专利名称：一种提高应用变频器的注塑机生产效率的控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种提高应用变频器的注塑机生产效率的控制装置及方法，准确地说是一种用于在不降低注塑机生产率的前提下消除注塑机各工艺段切换的速度响应延迟时间实现有效节能的装置及方法。
背景技术：
在传统的注塑行业中，注塑机通常使用的三相异步交流电机不能变速，其拖动的定量泵输出液压油的流量不能改变，注塑机在进行低速动作时，多余的流量经溢流阀流回油箱，造成能量的大量损失。
一种改进的注塑机是在其原有设备的基础上增加变频器，以适用不同制作工序对于不同频率的要求。变频器能根据控制系统的指令，调节电机的转速，使定量泵输出的液压油的流量可根据注塑机动作速度要求而改变，减少了液压油从溢流阀流回油箱的能耗，从而节省了大量的电能。
变频器通常通过采样注塑机电脑的流量和压力输出电流来调节电机的运行频率，但是会产生注塑机各工艺段切换的速度响应延迟，延长产品生产周期，因为注塑机加装变频器后，主电机转速随着注塑机各工艺段的速度变化而变化，注塑机工作周期循环时间较短，各工艺段的频繁切换致使主电机频繁的处于加减速进程中，电机加减速有一定的响应时间，各工艺段切换的加速响应时间由电机的加速响应时间决定，一般为几百毫秒，而加装变频器前各工艺段切换的加速响应时间由流量阀响应时间决定，一般为几十毫秒，导致各工艺段切换的速度响应时间延长，使注塑机生产周期时间增加，生产效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高应用变频器的注塑机生产效率的控制装置及方法，该装置和方法通过变频器在注塑机生产周期各工艺段之间转换前给出一个电机加速的提前量，从而消除在注塑机工艺段之间切换的速度响应时间延迟，提供了一种比较好的提高生产效率的节能方法。
具体地说，本发明是这样实现的一种提高应用变频器的注塑机生产效率的控制方法，其主要的步骤为采集注塑机的工艺参数设置和工作状态信号；根据输入的信号计算注塑机当前工艺段转下一工艺段的电机提前加速时间点(Sx)；电机提前加速时间点前输出当前工艺段频率控制信号值至变频器，电机提前加速时间点到达后输出下一工艺段频率控制信号值至变频器。
上述的从注塑机控制系统内部直接读取的有关工艺参数和工作状态信号包括注塑工艺相关的压力、流量设定参数，以及注塑机位置、时间、限位开关及当前所处的工艺段标志，以及变频器的运行参数。
并且，上述的注塑机当前工艺段转下一工艺段的电机提前加速时间点(Sx)是指在注塑机生产周期各工艺段之间转换时，如果下一工艺段频率高于当前工艺段频率时，中央处理单元提前向变频器提前输出下一工艺段的频率，提前加速时间点(Sx)，可以使用下列公式进行计算Sx＝Tx-TQx式中Tx为当前工艺段时间，TQx为提前加速时间，电机提前加速时间(TQx)的方法如下式TQx＝(Ax*Fx+1-Bx*Fx)/(Cx*Fmax)*DT+T0其中，Ax、Bx、Cx为当前工艺段事先设定的参数，其取值范围满足Ax＞＝0，Bx＞＝0，Cx＞0；Fx为当前工艺段频率控制信号值，Fx+1为下一工艺段频率控制信号值，Fmax为注塑机使用变频器时电机的最大工作频率对应的控制信号值(一般为市电频率50Hz)，DT为经验值，取值范围为0～10s，推荐值为电机由零加速到最大工作频率所需的时间，T0为经验设定值，范围为0～1s，电机惯量大小的修正值。
电机提前加速时间点前输出当前工艺段频率控制信号值至变频器，电机提前加速时间点到达后输出下一工艺段频率控制信号值至变频器。
