞的問題，這對于延長橡膠打包機壽命、節(jié)約成本、提高打包機可靠性具有重要意義。

根據現(xiàn)場調試結果，橡膠打包機仍有以下問題需要進一步解決和優(yōu)化：橡膠加工是在高溫、摩擦大及長時間工作等惡劣條件下進行的，對橡膠處理設備損害較大，因此需要進一步選擇耐高溫、可靠性高的繼電器代替原繼電器；橡膠打包機工作時仍需要一定的手工操作，尚不能達到全自動生產的要求，因此需要對打包機進一步研究使機械在最大程度上代替手工，這也將是未來的發(fā)展趨勢。在全自動控制過程中，要求對橡膠裝入量進行精準控制，并且對脫包過程提出了更加嚴格要求，這是下一步研究中需要重點解決的問題。

[1] 趙靜一,姚成玉,陳東寧,等.橡膠壓塊機機電液系統(tǒng)設計與應用[J].燕山大學學報,2006,30(1):18～22.

[2] 張浩棟,張燕,曾小英,等.基于PLC的香蕉秸稈自動打包機的設計和控制研究[J].食品與機械,2013,29(4):115～117.

[3] 任翠宏,王新志,朱巍,等.PLC自動控制系統(tǒng)的可靠性探析[J].化工自動化及儀表,2015,42(1):121～122.

[4] 張苓.電磁式繼電器超程時間減少對電壽命的影響[J].低壓電器,2005,(8):11～13.

[5] 張博,王志信.模塊化編程思想在PLC系統(tǒng)中的應用[J].化工自動化及儀表,2013,40(3):416～418.

[6] 孫慧.西門子PLC系統(tǒng)常見故障分析[J].化工自動化及儀表,2014,41(9):1101～1102.

[7] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008:14～22.

[8] 李冬明.繼電器保護故障分析及處理方法探討[J].電子制作,2013,(20):45.

[9] 韓英歧.電磁式繼電器的使用可靠性[J].電子元器件應用,2001,(5):14～18.

[10] 姜少波.電磁式繼電器觸點燒壞的原因及預防[J].農村電氣化,2002,(9):35.

DesignofRubberPackerControlSystemandStudyofItsReliability

CHEN Guang, SHAO Jian-long, ZHANG Yi, ZHAO Jian-ping

(FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650504，China)

Considering the poor reliability of rubber packers, the frequent burning-out of relays and the matters bothering PLC, a CP1E-E30DR-A PLC-based rubber packer was designed; and its overall structure, the designing scheme for electrical circuits, and the main program flow, and the protection schemes for relay’s electric shock as well as the solenoid valve’s load were presented. The application results show that simple operation, reliable performance of this rubber packer can satisfy industrial production; and its cooperation with hydraulic unit and control console, proximity sensor, solenoid valve, air switch, contactor and relay can complete both manual and auto-packing operation.

rubber packer, PLC, relay protection, freewheeling diode, RC protection

TH862

B

1000-3932(2016)05-0478-04

2015-10-30(修改稿)