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1．前言
鋁型材經(jīng)過(guò)擠壓成型之后，一般都需要經(jīng)過(guò)表面工藝處理之后，才能作為成品使用。經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化電解著色表面處理工藝的鋁型材，其表面將得到一層具有良好的耐磨性、耐曬性、耐熱性、耐蝕性和色澤穩(wěn)定持久的氧化膜，被廣泛應(yīng)用在建筑和室內(nèi)外裝飾行業(yè)上。
在鋁型材陽(yáng)極氧化電解著色表面處理工藝中，有一道電解著色處理工序，是在鋁型材表面陽(yáng)極氧化工序之后，電泳或封孔工序之前，對(duì)需要著色的鋁型材進(jìn)行的一道工序，其原理是在槽體溶液中通過(guò)電化學(xué)作用使鋁型材表面附著某些金屬離子，從而顯示出某一類的顏色來(lái)。不同的槽體溶液配置及工藝方法，鋁型材電解著出的色彩效果也不一樣，對(duì)所要求的著色電源提供的電流或電壓的大小、波形及工作時(shí)間長(zhǎng)短也不同。
其中有一種由日本發(fā)明的著色方法稱為均勻化著色方法，可在較短的時(shí)間里得到效果好、顏色均勻的著色氧化膜。這種著色方法由于生產(chǎn)效率高，成品率高，已在日本廣泛應(yīng)用，目前在國(guó)內(nèi)也正在逐步推廣開(kāi)來(lái)。
2．著色電源系統(tǒng)要求
配合均勻化著色方法的著色電源（簡(jiǎn)稱均勻化著色電源）需按規(guī)定要求輸出電流波形。均勻化著色電源的工作過(guò)程是：首先輸出正向直流電流（稱為P處理）一段時(shí)間，然后輸出頻率為1～30Hz范圍內(nèi)特定值，正負(fù)方波占寬比為0.005～0.30內(nèi)特定值的脈沖電流（稱為C處理）一段時(shí)間，接著再進(jìn)行一次C處理（稱為C2處理）一段時(shí)間，如圖1所示。在工廠生產(chǎn)中，C處理常用的頻率為5Hz，正負(fù)方波占寬比為1:9，C2處理根據(jù)工藝的要求來(lái)選擇可有可無(wú)。  圖1 均勻著色電源輸出波形
均勻化著色電源的主要功能要求如下：
（1）輸入電壓及范圍：三相、頻率50Hz、380V±20%；
（2）額定輸出電壓：±30V～±80V；
（3）額定輸出電流：1000A～4000A；
（4）最小輸出電流：額定輸出電流的10%；
（5）輸出電流精度：±3%以下；
（6）輸出電流紋波：7%以下（在額定電流的30%～100%內(nèi)）；
（7）入槽靜泡時(shí)間：可在10～3000s內(nèi)設(shè)定；
（8）P處理時(shí)間：可在0～3000s內(nèi)設(shè)定；
（9）P處理與C處理間隔時(shí)間：可在10～3000s內(nèi)設(shè)定；
（10）C處理時(shí)間：可在0～3000s內(nèi)設(shè)定；
（11）C處理時(shí)脈沖周期：200ms（可根據(jù)要求在20ms～300ms范圍內(nèi)修改）；
（12）C處理時(shí)正脈沖寬度：20ms（可根據(jù)要求在10ms～100ms范圍內(nèi)修改）；
（13）能滿足二次C處理的要求；
（14）能滿足補(bǔ)色（即再進(jìn)行C處理）的要求；
（15）有必要的保護(hù)措施。
3．著色電源系統(tǒng)組成及工作原理簡(jiǎn)介
為實(shí)現(xiàn)上述的輸出波形及滿足工藝要求，設(shè)計(jì)的均勻化著色電源原理如圖2所示。均勻化著色電源主要由主回路和控制部分組成。
圖2 均勻化著色電源原理圖
3．1主回路
主回路包括進(jìn)線斷路器，整流變壓器TM，三相全控整流橋A組、B組，電抗器，逆變部分等。整流變壓器TM付邊采用雙繞組的形式，一組Y接法，連到一整流橋A組，另一組Δ接法，連到另一整流橋B組。整流橋各自整流后經(jīng)電抗器濾波，再逆變，然后并聯(lián)輸出。
圖3 逆變電路
圖3是其中一組逆變部分的主電路圖，如圖所示，當(dāng)主臂晶閘管V1、V4導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)電抗器L、主臂晶閘管V1，流向負(fù)載，然后從主臂晶閘管V4流回，此時(shí)負(fù)載承受的是正向電壓、電流，當(dāng)要使負(fù)載承受反向電壓、電流時(shí)，首先應(yīng)關(guān)掉主臂晶閘管V1、V4的控制脈沖，然后控制輔助晶閘管V11、V14導(dǎo)通，使電容C1、C2放電再反向充電，強(qiáng)迫關(guān)斷主臂晶閘管V1、V4，接著關(guān)掉輔助晶閘管V11、V14的控制脈沖，再控制主臂晶閘管V2、V3導(dǎo)通，這時(shí)電流經(jīng)電抗器L、主臂晶閘管V2，流向負(fù)載，然后從主臂晶閘管V3流回，此時(shí)負(fù)載承受的就是反向電壓、電流。