0.前言

近幾年來，國(guó)內(nèi)鋁型材表面處理行業(yè)發(fā)展迅速，技術(shù)進(jìn)步不斷加快。人們對(duì)于鋁型材表面處理水平要求越來越高。電化學(xué)整流器是鋁型材表面處理中非常重要的設(shè)備，尤其是著色電源，其性能直接影響到鋁型材的著色速度，色感及色調(diào)均勻性、光澤及產(chǎn)品合格率。所以把能否滿足工藝要求作為評(píng)定整流器設(shè)備優(yōu)劣的依據(jù)。整流器的性能主要表現(xiàn)在施加電壓的程序，波形，電壓的穩(wěn)定性及與工藝的匹配方面[1]。特別是整流器的輸出波形，目前國(guó)內(nèi)對(duì)這塊的研究非常多，我司也和很多鋁型材廠家積極配合，進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的效果。目前的鋁型材著色電源一般采用不可控整流（二極管）、半控整流（可控硅）、全控整流（GTO、IGBT等）的方式，無論哪種，基本都是以實(shí)現(xiàn)不同波形為前提的。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)需要的波形，一個(gè)功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)是關(guān)鍵，它能使整流器運(yùn)行更加穩(wěn)定，調(diào)節(jié)更加精確，波形更加多樣，通信更加靈活。

1.整流器控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

 

　　目前，市場(chǎng)上現(xiàn)有的鋁型材可控硅著色電源控制系統(tǒng)主要包含以下幾種：

　　1）以PLC為控制核心。

　　該系統(tǒng)主要通過PLC加上相應(yīng)的調(diào)節(jié)板進(jìn)行邏輯控制，PLC負(fù)責(zé)應(yīng)用邏輯處理和調(diào)壓器控制，調(diào)節(jié)板負(fù)責(zé)脈沖序列生成和發(fā)送。PLC通過對(duì)輸出電壓采樣進(jìn)而控制調(diào)壓器動(dòng)作，達(dá)到控制輸出電壓的目的。

　　基于PLC的控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。

　　i) 實(shí)時(shí)性差，PLC的程序掃描類似于一個(gè)前后臺(tái)系統(tǒng)，其程序運(yùn)行周期隨著程序量的增加而增加，并不固定，所以很難實(shí)現(xiàn)對(duì)精確控制。

　　ii)PLC系統(tǒng)的掃描周期一般都需要幾十毫秒，對(duì)于要實(shí)現(xiàn)一些高頻的脈沖波形，基本上做不到。對(duì)一些時(shí)間要求較嚴(yán)格的輸出，在時(shí)間精度上也有一定的偏差。這個(gè)是由PLC系統(tǒng)本身的特性決定的。

　　iii) 由于PLC很難直接進(jìn)行多路脈沖輸出，所以不能直接觸發(fā)可控硅，需要另外的外界電路板實(shí)現(xiàn)，而PLC和外接電路板無法通過總線連接，只能通過模擬量給定方式控制，所以從控制方式上來看，也屬于模擬控制系統(tǒng)。

　　如果用更高等級(jí)的PLC，比如三菱的Q系列，西門子的S7-300系列等，對(duì)于單個(gè)著色電源來說成本也非常高，不太適用。但是PLC具有的優(yōu)勢(shì)也是比較明顯的。首先，其編程方便，進(jìn)入門檻較低，具有一定控制知識(shí)的人都容易上手。其次，模塊種類多樣，各大廠商都推出了或封閉或開放的通信協(xié)議模塊，并且使用廣泛，在行業(yè)里面具有較大影響力。再次，目前使用的PLC都是一些國(guó)際知名的廠商的品牌，不管是質(zhì)量還是信譽(yù)都有充分的保障。所以目前該系統(tǒng)在表面處理電源中應(yīng)用非常廣泛。目前在鋁型材表面處理中使用較多的PLC是西門子的s7-200系列和三菱的FX系列，一般用于普通硬質(zhì)氧化，低頻脈沖氧化，電泳，不對(duì)稱著色電源和DCAC著色電源的控制系統(tǒng)中。

