烘箱總線分布式系統設計

焦國慶

（深圳市新嘉拓自動化技術有限公司，廣東深圳 518118）

涂布機作為鋰電池生產的重要設備，其自動化水平直接影響電池的品質。烘箱作為涂布機工作的最關鍵部分，所需監測的信息越來越多，如壓差、風速、溫度等，傳感器分布廣泛、距離遠。如果采用傳統的點對點控制，信號易受干擾，控制精度差，不僅耗費大量的控制電纜和電纜橋架，增加大量人工成本，同時給調試帶來很大不便，對后期維護工作也產生很大困難。為了解決這一難題，經過層層分析、驗證，最終確認設計一套烘箱總線分布式溫控系統能很好地解決這些難題，并能提高高速涂布機的溫度控制指標。

1 設計原理

整體設計思路是聯合模塊廠家開發一款適合深圳市新嘉拓自動化技術有限公司烘箱的遠程通信模塊。所有的信號到單節烘箱頂部進行集成，單個烘箱之間串聯，最近的那節烘箱與控制柜連接，采用Ethercat高速總線進行通信，程序中對所采集到的信號進行處理，增加一些特殊溫控控制算法。烘箱總線式溫控系統信號傳輸快、響應快、布線簡單。

涂布機整體示意如圖1所示。傳統烘箱布線如圖2所示，大量的傳感器信號線、控制線需使用一根根單獨的電纜連接烘箱與控制柜，強弱電不可避免會有交叉，熱電偶一般傳輸為毫伏信號，極容易受到干擾，且現場施工量極大，客戶交期不可控。

圖1 涂布機整體示意圖

圖2 傳統烘箱布線

新設計烘箱布線如圖3所示，信號進行本地集成處理，各節烘箱與控制柜之間只需一根Ethercat網線連接，再提供一根24V電源供電。整機烘箱區的電纜減少，模塊化設計程度更高。

圖3 新設計烘箱布線

單個烘箱原理設計如圖4所示。

圖4 總線控制原理

2 功能設計、驗證

2.1 組態通信測試

將熱電偶模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊的通信、電源連接完成。與歐姆龍PLC采用Ethercat通信，導入模塊的配置文件，添加模塊的型號、組態，測試通信，驗證成功。

2.2 模擬量信號批量采集

將現場使用濃度傳感器、濕度傳感器、電子壓差表、紅外傳感器的模擬量信號接入模塊，信號穩定，驗證成功。

2.3 熱電偶信號采集

K型熱電偶、PT100接入進行測試，輸入毫伏信號穩定準確，增加環境溫度補償，溫度采集準確。

2.4 油閥控制測試

高速機常用品牌導熱油閥、蒸汽閥，輸出4～20mA控制信號連續無中斷，無波動，完成驗證。

2.5 開關量信號采集

烘箱傳動輥轉速信號接入模塊，信號傳輸準確無干擾，完成驗證。

3 冷卻方案設計

使用環境：烘箱內部及排風管處為防爆一區，烘箱外部及排風管為防爆二區[1]。

3.1 渦流管散熱

方案描述：電箱內安裝渦流管，使用普通壓縮空氣就可正常工作，可瞬間將壓縮空氣分流成冷熱兩股氣流。熱氣端出口處有一個可調旋鈕，可通過設定冷、熱氣流的比例來調節對應氣流的溫度與流量。只輸入通用壓力（0.6～1MPa）的壓縮空氣，通過渦流管轉換，一端產生冷空氣（在干燥空氣的前提下低溫可達-46℃），一端產生熱空氣（溫度高達127℃）。在保證空氣壓力的情況下，散熱效果十分理想。

測試效果：在壓縮空氣保持充足供應的情況下，冷卻散熱效果很好。

（1）優點：散熱效果好；電箱內正壓環境，可以起到防塵防爆效果。

（2） 缺點：需要干燥的壓縮空氣；單體壓縮空氣用量大，需配空壓機，整線使用能耗特別大，空壓機噪聲大；電箱內要監控濕度，防止冷凝水。

3.2 熱管原理散熱

方案描述：在防爆電箱上安裝熱管。熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，通過在全封閉真空管內的液體的蒸發與凝結來傳遞熱量。它利用毛細作用等流體原理，起到類似冰箱壓縮機制冷的效果。熱管冷端在電箱內部，熱端在電箱外部，冷端通過軸流風扇不斷循環吸收電箱內熱量，熱端通過冷卻風管將吸收的熱量進行散熱，從而使防爆電箱內維持一個相對較低的溫度，如圖5所示。

