基于电加热器断路故障测控装置的设计与应用

    针对目前全自动包装机、制袋机、塑料注塑机等设备均需电加热器进行塑料产品的封装，电加热器烧断(断路)是设备使用中最常见的故障，一旦电加热器出现断路故障，不及时排除，轻则不能保证塑料成形产品的产品质量，重则会造成原材料浪费，增加企业运行成本。本技术及专利产品能正确判断电加热器是温度升高自动断电还是电加热器断路故障。

1 该装置的研究意义
    该装置的研究意义主要来源于相关设备厂家(如包装机械、制袋机械、注塑机械等)及产品的直接应用企业，这些企业的生产过程表明：
    (1)在包装行业电加热设备具有广泛的应用市场。
    (2)电加热器烧断(断路)是设备使用中最常见的故障。
    (3)电加热器烧断故障不及时排除，轻则不能保证塑料成形产品的产品质量，重则会造成原材料浪费，造成人力、物力资源损失，增加企业运行成本。
    针对塑料包装加工行业的需求，该装置应达到下列要求：
    (1)电加热器断路检测装置能够自动识别温度升高加热器断电和电加热器断路故障。
    (2)电加热器断路后立即控制加工机器停止运行，给出报警信号。

2 该装置提出的背景
    中国是世界包装制造和消费大国，在20世纪90年代后由于包装制品工业发展的需要而出现了高速度发展，年平均增长率为30%，而塑料包装在包装产业总产值中的比例已超过30％，成为包装产业中的生力军，在食品塑料包装、医药塑料包装、化妆品塑料包装、农药塑料包装及工农业生产各个领域发挥着不可替代的作用。目前国内包装机、制袋机、注塑机等电加热类机械设备产量将大增，但它的电加热器使用寿命却仅有2～3个月，一旦加热器出现烧断故障，将造成原材料的浪费和使产品质量受到影响。
2．1 关键技术
    包装机上电加热器一般由温度控制仪表的触点来控制交流电源通断。当电加热器温度低于设定温度时，温度控制仪表的触点接通，电加热器温度上升。当电加热器温度高于设定温度时，温度控制仪表的触点断开，电加热器温度下降。温度控制仪表的触点通断，保证电加热器工作在一定温度范围内。一旦加热器出现烧断故障，操作人员无法判断是温度升高加热器正常断电还是加热器断路故障造成的断电。由于加热器的热惯性，温度需延迟一段时间才降下来，这样当操作人员发现产品不合格后，已造成百上千的产品浪费，使产品质量受到影响。电加热器断路检测装置应能够自动识别温度升高加热器断电和电加热器断路故障。
2．2 国内外的现有技术情况
    目前，国外智能温度控制仪表中兼有低温检测及报警功能，而无加热器断路故障检测，如日本富士、欧姆龙公司产品；国内某些企业生产的相关产品体积大、检测及报警配置复杂、可靠性差、不便于安装维护，不能很好满足相关企业的需求。
2．3 市场需求量大，要求该技术产品性价比高、便于安装
    目前国内包装机、制袋机、注塑机等电加热类机械设备产量大增，用户多为中小型企业。由于市场竞争激烈，特别是塑料加工机械成形产品的直接用户更需要产品价格低、性能可靠、安装维护方便的电加热器断路故障测控装置以保证塑料包装机械成形产品的质量。

3 该装置的工作原理
    电加热器断路故障测控装置是串接于加热器和温度控制仪表触点之间，主要用加热器断路(烧断)的电流检测和仪表触开关点K通断的电压检测。若仪表触点K正常通断，对本装置没有影响，无信号输出；只有当加热器出现断路故障，本装置才有信号输出，再与其他装置(显示、蜂鸣、主机控制等)配合，实现控制功能要求。
    系统配置示意图如图1所示。包装机电加热器断路测控装置，由触点动作检测电路、加热器故障检测电路、测控信号输出电路及直流电源组成；横封触点动作检测电路、纵封触点动作检测电路分别并接于横封温度控制仪表触点开关(K1)和纵封温度控制仪表触点开关(K2)的两端，用于对仪表触点开关处的电压检测。当触点开关K1和K2断开时，发光二极管L1和L2发光；当触点开关K1和K2闭合时，发光二极管L3和L4发光。横封(纵封)加热器故障检测电路串接于横封(纵封)加热器和温度控制仪表触点开关K1(K2)之间，用于对横封(纵封)加热器断路的电流检测；当加热器正常时，发光二极管L5(L6)不发光；当横封(纵封)加热器断路时，发光二极管L5(L6)发光报警；同时继电器J吸合，对外给出控制信号。如图2所示。

