1．前言

鋁型材經(jīng)過擠壓成型之后，一般都需要經(jīng)過表面工藝處理之后，才能作為成品使用。經(jīng)過陽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，是在鋁型材表面陽極氧化工序之后，電泳或封孔工序之前，對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。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，目前在國內(nèi)也正在逐步推廣開來。

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)工藝的要求來選擇可有可無。

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）*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PLC發(fā)出的逆變脈沖來控制的，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（一般只有幾百個微秒），因此PLC的選型和編程設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到整個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)出的給定信號來調(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。

信號接口電路主要功能是對各種信號進(jìn)行整理變換，以滿足各個單元對信號的需求。

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、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

 

輸入地址	定義	輸出地址	定義
I0.0	啟動（外部按鈕）	Q0.0	0脈沖
I0.1	停止（外部按鈕）	Q0.1	1脈沖
I0.2	總開關(guān)合	Q0.2	2脈沖
I0.3	著色材料入槽	Q0.3	3脈沖
I0.4	緊急停止	Q0.4	4脈沖
I0.5	備用	Q0.5	5脈沖
I0.6	備用	Q0.6	整流
I0.7	備用	Q0.7	裝置故障
I1.0	A組快熔熔斷	Q1.0	合總開關(guān)
I1.1	B組快熔熔斷	Q1.1	分總開關(guān)
I1.2	同步故障	Q1.2	裝置運(yùn)行信號
I1.3	電源失壓	Q1.3	電容預(yù)充電
I1.4	A組整流過壓	Q1.4	著色完成
I1.5	B組整流過壓	Q1.5	備用
I1.6	A組過流	Q1.6	備用
I1.7	B組過流	Q1.7	備用
I2.0	逆變過流
I2.1	冷卻水水壓偏低
I2.2	冷卻水水溫過高
I2.3	電容預(yù)充電接點(diǎn)返回
I2.4	備用
I2.5	備用
I2.6	備用
I2.7	備用
AIW0	A組電壓（模擬量）	AQW0	給定輸出（模擬量）
AIW2	B組電壓（模擬量）
AIW4	逆變輸出電壓（模擬量）
AIW6	逆變輸出電流（模擬量）

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、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個畫面，包括1個主顯示操作畫面、16個著色檔參數(shù)設(shè)置畫面、1個補(bǔ)色參數(shù)設(shè)置畫面、2個著色數(shù)據(jù)查詢畫面、1個PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)查詢畫面、1個時(shí)鐘調(diào)整畫面和2個歡迎畫面、1個幫助畫面。當(dāng)電源裝置出現(xiàn)故障時(shí)，觸摸屏還會自動彈出故障小畫面，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PLC的程序來實(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個子程序和4個中斷程序，PLC的程序方框圖見圖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處理起動前對逆變脈沖的控制；子程序7是停機(jī)時(shí)對逆變脈沖的控制；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)對逆變脈沖的控制，其中逆變脈沖的立即開通和立即關(guān)斷時(shí)間間隔是采用語句延時(shí)來實(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)測波形

圖7是一臺輸出能力為±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)載下輸出波形全過程

圖8電阻負(fù)載下C處理波形全過程

圖9電阻負(fù)載下C處理波形

圖10 C處理過程中PLC發(fā)出的逆變脈沖與輸出的控制關(guān)系

圖11是同臺均勻化著色電源在現(xiàn)場輸出3000A，±30V，正向脈沖寬度為20ms，周期為200ms的C處理電壓電流波形。圖12是在現(xiàn)場輸出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)場輸出3000A時(shí)的C處理波形

圖12現(xiàn)場輸出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來進(jìn)行小于毫秒級的逆變換流控制，曾是一種大膽的設(shè)想，如今通過實(shí)踐證明是可行的。在現(xiàn)場，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，操作更加方便簡單，受到了用戶的歡迎。