圖5 熱管散熱方案連接

3.2.1 注意事項

（1）防爆電箱外部必須包保溫棉，防止外部環境持續加熱電箱，影響散熱效果。

（2）電箱內部風扇增加故障報警，對電箱內溫度進行監控。

（3）冷卻風機安裝在非防爆區域，傳輸到防爆區的風管表面需增加保溫棉保溫，防止空氣被加熱。

3.2.2 試驗過程及效果

試驗時先用加熱器將電箱外環境溫度加熱到60℃左右，待電箱內溫度也穩定在60℃，保持持續加熱的同時開啟熱管風扇，冷卻風機，待穩定后開始記錄數據。通過試驗數據可以看出，通過熱管的散熱，防爆箱的溫度比外界環境溫度降低15℃左右，該防爆電箱熱管組件（環境溫度50～60℃）冷卻效果與風量有關（與電箱保溫棉厚度有關），但其風量存在一個上限值，在風量增加60%的情況下，電箱內整體溫度比之前降低1℃。故認為，風速在3.5m/s、50mm管徑下，幾乎達到熱管的極限，判斷出所需冷卻風量不大（風機、風管的選型成本不會很高，可行性較高）。保溫棉厚度關系暫未驗證，不過亦達到了想要的冷卻效果。

（1） 優點：成本相對較低；電箱內溫度可控，內部干燥，不會有凝水。所需冷卻風量較小。

（2）缺點：防爆電箱增加熱管組件，需要重新做防爆認證，計劃由電箱制作廠家整體認證。

3.3 正壓防爆方式散熱

3.3.1 測試方案

正壓防爆原理主要是采用空氣介質隔離點燃源，使電箱內部形成正壓環境，從而達到電器防爆的目的，結構上主要采用柜式[2]，根據散熱需求一般選擇持續吹掃型。持續吹掃型為不間斷連續供氣，正壓腔內裝元件的工作熱量可隨氣路帶走，具有很好的散熱功能；正壓吹掃控制系統保護裝置齊全，只有達到規定的換氣時間后方能自動送電，并有高、低壓自動聲光報警及壓力下限、開門自動斷電、緊急手動斷電等安全聯鎖保護。

3.3.2 試驗效果

之前有轉移涂布機已使用。方案成熟，達到冷卻效果。（1）優點：成熟產品，有防爆認證；散熱效果好。

（2）缺點：成本較高；箱體笨重，尺寸較大，適合集中控制，不太適合烘箱頂部小尺寸批量使用；壓縮空氣用量較大；安裝復雜。需干燥空氣，防止凝水。

綜合以上各項試驗，并結合現場環境分析，最終確認使用熱管的冷卻方式。

3.4 故障失效分析

可能故障原因：烘箱環境溫度過高，模塊工作異常。解決措施如下。

（1）模塊工作溫度范圍選擇寬溫型：-30～70℃，使模塊能較好適應烘箱環境。

（2）陰陽極電箱均預留熱管散熱安裝孔位，可根據實際情況隨時增加。熱管內部、外部安裝散熱風扇，可保持內部溫度與環境溫度無限接近一致。

（3）如果增加熱管溫度還是超標，可以增加冷卻風管對熱管進行冷卻，相關的試驗已經完成，可以控制電箱內的溫度在40℃以內，但是施工量較大，風管布置較為繁瑣，現在僅做預留。

4 結束語

該設計風險可控，優勢較大，適合推廣，能很好地解決目前烘箱批量信號收集和處理問題，加上總線傳輸，更加可靠，響應快，烘箱溫度控制達到行業類先進水平。整體有以下優勢。

（1）溫度控制精度的提升，使烘箱的溫度控制精度從±3℃提升到±1℃，達到業界先進水平。

（2）信號線縮短，弱電信號就近采集、處理,然后通過總線模塊轉化為總線信號傳輸到PLC，干擾降低，可靠性提升。

（3）線纜及布線工作量減少。

（4）模塊標準化的提升，熱電偶線纜、閥門等傳感器線纜長度可標準化。

（5）每節烘箱可在公司模塊化裝配，減少現場工作量。

（6）降低信號傳輸受到電磁干擾的可能性。

（7）電纜成本降低。