橡膠打包機(jī)的設(shè)計(jì)與可靠性研究

陳 廣 邵建龍 張 燚 趙建平

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,昆明 650504)

橡膠打包機(jī)的設(shè)計(jì)與可靠性研究

陳 廣 邵建龍 張 燚 趙建平

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,昆明 650504)

針對(duì)橡膠打包機(jī)存在可靠性不高、時(shí)常燒壞繼電器甚至PLC的問(wèn)題，基于CP1E-E30DR-A型PLC設(shè)計(jì)了一款橡膠打包機(jī)。給出了打包機(jī)的總體結(jié)構(gòu)、電氣回路設(shè)計(jì)方案、主程序流程和繼電器觸點(diǎn)與電磁閥負(fù)載的保護(hù)方案。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：該橡膠打包機(jī)操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，符合工業(yè)生產(chǎn)要求；能夠與液壓站、操作臺(tái)共同工作，利用位置接近傳感器、電磁閥、空氣開關(guān)、接觸器及繼電器等實(shí)現(xiàn)橡膠打包機(jī)的自動(dòng)和手動(dòng)打包操作。

橡膠打包機(jī) PLC 繼電器保護(hù) 續(xù)流二極管 RC保護(hù)

橡膠在石油化工生產(chǎn)領(lǐng)域中占有重要地位，但它大多在熱帶地區(qū)生產(chǎn)，而熱帶地區(qū)季節(jié)性強(qiáng)、環(huán)境惡劣，因此人工實(shí)現(xiàn)橡膠打包難度較大。橡膠打包機(jī)是橡膠處理設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備之一[1]，它能自動(dòng)將橡膠壓縮成規(guī)定尺寸與重量，提高生產(chǎn)效率，但對(duì)機(jī)械可靠性要求較高。目前，我國(guó)對(duì)打包機(jī)的相關(guān)研究較多，如玉米秸稈、菠蘿秸稈及青飼料等打包機(jī)[2]，但對(duì)橡膠打包機(jī)的研究相對(duì)較少，導(dǎo)致其部分設(shè)備仍然采用傳統(tǒng)的接觸器、繼電器/時(shí)間控制方式，難以實(shí)現(xiàn)在橡膠生產(chǎn)地的長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定、高效工作。

針對(duì)上述情況，筆者設(shè)計(jì)了一款橡膠打包機(jī)，采用液壓系統(tǒng)和位置接近傳感器提高打包質(zhì)量，使用高可靠性的CP1E-E30DR-A型PLC作為主控制器[3]，并對(duì)繼電器保護(hù)部分進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，以提高橡膠打包機(jī)的可靠性。

1 橡膠打包機(jī)總體結(jié)構(gòu)

橡膠打包機(jī)(圖1)主要由主機(jī)、液壓站和操作臺(tái)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(jī)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(dāng)打包機(jī)自動(dòng)操作時(shí)，料斗到達(dá)左右極限位或壓塊到達(dá)上下極限位時(shí)，可利用位置接近傳感器對(duì)其位置進(jìn)行精確控制。機(jī)架接線盒則是各部分接線的匯集點(diǎn)，即各接近開關(guān)的引出線、液壓站上電磁閥和壓力開關(guān)的引出線與操作臺(tái)的出線都在此匯接。用單電機(jī)雙聯(lián)泵液壓系統(tǒng)、一臺(tái)四極18.5kW電機(jī)帶一臺(tái)高低壓復(fù)合泵。液壓站是壓塊和料斗模箱運(yùn)行的動(dòng)力源，并具有各機(jī)構(gòu)的電磁閥和壓力開關(guān)。操作臺(tái)是打包機(jī)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(tái)內(nèi)部安裝PLC、空氣開關(guān)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(guān)系，并通過(guò)輸出控制中間繼電器進(jìn)而控制液壓站上的電磁閥，最終控制液壓缸動(dòng)作。

圖1 橡膠打包機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 橡膠打包機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.1硬件電路部分

橡膠打包機(jī)電路主要包括PLC輸入/輸出端子接口電路(圖2)和打包機(jī)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(jī)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(guān)電源電壓為24V(DC)。在輸入端中，S1～S7是控制回路中的開關(guān)器件，具體功能已在圖中標(biāo)出；BY1和BY2分別是高/低壓壓力開關(guān)；CX1～CX5是安裝在主機(jī)上的5個(gè)限位開關(guān)；FR1是熱繼電器動(dòng)端觸點(diǎn)，具有油泵過(guò)熱保護(hù)作用。在輸出端中，F(xiàn)U和續(xù)流二極管主要用于保護(hù)電路，其中續(xù)流二極管保護(hù)繼電器線圈；H5和H6分別是油泵啟動(dòng)和步進(jìn)運(yùn)行指示燈。

