專利名稱：一種提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制裝置及方法，準確地說是一種用于在不降低注塑機生產率的前提下消除注塑機各工藝段切換的速度響應延遲時間實現有效節能的裝置及方法。
背景技術：
在傳統的注塑行業中，注塑機通常使用的三相異步交流電機不能變速，其拖動的定量泵輸出液壓油的流量不能改變，注塑機在進行低速動作時，多余的流量經溢流閥流回油箱，造成能量的大量損失。
一種改進的注塑機是在其原有設備的基礎上增加變頻器，以適用不同制作工序對于不同頻率的要求。變頻器能根據控制系統的指令，調節電機的轉速，使定量泵輸出的液壓油的流量可根據注塑機動作速度要求而改變，減少了液壓油從溢流閥流回油箱的能耗，從而節省了大量的電能。
變頻器通常通過采樣注塑機電腦的流量和壓力輸出電流來調節電機的運行頻率，但是會產生注塑機各工藝段切換的速度響應延遲，延長產品生產周期，因為注塑機加裝變頻器后，主電機轉速隨著注塑機各工藝段的速度變化而變化，注塑機工作周期循環時間較短，各工藝段的頻繁切換致使主電機頻繁的處于加減速進程中，電機加減速有一定的響應時間，各工藝段切換的加速響應時間由電機的加速響應時間決定，一般為幾百毫秒，而加裝變頻器前各工藝段切換的加速響應時間由流量閥響應時間決定，一般為幾十毫秒，導致各工藝段切換的速度響應時間延長，使注塑機生產周期時間增加，生產效率降低。
發明內容
本發明的目的在于提供一種提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制裝置及方法，該裝置和方法通過變頻器在注塑機生產周期各工藝段之間轉換前給出一個電機加速的提前量，從而消除在注塑機工藝段之間切換的速度響應時間延遲，提供了一種比較好的提高生產效率的節能方法。
具體地說，本發明是這樣實現的一種提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制方法，其主要的步驟為采集注塑機的工藝參數設置和工作狀態信號；根據輸入的信號計算注塑機當前工藝段轉下一工藝段的電機提前加速時間點(Sx)；電機提前加速時間點前輸出當前工藝段頻率控制信號值至變頻器，電機提前加速時間點到達后輸出下一工藝段頻率控制信號值至變頻器。
上述的從注塑機控制系統內部直接讀取的有關工藝參數和工作狀態信號包括注塑工藝相關的壓力、流量設定參數，以及注塑機位置、時間、限位開關及當前所處的工藝段標志，以及變頻器的運行參數。
并且，上述的注塑機當前工藝段轉下一工藝段的電機提前加速時間點(Sx)是指在注塑機生產周期各工藝段之間轉換時，如果下一工藝段頻率高于當前工藝段頻率時，中央處理單元提前向變頻器提前輸出下一工藝段的頻率，提前加速時間點(Sx)，可以使用下列公式進行計算Sx＝Tx-TQx式中Tx為當前工藝段時間，TQx為提前加速時間，電機提前加速時間(TQx)的方法如下式TQx＝(Ax*Fx+1-Bx*Fx)/(Cx*Fmax)*DT+T0其中，Ax、Bx、Cx為當前工藝段事先設定的參數，其取值范圍滿足Ax＞＝0，Bx＞＝0，Cx＞0；Fx為當前工藝段頻率控制信號值，Fx+1為下一工藝段頻率控制信號值，Fmax為注塑機使用變頻器時電機的最大工作頻率對應的控制信號值(一般為市電頻率50Hz)，DT為經驗值，取值范圍為0～10s，推薦值為電機由零加速到最大工作頻率所需的時間，T0為經驗設定值，范圍為0～1s，電機慣量大小的修正值。
電機提前加速時間點前輸出當前工藝段頻率控制信號值至變頻器，電機提前加速時間點到達后輸出下一工藝段頻率控制信號值至變頻器。