要使負(fù)載從承受反向電壓、電流轉(zhuǎn)換到承受正向電壓、電流，其原理一樣，先關(guān)掉主臂晶閘管V2、V3的控制脈沖，然后控制輔助晶閘管V12、V13導(dǎo)通，使電容C1、C2放電再反向充電，強(qiáng)迫關(guān)斷主臂晶閘管V2、V3，接著關(guān)掉輔助晶閘管V12、V13控制脈沖，再控制主臂晶閘管V1、V4導(dǎo)通，就完成了負(fù)載從承受反向電壓、電流到承受正向電壓、電流的轉(zhuǎn)換。主臂晶閘管和輔助晶閘管的導(dǎo)通是通過(guò)PLC發(fā)出的逆變脈沖來(lái)控制的，由于負(fù)載承受正向電壓、電流向反向電壓、電流轉(zhuǎn)換，或由反向轉(zhuǎn)換到正向，都是在極短的時(shí)間內(nèi)完成（一般只有幾百個(gè)微秒），因此PLC的選型和編程設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到整個(gè)逆變部分的正常工作和輸出波形的準(zhǔn)確性。
3．2控制部分
控制部分包括A組、B組整流調(diào)節(jié)單元，逆變脈沖觸發(fā)單元，信號(hào)接口電路，可編程邏輯控制器PLC和觸摸屏等。
A組、B組整流調(diào)節(jié)單元主要功能是按照PLC發(fā)出的給定信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)三相全控整流橋輸出的電流，其內(nèi)部包括PI調(diào)節(jié)電路、移相觸發(fā)電路、功放電路等。
逆變脈沖觸發(fā)單元主要是接收PLC的逆變脈沖，對(duì)逆變脈沖再進(jìn)行調(diào)制、功放后控制逆變部分的主臂晶閘管和輔助晶閘管準(zhǔn)確可靠的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)P處理和C處理的波形輸出。
信號(hào)接口電路主要功能是對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行整理變換，以滿足各個(gè)單元對(duì)信號(hào)的需求。
可編程邏輯控制器PLC選用西門子的S7-200 CPU226 DC/DC/DC 和一模擬量擴(kuò)展模塊EM235組成。PLC作為本電源系統(tǒng)的核心控制器件，主要完成下列功能：
（1）開(kāi)、停機(jī)控制；
（2）運(yùn)行流程控制；
（3）逆變部分晶閘管的導(dǎo)通控制；
（4）整流給定控制；
（5）電源裝置狀態(tài)量的采集；
（6）模擬量采集；
（7）設(shè)置、顯示參數(shù)的計(jì)算；
（8）與觸摸屏通訊。
PLC輸入輸出定義如表1所示。
表1 PLC輸入輸出定義
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輸入地址 |
定義 |
輸出地址 |
定義 |
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I0.0 |
啟動(dòng)（外部按鈕） |
Q0.0 |
0脈沖 |
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I0.1 |
停止（外部按鈕） |
Q0.1 |
1脈沖 |
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I0.2 |
總開(kāi)關(guān)合 |
Q0.2 |
2脈沖 |
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I0.3 |
著色材料入槽 |
Q0.3 |
3脈沖 |
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I0.4 |
緊急停止 |
Q0.4 |
4脈沖 |
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I0.5 |
備用 |
Q0.5 |
5脈沖 |
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I0.6 |
備用 |
Q0.6 |
整流 |
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I0.7 |
備用 |
Q0.7 |
裝置故障 |
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I1.0 |