圖3中，H1～H4用于對(duì)相應(yīng)操作進(jìn)行指示；電阻R1～R6和電容C1～C6構(gòu)成RC網(wǎng)絡(luò)用于保護(hù)繼電器觸點(diǎn)；FU9～FU14是熔斷器，具有過(guò)流、短路保護(hù)作用；KA2～KA7是中間繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)；DT1和DT2是電液換向閥的兩個(gè)線圈，DT1對(duì)應(yīng)主缸向下運(yùn)動(dòng)，DT2對(duì)應(yīng)主缸向上運(yùn)動(dòng)；DT3和DT4是電磁換向閥的兩個(gè)線圈，DT3對(duì)應(yīng)推缸向前運(yùn)動(dòng)，DT4對(duì)應(yīng)推缸向后運(yùn)動(dòng)，即控制料斗模箱左右移動(dòng)；DT5是高壓調(diào)壓閥的線圈，對(duì)應(yīng)總閥即高壓閥的動(dòng)作；DT6是低壓調(diào)壓閥的線圈，對(duì)應(yīng)低壓閥的動(dòng)作。當(dāng)PLC控制相應(yīng)的KA接通時(shí)，被控制的DT將做出相應(yīng)動(dòng)作。

2.2軟件部分

橡膠打包機(jī)的操作臺(tái)上有手動(dòng)按鈕和自動(dòng)按鈕，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)工作方式。各種控制邏輯通過(guò)PLC的內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)，主程序流程如圖4所示[5]。

圖4 橡膠打包機(jī)主程序流程

為使橡膠打包機(jī)的操作更簡(jiǎn)潔，正常運(yùn)行時(shí)一般選擇自動(dòng)工作方式。當(dāng)打包機(jī)需要調(diào)試或出現(xiàn)故障時(shí)，改為手動(dòng)操作，進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)調(diào)試或查找故障，然后將現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)的故障匯總，以便在出現(xiàn)類似故障時(shí)維護(hù)人員能夠快速解決處理，提高生產(chǎn)效率[6]。

3 橡膠打包機(jī)的繼電器保護(hù)

繼電器是根據(jù)輸入信號(hào)來(lái)接通或斷開小電流控制電路以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和保護(hù)的自動(dòng)控制電路[7]。繼電器使用壽命有限，為了盡量延長(zhǎng)其使用時(shí)間，達(dá)到資源的最大利用，提高橡膠打包機(jī)的可靠性，需要采用一定的保護(hù)措施對(duì)繼電器進(jìn)行保護(hù)[4,8]。同時(shí)，由于CP1E-E30DR-A型PLC的輸出形式為繼電器輸出，因此對(duì)繼電器進(jìn)行保護(hù)也是對(duì)PLC進(jìn)行保護(hù)。

筆者主要采取了兩種方法對(duì)繼電器進(jìn)行保護(hù)。

對(duì)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(huì)產(chǎn)生較高的反向電動(dòng)勢(shì)，干擾其他電路正常工作，為此在感性負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)反向保護(hù)二極管[9]，防止過(guò)高的反向電壓，從而對(duì)繼電器線圈進(jìn)行保護(hù)[10]。繼電器線圈沒有連接二極管時(shí)的回動(dòng)時(shí)間約1.5ms，連接二極管后回動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)至9.8ms左右，可見反向保護(hù)二極管能較好地延長(zhǎng)回動(dòng)時(shí)間。當(dāng)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(shí)參數(shù)必須滿足反向擊穿電壓大于其實(shí)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(yīng)滿足：

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

采用RC網(wǎng)絡(luò)對(duì)繼電器觸點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。圖3中，電容C起到抑制電感放電時(shí)的過(guò)大電壓的作用，電阻R限制電源啟動(dòng)時(shí)的電流，RC的值取決于繼電器和負(fù)載特性。需要注意的是，PLC的負(fù)載是電磁閥，采用RC網(wǎng)絡(luò)保護(hù)回路，釋放時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)。綜合考慮后，筆者最終選擇電阻R=510Ω，電容C=0.1μF/63V，經(jīng)試驗(yàn)，電阻、電容均能很好地滿足預(yù)期要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的橡膠打包機(jī)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用表明，通過(guò)安裝續(xù)流二極管對(duì)繼電器線圈驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行保護(hù)，以及采用電阻電容對(duì)繼電器觸點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，有效解決了繼電器甚至是PLC經(jīng)常燒壞的問(wèn)題，這對(duì)于延長(zhǎng)橡膠打包機(jī)壽命、節(jié)約成本、提高打包機(jī)可靠性具有重要意義。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果，橡膠打包機(jī)仍有以下問(wèn)題需要進(jìn)一步解決和優(yōu)化：橡膠加工是在高溫、摩擦大及長(zhǎng)時(shí)間工作等惡劣條件下進(jìn)行的，對(duì)橡膠處理設(shè)備損害較大，因此需要進(jìn)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(jī)工作時(shí)仍需要一定的手工操作，尚不能達(dá)到全自動(dòng)生產(chǎn)的要求，因此需要對(duì)打包機(jī)進(jìn)一步研究使機(jī)械在最大程度上代替手工，這也將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。在全自動(dòng)控制過(guò)程中，要求對(duì)橡膠裝入量進(jìn)行精準(zhǔn)控制，并且對(duì)脫包過(guò)程提出了更加嚴(yán)格要求，這是下一步研究中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

[1] 趙靜一,姚成玉,陳東寧,等.橡膠壓塊機(jī)機(jī)電液系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào),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(dòng)打包機(jī)的設(shè)計(jì)和控制研究[J].食品與機(jī)械,2013,29(4):115～117.

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

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[10] 姜少波.電磁式繼電器觸點(diǎn)燒壞的原因及預(yù)防[J].農(nóng)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)