纯净水与灌装线-气缸、断路器和继电器的原理及应用

北京化工大学“工业实用技术”课程报告项目名称：纯净水与灌装线中气缸、断路器和继电器的原理及应用申请人：左新宇闫超王玲艳所在学院：信息科学与技术学院学号：201201400420120141052012014002目录1.前言 32.气缸、断路器和继电器的原理 32.1气缸的原理 32.2断路器的原理 52.3继电器的原理 63.气缸、断路器和继电器在纯净水与灌装线中的应用 93.1气缸的应用 93.2断路器的应用 103.3继电器的应用 114.总结 11参考文献 11

1.前言 随着控制理论的发展以及计算机和制造业技术的进步，过程控制无论是理论还是工程实践都取得了十足的进步，相应的，与控制工程相关的元件进步也相当明显。气缸[1]是在气动自动化中应用比较广泛的元件之一，具有运动速度快，结构简单、制造成本低等一系列优点，因此广泛用于机械制造、冶金、石油、化工、轻纺、电子、仪器仪表、家用电器、自行车、缝纫、食品、医药卫生等机械和包装机械的气压传动系统[2]中，以驱动工作机构实现预定的动作，进行自动化操作。工业系统中电的产生、输送、使用中，配电是一个极其重要的环节。配电系统包括变压器和各种高低压电器设备，低压断路器则是一种使用量大面广的电器，可以很好的分配电能以及保护系统安全。继电器具有标准化程度高、通用性好、可简化电路等优点，广泛应用于家电产品、工业自动化控制和仪表。但在电子元器件中，一般认为继电器最不可靠，在整机可靠性设计中，把继电器、电位器、可调电感器及可变电容器列为建议不用或少用的元件。可是，由于继电器在控制电路中有独特的电气、物理特性，其断态的高绝缘电阻和通态的低导通电阻，使得其他任何电子元器件无法与其相比[5]。以上所介绍到的相关技术在工业纯净水净化系统有很好的展现。工业净化水系统大体分为水净化和灌装线两大过程，其中灌装线流程多涉及到气缸的应用，继电器与断路器配合使用，在灌装线流程中起开关作用以及保证系统的安全。2.气缸、断路器和继电器的原理2.1气缸的原理气缸是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发念头气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而进步压力。涡轮机、旋转活塞式发念头等的壳体通常也称“气缸”。气缸的应用领域：印刷（张力控制）、半导体（点焊机、芯片研磨）、自动化控制、机器人等等。气缸种类气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有作往复直线运动的和作往复摆动的两类。作往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。

①单作用气缸：仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产气愤压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。

②双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。

③膜片式气缸：用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位。它的密封机能好，但行程短。④冲击气缸：这是一种新型元件。它把压缩气体的压力能转换为活塞高速(10～20米／秒)运动的动能，借以作功。冲击气缸增加了带有喷口和泄流口的中盖。中盖和活塞把气缸分成储气腔、头腔和尾腔三室。它广泛用于下料、冲孔、破碎和成型等多种功课。作往复摆动的气缸称摆动气缸，由叶片将内腔分隔为二，向两腔交替供气，输出轴作摆动运动，摆动角小于280°。此外，还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等。气缸的作用：将压缩空气的压力能转换为机械能，驱念头构作直线往复运动、摆动和旋转运动。气缸的分类：直线运动往复运动的气缸、摆动运动的摆动气缸、气爪等。气缸的结构：气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成，其内部结构如图1所示：图1气缸结构图

1）缸筒缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。活塞要在缸筒内做平稳的往复滑动，缸筒内表面的表面粗拙度应达到Ra0.8um。对钢管缸筒，内表面还应镀硬铬，以减小摩擦阻力和磨损，并能防止锈蚀。缸筒材质除使用高碳钢管外，仍是用高强度铝合金和黄铜。小型气缸有使用不锈钢管的。带磁性开关的气缸或在耐侵蚀环境中使用的气缸，缸筒应使用不锈钢、铝合金或黄铜等材质。气缸活塞上采用组合密封圈实现双向密封，活塞与活塞杆用压铆链接，不用螺母。

2）端盖

端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构。杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈，以防止从活塞杆处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。杆侧端盖上设有导向套，以进步气缸的导向精度，承受活塞杆上少量的横向负载，减小活塞杆伸出时的下弯量，延长气缸使用寿命。导向套通常使用烧结含油合金、前倾铜铸件。端盖过去常用可锻铸铁，现在为减轻重量并防锈，常使用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜材料的。

