专利名称：橡胶注射成型机节能控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变频节能控制系统，特别是橡胶注射成型机驱动电机的变频节能控制技术，在对橡胶注射成型机工艺流程控制的同时实现群体集中控制和远程节能监管。
背景技术：
各种驱动电机由于工作环境的变化，其负载也跟随变化，因此固定的功率输出与实际负荷的差异所产生的能量浪费，成为驱动电机当前节能的研究方向之一。在橡胶注射成型机液压系统中，选泵的原则一般是根据系统的最大流量再加上一定的裕量。在实际生产过程中，驱动电机总以稳定的转速带动液压泵输出工况所需的最大流量，但在橡胶注射成型机工作循环过程，各个环节所需的流量是不相同的，在小流量时，多出来流量通过比例溢流阀溢流，这就造成大量的能量浪费；再是在液压循环过程中，实际需要的流量越小，节流阀和溢流阀工作越频繁，溢流、节流损耗越大，油升温越快，不但耗能越大而且由于油温上升使工况产生变化影响系统的稳定运行。CN1140859C提出一种变频与电液比例技术复合调速系统和方法，该方法通过检测作动缸活塞位置信号，经微机处理后同时发出调节溢流、节流及调频信号，同时对溢流阀、节流阀和油泵电机进行调整，具有一定的节能效果，但依赖溢流入作动缸使活塞杆位移产生信号严重滞后，而且在溢流量为零或无限大时活塞杆处在不动作位置都为无信号，因此单靠检测活塞杆位置可靠性差以及其他不可忽视的变化，例如环境温度和油温的变化，因此需要设计一种通过对实际工艺参数的检测包括系统温度的检测，达到及时控制驱动电机按需输出，提高节能效果。
发明内容
本发明的目的是针对目前橡胶注射成型机在能源消耗所存在的问题，设计一种直接监测动作过程中的工艺参数，把当时工艺参数换算成所需流量实现对驱动电机的转速控制。
本发明另一个目的是将若干个橡胶注射成型机通过监测控制模块组成控制群体并同主工作站互连，实现控制群体的数字化管理，并通过互联网把数据传递到监管中心，实现远程诊断及升级节能管理。
本发明以下述技术方案实现上述目标橡胶注射成型机节能控制系统，它包括变频驱动电机、液体压力和流量传感器、温度传感器和电源电路，其特征在于节能控制系统由监测控制器、工艺流程控制模块、温度采样及控制模块和变频驱动控制模块组成；工艺流程控制模块、温度检测及控制模块和变频驱动控制模块的输入端分别与监测控制器的输出端相连接，工艺流程控制模块、温度检测及控制模块和变频驱动控制模块的输出端分别与监测控制器的输入端相连接。
橡胶注射成型机节能集中控制系统，其特征在于设一个由微机作主工作站的控制中心，其输出及输入端分别与若干个监测控制器的输出和输入端相连接，其中任一监测控制器的输出及输入端还分别与工艺流程控制器、温度检测及控制器和变频驱动控制器的输出及输入端相连接。
在主机工作站微机系统设计安装了“橡塑注射成型节能控制系统”服务软件，通主机工作站上安装的服务软件就可以实现与主机站相连的各个监测控制器的数据交流，实现集中管理各橡胶注射成型机的生产，以及远程维护。
影响注射成型机能耗的主要因素有注射量、注射压力和注射速率，塑化能力、合模力、模具及合模装置的基本尺寸对机器的能耗也有影响。注射系统的动力传递装置是注射油缸，而注射油缸的流量和压力来源于由驱动电机带动的齿轮泵，因而注射成型机节能控制归结于对驱动电机转速的控制，基于控制驱动电机的转速能达到控制泵的流量，首先根据橡胶注射成型机的工艺流程要求确定变频装置输出基于流量变化的频率信号Fq＝K1×D×Fmax其中K1为增益系数，可根据不同的机器及液压系统调整，D为当前工艺设定的系统流量，Fmax为变频驱动装置输出的最高频率，Fq基于系统流量变化的频率信号。
其次要根据当前工艺条件下系统的设定压力T1对上述得到的频率作适当修正。为了维持稳定的流量及压力，电机转速必须大于系统所需要的某一最低转速，这个最低转速随系统压力的不同而不同，可通过事先测定得到Fp。
再是还要根据电机的额定功率P1结合当前工艺流程对输出频率进一步修正。因此根据监测当前工艺条件下变频器输出的频率。
fmax＝K2×P1/T1其中K2为增益系数，可根据不同的机器及液压系统调整，P1为电机的额定功率，T1为当前工艺的定量泵油压压力。综上，控制系统的输出频率f为
因此对当时工艺流程检测为分别检测系统的油压T1当前工艺系统流量D、电机运行额定功率P1，经过微机处理计算后输出控制信号至变频器调节驱动电机输出频率，从而控制电机的转速。
当前工艺条件还包括环境温度和油温的升高，由于橡胶成型机中还存在对橡胶原料的加温熔融工艺，这在环境温度变化时例如冬春季节与夏秋季节所需能耗差别极大，因此，检测环境和油温，也是系统节能的一部份，通过设定工作温度和实时温度检测比较，既计算机确定最合适的加热输出控制量。
监测控制器根据模具参数设定动作压力T1、流量D、电机运行额定功率P1等工艺参数，通过485通讯口传递到工艺流程控制模块，通过工艺流程模块的计算程序，得到系统输出的频率值f并把该频率由485通讯口传递至电机变频驱动模块控制驱动电机的转速。
本发明由工艺流程控制模块对工艺流程主要参数控制实现对系统的变频节能控制，变频调速响应快，实现了负载流量匹配，解决了注射成型机液压系统长期存在的溢流多，耗费能量大的问题，这是本发明显著进步之一。
