王瑩瑩 毛元奇

摘 要：賦能工序可以清除薄膜電容器介質中的雜質，提高產品可靠性和壽命，在金屬化薄膜電容器生產工藝流程中尤為重要。針對我國薄膜電容器制造業(yè)賦能設備生產效率低、質量不穩(wěn)定、賦能容量值小這一現象，設計一種基于PLC控制、觸摸屏實時監(jiān)控的金屬化薄膜電容賦能機。本文介紹了薄膜電容賦能機的應用現狀和研究意義，闡述了電容賦能的原理，并詳細的敘述了系統(tǒng)的軟、硬件實現方式。

關鍵詞：薄膜電容器;賦能工藝;可編程控制器

中圖分類號：TM53 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0058-02

0 引言

由于金屬化薄膜電容器具有耐壓性能好、頻率響應寬、介質損失小、絕緣電阻高等優(yōu)良特性，其在新能源汽車、智能電網、交流傳動電力牽引等行業(yè)得到了廣泛的應用，市場需求量日益擴大。目前，國家對這些行業(yè)大力扶持，金屬化薄膜電容器制造業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)。電容器的性能與質量主要由兩方面決定，一方面是芯子電介質的性能，另一方面就是生產設備的技術水平。如果生產設備的性能低，即使有好的設計也難以在制造中實現。賦能機是金屬化薄膜電容器生產過程中的關鍵設備，但國產設備的功能和品質與日本、德國、意大利等國家的相比差距很大。金屬化薄膜電容賦能機的研制有助于提升產品的性能和市場競爭力，改善薄膜電容賦能設備具有深遠而實際的意義。

1 賦能原理

金屬化薄膜電容器就是在塑料介質上用真空蒸發(fā)的方法鍍上一層很薄的金屬膜代替金屬箔作為電極的電容器。金屬化薄膜電容器具有自愈性，如圖1所示，當介質存在缺陷就會發(fā)生局部擊穿現象，擊穿處會立刻產生一種電流密度集中在擊穿點中心的電弧電流。由于蒸鍍上的鋁金屬化薄膜很?。▋H30-50nm），這個電弧電流所產生的熱量及壓力足以使擊穿點的薄膜介質燒掉并熔化、蒸發(fā)擊穿點周圍的金屬，導致電容器電極間重新恢復絕緣，保證了電容器的繼續(xù)使用。從原理上看，金屬化電容器不會存在短路失效現象，但實際上，自愈不足、自愈過度都會影響電容器的性能，甚至導致電容器失效。電壓賦能就是通過RC電路產生接近于先恒流再恒壓的充電過程，提升電極間場強，使雜質氣化消失。電流賦能控制晶閘管的通斷，使電流放電產生的熱量融化導電介質間隙，從而提高電容器的可靠性和壽命。

2 硬件設計

2.1 系統(tǒng)組成

金屬化薄膜電容賦能機由電壓賦能工位、電流賦能工位、傳感檢測單元、PLC控制器及其擴展模塊、人機操作界面等部分組成，其組成框圖如圖2所示。電壓賦能工位可以消除電容器卷制材料因電缺陷而造成的短路或低耐壓薄弱點，從而提高電容器的壽命。電流賦能工位可以消除電容器在噴金工藝由于端面接觸而殘留的金屬粉塵，起到電清潔的作用。檢測單元使用傳感器檢測薄膜電容器賦能過程中的交/直流電壓、電流值。PLC及其擴展模塊用于控制機械動作、調壓過程、接收傳感檢測單元的測量值并進行模-數處理。人機操作界面主要實現信息的輸入和實時監(jiān)控功能[1]。遙控器的配合使用提高了系統(tǒng)的自動化程度與安全性。

2.2 電壓賦能主電路

電壓賦能工位由調壓器、整流模塊、高壓變壓器、短路抑制單元、限流充電單元、放電單元、續(xù)流單元、交換極性部件及分壓單元組成，其主電路如圖3所示。

其工作過程：閉合空氣斷路器QF3接通電源，設備自檢后進入人機界面，根據元件測試要求設置三次耐壓值和賦能時間。居中擺放元件于夾具內，按下啟動按鈕后，夾具自動夾緊元件，調壓器手動升壓到設置值，開始電壓賦能。依據設置參數對電容器進行相應的直流電壓正反賦能，每次賦能結束后自動放電，切換極性進行下一次電壓賦能，并依據要求的電壓梯度進行分段式賦能。電壓賦能結束后自動放電并轉入待機階段。

