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1．前言
鋁型材經過擠壓成型之后，一般都需要經過表面工藝處理之后，才能作為成品使用。經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、耐蝕性和色澤穩定持久的氧化膜，被廣泛應用在建筑和室內外裝飾行業上。
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行的一道工序，其原理是在槽體溶液中通過電化學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、波形及工作時間長短也不同。
其中有一種由日本發明的著色方法稱為均勻化著色方法，可在較短的時間里得到效果好、顏色均勻的著色氧化膜。這種著色方法由于生產效率高，成品率高，已在日本廣泛應用，目前在國內也正在逐步推廣開來。
2．著色電源系統要求
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）一段時間，然后輸出頻率為1～30Hz范圍內特定值，正負方波占寬比為0.005～0.30內特定值的脈沖電流（稱為C處理）一段時間，接著再進行一次C處理（稱為C2處理）一段時間，如圖1所示。在工廠生產中，C處理常用的頻率為5Hz，正負方波占寬比為1:9，C2處理根據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）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）；
（7）入槽靜泡時間：可在10～3000s內設定；
（8）P處理時間：可在0～3000s內設定；
（9）P處理與C處理間隔時間：可在10～3000s內設定；
（10）C處理時間：可在0～3000s內設定；
（11）C處理時脈沖周期：200ms（可根據要求在20ms～300ms范圍內修改）；
（12）C處理時正脈沖寬度：20ms（可根據要求在10ms～100ms范圍內修改）；
（13）能滿足二次C處理的要求；
（14）能滿足補色（即再進行C處理）的要求；
（15）有必要的保護措施。
3．著色電源系統組成及工作原理簡介
為實現上述的輸出波形及滿足工藝要求，設計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電抗器濾波，再逆變，然后并聯輸出。
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，當主臂晶閘管V1、V4導通時，電流經電抗器L、主臂晶閘管V1，流向負載，然后從主臂晶閘管V4流回，此時負載承受的是正向電壓、電流，當要使負載承受反向電壓、電流時，首先應關掉主臂晶閘管V1、V4的控制脈沖，然后控制輔助晶閘管V11、V14導通，使電容C1、C2放電再反向充電，強迫關斷主臂晶閘管V1、V4，接著關掉輔助晶閘管V11、V14的控制脈沖，再控制主臂晶閘管V2、V3導通，這時電流經電抗器L、主臂晶閘管V2，流向負載，然后從主臂晶閘管V3流回，此時負載承受的就是反向電壓、電流。要使負載從承受反向電壓、電流轉換到承受正向電壓、電流，其原理一樣，先關掉主臂晶閘管V2、V3的控制脈沖，然后控制輔助晶閘管V12、V13導通，使電容C1、C2放電再反向充電，強迫關斷主臂晶閘管V2、V3，接著關掉輔助晶閘管V12、V13控制脈沖，再控制主臂晶閘管V1、V4導通，就完成了負載從承受反向電壓、電流到承受正向電壓、電流的轉換。主臂晶閘管和輔助晶閘管的導通是通過PLC發出的逆變脈沖來控制的，由于負載承受正向電壓、電流向反向電壓、電流轉換，或由反向轉換到正向，都是在極短的時間內完成（一般只有幾百個微秒），因此PLC的選型和編程設計將直接關系到整個逆變部分的正常工作和輸出波形的準確性。
3．2控制部分
控制部分包括A組、B組整流調節單元，逆變脈沖觸發單元，信號接口電路，可編程邏輯控制器PLC和觸摸屏等。
A組、B組整流調節單元主要功能是按照PLC發出的給定信號來調節三相全控整流橋輸出的電流，其內部包括PI調節電路、移相觸發電路、功放電路等。
逆變脈沖觸發單元主要是接收PLC的逆變脈沖，對逆變脈沖再進行調制、功放后控制逆變部分的主臂晶閘管和輔助晶閘管準確可靠的導通，從而實現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 和一模擬量擴展模塊EM235組成。PLC作為本電源系統的核心控制器件，主要完成下列功能：
（1）開、停機控制；
（2）運行流程控制；
（3）逆變部分晶閘管的導通控制；
（4）整流給定控制；
（5）電源裝置狀態量的采集；
（6）模擬量采集；
（7）設置、顯示參數的計算；
（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（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 |
總開關合 |
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 |
合總開關 |
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I1.1 |
B組快熔熔斷 |
Q1.1 |
分總開關 |
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I1.2 |
