一种基于电磁感应的包装机加热装置设计方法

技术领域

本发明属于卷烟生产领域，具体涉及一种基于电磁感应的包装机加热装置设计方法。

背景技术

目前卷烟包装生产企业所使用的主流机型大部分是脱胎于意大利GD公司20世纪80年代开发生产的GDX1/X2系列包装设备，由于受当时技术水平所限，设备加热系统、控制系统存在一些先天性的缺陷，随着烟草行业的快速发展，特别是行业“卷烟上水平”和“高质量发展”等战略措施要求，设备设计过程中先天性的缺陷已经满足不了当前精细化指标管理的要求。尤其是现有ZB45型硬盒包装机组中，主机部分七号轮的主要任务是对烟包两侧的上胶部分进行加热处理，7号轮圆周上均匀部署了36个夹烟包模盒，如图1所示，包括烘干支架1、轮体、上加热器3和下加热器4，机组运行时，整个7号轮从上往下看顺时针方向间歇转动。机组停机后，上下加热板的温度保持在90℃左右，烟包长时间处于高温状态时，会导致烟丝水分丢失，烟包外观受损，目前设备的处理方式是设备停机超过设定时间(目前为360秒)后，将该部分烟包(共27包)均作为不合格产品由8轮出口处剔除，给企业带来了较大的浪费，某企业统计数据见表1。

近些年来，被誉为“绿色加热”方式的电磁感应加热技术因其节能、高效、安全等显著优势，正越来越多地被用于工业生产领域和民用领域，电磁感应加热技术热转化率高，升温迅速，因此可将电磁加热技术应用到高速包装机的加热过程中，以期改善设备的加热性能，提升加热包装工艺质量。

本发明采用电磁感应加热技术设计一套全新控制方式的七号轮加热装置，实现加热系统的快速升温和快速降温，确保包装机在任何时候停机后，降低加热系统加热速率或停止加热系统，使滞留在加热系统上烟包不受长时间的烘烤，这一部分的烟包无需剔除；并在包装机需要再次运行时，加热系统智能调整加热速率，快速升温，满足设备运行时所需的温度。在设备长时间停机以及夜班等时间段智能检测并控制整机的能耗系统，提供精准的温控系统健康状态监测功能，助力企业的节能降耗和降本增效。同时采用电磁加热方式控制后，整体温度控制精度得到有效提升，烟包烫封质量显著提升。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于电磁感应的包装机加热装置设计方法，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电磁感应的包装机加热装置设计方法，包括以下步骤：

S1、设计发热体，发热体包括金属体、电磁感应线圈和电磁屏蔽板，所述电磁感应线圈与控制电源连接，控制电源为电磁感应线圈提供交流电从而产生电磁感应；

S2、采用不同交流电频率、电流、金属体材质对发热体的升温过程进行仿真实验，根据温升的响应时间要求，选择控制电源的功率、电流以及热物理性参数适合电磁感应加热的金属体材质，并封装电磁感应线圈；

S3、设计上下两组加热器结构，两组加热器结构分别用于加热烟包的上下侧面，加速商标纸粘接剂的固化，每组加热器结构包括发热体和弧形加热板；

S4、根据包装过程工艺指标和仿真的电气参数设计控制系统，控制系统用于对加热器结构的温度进行控制和对感应线圈健康状态进行监测。

进一步地，所述金属体其中一表面设有第一凹槽，第一凹槽内设有盘形电磁感应线圈，金属体另一表面均匀间隔设有若干个铁氧体磁片。

进一步地，所述金属体的材质为钢。

进一步地，所述弧形加热板上设有第二凹槽，发热体嵌设在第二凹槽内，所述电磁屏蔽板为设置在金属体外部且与第二凹槽相适配的弧形屏蔽板。

进一步地，所述控制系统包括工控机、F/V转换电路、控制电路、驱动电路、DC/AC逆变电路、温度传感器。

进一步地，所述温度传感器将发热体的温度信号送入工控机，当温度偏离工控机设定值时，工控机将计算出的温度调整量送到F/V转换电路，然后送入控制电路；控制电路采用双闭环控制，外环采用负载电流控制，内环采用负载电压控制；正常工作时，负载电流跟踪电流给定值，经过PI调节器后成为负载电压的给定值，负载电压跟踪该给定值，再次经过PI调节器后将输出电压送至压控振荡器，压控振荡器输出驱动脉冲送入驱动电路，驱动电路驱动DC/AC逆变电路，改变控制发热体输出电流的大小，从而控制加热工件的温度，保证加热工件温度处于设定范围内。