工艺段之间切换时，电机应工作在能够满足当前工况所需流量的较高转速运行，对于电机从高转速向低转速变化的工艺段，不需要电机提前加速；对于电机从低转速向高转速变化的工艺段，根据计算出的提前时间提升输出频率，以避免时间延迟，保证整个注塑过程的周期不变。
一种提高应用变频器的注塑机生产效率的控制装置，包括原有注塑机控制系统部分、变频器信号控制接口部分，所述的原有注塑机控制系统部分是指没有独立的变频器控制信号接口部分的注塑机控制系统。
所述的变频器信号控制接口部分可以是模拟电压输出接口、也可以是模拟电流输出接口，还可以是串行通信接口。
变频器信号控制接口是模拟电压输出接口时，中央处理单元连接有D/A转换器、模拟电压放大器，变频器控制信号电压模拟量输出端口与变频器电压模拟输入端口连接。
变频器信号控制接口是模拟电流输出接口时，中央处理单元连接有D/A转换器、放大器、电压电流转换电路，变频器控制信号电流模拟量输出端口与变频器的电流模拟输入端口连接，控制信号电流模拟量输出是不同于注塑机压力、流量的另一种比例信号输出。
变频器信号控制接口是串行通信端口时，通过标准RS-422、RS-485、RS-232等各种串行通信接口与变频器的串行通信端口连接。
由于在注塑机的变频器节能改造中使用了本发明，实现了电机的提前加速，消除了变频器对注塑生产效率下降的影响；保证注塑工艺所需的快速响应能力，在使用变频器节能的前提下，保证了注塑的工艺要求及生产效率。
图1为本发明实施的结构示意图，图2为本发明实施的控制流程图，图3为本发明实施的各工艺段测量时间流程4为本发明实施的主要部件连接图，图5为本发明实施的时间对比图，图6为本发明实施的采用串行接口时的电路图，图7为本发明实施的变频器采用模拟电压输入端口时信号传输的示意图，图8为本发明实施的变频器采用模拟电流输入端口时信号传输的示意图，具体实施方式
参照附图，本发明实施的基本结构是采用图1所示方式连接的，其余部分于现有的注塑机相同，在此不再详细描述。
从图1中看出，注塑机的控制系统连接变频器，并处理由注塑机各驱动和检测单元所输入的信号，这些信号包括注塑工艺相关的压力、流量设定参数，以及注塑机位置、时间、限位开关及当前所处的工艺段标志，以及变频器的运行参数。
信号的检测和处理包括变频器又连接电机和油泵，电机在不同工艺段的运行频率是不完全一致的，当其下一工艺段的运行频率低于现在的工艺段时，变频器的中央处理器发出指令，调节电机的转速，使油泵输出的液压油的流量可根据注塑机动作速度要求而改变，减少了液压油从溢流阀流回油箱的能耗，从而达到节能。
当下一工艺段电机的运行频率控制信号值小于现有工艺段的运行频率控制信号值时，电机维持其运行频率不变；但是当下一工艺段电机的运行频率控制信号值高于现有工艺段的运行频率控制信号值时，变频器要指令电机加速，此时中央处理器要对变频器的输出频率控制信号值进行运算，并相应地使其控制电机提前加速，具体的方式如图2所描述的，下一步进行详细描述。
一般情况下注塑机构成的主要器件及其连接关系、信号走向如图4所示，注塑机的控制系统主要由中央处理器和显示器与键盘构成，它是注塑机的核心控制部分，主要控制注塑机的开关量、料筒、电子尺、压力及流量，控制的方式是在注塑流程开始前，预先设置该注塑流程的要求和主要工艺参数，包括产品的性能、质量参数，中央处理器会根据注塑流程自动运算各个工艺段时间，电机转速、流量、压力等工艺参数，并按照工艺段向注塑机各个器件输出指令，控制整个注塑流程；对于其连接的变频器，通常是中央处理器将收集的各种工艺参数和信号(一般是通过模拟信号传输的)进行运算处理，计算出各个工艺段的电机运行频率控制信号值，并将频率控制信号值输入到变频器，由其控制电机的运行速度。