工藝段之間切換時，電機應工作在能夠滿足當前工況所需流量的較高轉速運行，對于電機從高轉速向低轉速變化的工藝段，不需要電機提前加速；對于電機從低轉速向高轉速變化的工藝段，根據計算出的提前時間提升輸出頻率，以避免時間延遲，保證整個注塑過程的周期不變。
一種提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制裝置，包括原有注塑機控制系統部分、變頻器信號控制接口部分，所述的原有注塑機控制系統部分是指沒有獨立的變頻器控制信號接口部分的注塑機控制系統。
所述的變頻器信號控制接口部分可以是模擬電壓輸出接口、也可以是模擬電流輸出接口，還可以是串行通信接口。
變頻器信號控制接口是模擬電壓輸出接口時，中央處理單元連接有D/A轉換器、模擬電壓放大器，變頻器控制信號電壓模擬量輸出端口與變頻器電壓模擬輸入端口連接。
變頻器信號控制接口是模擬電流輸出接口時，中央處理單元連接有D/A轉換器、放大器、電壓電流轉換電路，變頻器控制信號電流模擬量輸出端口與變頻器的電流模擬輸入端口連接，控制信號電流模擬量輸出是不同于注塑機壓力、流量的另一種比例信號輸出。
變頻器信號控制接口是串行通信端口時，通過標準RS-422、RS-485、RS-232等各種串行通信接口與變頻器的串行通信端口連接。
由于在注塑機的變頻器節能改造中使用了本發明，實現了電機的提前加速，消除了變頻器對注塑生產效率下降的影響；保證注塑工藝所需的快速響應能力，在使用變頻器節能的前提下，保證了注塑的工藝要求及生產效率。
圖1為本發明實施的結構示意圖，圖2為本發明實施的控制流程圖，圖3為本發明實施的各工藝段測量時間流程4為本發明實施的主要部件連接圖，圖5為本發明實施的時間對比圖，圖6為本發明實施的采用串行接口時的電路圖，圖7為本發明實施的變頻器采用模擬電壓輸入端口時信號傳輸的示意圖，圖8為本發明實施的變頻器采用模擬電流輸入端口時信號傳輸的示意圖，具體實施方式
參照附圖，本發明實施的基本結構是采用圖1所示方式連接的，其余部分于現有的注塑機相同，在此不再詳細描述。
從圖1中看出，注塑機的控制系統連接變頻器，并處理由注塑機各驅動和檢測單元所輸入的信號，這些信號包括注塑工藝相關的壓力、流量設定參數，以及注塑機位置、時間、限位開關及當前所處的工藝段標志，以及變頻器的運行參數。
信號的檢測和處理包括變頻器又連接電機和油泵，電機在不同工藝段的運行頻率是不完全一致的，當其下一工藝段的運行頻率低于現在的工藝段時，變頻器的中央處理器發出指令，調節電機的轉速，使油泵輸出的液壓油的流量可根據注塑機動作速度要求而改變，減少了液壓油從溢流閥流回油箱的能耗，從而達到節能。
當下一工藝段電機的運行頻率控制信號值小于現有工藝段的運行頻率控制信號值時，電機維持其運行頻率不變；但是當下一工藝段電機的運行頻率控制信號值高于現有工藝段的運行頻率控制信號值時，變頻器要指令電機加速，此時中央處理器要對變頻器的輸出頻率控制信號值進行運算，并相應地使其控制電機提前加速，具體的方式如圖2所描述的，下一步進行詳細描述。
一般情況下注塑機構成的主要器件及其連接關系、信號走向如圖4所示，注塑機的控制系統主要由中央處理器和顯示器與鍵盤構成，它是注塑機的核心控制部分，主要控制注塑機的開關量、料筒、電子尺、壓力及流量，控制的方式是在注塑流程開始前，預先設置該注塑流程的要求和主要工藝參數，包括產品的性能、質量參數，中央處理器會根據注塑流程自動運算各個工藝段時間，電機轉速、流量、壓力等工藝參數，并按照工藝段向注塑機各個器件輸出指令，控制整個注塑流程；對于其連接的變頻器，通常是中央處理器將收集的各種工藝參數和信號(一般是通過模擬信號傳輸的)進行運算處理，計算出各個工藝段的電機運行頻率控制信號值，并將頻率控制信號值輸入到變頻器，由其控制電機的運行速度。中央處理器與變頻器之間通常是模擬實施時，給中央處理器和變頻器之間設置了通訊接口，該通訊接口可以是多種模式的接口方式，以適應多種信號的傳遞；譬如中央處理器輸出端口是模擬電壓輸出端口時，中央處理器向變頻器輸出的是模擬電壓，變頻器的通訊端口(又稱為信號控制接口裝置)包括有D/A轉換器、放大器，變頻器本身具有的輸入端口也是電壓模擬輸入端口(此時可將該電壓模擬輸入端口看做是信號控制接口裝置的一部分)，輸出的電壓模擬量，經D/A轉換器、放大器電路連接到變頻器的電壓模擬輸入端口輸入到變頻器(圖7所示)。