   包装机一般都由横封加热电路和纵封加热电路组成，两电路结构一样，故只分析横封加热电路。横封触点动作检测电路包括电阻(R1，R2)、整流二极管(D1)、滤波电容(C1)、光电耦合器件TLP521-1(U1)及LED发光二极管(L1)。当触点开关(K1)断开时，LED发光二极管(L1)发光；光电耦合器件(U1)输出低电平，测控信号输出电路三极管(Q3，Q5)截止；当触点开关(K1)闭合时，LED发光二极管(L1)不发光，光电耦合器件(U1)输出高电平，二极管(D9)截止，三极管(Q1)导通，LED发光二极管(L3)发光，钳位二极管(D10)导通，测控信号输出电路三极管(Q3,Q5)截止。
    由法拉第电磁感应定律知道，只要线圈所交链的磁通发生变化，均要在线圈中产生感应电动势，不管所交链的磁通是否是由本线圈的电流产生。所以，横封加热器故障检测电路是由互感电路完成，包括互感器(H1)、整流二极管(D2)、滤波回路电容(C2)、电阻(R4)。三极管(Q1)、LED发光二极管(L3)及双路电压比较器LM393(U3)；电阻(R9，R10)组成分压电路为电压比较器(U3)提供1 V的基准电压；当横封加热器正常时，LED发光二极管(L3)发光，指示横封触点开关K1闭合，电压比较器(U3)输出高电平，三极管(Q1)导通，钳位二极管(D10)导通，横封加热回路指示LED发光二极管(L5)不发光，输出驱动电路三极管(Q3，Q5)截止，对外没有输出；当横封加热器断路时，电流检测互感器(H1)上没有感应电压，电压比较器(U3)输出低电平，三极管(Q1)截止，测控信号输出电路三极管(Q3，Q5)导通，发光二极管(L5)发光报警；同时继电器(J)吸合，对外给出控制信号。
    电源模块采用三端集成稳压器，在三端集成稳压器中包括了串联型直流稳压的各个组成部分，另外加上保护电路和启动电路。在W7800系列三端集成稳压器中，已将三种保护电路集成在芯片内部，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。
    电路直流稳压电路由变压器(H3)、整流二极管(D5～D8)、滤波电容(C5，C6)及三端稳压器W7812(U4)组成，为断路测控器提供12 V直流电压。
    在电加热器断路故障测控装置设计中主要考虑：
    (1)在实际的电子电路系统中，不可避免地存在各种各样的干扰信号，若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低，产生误动作，从而带来破坏性的后果。若硬件上采用一些设计技术，破坏干扰信号进入测控系统的途径，可有效地提高系统的抗干扰能力。采用隔离技术是一种简便目行之有效的方法。隔离技术是破坏“地”干扰途径的抗干扰方法，硬件上常用光电耦合器件实现电一光一电的隔离，他能有效地破坏干扰源的进入，可靠地实现信号的隔离。因此，在输入／输出电路上采用光电隔离技术，保证强弱电间的隔离及干扰的串入。
    (2)独立的外观结构，明确的信号输入／输出接线端子，保证安装维护的安全与快捷。
    (3)电加热器断路后使主机立即停止运行。经过反复试验和调试，产品如图3所示。

4 申报专利转化成果
    该装置已申报实用新型专利，专利号为：ZL20072 0096249．2，专利名称：包装机加热器断路测控器。由天津电子信息职业技术学院研发的“电加热器断路故障测控装置”已由天津市富航仪表新技术产业有限公司组织生产，并为包装机械行业的电加热器控制系统配套使用。
    该项目是天津市高等学校科技发展基金计划项目，项目名称：电加热器断路故障测控装置，项目号：20060617，已于2008年7月通过专家验收结题。

5 结 语
    该实用新型装置作为相关设备的配套部件，具备了加热器断路检测，并且在加热器断路后快速报警输出，迅速停止主机运行，同时在故障出现后不浪费塑料成形材料，降低工业生产成本，保证产品质量。经过一年来的使用，该产品结构设计合理，电路构思巧妙、成本低、性能可靠，特别是对于旧包装机械的改造安装方便灵活，取得很好的经济效益和社会效益。
    创新点：该装置能够准确判断电加热器是由于温度升高自动断电还是电加热器断路故障，彻底解决了包装行业电加热器断路故障检测难题。