中央处理器与变频器之间通常是模拟实施时，给中央处理器和变频器之间设置了通讯接口，该通讯接口可以是多种模式的接口方式，以适应多种信号的传递；譬如中央处理器输出端口是模拟电压输出端口时，中央处理器向变频器输出的是模拟电压，变频器的通讯端口(又称为信号控制接口装置)包括有D/A转换器、放大器，变频器本身具有的输入端口也是电压模拟输入端口(此时可将该电压模拟输入端口看做是信号控制接口装置的一部分)，输出的电压模拟量，经D/A转换器、放大器电路连接到变频器的电压模拟输入端口输入到变频器(图7所示)。
在其它的实施方式中，模拟电压端口也可设置成模拟电流端口(图8所示)，或者是串行通讯端口(图6所示)，串行通讯端口的设置往往能够大大降低接口电路的复杂程度，而且其输出数据为数字模式，便于准确地传输，避免干扰。常用的串行端口为标准RS-422、RS-485、RS-232等各种串行通信接口。
注塑机控制系统，其构成核心是中央处理器(CPU)，该控制系统并设有变频器的参数设定页面，操作者可通过该页面输入变频器的运行参数。在注塑机工作过程中，注塑机控制系统可将当前注塑机动作的流量与压力值按用户设定的调整系数进行计算，确定各个工艺段及时间，计算变频器的输出频率并控制其输出过程，确定提前加速工艺段、提前加速时间和提前加速时间点，并控制其输出，与大多数设备控制系统一样，其是运算与控制注塑机工作的核心。
注塑机工艺的具体流程如图2所示。
首先是设定相应参数，在注塑机电脑的工艺参数设定页面中，该页面通过注塑机控制系统的显示器显示处理，输入参数则通过键盘输入；对于特定产品的注塑工艺，其是按照最终产品的要求和性能，通过现有的固定程序运算处理的，在启动注塑机后，现有的注塑机控制系统的中央处理器能够根据要求自动运算出来，在此不做描述。其实际的注塑生产流程为1、注塑机控制系统采集注塑机的工艺参数设置和工作状态信号；有关工艺参数和工作状态信号包括注塑工艺相关的压力、流量设定参数，以及注塑机位置、时间、限位开关及当前所处的工艺段标志，以及变频器的运行参数，这些参数和信号作为下一步运算运行时间、频率的基础；2、确定注塑流程的起始点，明确注塑流程从何时开始计时，工艺段从何时开始；3、中央处理器根据上述的输入信号计算确定各工艺段的运行时间(Tx)；4、再根据上述的条件计算各工艺段的电机运行频率控制信号值(Fx)；5、计算完毕后，中央处理器将上述的计算结果存储于注塑机控制系统的存储器中，便于随时读取；6、启动注塑流程后，第一个工艺段加工开始；中央处理器就会自动从存储器中读取下一工艺段的电机运行频率，为下一步电机的运行做事先的判断；7、判断过程包括检测现在工艺段的电机频率控制信号值，并与所存储的下一个工艺段电机的运行频率控制信号值进行对比，确定当前频率控制信号值是否小于等于下一工艺段频率控制信号值；8、如果当前频率控制信号值小于下一工艺段频率控制信号值，则进行计算电机提前启动的时间；该提前启动的时间包括电机加速提前时间和加速提前时间点，即什么时间、提前多少时间对电机进行加速。
具体的计算方式为电机提前加速时间(TQx)的计算方法如下式TQx＝(Ax*Fx+1-Bx*Fx)/(Cx*Fmax)*DT+T0其中，Ax、Bx、Cx为当前工艺段事先设定的参数，其取值范围满足Ax＞＝0，Bx＞＝0，Cx＞0；Fx为当前工艺段频率控制信号值，Fx+1为下一工艺段频率控制信号值，Fmax为注塑机使用变频器时电机的最大工作频率对应的控制信号值(一般为市电频率50Hz)，DT为经验值，取值范围为0～10s，推荐值为电机由零加速到最大工作频率所需的时间，T0为经验设定值，范围为0～1s，电机惯量大小的修正值；计算注塑机当前工艺段转下一工艺段的电机提前加速时间点(Sx)，可以使用下列公式计算Sx＝Tx-TQx；对于当前频率控制信号值大于下一工艺段的频率控制信号值，即上述的逻辑判断为否的状态，注塑机的控制系统将其作为提前加速时间为零的状态运行(再进一步限定，可限定其提前加速时间点也为零)。