A組快熔熔斷 |
Q1.0 |
合總開(kāi)關(guān) |
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I1.1 |
B組快熔熔斷 |
Q1.1 |
分總開(kāi)關(guān) |
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I1.2 |
同步故障 |
Q1.2 |
裝置運(yùn)行信號(hào) |
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I1.3 |
電源失壓 |
Q1.3 |
電容預(yù)充電 |
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I1.4 |
A組整流過(guò)壓 |
Q1.4 |
著色完成 |
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I1.5 |
B組整流過(guò)壓 |
Q1.5 |
備用 |
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I1.6 |
A組過(guò)流 |
Q1.6 |
備用 |
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I1.7 |
B組過(guò)流 |
Q1.7 |
備用 |
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I2.0 |
逆變過(guò)流 |
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I2.1 |
冷卻水水壓偏低 |
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I2.2 |
冷卻水水溫過(guò)高 |
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I2.3 |
電容預(yù)充電接點(diǎn)返回 |
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I2.4 |
備用 |
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I2.5 |
備用 |
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I2.6 |
備用 |
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I2.7 |
備用 |
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AIW0 |
A組電壓（模擬量） |
AQW0 |
給定輸出（模擬量） |
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AIW2 |
B組電壓（模擬量） |
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AIW4 |
逆變輸出電壓（模擬量） |
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AIW6 |
逆變輸出電流（模擬量） |
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觸摸屏采用Hakko的MONITOUCH V708C型彩色觸摸屏，與PLC之間進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PPI）通訊。觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)如下功能：
（1）表計(jì)功能指示；
（2）裝置的啟動(dòng)、停止操作；
（3）增、減操作；
（4）進(jìn)線斷路器的分、合操作；
（5）電流調(diào)節(jié)設(shè)置；
（6）著色檔選擇；
（7）生產(chǎn)工藝過(guò)程選擇；
（8）P處理時(shí)間、間隔時(shí)間、C處理時(shí)間設(shè)置；
（9）裝置狀態(tài)顯示；
（10）裝置故障閃爍報(bào)警。
4．軟件編程
軟件主要由觸摸屏程序和PLC程序組成。