在其它的實施方式中，模擬電壓端口也可設置成模擬電流端口(圖8所示)，或者是串行通訊端口(圖6所示)，串行通訊端口的設置往往能夠大大降低接口電路的復雜程度，而且其輸出數據為數字模式，便于準確地傳輸，避免干擾。常用的串行端口為標準RS-422、RS-485、RS-232等各種串行通信接口。
注塑機控制系統，其構成核心是中央處理器(CPU)，該控制系統并設有變頻器的參數設定頁面，操作者可通過該頁面輸入變頻器的運行參數。在注塑機工作過程中，注塑機控制系統可將當前注塑機動作的流量與壓力值按用戶設定的調整系數進行計算，確定各個工藝段及時間，計算變頻器的輸出頻率并控制其輸出過程，確定提前加速工藝段、提前加速時間和提前加速時間點，并控制其輸出，與大多數設備控制系統一樣，其是運算與控制注塑機工作的核心。
注塑機工藝的具體流程如圖2所示。
首先是設定相應參數，在注塑機電腦的工藝參數設定頁面中，該頁面通過注塑機控制系統的顯示器顯示處理，輸入參數則通過鍵盤輸入；對于特定產品的注塑工藝，其是按照最終產品的要求和性能，通過現有的固定程序運算處理的，在啟動注塑機后，現有的注塑機控制系統的中央處理器能夠根據要求自動運算出來，在此不做描述。其實際的注塑生產流程為1、注塑機控制系統采集注塑機的工藝參數設置和工作狀態信號；有關工藝參數和工作狀態信號包括注塑工藝相關的壓力、流量設定參數，以及注塑機位置、時間、限位開關及當前所處的工藝段標志，以及變頻器的運行參數，這些參數和信號作為下一步運算運行時間、頻率的基礎；2、確定注塑流程的起始點，明確注塑流程從何時開始計時，工藝段從何時開始；3、中央處理器根據上述的輸入信號計算確定各工藝段的運行時間(Tx)；4、再根據上述的條件計算各工藝段的電機運行頻率控制信號值(Fx)；5、計算完畢后，中央處理器將上述的計算結果存儲于注塑機控制系統的存儲器中，便于隨時讀取；6、啟動注塑流程后，第一個工藝段加工開始；中央處理器就會自動從存儲器中讀取下一工藝段的電機運行頻率，為下一步電機的運行做事先的判斷；7、判斷過程包括檢測現在工藝段的電機頻率控制信號值，并與所存儲的下一個工藝段電機的運行頻率控制信號值進行對比，確定當前頻率控制信號值是否小于等于下一工藝段頻率控制信號值；8、如果當前頻率控制信號值小于下一工藝段頻率控制信號值，則進行計算電機提前啟動的時間；該提前啟動的時間包括電機加速提前時間和加速提前時間點，即什么時間、提前多少時間對電機進行加速。
具體的計算方式為電機提前加速時間(TQx)的計算方法如下式TQx＝(Ax*Fx+1-Bx*Fx)/(Cx*Fmax)*DT+T0其中，Ax、Bx、Cx為當前工藝段事先設定的參數，其取值范圍滿足Ax＞＝0，Bx＞＝0，Cx＞0；Fx為當前工藝段頻率控制信號值，Fx+1為下一工藝段頻率控制信號值，Fmax為注塑機使用變頻器時電機的最大工作頻率對應的控制信號值(一般為市電頻率50Hz)，DT為經驗值，取值范圍為0～10s，推薦值為電機由零加速到最大工作頻率所需的時間，T0為經驗設定值，范圍為0～1s，電機慣量大小的修正值；計算注塑機當前工藝段轉下一工藝段的電機提前加速時間點(Sx)，可以使用下列公式計算Sx＝Tx-TQx；對于當前頻率控制信號值大于下一工藝段的頻率控制信號值，即上述的邏輯判斷為否的狀態，注塑機的控制系統將其作為提前加速時間為零的狀態運行(再進一步限定，可限定其提前加速時間點也為零)。
