注塑机变频节能控制系统

发布日期：2014/9/4 13:29:33

1    引言
        嵌入式实时操作系统作为多任务开发环境,简单易用,适用于51系列的所有派生机型,它分为RTX51Tiny和RTX51Full两个部分,前者是后者的子集。RTX51Tiny不仅是免费的,而且功能强大,完全满足本系统软件开发的需要。它可以灵活地分配硬件系统资源(CPU,存储器等)给各个任务,从而大大地缩短了程序开发的时间并增强了软件工作的稳定性。对于像注塑机这些工作在恶劣场合,干扰剧烈的系统而言,具有十分明显的优势,对嵌入式操作系统在传统工业控制领域的应用具有先导作用。
2    节能系统工作原理
        注塑机是目前中国塑料行业广泛采用的设备,据不完全统计,在比较发达的珠江三角洲和长江三角洲,注塑机数量累计有数万台之多。但是,囿于中国的经济发展水平和产业特点,在诸多的注塑机中,绝大部分都是非完全电控式的,由此就产生了能源浪费的问题。众所周知,注塑机的能耗是比较高的,其主要原因是由于这种非完全电控式的注塑机的主电机工作频率是不可调的,其工作频率总是50Hz。而实际上,在注塑机工作的诸多工段中,如保压、顶针退等工段是完全不需要主电机工频工作的。所以,我们可以考虑开发这样—个系统,它能判断注塑机每个工段的期望频率,然后告知变频器输出期望频率来驱动电机,从而达到节能的目的。
3    硬件设计
        本节能系统的硬件设计分为两个部分,一个是节能控制板,另一个是变频切换箱。变频器就安装在变频切换箱中。
3.1    节能控制板的设计
        经过分析,我们要采集的信号和输出的用来控制变频器的信号。
        根据输入输出信号的描述和可能的软件算法复杂度,我们选择如下硬件模块:
3.1.1    CPU模块　选用AT89-C52,该芯片是8051的增强型,自带8KflashROM和256字节RAM。
3.1.2    输入数字信号处理模块由于同步信号都是24V继电器输入,所以为了与主芯片的CMOS电平匹配,需要进行电平转换,我们采用4N36光耦。
3.1.3    AD及DA转换模块　系统实际处理的模拟量有三个:两个输入(阀门信号)一个输出(变频器控制信号)。考虑到实际的精度的需要,我们选用了AD0809实现两路模拟量的AD转换,一片DAC0832实现一路模拟量的DA转换。同时可以看到,三个信号的电平都不和CMOS电平匹配,所以输入前端和输出后端都要进行电平放大处理,放大采用LM358运放,输入信号放大5倍,输出信号放大2倍即可。
3.1.4    电源模块　系统中总共需要三种电源,5V、+15V和-15V(LM358运放使用)。采用定制的15W三抽头变压器。用7815、7915和7805产生要求的电源。
3.1.5    串行通信模块　由于不同的厂家或者不同的型号的注塑机参数不尽相同,为了增强产品的通用性,我们设计了232串口和PC机通信。PC机上的程序采用VB编制,使用MSCOMM控件实现通信,根据具体的机型修改下位机的工作参数。这样只要将上位机程序安装在笔记本电脑中,在现场调试时,就可以很方便地修改整定现场参数了,下位机使用MAX232实现与PC机的数据收发电平匹配。
3.2    变频切换箱的设计
        变频器采用富士公司的产品,它具有响应速度快,能耗低的特点。在实际工作中,为了防止节能控制板不能正常工作而影响注塑机生产,必须能够使本系统可以在变频和工频之间自由切换。另外为防止干扰,必须将变频器和节能控制板安装在屏蔽箱内,我们称其为变频切换箱。这部分的硬件设计较为简单,只需要几个简单的继电器实现开关切换即可,此处不详述。
4    软件设计
4.1    期望频率的确定
        在引言中曾经指出,是根据工段需要的频率来控制变频器给出期望频率的。那么每个工段的期望频率(fe)是如何确定呢?实际上就是根据流量阀的开度(Qk)和压力阀的开度(Pk)来确定的,也就是说:fe=f(Qk,Pk)理论和试验证明,在大部分工段成立。fe=KQkfe=K(aQk+bPk)　a+b=1式中:K—比例常数,其数值根据流量比例阀信号的电平大小来确定,具体来说K=60/Qmax(Qmax为比例阀信号的最大值);a、b的值根据试验测得,一般为0.3到0.7左右。
        这也解释了为什么要引入同步信号的原因,因为要根据实际的工段来选择不同的计算方式,而由于很多工段的计算方式是相同的,所以也不必每个同步信号都引入,而只需引入几个具有典型意义,又改变显著的信号。
4.2    自学习思想
        在实际产品调试过程中,我们发现采用前面介绍的算法确实可以大幅度节能,但同时却降低了注塑机的生产率。经过仔细分析和试验,发现生产率的降低主要是因为在某些工段需要很高的频率,而在其前一工段的频率较低,所以在二个工段之间需要有一个频率的快速上升过程。我们以保压和顶针退为例来说明:由于变频器的响应速度是有限的,所以频率不能从保压时的较低值立即上升到顶针退需要的较高值,而是有一定的时间延迟(at1),从而造成了生产速度的下降,当大量生产时,这种下降累积起来就会造成生产率的下降。为了解决这个问题,我们引入了自学习的思想。在加工第一个工件时,记录下顶针退动作的开始时间。由于同一模具加工每个工件时相同工段所耗时间几乎是完全相同的,所以在加工第二个工件时,可将前次记录的时间作为指导时间,例如假设记录第三秒时顶针退开始,那么第二遍时我们将三秒作为指导时间,而留出一定时间提前量(at2)提前加大频率来进行顶针退。这样原来从保压的低频率运行到顶针退的高频率运行所需要的频率快速上升过程被一定程度的提前了,从而加快了响应过程,提高了生产率。实际证明,这样处理后,注塑机的生产率下降几乎可以忽略。
4.3    软件开发工具介绍上位机使用VB6作为开发环境,使用MSCOMM控件实现通信,编写较为简单。
        下位机使用KeilC51V7.0来进行软件的编写和调试,全部代码用C语言完成。考虑到引入了自学习思想后,有很多任务几乎需要并行完成,所以利用了Keil支持的RTX51Tiny嵌入式实时操作系统作为工具。该操作系统是一个准并行的多任务环境,和Windows等现代操作系统相似。就是将CPU的时钟切割成很小的等量时间片,然后分配给每个任务,当这个任务执行了给定的时间片断之后,还未完成,则保护现场之后,跳转到下一个任务执行。这样不断地循环执行之。绝对上讲,同一时刻只有一个任务在执行,但是由于时间片非常短,一般为10ms数量级,所以相对上来说,就相当于多个任务在同时执行了。该操作系统最多可支持16个任务,不需要扩展外部RAM,利用51内部的定时器0来产生报时,就能满足大多数简单控制系统的需要了。该操作系统API(ApplicationInterface)函数。它们允许建立和解除任务;从一个任务向另一个任务发送和接受信号或延迟一个任务一定数量的报时信号。
5    结束语
        系统稳定可靠,节能比可达40%到60%,前期投资可以通过电费节省收回,具有很高的经济效益。

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