　　2）以ARM+FPGA為控制核心。

　　該系統(tǒng)相比于PLC控制系統(tǒng)，ARM控制器相當(dāng)于PLC，進(jìn)行各種邏輯控制，F(xiàn)PGA相當(dāng)于調(diào)節(jié)板，生成和發(fā)出脈沖。如果說PLC控制系統(tǒng)還是模擬控制系統(tǒng)的話，該系統(tǒng)已經(jīng)屬于數(shù)字控制系統(tǒng)。目前我司的第一代鋁型材表面處理電源數(shù)字控制系統(tǒng)正式基于ARM7加FPGA的架構(gòu)，該芯片型號(hào)較老，主頻100MHZ以內(nèi)，其軟硬件的體系架構(gòu)已經(jīng)屬于多年前的技術(shù)，正逐漸被淘汰。目前該系統(tǒng)主要應(yīng)用于鋁型材脈沖氧化電源，鋁型材駐化法著色電源中?？傮w來說，該系統(tǒng)相對(duì)于PLC系統(tǒng)，控制精度更高，屬于全數(shù)字化控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)一些PLC無法實(shí)現(xiàn)的輸出波形，所以還是有一定的市場(chǎng)。但是，由于一些技術(shù)上的原因，該系統(tǒng)還存在以下的不足：

　　i) 該系統(tǒng)的通信接口還不是很完善，由于該系統(tǒng)主要由整流器廠家開發(fā)，并不是專業(yè)做通信的廠家開發(fā)，所以在通信協(xié)議的支持上還存在很多不足，特別是對(duì)于一些專有的PLC的通信協(xié)議支持不足，很難和基于PLC的控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)協(xié)議的通信。

　　ii)由于采用芯片級(jí)的開發(fā)，不僅要精通高級(jí)語(yǔ)言編程，而且要對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)都要有非常深入的了解，開發(fā)起來有一定難度。進(jìn)入門檻較高。

　　iii)該型控制系統(tǒng)還存在體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，該系統(tǒng)由多塊不同功能的板子組成。結(jié)構(gòu)顯得臃腫，不簡(jiǎn)潔。

　　控制系統(tǒng)視圖如下：

2.在鋁型材表面處理電源中的應(yīng)用

 

　　目前，鋁型材表面處理包含氧化，電泳和著色，其中氧化和電泳是比較常規(guī)的電源，對(duì)波形沒有特別的要求，但是著色工藝對(duì)電源的輸出要求較嚴(yán)格，我們的控制系統(tǒng)重點(diǎn)應(yīng)用在鋁型材的著色電源中。

　　一般來說，鋁型材的著色膜包括整體著色膜，染色膜和電解著色膜。由于電解著色膜的耐候性，耐光性和使用壽命都非常好，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑鋁型材的著色【2】 電解著色的電源波形也經(jīng)歷了不斷的發(fā)展，從最初的工頻正弦波，交流波，到后來的不對(duì)稱AC波形，正負(fù)脈沖波形，鋸齒波，以及各種波形的組合等。我們的電源控制系統(tǒng)也正是針對(duì)這些各種不同波形應(yīng)用，著眼于兼容各種波形以及各種波形的任意組合，是我們整流器設(shè)計(jì)廠家追求的目標(biāo)。正是基于這個(gè)目的，我們才選擇基于PowerPC+RT-Linux的軟硬件架構(gòu)的控制平臺(tái)。這是目前國(guó)內(nèi)功能最強(qiáng)大，性能最優(yōu)異的控制平臺(tái)。

　　該平臺(tái)可以已經(jīng)集成了直流著色工藝，不對(duì)稱交流著色工藝，DCAC交流著色工藝，其中交流的波形可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)波頭比一比一，一比二，一比三，同時(shí)，直流和交流的幾種波形可以任意組合輸出，以滿足不同客戶的不同需求。智能顯示操作控制屏（觸摸屏）實(shí)現(xiàn)整流電源的狀態(tài)設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及故障顯示功能,可存儲(chǔ)多組工藝參數(shù),開機(jī)后自動(dòng)完成工藝流程。整流電源預(yù)留與上位計(jì)算機(jī)接口，方便實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化生產(chǎn)線聯(lián)動(dòng)控制。

　　下面是基于該型控制系統(tǒng)的著色電源輸出各種波形的視圖。注：最下面那條曲線是輸出波形曲線

圖3 不對(duì)稱交流波形

　　如圖3所示，該波形是不對(duì)稱交流著色輸出波形，可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)向電壓從0V到額定的單獨(dú)調(diào)節(jié)，該輸出波形的的周期是50HZ。輸入?yún)?shù)有正向電壓，負(fù)向電壓，正向軟啟時(shí)間，負(fù)向軟啟時(shí)間，工作時(shí)間。自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓或電流，精度小于±1%，具有超溫、DC過流、DC過壓、水壓異常、流量過低、水溫過高、漏水檢測(cè)，正向電壓過壓，負(fù)向電壓過壓等保護(hù)及報(bào)警功能。