3）活塞

活塞是气缸中的受压力零件。为防止活塞左右两腔相互窜气，设有活塞密封圈。活塞上的耐磨环可进步气缸的导向性，减少活塞密封圈的磨耗，减少摩擦阻力。耐磨环长使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。活塞的宽度由密封圈尺寸和必要的滑动部门长度来决定。滑动部门太短，易引起早期磨损和卡死。活塞的材质常用铝合金和铸铁，小型缸的活塞有黄铜制成的。

4）活塞杆

活塞杆是气缸中最重要的受力零件。通常使用高碳钢，表面经镀硬铬处理，或使用不锈钢，以防侵蚀，并进步密封圈的耐磨性。

5）密封圈

回转或往复运动处的部件密封称为动密封，静止件部门的密封称为静密封。

缸筒与端盖的连接方法主要有以下几种：整体型、铆接型、螺纹联接型、法兰型、拉杆型。

6）气缸工作时要靠压缩空气中的油雾对活塞进行润滑。也有小部门免润滑气缸。2.2断路器的原理断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器按照其适用范围分为高压断路器（≥3KV）和低压断路器（＜3KV）。断路器的种类繁多，按其用途和结构特点可分为DW型框架式断路器、DZ型塑料外壳式断路器、DS型直流快速断路器和DWX型、DWZ型限流式断路器等。框架式断路器主要用作配电线路的保护开关，而塑料外壳式断路器除可用作配电线路的保护开关外，还可用作电动机、照明电路及电热电路的控制开关。低压断路器俗称自动开关或空气开关，用于低压配电电路中不频繁的通断控制。在电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动分断故障电路，是一种控制兼保护电器。以塑壳断路器为例简单介绍断路器的结构、工作原理、使用与选用方法：断路器主要由3个基本部分组成，即触头、灭弧系统和各种脱扣器，包括过电流脱扣器、失压（欠电压）脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自由脱扣器。图2断路器工作原理示意图及图形符号图2是断路器工作原理示意图及图形符号。断路器开关是靠操作机构手动或电动合闸的，触头闭合后，自由脱扣机构将触头锁在合闸位置上。当电路发生上述故障时，通过各自的脱扣器使自由脱扣机构动作，自动跳闸以实现保护作用。分励脱扣器则作为远距离控制分断电路之用。过电流脱扣器用于线路的短路和过电流保护，当线路的电流大于整定的电流值时，过电流脱扣器所产生的电磁力使挂钩脱扣，动触点在弹簧的拉力下迅速断开，实现短路器的跳闸功能。热脱扣器用于线路的过负荷保护，工作原理和热继电器相同。失压（欠电压）脱扣器用于失压保护，失压脱扣器的线圈直接接在电源上，处于吸合状态，断路器可以正常合闸；当停电或电压很低时，失压脱扣器的吸力小于弹簧的反力，弹簧使动铁心向上使挂钩脱扣，实现短路器的跳闸功能[4]。分励脱扣器用于远方跳闸，当在远方按下按钮时，分励脱扣器得电产生电磁力，使其脱扣跳闸。断路器的接线方式有板前、板后、插入式、抽屉式，用户如无特殊要求，均按板前供货，板前接线是常见的接线方式。板后接线方式：板后接线最大特点是可以在更换或维修断路器，不必重新接线，只须将前级电源断开。由于该结构特殊，产品出厂时已按设计要求配置了专用安装板和安装螺钉及接线螺钉，需要特别注意的是由于大容量断路器接触的可靠性将直接影响断路器的正常使用，因此安装时必须引起重视，严格按制造厂要求进行安装。插入式接线：在成套装置的安装板上，先安装一个断路器的安装座，安装座上6个插头，断路器的连接板上有6个插座。安装座的面上有连接板或安装座后有螺栓，安装座预先接上电源线和负载线。使用时，将断路器直接插进安装座。如果断路器坏了，只要拔出坏的，换上一只好的即可。它的更换时间比板前，板后接线要短，且方便。由于插、拔需要一定的人力。因此中国的插入式产品，其壳架电流限制在最大为400A。从而节省了维修和更换时间。插入式断路器在安装时应检查断路器的插头是否压紧，并应将断路器安全紧固，以减少接触电阻，提高可靠性。抽屉式接线：断路器的进出抽屉是由摇杆顺时针或逆时针转动的，在主回路和二次回路中均采用了插入式结构，省略了固定式所必须的隔离器，做到一机二用，提高了使用的经济性，同时给操作与维护带来了很大的方便，增加了安全性、可靠性。特别是抽屉座的主回路触刀座，可与NT型熔断路器触刀座通用。2.3继电器的原理继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器的触点有三种基本形式：动合型（常开）（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字头“H”表示。动断型（常闭）（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头“D”表示。转换型（Z型）这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“z”表示。按继电器的工作原理或结构特征分类：电磁继电器：利用输入电路内电路在电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用而工作的一种电气继电器。固体继电器：指电子元件履行其功能而无机械运动构件的，输入和输出隔离的一种继电器。温度继电器：当外界温度达到给定值时而动作的继电器。舌簧继电器：利用密封在管内，具有触电簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧动作来开，闭或转换线路的继电器时间继电器：当加上或除去输入信号时，输出部分需延时或限时到规定时间才闭合或断开其被控线路继电器。