9、隨時判斷是否到提前加速時間點；10、如到上述的提前加速時間點，則注塑機按照提前加速時間輸出下一工藝段頻率信號，使變頻器按照指定時間提前按照下一工藝段電機運行頻率(Fx)對電機進行加速；如果沒有到提前加速時間點，則控制系統輸出當前工藝段的頻率信號，繼續執行當前的操作；直到到提前加速時間點。
對于電機從低轉速工藝段向高轉速工藝段切換，都需要在當前工藝段結束前提前輸出下一工藝段的頻率，實現提前加速電機，以能消除加速延遲時間，保證整個注塑過程的周期不變。
變頻器的控制，可以從圖2中體現出來，變頻器接收注塑機中央處理器發出的控制指令……頻率輸入信號，再控制電機按照頻率運行。
提前加速的詳細的控制步驟為1)用戶首先在控制系統上通過鍵盤設置變頻器運行參數、提前加速參數，當然這兩個參數的設定是根據實際的應用情況確定的；2)確定注塑起始點后，注塑機按照預定的注塑流程，開始自動控制整個注塑過程；3)注塑機的中央處理器計算各個工藝段的電機運行頻率控制信號值(以下簡稱頻率)；4)進行邏輯判斷，判斷下一工藝段頻率是否高于當前頻率；若下一工藝段頻率不高于當前頻率，則控制系統繼續輸出當前頻率信號給變頻器，控制電機運行；若下一工藝段頻率高于當前頻率，則需要對電機提前加速；5)計算提前加速時間及提前加速時間點，提前加速時間是按照下式計算的TQx＝(Ax*Fx+1-Bx*Fx)/(Cx*Fmax)*DT+T0其中，Ax、Bx、Cx為當前工藝段事先設定的參數，其取值范圍滿足Ax＞＝0，Bx＞＝0，Cx＞0；Fx為當前工藝段頻率控制信號值，Fx+1為下一工藝段頻率控制信號值，Fmax為注塑機使用變頻器時電機的最大工作頻率對應的控制信號值(一般為市電頻率50Hz)，DT為經驗值，取值范圍為0～10s，推薦值為電機由零加速到最大工作頻率所需的時間，T0為經驗設定值，范圍為0～1s，電機慣量大小的修正值；提前加速時間點則是按照下式計算的Sx＝Tx-TQx；6)判斷提前加速時間點是否到，如果到則控制系統向變頻器輸出下一工藝段頻率信號，如未到則仍然輸出當前頻率信號，直到提前加速時間點到為止。
需要補充說明的是，對于各個工藝段，在整個的注塑流程過程中它們之間的銜接是通過設置工藝段標志來識別和確認的，一個工藝開始時，注塑機控制系統就讀取當前工藝段的標志及時間長度，以識別不同的工藝段，并進行計時，到該工藝段需要切換時，則設置切換時間點，或者通過設置位置點(即類似工藝段標志的形式)，或者通過工藝段的時間長度確定是否需要進行工藝切換，如果是則控制系統記錄該工藝段時間，并讀取下一工藝的參數，開始下一工藝段計時；如果沒有到下一工藝段切換時，則繼續執行該工藝段，并繼續對當前工藝進行計時。
在注塑機的注塑流程及提前加速時間的計算過程中，都涉及一個非常重要的參數-----電機運行頻率的計算及其輸出控制，該頻率是根據變頻器的特性及注塑流程的需要確定的。
電機運行頻率取決于其注塑流程和與之相關的變頻器及油泵，所以這幾個相關的設置是影響頻率計算的關鍵，計算的步驟為a、先設置變頻器和油泵參數；變頻器的參數包括其本身最大、最小調頻幅度，即其控制的最大頻率和最小頻率；油泵參數則包括其流量設置及最大流量；b、再計算流量系數；該系數的計算公式K＝(Fmax-F0)/QmaxQmax為注塑機油泵輸出的最大油量設定，取值為100％；c、有了流量系數，就可以計算頻率了，變頻器的對應輸出頻率是由下式確定的Fset＝K*Qx+F0式中，Fset為當前注塑工藝段的變頻器運行頻率，F0為附加頻率，與油泵選擇有關，取值范圍0～50Hz。Qx為當前注塑工藝段設定流量，取值范圍0～100％；d、頻率輸出判斷(判斷不同工藝段，以進行輸出頻率區分)；頻率輸出先要判斷是哪個工藝段，然后再確定對應輸出的頻率。例如如果是冷卻工藝段，因不需要電機運轉，其頻率輸出為零；如果是再循環工藝段，則還要進行判斷，看Fset是否大于Fmin，如果大于，輸出的是上述的計算頻率，如果不大于，則取Fset＝Fmin，輸出時取最小頻率。