圖4

　　如圖4所示，該波形是正向輸出曲線，單個(gè)波頭10毫秒，頻率為100HZ?？梢栽O(shè)置的參數(shù)有靜浸時(shí)間，直流軟起時(shí)間，直流電壓，間隔時(shí)間，交流軟啟時(shí)間，交流電壓，交流運(yùn)行時(shí)間。波形模式，包含普通正向，一比一，一比二，一比三和
各種波形的組合形式。

圖5

　　如圖5所示，改圖輸出為一比一交流模式，也就是標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線。頻率為50HZ，可以設(shè)置的參數(shù)有靜浸時(shí)間，直流軟起時(shí)間，直流電壓，間隔時(shí)間，交流軟啟時(shí)間，交流電壓，交流運(yùn)行時(shí)間。波形模式，包含普通正向，一比一，一比二，一比三和各種波形的組合形式。

圖6

　　如圖6所示，該波形是輸出交流一比二的波形，周期為30ms，可以設(shè)置的參數(shù)有靜浸時(shí)間，直流軟起時(shí)間，直流電壓，間隔時(shí)間，交流軟啟時(shí)間，交流電壓，交流運(yùn)行時(shí)間。波形模式，包含普通正向，一比一，一比二，一比三和各種波形的組合形式。

圖7

　　如圖7所示，該輸出波形為交流一比三模式。周期為40ms，可以設(shè)置的參數(shù)有靜浸時(shí)間，直流軟起時(shí)間，直流電壓，間隔時(shí)間，交流軟啟時(shí)間，交流電壓，交流運(yùn)行時(shí)間。波形模式，包含普通正向，一比一，一比二，一比三和各種波形的組合形式。

圖8

　　如圖8所示，該波形為交流一比二一比三混合輸出，周期為70ms，可以設(shè)置的參數(shù)有靜浸時(shí)間，直流軟起時(shí)間，直流電壓，間隔時(shí)間，交流軟啟時(shí)間，交流電壓，交流運(yùn)行時(shí)間。波形模式，包含普通正向，一比一，一比二，一比三和各種波形的組合形式。
3.系統(tǒng)組網(wǎng)

 

　　基于PowerPC系統(tǒng)架構(gòu)的新一代數(shù)字芯片性能非常出眾，特別是在通信功能方面，可以支持目前大部分的工業(yè)用通信網(wǎng)絡(luò)。支持包括傳統(tǒng)的串口，CAN，以太網(wǎng)，光纖以太網(wǎng)等，同時(shí)支持多路的總線通信，比如可以組成雙網(wǎng)，多網(wǎng)的CAN、以太網(wǎng)等。這樣的好處就是可以進(jìn)行雙網(wǎng)備份，更大的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，我們知道，目前在鋁型材表面處理電源生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)中，基于三菱的CClink網(wǎng)絡(luò)和西門子Profibus網(wǎng)絡(luò)是目前的主要應(yīng)用，我們的系統(tǒng)也支持者兩種通信方式，極大了促進(jìn)了和現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的融合，同時(shí)也能盡可能的滿足業(yè)主方或者生產(chǎn)線系統(tǒng)集成商的要求。

圖9

　　如圖9所示，該型控制系統(tǒng)具有各種通信接口，實(shí)現(xiàn)了和上位機(jī)，服務(wù)器，生產(chǎn)線DCS系統(tǒng)和其他各種工廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的對(duì)接。

　　4.結(jié)束語(yǔ)

　　本文主要介紹基于PowerPC架構(gòu)的硬件平臺(tái)與基于RT-Linux操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)搭建的數(shù)字控制系統(tǒng)在鋁型材著色電源中的應(yīng)用。期望在芯片技術(shù)和軟件技術(shù)不斷發(fā)展的今天，能把一些新型的技術(shù)，高性能的產(chǎn)品引入到鋁型材表面處理行業(yè)里面，以推動(dòng)整個(gè)鋁型材行業(yè)的發(fā)展。簡(jiǎn)要介紹了幾種目前鋁型材表面處理用電源的所使用的控制系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了基于PowerPC和RT-Linux架構(gòu)新一代數(shù)字控制系統(tǒng)的在鋁型材著色電源控制中的應(yīng)用，該系統(tǒng)秉承性能出眾，功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定，入門簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，希望能應(yīng)用到更多特殊處理的表面處理整流器上，這也是我們下一步的目標(biāo)。當(dāng)然，技術(shù)的更新日新月異，我們期待能和大家共同學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步，為國(guó)家鋁型材表面處理工業(yè)的發(fā)展，做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。