一种机柜一体的小型电柜设计

徐明天

上海烟草机械有限责任公司 上海 201206

摘要：由于某机型包装单机被要求总体占地面积尽可能小，因此在保证功能完备的前提下，采用了机柜一体的设计方案，运用了模块化、轻量化、小型化设计理念，最终设计了一种小型的卧式电柜，该电柜能够很好的完成控制工作。

关键字：机柜一体，模块化，小型电柜

随着烟草包装行业转型发展工作的开展，行业的处理业务范围也逐渐扩大，非烟包装机器的需求应运而生，如何借用现有成熟的包装技术，并对其进行改良优化成了需要研究的课题。根据市场调研和需求，一种结构紧凑、占地面积小的智能高速透明膜三维裹包机被提出，该机器具有在现有产品包装盒外包裹一层透明纸的功能，裹膜后的产品密封性和防潮性均能得到大幅提高。

该透明膜三维裹包机是由独立YB55G型硬盒盒外透明纸包装机改制而来。对于独立YB55G型硬盒盒外透明纸包装机，无论是在技术储备上，还是在运行稳定性上，都有着很丰富的经验。但原有的机型配备的电柜较大，不利于解决占地面积问题，因此需要设计一种全新的电气控制柜，在保证满足功能的前提下，进行简化、模块化、轻量化和小型化设计，将其置于机器上方坐在机器机身上。

1 电柜功能划分

经过对电柜的功能分析，可将电柜内部划分为如下几个功能模块：380V供电模块，24VDC电源模块，PLC逻辑系统模块，动力驱动模块，伺服控制模块，加热器控制模块以及辅助检测模块。

其中24VDC电源模块是将380V交流电转换成电柜和车面所需的直流24V电源；PLC逻辑系统模块是电柜的“大脑”，负责进行自动化逻辑控制；动力驱动模块为机器的主电机和输入输出通道电机提供变频控制电路；伺服控制模块负责拉线的预展开动作；加热器控制模块负责控制透明纸各个方向的热封；辅助检测模块负责电柜内部环境检测和中间继电器的控制。

2 电柜设计

根据电柜功能模块划分，将设计工作分为三个部分：所需硬件选型，整体尺寸控制和电柜元件布局。

2.1 硬件选型

电气元件方面在满足功能情况下，尽量遵循轻量化、小型化设计理念。第一是24V直流电源的获取，旧的电柜使用的是变压器和电压转换器的方案，前者体积大且重，后者易损坏，而且最终得到电压值易受外界干扰而发生降幅和波动。新方案中选择贝加莱0PS3050.1型开关电源，支持卡规安装，尺寸只有40mm宽，130mm高，可直接将380V交流电转化成24V直流电，且输出的24V电压十分稳定。

第二是PLC逻辑系统承载硬件选择。原先独立单机所配电柜采用的是基于MICRO-II控制方案，I/O卡板需要使用机笼，整套结构较笨重，很耗空间。新电柜采用的是基于TwinCAT3的倍福CX2030型CPU，I/O模块使用高密度型输入输出模块，该控制方案不仅体积小，而且易于使用。

第三是电机驱动控制用变频器选择，旧电柜采用的是尼得科CT变频器作为主电机的变频器，新电柜采用的是西门子MM440系列变频器，无论是在接线上还是使用上都得到了简化。

第四是伺服控制部分选择了施耐德LMC100型伺服控制器和LXM52型伺服驱动器，体积小的同时可以与上位机通过EtherCAT总线进行通讯，简化了接线，而且编程策略友好。

第五是加热器用固态继电器选择的是快达PF系列PCB安装继电器，相较于原方案中的G.D进口固态继电器缩小了近3倍，而且使用方法更为简单。

2.2 整体尺寸控制

电柜整体尺寸受多方面限制。由于电柜要坐在机身上方，因此从美观方面和安装稳定性方面考虑，其深度和宽度会受到限制。操作工有时需要打开电柜进行调试和观察，因此其高度也有要求，再加之需要满足元件的合理布局和足够的散热空间，最终外形尺寸定为1200（长）×650（高）×500（深）（单位mm）。

2.3 元件布局

元件选型和总体尺寸确定好后，对各个电气元件按照其对应的功能进行模块化布局，利用走线槽对各个模块进行分隔。考虑到电柜的开门方向以及充分利用电柜内部空间，笔者将电柜元件主安装板置于电柜深度方向比较靠里的位置，因此主安装板上的元件从俯视角度观察都将靠电柜后部，这样就可以将部分比较轻巧的元件放到电柜门上。布局平面效果图如图1所示，实物图如图2所示。

(a)

(b)

图1 元件布局效果图

图2 卧式电柜实物图

3 总结

将电柜与机身进行组装，如图3所示，对某产品进行透明膜包装试验。经试验，电柜功能正常且功能完备，可以控制裹包机实现300包/分钟单包输出生产能力，包裹有透明膜包装的产品在防潮性实验和浸水实验中均达到合格。综上，新设计的电柜无论是在外观上还是在功能上，均达到了设计效果，能够投入实际生产，配备有该电柜的智能高速透明膜三维裹包机扩展了非烟包装业务范围。

图3 智能高速透明膜三维裹包机

参考文献

1. 1. 闫和平. 常用低压电器应用手册[M]. 机械工业出版社. 2005年2月

   2. 田效伍. 电器控制与PLC应用技术[M]. 机械工业出版社. 2008年4月

   3. 任清晨. 电气控制柜设计制作[M]. 电子工业出版社，2014

   4. 黄炜.论电气控制柜工艺设计重要性[J].水电站机电技术,2019,42(08):67-70.

   5. 梁延立.浅谈电气控制柜的装配工艺[J].科学中国人,2014(08):112.