9、随时判断是否到提前加速时间点；10、如到上述的提前加速时间点，则注塑机按照提前加速时间输出下一工艺段频率信号，使变频器按照指定时间提前按照下一工艺段电机运行频率(Fx)对电机进行加速；如果没有到提前加速时间点，则控制系统输出当前工艺段的频率信号，继续执行当前的操作；直到到提前加速时间点。
对于电机从低转速工艺段向高转速工艺段切换，都需要在当前工艺段结束前提前输出下一工艺段的频率，实现提前加速电机，以能消除加速延迟时间，保证整个注塑过程的周期不变。
变频器的控制，可以从图2中体现出来，变频器接收注塑机中央处理器发出的控制指令……频率输入信号，再控制电机按照频率运行。
提前加速的详细的控制步骤为1)用户首先在控制系统上通过键盘设置变频器运行参数、提前加速参数，当然这两个参数的设定是根据实际的应用情况确定的；2)确定注塑起始点后，注塑机按照预定的注塑流程，开始自动控制整个注塑过程；3)注塑机的中央处理器计算各个工艺段的电机运行频率控制信号值(以下简称频率)；4)进行逻辑判断，判断下一工艺段频率是否高于当前频率；若下一工艺段频率不高于当前频率，则控制系统继续输出当前频率信号给变频器，控制电机运行；若下一工艺段频率高于当前频率，则需要对电机提前加速；5)计算提前加速时间及提前加速时间点，提前加速时间是按照下式计算的TQx＝(Ax*Fx+1-Bx*Fx)/(Cx*Fmax)*DT+T0其中，Ax、Bx、Cx为当前工艺段事先设定的参数，其取值范围满足Ax＞＝0，Bx＞＝0，Cx＞0；Fx为当前工艺段频率控制信号值，Fx+1为下一工艺段频率控制信号值，Fmax为注塑机使用变频器时电机的最大工作频率对应的控制信号值(一般为市电频率50Hz)，DT为经验值，取值范围为0～10s，推荐值为电机由零加速到最大工作频率所需的时间，T0为经验设定值，范围为0～1s，电机惯量大小的修正值；提前加速时间点则是按照下式计算的Sx＝Tx-TQx；6)判断提前加速时间点是否到，如果到则控制系统向变频器输出下一工艺段频率信号，如未到则仍然输出当前频率信号，直到提前加速时间点到为止。
需要补充说明的是，对于各个工艺段，在整个的注塑流程过程中它们之间的衔接是通过设置工艺段标志来识别和确认的，一个工艺开始时，注塑机控制系统就读取当前工艺段的标志及时间长度，以识别不同的工艺段，并进行计时，到该工艺段需要切换时，则设置切换时间点，或者通过设置位置点(即类似工艺段标志的形式)，或者通过工艺段的时间长度确定是否需要进行工艺切换，如果是则控制系统记录该工艺段时间，并读取下一工艺的参数，开始下一工艺段计时；如果没有到下一工艺段切换时，则继续执行该工艺段，并继续对当前工艺进行计时。
在注塑机的注塑流程及提前加速时间的计算过程中，都涉及一个非常重要的参数-----电机运行频率的计算及其输出控制，该频率是根据变频器的特性及注塑流程的需要确定的。