同步故障 |
Q1.2 |
裝置運行信號 |
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I1.3 |
電源失壓 |
Q1.3 |
電容預充電 |
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I1.4 |
A組整流過壓 |
Q1.4 |
著色完成 |
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I1.5 |
B組整流過壓 |
Q1.5 |
備用 |
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I1.6 |
A組過流 |
Q1.6 |
備用 |
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I1.7 |
B組過流 |
Q1.7 |
備用 |
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I2.0 |
逆變過流 |
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I2.1 |
冷卻水水壓偏低 |
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I2.2 |
冷卻水水溫過高 |
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I2.3 |
電容預充電接點返回 |
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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之間進行點對點（PPI）通訊。觸摸屏主要實現如下功能：
（1）表計功能指示；
（2）裝置的啟動、停止操作；
（3）增、減操作；
（4）進線斷路器的分、合操作；
（5）電流調節設置；
（6）著色檔選擇；
（7）生產工藝過程選擇；
（8）P處理時間、間隔時間、C處理時間設置；
（9）裝置狀態顯示；
（10）裝置故障閃爍報警。
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個著色檔參數設置畫面、1個補色參數設置畫面、2個著色數據查詢畫面、1個PLC內部數據查詢畫面、1個時鐘調整畫面和2個歡迎畫面、1個幫助畫面。當電源裝置出現故障時，觸摸屏還會自動彈出故障小畫面，并以紅色閃爍報警，引起運行人員的注意。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。
著色電源的操作執行、控制、設置參數的計算等都是通過PLC的程序來實現完成的，PLC的程序設計是著色電源控制性能的關鍵。
為了便于查找、修改和調試程序，以及縮短CPU的掃描周期，均勻化著色電源設計的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、判斷開停機等內容；子程序0主要完成運行時的工作流程控制；子程序1主要完成在靜泡時間內的控制操作；子程序2主要完成P處理時間內的控制操作；子程序3主要完成在間隔時間內的控制操作；子程序4主要完成C處理時間內的控制操作；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是停機時對逆變脈沖的控制；子程序8主要完成停機時著色參數的輸入和計算等內容；子程序9主要完成補色參數的輸入和計算等內容。中斷程序主要是完成C處理時對逆變脈沖的控制，其中逆變脈沖的立即開通和立即關斷時間間隔是采用語句延時來實現的。
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室的電阻性負載下輸出的電流、電壓的波形全過程。圖中P處理時間是3s，輸出電流是750 A，電壓30V；間隔時間是10s；C處理時間是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發出的逆變脈沖與輸出的控制關系。
圖7 電阻負載下輸出波形全過程
圖8 電阻負載下C處理波形全過程
圖9 電阻負載下C處理波形
圖10 C處理過程中PLC發出的逆變脈沖與輸出的控制關系
圖11是同臺均勻化著色電源在現場輸出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 現場輸出3000A時的C處理波形
圖12 現場輸出2000A時的C處理波形
6．結論
均勻化著色電源是為了取代進口，降低成本，按照生產工藝要求國內自主研發的一種大功率電源產品。從設計之初，選用西門子的小型PLC S7-200來進行小于毫秒級的逆變換流控制，曾是一種大膽的設想，如今通過實踐證明是可行的。在現場，均勻化著色電源完全滿足生產工藝的要求，鋁材著出的顏色效果與國外進口設備一致，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，運行穩定可靠，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。
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