进一步地，所述工控机上设有与用户进行交互的人机交互界面，用于对加热温度进行实时显示，为用户提供加热温度随时间变化曲线图；采集交流电电压、电流和加热温度，对采集的数据进行预处理获取有效数据集，基于交流电电压、电流、温升时间构建电磁感应线圈状态分析模型，实现电磁感应线圈的状态监测和预测性维护，降低电磁感应线圈的突发故障风险。

本发明所带来的有益技术效果为：

本发明设计的基于电磁感应加热原理的加热装置，可实现加热系统的快速升温和快速降温，整体温度控制精度得到有效提升，烟包烫封质量稳定提升。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为现有技术中硬盒包装机组结构示意图；

图2为本发明中包装机加热装置爆炸图；

图3为本发明中不同金属体材料发热体温升速度对比图；

图4为本发明中控制系统原理图；

图5为本发明中金属体和电磁感应线圈的结构示意图；

图6为本发明中金属体和磁片的结构示意图；

图7为本发明中线圈健康状态监测示意图；

其中，1、烘干支架；2-轮体；3-上加热器；4-下加热器；5-发热体；6-金属体；7-电磁感应线圈；8-加热板；9-磁片；

具体实施方式

本发明提出了一种基于电磁感应的包装机加热装置设计方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

一种基于电磁感应的包装机加热装置设计方法，包括以下步骤：

S1、设计发热体5，发热体5包括金属体6、电磁感应线圈7和电磁屏蔽板，电磁感应线圈7与控制电源连接，控制电源为电磁感应线圈7提供交流电从而产生电磁感应；

金属体6其中一表面设有第一凹槽，第一凹槽内设有盘形电磁感应线圈7，金属体另一表面均匀间隔设有若干个铁氧体磁片9，如图5和6所示；

S2、采用不同交流电频率、电流、金属体材质对发热体的升温过程进行仿真实验，根据温升的响应时间要求，选择控制电源的功率、电流以及热物理性参数适合电磁感应加热的金属体材质，并封装电磁感应线圈；

金属体可以采用钢、铜、铁、铝或合金，本发明采用钢材料制作的金属体，通过增加材料截面积、减少材料长度等方式，可以降低发热体的电阻值，在供电电压恒定的情况下有效提高发热体的热功率；如图3所示，展示了同等功率电源情况下不同材质的金属体加热速率，根据需要的温升响应时间，选择合适钢作为加热体设计材料。

考虑到电磁感应加热过程中，影响发热体上温度场分布的因素众多，如：交变电流强度、频率、感应器比例系数、发热体材质等，本发明基于有限元软件里“电磁热”多物理接口来进行仿真研究感应加热电源输出参数和发热体材质对发热体元件温度场分布的影响规律，找寻适合电磁感应加热的电阻率、比热容、导热系数等热物理性参数的发热体材质；

S3、设计上下两组加热器结构，如图2所示，两组加热器结构分别用于加热烟包的上下侧面，加速商标纸粘接剂的固化，每组加热器结构包括发热体和弧形加热板，加热板在发热体的加热下达到所需的温度，提供稳定的工作温区；

弧形加热板上设有第二凹槽，发热体嵌设在第二凹槽内，电磁屏蔽板为设置在金属体外部且与第二凹槽相适配的弧形屏蔽板；

S4、根据包装过程工艺指标和仿真的电气参数设计控制系统，控制系统用于对加热器结构的温度进行控制和对感应线圈健康状态进行监测；

如图4所示，控制系统包括工控机、F/V转换电路、控制电路、驱动电路、DC/AC逆变电路、温度传感器；

发热体接受到交变电流后，产生交变磁场，这样在加热工件内部产生涡流发热。温度传感器将加热工件的温度信号送入工控机，当温度偏离工控机设定值时，工控机将计算出的温度调整量送到F/V转换电路，然后送入控制电路；控制电路采用双闭环控制，外环采用负载电流控制，内环采用负载电压控制；正常工作时，负载电流跟踪电流给定值，经过PI调节器后成为负载电压的给定值，负载电压跟踪该给定值，再次经过PI调节器后将输出电压送至压频振荡器，压频振荡器输出驱动脉冲送入驱动电路，驱动电路驱动DC/AC逆变电路，改变控制发热体输出电流的大小，从而控制加热工件的温度，保证加热工件温度处于设定范围内。

工控机上设有与用户进行交互的人机交互界面，用于对加热温度进行实时显示，为用户提供加热温度随时间变化曲线图；如图7所示，采集交流电电压、电流和加热温度，对采集的数据进行预处理获取有效数据集，基于交流电电压、电流、温升时间构建电磁感应线圈状态分析模型，实现电磁感应线圈的状态监测和预测性维护，降低电磁感应线圈的突发故障风险。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。