2.3 電流賦能主電路

電流賦能工位由調壓器、整流單元、變壓器、短路抑制單元、分壓單元、晶閘管及電抗器組成，其主電路如圖4所示。其工作過程如下：閉合空氣斷路器QF3，設備完成自檢后，進入人機界面，根據元件測試要求設置賦能電壓、賦能次數，系統(tǒng)自動調節(jié)交流電壓。電流賦能工位元件放置過程與電壓賦能工位相同。在賦能過程中，三相交流電壓升壓后整流為直流電。閉合直流接觸器KM3對測試電容元件充電，電阻的作用是抑制充電瞬間短路。然后快速開通SCR對2.5μH電感放電，產生多個正弦全波大電流，瞬時峰值可達30kA。重復相應次數后，強制放電一次，將測試電容元件上的電壓清零后，轉入待機階段。

2.4 PLC主機系統(tǒng)及擴展模塊

PLC具有適應性強、可靠性高、抗干擾能力強等特點，可以減少系統(tǒng)設計、安裝及調試的工作量。其種類繁多，結構和功能也不盡相同，在對PLC選型時著重考慮類型、容量、通信功能、性價比等方面。系統(tǒng)的要求決定了控制器的類型，金屬化薄膜電容賦能機控制系統(tǒng)相對簡單，數字量I/O信號來自按鈕、氣缸、接觸器、繼電器等，共59點，選擇小型PLC即可滿足控制要求。

韓國LG公司的MASTER-K120S系列PLC結構緊湊，外形小巧，功能強大。相比于普及性高的三菱的FX1N、西門子S7-200、歐姆龍CP1L來說，性價比更高，是本系統(tǒng)控制器的最佳選擇。主機系統(tǒng)選擇標準型的K7M-DRT60U，開關量I/O模塊選擇G7E-RY08A，模擬量I/O模塊選擇G7F-ADHB。K7M-DRT60U為標準型主單元，I/O點數為60點，程序容量10k步，最大擴展模塊數為3個。

3 軟件設計

3.1 PLC程序

PLC程序是整個控制系統(tǒng)的核心，軟件和硬件的合理配合是設備正常運行的前提，按照工藝要求對PLC進行程序編寫至關重要[2]。

3.1.1 金屬化薄膜電容賦能機的主程序流程

開始—>初始化—>定義寄存器變量和類型—>系統(tǒng)復位（使電流和電壓賦能工位均無直流電壓或電流輸出）—>賦能—>輸出結果。

3.1.2 電壓賦能子程序流程

（1）賦能開始，判斷位置是否正常（壓板初位、KV0初位、壓板上位、旋轉正態(tài)）。若異常，系統(tǒng)復位;若正常，程序繼續(xù)執(zhí)行。（2）閉合變壓器，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，綠色指示燈亮，定義寄存器變量。（3）啟動鍵按下時，一次充電開始，紅色指示燈點亮。（4）當電壓賦能值滿或充電時間到充電完成，進入一次保持，紅色指示燈熄滅。（5）一次保持時間到，開始一次放電3.5s，然后一次大放電15s。（6）賦能值為零時放電結束，交換極性，二次賦能開始。（7）二次賦能完成后，啟動循環(huán)程序。當賦能次數達到設定值時，退出循環(huán)并復位所用到寄存器。

3.1.3 電流賦能子程序流程

（1）電流賦能開始，判斷壓板位置是否正常。（2）電流工位待機，綠色指示燈點亮。（3）電流賦能啟動實現延時防抖功能。（4）充電開始，紅色指示燈點亮。當賦能值滿或賦能時間達到，充電停止。（5）接到放電信號后，計數器計數一次。判斷賦能次數，若次數已達到設定值，則復位寄存器，電流賦能結束。

3.2 觸摸屏程序

觸摸屏程序由狀態(tài)顯示界面、工程參數設置界面、電壓參數設置界面、電流參數設置界面構成。其中，狀態(tài)顯示界面包含當前賦能電壓值，當前賦能次數、當前工位交流電壓值、操作狀態(tài)、設備狀態(tài)。工程參數界面具有密碼保護功能，調試人員有權限進入。電流賦能參數界面包含賦能電壓、賦能次數、元件容量、點動升壓、點動降壓。電壓賦能參數界面包含一次耐壓、二次耐壓、三次耐壓、點動升壓、點動降壓[3]。

4 結語

綜上所述，在與生廠部門進行大量交流的前提下，確定了該系統(tǒng)的最佳設計方案，采用PLC與觸摸屏結合的方式實現賦能功能。實踐證明，該系統(tǒng)滿足使用要求，可靠性強，安全性高，解決了公司現有賦能設備無法為大容量金屬化薄膜電容器賦能的問題，提升了工作效率，有助于產能的擴大。

參考文獻

[1] 陳子珍，梅曉妍，劉國光.PLC控制全自動電容檢測裝置的設計與實現[J].寧波職業(yè)技術學院學報，2012（5）：1-3+7.

[2] 任蓉莉，荊蔭，張國勇.薄膜電容賦能儀的研制[J].電子工業(yè)專用設備，2010（1）：45-47+54.

[3] 鄭海輝，傅萬進，翁曉偉.基于PLC的起動電容自動檢測裝置的研制[J].計量與測試技術，2014（4）：55-56.