电机运行频率取决于其注塑流程和与之相关的变频器及油泵，所以这几个相关的设置是影响频率计算的关键，计算的步骤为a、先设置变频器和油泵参数；变频器的参数包括其本身最大、最小调频幅度，即其控制的最大频率和最小频率；油泵参数则包括其流量设置及最大流量；b、再计算流量系数；该系数的计算公式K＝(Fmax-F0)/QmaxQmax为注塑机油泵输出的最大油量设定，取值为100％；c、有了流量系数，就可以计算频率了，变频器的对应输出频率是由下式确定的Fset＝K*Qx+F0式中，Fset为当前注塑工艺段的变频器运行频率，F0为附加频率，与油泵选择有关，取值范围0～50Hz。Qx为当前注塑工艺段设定流量，取值范围0～100％；d、频率输出判断(判断不同工艺段，以进行输出频率区分)；频率输出先要判断是哪个工艺段，然后再确定对应输出的频率。例如如果是冷却工艺段，因不需要电机运转，其频率输出为零；如果是再循环工艺段，则还要进行判断，看Fset是否大于Fmin，如果大于，输出的是上述的计算频率，如果不大于，则取Fset＝Fmin，输出时取最小频率。
这样整个计算过程完成。
所以在本发明的实施过程中，注塑流程和工艺参数的设置、电机输出频率的确定、提前加速时间及时间点的确定都是决定一个注塑流程提高生产效率、降低能耗的主要步骤，其中发明点和最关键的步骤是提前加速时间及时间点的确定，该步骤能够保证注塑过程中生产周期不变，从而达到降低能耗、提高效率的目的。
从效果上对比，一种方式是对比时间控制图，提前加速的效果参见图5，图中所示未加变频器、加装变频器及加装变频器并采用本发明的几种开模速度曲线的比较。不使用变频器的注塑机工作时电机一直处于工频状态运行，开模动作的速度响应取决于油阀的比例阀响应；使用变频器的注塑机在冷却转开模动作时，由于电机的速度响应有一定的滞后时间，使得开模动作速度减慢。而使用本发明的注塑机控制系统后，注塑机在冷却转开模动作前已经给变频器输出了一个提前加速度时间，使开模速度与未使用变频器的开模速度一致，从而达到了不降低生产效率的前提下节能的目的。
例如现有通用注塑动作流程与时间为锁模(1s)--射台进(2s)--射胶(7s)--保压(5s)--前抽胶(1s)--熔胶(5s)--后抽胶(1s)--射台进(2s)--冷却(3s)--开模(1s)--顶针(1s)--再循环(4s)，在冷却与再循环动作，电机处于停止。如果在下一动作到来时再启动电机，电机带动油泵从静止开始加速，势必造成锁模与开模的延时。而使用提前加速方案，例如计算出提前加速时间为0.5s，则在冷却计时2.5s和再循环计时3.5s后，控制电脑提前输出频率，在0.5s的时间内，电机已由零加速到满足锁模与开模所需要的转速，此时进行锁模、开模动作便不会再有延迟。
另一个对比方式是具体应用效果的对比。应用本发明后，生产中具体的测试效果为当采用了本发明所述的方法和装置，并且当，T0＝0.2S、F0＝10Hz、Fmax＝50Hz、Fmin＝20Hz、DT＝0.5S，由1秒变成0秒)。注塑机工作周期为9S。而未采用本发明实施的方法和装置的时候，即仅当注塑机只简单的加上变频器来实现节能的时候，注塑机的工作周期为9.5S，节能5-10％。实验证明，该注塑工厂生产能力也由只采用变频器的一天产量5000个注塑件产品，到采用本发明实施的方法和装置后增加为6000个，生产效率提高了20％。
以上所示，仅仅为本发明实施的几个具体的实施方式，并不代表本发明实施的所有方式，凡是复合本发明进行提前加速电机控制的方法及装置，都应在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种提高应用变频器的注塑机生产效率的控制方法，其特征在于主要的步骤为采集注塑机的工艺参数设置和工作状态信号；根据输入的信号计算注塑机当前工艺段转下一工艺段的电机提前加速时间点(Sx)；电机提前加速时间点前输出当前工艺段频率控制信号值至变频器，电机提前加速时间点到达后输出下一工艺段频率控制信号值至变频器。