這樣整個計算過程完成。
所以在本發明的實施過程中，注塑流程和工藝參數的設置、電機輸出頻率的確定、提前加速時間及時間點的確定都是決定一個注塑流程提高生產效率、降低能耗的主要步驟，其中發明點和最關鍵的步驟是提前加速時間及時間點的確定，該步驟能夠保證注塑過程中生產周期不變，從而達到降低能耗、提高效率的目的。
從效果上對比，一種方式是對比時間控制圖，提前加速的效果參見圖5，圖中所示未加變頻器、加裝變頻器及加裝變頻器并采用本發明的幾種開模速度曲線的比較。不使用變頻器的注塑機工作時電機一直處于工頻狀態運行，開模動作的速度響應取決于油閥的比例閥響應；使用變頻器的注塑機在冷卻轉開模動作時，由于電機的速度響應有一定的滯后時間，使得開模動作速度減慢。而使用本發明的注塑機控制系統后，注塑機在冷卻轉開模動作前已經給變頻器輸出了一個提前加速度時間，使開模速度與未使用變頻器的開模速度一致，從而達到了不降低生產效率的前提下節能的目的。
例如現有通用注塑動作流程與時間為鎖模(1s)--射臺進(2s)--射膠(7s)--保壓(5s)--前抽膠(1s)--熔膠(5s)--后抽膠(1s)--射臺進(2s)--冷卻(3s)--開模(1s)--頂針(1s)--再循環(4s)，在冷卻與再循環動作，電機處于停止。如果在下一動作到來時再啟動電機，電機帶動油泵從靜止開始加速，勢必造成鎖模與開模的延時。而使用提前加速方案，例如計算出提前加速時間為0.5s，則在冷卻計時2.5s和再循環計時3.5s后，控制電腦提前輸出頻率，在0.5s的時間內，電機已由零加速到滿足鎖模與開模所需要的轉速，此時進行鎖模、開模動作便不會再有延遲。
另一個對比方式是具體應用效果的對比。應用本發明后，生產中具體的測試效果為當采用了本發明所述的方法和裝置，并且當，T0＝0.2S、F0＝10Hz、Fmax＝50Hz、Fmin＝20Hz、DT＝0.5S，由1秒變成0秒)。注塑機工作周期為9S。而未采用本發明實施的方法和裝置的時候，即僅當注塑機只簡單的加上變頻器來實現節能的時候，注塑機的工作周期為9.5S，節能5-10％。實驗證明，該注塑工廠生產能力也由只采用變頻器的一天產量5000個注塑件產品，到采用本發明實施的方法和裝置后增加為6000個，生產效率提高了20％。
以上所示，僅僅為本發明實施的幾個具體的實施方式，并不代表本發明實施的所有方式，凡是復合本發明進行提前加速電機控制的方法及裝置，都應在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制方法，其特征在于主要的步驟為采集注塑機的工藝參數設置和工作狀態信號；根據輸入的信號計算注塑機當前工藝段轉下一工藝段的電機提前加速時間點(Sx)；電機提前加速時間點前輸出當前工藝段頻率控制信號值至變頻器，電機提前加速時間點到達后輸出下一工藝段頻率控制信號值至變頻器。
2.根據權利要求1所述的提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制方法，其特征在于從注塑機控制系統內部直接讀取的有關工藝參數和工作狀態信號包括注塑工藝相關的壓力、流量設定參數，以及注塑機位置、時間、限位開關及當前所處的工藝段標志，以及變頻器的運行參數。