觸摸屏共編輯了25個(gè)畫面，包括1個(gè)主顯示操作畫面、16個(gè)著色檔參數(shù)設(shè)置畫面、1個(gè)補(bǔ)色參數(shù)設(shè)置畫面、2個(gè)著色數(shù)據(jù)查詢畫面、1個(gè)PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)查詢畫面、1個(gè)時(shí)鐘調(diào)整畫面和2個(gè)歡迎畫面、1個(gè)幫助畫面。當(dāng)電源裝置出現(xiàn)故障時(shí)，觸摸屏還會(huì)自動(dòng)彈出故障小畫面，并以紅色閃爍報(bào)警，引起運(yùn)行人員的注意。觸摸屏的畫面不僅完成了上述的功能，而且良好的中文界面非常方便用戶操作使用。
著色電源的操作執(zhí)行、控制、設(shè)置參數(shù)的計(jì)算等都是通過(guò)PLC的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)完成的，PLC的程序設(shè)計(jì)是著色電源控制性能的關(guān)鍵。
為了便于查找、修改和調(diào)試程序，以及縮短CPU的掃描周期，均勻化著色電源設(shè)計(jì)的PLC程序除主程序外，還有10個(gè)子程序和4個(gè)中斷程序，PLC的程序方框圖見(jiàn)圖4、圖5、圖6所示。如圖中所示，主程序主要完成采樣、操作、故障處理、判斷開(kāi)停機(jī)等內(nèi)容；子程序0主要完成運(yùn)行時(shí)的工作流程控制；子程序1主要完成在靜泡時(shí)間內(nèi)的控制操作；子程序2主要完成P處理時(shí)間內(nèi)的控制操作；子程序3主要完成在間隔時(shí)間內(nèi)的控制操作；子程序4主要完成C處理時(shí)間內(nèi)的控制操作；子程序5主要完成著色完成后的處理工作；子程序6是在P處理和C處理起動(dòng)前對(duì)逆變脈沖的控制；子程序7是停機(jī)時(shí)對(duì)逆變脈沖的控制；子程序8主要完成停機(jī)時(shí)著色參數(shù)的輸入和計(jì)算等內(nèi)容；子程序9主要完成補(bǔ)色參數(shù)的輸入和計(jì)算等內(nèi)容。中斷程序主要是完成C處理時(shí)對(duì)逆變脈沖的控制，其中逆變脈沖的立即開(kāi)通和立即關(guān)斷時(shí)間間隔是采用語(yǔ)句延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
圖4 PLC程序框圖（1）
圖5 PLC程序框圖（2）
圖6 PLC程序框圖（3）
5．實(shí)測(cè)波形
圖7是一臺(tái)輸出能力為±55V，3000A的均勻化著色電源在試驗(yàn)室的電阻性負(fù)載下輸出的電流、電壓的波形全過(guò)程。圖中P處理時(shí)間是3s，輸出電流是750 A，電壓30V；間隔時(shí)間是10s；C處理時(shí)間是5s，輸出電流是1000 A，電壓±40V，正向脈沖寬度為20ms，周期為200 ms，與設(shè)置值完全符合。
圖8是圖7中C處理放大后的波形。圖9是圖8中波形放大后的一部分。圖10是C處理過(guò)程中PLC發(fā)出的逆變脈沖與輸出的控制關(guān)系。
圖7 電阻負(fù)載下輸出波形全過(guò)程
圖8 電阻負(fù)載下C處理波形全過(guò)程
圖9 電阻負(fù)載下C處理波形
圖10 C處理過(guò)程中PLC發(fā)出的逆變脈沖與輸出的控制關(guān)系
圖11是同臺(tái)均勻化著色電源在現(xiàn)場(chǎng)輸出3000A，±30V，正向脈沖寬度為20ms，周期為200 ms的C處理電壓電流波形。圖12是在現(xiàn)場(chǎng)輸出2000A，±20V，正向脈沖寬度為20ms，周期為200 ms的C處理電壓電流波形。
圖11 現(xiàn)場(chǎng)輸出3000A時(shí)的C處理波形
圖12 現(xiàn)場(chǎng)輸出2000A時(shí)的C處理波形
6．結(jié)論
均勻化著色電源是為了取代進(jìn)口，降低成本，按照生產(chǎn)工藝要求國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的一種大功率電源產(chǎn)品。從設(shè)計(jì)之初，選用西門子的小型PLC S7-200來(lái)進(jìn)行小于毫秒級(jí)的逆變換流控制，曾是一種大膽的設(shè)想，如今通過(guò)實(shí)踐證明是可行的。在現(xiàn)場(chǎng)，均勻化著色電源完全滿足生產(chǎn)工藝的要求，鋁材著出的顏色效果與國(guó)外進(jìn)口設(shè)備一致，并且均勻化著色電源選用西門子的S7-200 PLC作為核心控制器件，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制精度高，加之采用觸摸屏顯示中文界面，操作更加方便簡(jiǎn)單，受到了用戶的歡迎。 | 