2.根据权利要求1所述的提高应用变频器的注塑机生产效率的控制方法，其特征在于从注塑机控制系统内部直接读取的有关工艺参数和工作状态信号包括注塑工艺相关的压力、流量设定参数，以及注塑机位置、时间、限位开关及当前所处的工艺段标志，以及变频器的运行参数。
3.根据权利要求1所述的提高应用变频器的注塑机生产效率的控制方法，其特征在于注塑机当前工艺段转下一工艺段的电机提前加速时间点(Sx)是指在注塑机生产周期各工艺段之间转换时，如果下一工艺段频率高于当前工艺段频率时，中央处理单元提前向变频器提前输出下一工艺段的频率，提前加速时间点(Sx)，可以使用下列公式进行计算Sx＝Tx-TQx式中Tx为当前工艺段时间，TQx为提前加速时间，电机提前加速时间(TQx)的方法如下式TQx＝(Ax*Fx+1-Bx*Fx)/(Cx*Fmax)*DT+T0其中，Ax、Bx、Cx为当前工艺段事先设定的参数，其取值范围满足Ax＞＝0，Bx＞＝0，Cx＞0；Fx为当前工艺段频率控制信号值，Fx+1为下一工艺段频率控制信号值，Fmax为注塑机使用变频器时电机的最大工作频率对应的控制信号值(一般为市电频率50Hz)，DT为经验值，取值范围为0～10s，推荐值为电机由零加速到最大工作频率所需的时间，T0为经验设定值，范围为0～1s，电机惯量大小的修正值。
4.根据权利要求1所述的提高应用变频器的注塑机生产效率的控制方法，其特征在于工艺段之间切换时，电机应工作在能够满足当前工况所需流量的较高转速运行，对于电机从高转速向低转速变化的工艺段，不需要电机提前加速；对于电机从低转速向高转速变化的工艺段，根据计算出的提前时间提升输出频率。
5.一种提高应用变频器的注塑机生产效率的控制装置，其特征在于该装置包括原有注塑机控制系统部分、变频器信号控制接口部分，所述的原有注塑机控制系统部分是指没有独立的变频器控制信号接口部分的注塑机控制系统。
6.根据权利要求5所述的提高应用变频器的注塑机生产效率的控制装置，其特征在于变频器信号控制接口部分可以是模拟电压输出接口、也可以是模拟电流输出接口，还可以是串行通信接口。
7.根据权利要求6所述的提高应用变频器的注塑机生产效率的控制装置，其特征在于变频器信号控制接口是模拟电压输出接口时，中央处理单元连接有D/A转换器、模拟电压放大器，变频器控制信号电压模拟量输出端口与变频器电压模拟输入端口连接。
8.根据权利要求6所述的提高应用变频器的注塑机生产效率的控制装置，其特征在于变频器信号控制接口是模拟电流输出接口时，中央处理单元连接有D/A转换器、放大器、电压电流转换电路，变频器控制信号电流模拟量输出端口与变频器的电流模拟输入端口连接。
9.根据权利要求6所述的提高应用变频器的注塑机生产效率的控制装置，其特征在于变频器信号控制接口是串行通信端口时，通过标准RS-422、RS-485、RS-232等各种串行通信接口与变频器的串行通信端口连接。
全文摘要
本发明是一种提高应用变频器的注塑机生产效率的控制装置及方法，该装置和方法主要的特点是根据注塑机的工艺参数设置和工作状态信号；计算注塑机当前工艺段转下一工艺段的电机提前加速时间点，并在电机提前加速时间点到达后输出下一工艺段频率控制信号值至变频器。通过变频器在注塑机生产周期各工艺段之间转换前给出一个电机加速的提前量，从而消除在注塑机工艺段之间切换的速度响应时间延迟，提供了一种比较好的提高生产效率的节能方法。
文档编号B29C45/76GK1597298SQ20041002776
公开日2005年3月23日 申请日期2004年6月23日 优先权日2004年6月23日
发明者方志群, 孙毅 申请人:深圳市珊星电脑有限公司