3.根據權利要求1所述的提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制方法，其特征在于注塑機當前工藝段轉下一工藝段的電機提前加速時間點(Sx)是指在注塑機生產周期各工藝段之間轉換時，如果下一工藝段頻率高于當前工藝段頻率時，中央處理單元提前向變頻器提前輸出下一工藝段的頻率，提前加速時間點(Sx)，可以使用下列公式進行計算Sx＝Tx-TQx式中Tx為當前工藝段時間，TQx為提前加速時間，電機提前加速時間(TQx)的方法如下式TQx＝(Ax*Fx+1-Bx*Fx)/(Cx*Fmax)*DT+T0其中，Ax、Bx、Cx為當前工藝段事先設定的參數，其取值范圍滿足Ax＞＝0，Bx＞＝0，Cx＞0；Fx為當前工藝段頻率控制信號值，Fx+1為下一工藝段頻率控制信號值，Fmax為注塑機使用變頻器時電機的最大工作頻率對應的控制信號值(一般為市電頻率50Hz)，DT為經驗值，取值范圍為0～10s，推薦值為電機由零加速到最大工作頻率所需的時間，T0為經驗設定值，范圍為0～1s，電機慣量大小的修正值。
4.根據權利要求1所述的提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制方法，其特征在于工藝段之間切換時，電機應工作在能夠滿足當前工況所需流量的較高轉速運行，對于電機從高轉速向低轉速變化的工藝段，不需要電機提前加速；對于電機從低轉速向高轉速變化的工藝段，根據計算出的提前時間提升輸出頻率。
5.一種提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制裝置，其特征在于該裝置包括原有注塑機控制系統部分、變頻器信號控制接口部分，所述的原有注塑機控制系統部分是指沒有獨立的變頻器控制信號接口部分的注塑機控制系統。
6.根據權利要求5所述的提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制裝置，其特征在于變頻器信號控制接口部分可以是模擬電壓輸出接口、也可以是模擬電流輸出接口，還可以是串行通信接口。
7.根據權利要求6所述的提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制裝置，其特征在于變頻器信號控制接口是模擬電壓輸出接口時，中央處理單元連接有D/A轉換器、模擬電壓放大器，變頻器控制信號電壓模擬量輸出端口與變頻器電壓模擬輸入端口連接。
8.根據權利要求6所述的提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制裝置，其特征在于變頻器信號控制接口是模擬電流輸出接口時，中央處理單元連接有D/A轉換器、放大器、電壓電流轉換電路，變頻器控制信號電流模擬量輸出端口與變頻器的電流模擬輸入端口連接。
9.根據權利要求6所述的提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制裝置，其特征在于變頻器信號控制接口是串行通信端口時，通過標準RS-422、RS-485、RS-232等各種串行通信接口與變頻器的串行通信端口連接。
全文摘要
本發明是一種提高應用變頻器的注塑機生產效率的控制裝置及方法，該裝置和方法主要的特點是根據注塑機的工藝參數設置和工作狀態信號；計算注塑機當前工藝段轉下一工藝段的電機提前加速時間點，并在電機提前加速時間點到達后輸出下一工藝段頻率控制信號值至變頻器。通過變頻器在注塑機生產周期各工藝段之間轉換前給出一個電機加速的提前量，從而消除在注塑機工藝段之間切換的速度響應時間延遲，提供了一種比較好的提高生產效率的節能方法。
文檔編號B29C45/76GK1597298SQ20041002776
公開日2005年3月23日 申請日期2004年6月23日 優先權日2004年6月23日
發明者方志群, 孫毅 申請人:深圳市珊星電腦有限公司