高频继电器：用于切换高频，射频线路而具有最小损耗的继电器。极化继电器：有极化磁场与控制电流通过控制线圈所产生的磁场综合作用而动作的继电器。继电器的动作方向取决于控制线圈中流过的的电流方向。其他类型的继电器：如光继电器，声继电器，热继电器，仪表式继电器，霍尔效应继电器，差动继电器等。电磁继电器：电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。图3电磁继电器基本构成只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路[5]。固态继电器：SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用。下面以交流型的SSR为例来说明它的工作原理，图4是它的工作原理框图，图中的部件①-④构成交流SSR的主体，从整体上看，SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D)，是一种四端器件[6]。图4SSR工作原理框图工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高;由于输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用可直接与计算机输出接口相接，即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路④工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”。所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR即为通态;而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时，SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的，一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)[7]。3.气缸、断路器和继电器在纯净水与灌装线中的应用3.1气缸的应用工业净化水系统大体分为水净化和灌装线两大过程，其中灌装线流程多涉及到气缸的应用，如图所示。图5灌装线系统灌装线这一自动化生产过程，大体分为拔盖、冲洗、灌装、封口压盖、输送五大部分，多数部分都或多或少的应用到了气缸。例如，拔盖部分应用到了拔盖气缸、压下气缸、挡桶气缸，结合光电传感器的使用，配合完成拔盖这一动作。冲洗部分应用到了夹桶夹头气缸、后推进板气缸、前档气缸、后档气缸、推进气缸等。灌装线应用到了如此多的气缸，那么该如何正确选择气缸？气缸最主要的数据是缸径和行程。缸径的选择根据工作所需力的大小来确定，由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备粗笨、本钱高，同时耗气量增大，造成能源铺张。在夹具设计时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。一般情况下：首先先根据你需要的出力换算出气缸的活塞面积F=n*P*S，公式中F是所需要的输出力，P是系统压力，S就是活塞面积了，n是安全系数，一般气缸水平使用取0.7，垂直使用取0.5，活塞面积出来了再换算成活塞直径，一般气缸使用直径表示。其次是根据运动的距离选择气缸的行程，如果需要压紧，一般会吃进3~5mm。然后根据安装方式选择你需要的安装，是角座，法兰还是耳环安装。最后选择是否需要行程检测开关等辅件。3.2断路器的应用不同断路器的保护是不同的，使用时应根据需要选用。在图形符号中也可以标注其保护方式，如图2所示，断路器图形符号中标注了失压、过负荷、过电流3种保护方式.根据分类标准,在该纯净水与灌装线中使用的是低压断路器，并使用板前接线方式接线。在该灌装系统中，断路器安装在系统供电线路上，放置在机柜盒中，并与继电器相配合，起到系统开关的作用。在不同系统中根据不同需要，低压断路器可配备不同的继电器或脱扣器。在该纯净水灌装系统中，脱扣器是低压断路器总体的一个组成部分，而继电器则与低压断路器操作机构相连的欠电压脱扣器、分励脱器来控制低压断路器。低压断路器一般由脱扣器来完成其保护功能。该灌装线所使用的低压断路器的选择考虑一下几个方面[8]：断路器类型的选择：应根据使用场合和保护要求来选择。如一般选用塑壳式；短路电流很大时选用限流型；额定电流比较大或有选择性保护要求时选用框架式；控制和保护含有半导体器件的直流电路时应选用直流快速断路器等。断路器额定电压、额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压、工作电流。断路器极限通断能力大于或等于电路最大短路电流。欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。d过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负载电流。3.3继电器的应用在工业净化水系统中，应用继电器主要是以下作用：（1）驱动大功率设备。像PLC这套控制系统的输出驱动能力是有限的，在输出上接入继电器再接入要驱动的设备如电机等，则可以用小电压信号驱动大电压设备。（2）隔离控制系统与设备之间的直接联系。继电器实现了控制电路与负载电路的隔离，所以能较好的保护控制系统。（3）在输入端把模拟信号转化为数字信号。4.总结众所周知，相比电动执行器，气缸可在恶劣条件下可靠地工作，且操作简单，基本可实现免维护。气