本发明的另一显著进步是将多个成型机联机控制，每一监测控制器并联到同一主机工作站上，通过主机的控制软件检查控制各个监测控制器的数据，实现现场数字化管理。还可以通过互联网把数据传递主机工作站控制中心，实现远程控制节能、诊断及维修服务。
图1为本发明的节能控制系统框图。
图2为监测控制器结构框图。
图3为监测控制器电路图。
图4为工艺流程控制模块结构框图。
图5为工艺流程控制模块电路图。
图6为温度采样及控制模块框图。
图7为温度采样及控制模块电路图。
图8为变频驱动控制模块结构图。
图9为变频驱动控制模块电路图。
具体实施例方式
监测控制器(A、B、C......)结构，参看图2和图3，监测控制器1由分别接于其输入端输出端复位电路2、数据存储器3、逻辑译码4、485通讯口5、LCD显示6、网络接口7和键盘指示灯8组成。
监测控制主芯片电路1CPU芯片为INTER80196KC。
复位电路2复位电路主要采用IMP809及二极管D20，在非正常情况下可以使系统复位，从而保证系统的正常工作。
数据存储器3采用存储器芯片27C512扩展程序空间、采用芯片28C256扩展模具参数存贮空间。
逻辑译码4采用LT公司的芯片GAL16V8进行逻辑译码，选通各个芯片工作。
485通讯口5接口采用芯片75LBC184及电阻R51、R52、R53、R54、R55、R56、R57，电容C51、C52构成标准485异步通讯电路，与其它功能模块进行数据交换。
LCD显示6数据总线通过芯片74LS245与液晶屏相连，把需要显示的数据传递给液晶屏。
网络接口7通过芯片MAX485及N71、N72、N73，电阻R71、R72、R73、R74、R75、R76、R77，电容C71、C72、C73构成网络接口，通过此接口可以实现与主机工作站的互连。
键盘指示灯8由发光二极管L80，按键K80，电阻R81、R82、R83组成，共有64个按键电路，7个指灯，图3仅描出一组。
监测控制器是这样工作的，用户可以通过监测控制器上的键盘8和液晶显示屏6设定、修改各个工艺流程的压力、流量、延时等参数，设定好的数据存储在数据存储器3中，并通过485通讯口5传递给工艺流程控制模块11。数据存储器3用来储存使用的模具参数。通过液晶显示屏6还可以监测从工艺流程控制模块传来的工艺状态信息、报警信息，从温度检测及控制模块21传来的实时温度、加热状态，从电机变频驱动模块31传来的电机运行的电压、电流、频率信息等。另外通过网络接口7可以实现监测控制器同主机工作站的互连，通过安装在主机工作站上的系统服务软件，可以浏览各个监测控制器的数据，也可以通过互联网把数据传递到维修总部，实现远程诊断、维修以及程序升级。
工艺流程控制模块结构，参看图4和图5，工艺流程控制模块11由分别接于其输入端的数字量输入12、数据存储13、逻辑译码14、485通讯口15和模拟量输入16，分别接于工艺流程控制模块11输出端的数字量输入12、数据存储器13、逻辑泽码14、485通讯口15、模拟量输出17和控制数字量继电器输出18所组成。
控制器主芯片11CPU采用了INTER80196KC。
数字量输入12数字量输入电路有可监测的32路参数输入，描出其中一路输入，采用电阻R121、电容C121、光偶TLP521构成。
压力传感器可采用半导体压力应变片、霍尔电流检测器、光电耦合电压检测器。
数据存储器13采用芯片27C512扩展了程序空间，采用6264扩展了数据空间。
逻辑译码14采用芯片GAL16V8进行逻辑译码，选通各个芯片工作。
485通讯口15接口采用芯片75LBC 184，光耦N11、N12、N13，及电阻R151、R152、R153、R154、R155、R156、R157，电容C151、C152、C153构成标准485异步通讯，与其它功能模块进行数据交换。
模拟量输入电路16二极管D161、D162，电阻R161、R162、R163、R164、R165、R166、R167、R168、R169，电容C161、C162、C163、C164及放大器U161、U162构成采样电路；电阻R1691、R1692、R1693、R1694，二极管D163，电容C161、C165、E161，放大器LM358构成模拟采样电压基准。
模拟量输出电路17由二极管D1701，电阻R1701、R1702、R1703、R1704、R1705、R1706、R1707、R1708、R1709、R1710、R1711、R1712，可调电阻VR1701，电容C1701、C1702、C1703，放大器LM324及功率放大管T1701构成。
控制数字量继电器输出18由光偶TLP521，电阻R181、R183、R184，三极管Q181，继电器RLY181构成一路输出，由8155芯片共输出32路，图5仅描出2路。
工艺流程控制模块是这样工作的。在得电初始化时，工艺流程控制模块通过485通讯接口15从监测控制器A得到模具参数、运行参数后，将这些参数储存到数据存储器13中；通过模拟量输入16得到位置模拟信号输入值，通过数字量输入12得到机器的工艺参数信号；工艺流程控制器11根据这些输入信号以及模具参数、运行参数，按照事先编写录入的软件程序控制数字量输出18和模拟量输出17，其中数字量输出18用来控制液压系统的方向阀，模拟量输出17控制液压系统的比例压力阀；把系统需要输出的流量信号转换成电机变频驱动器需要输出的数字信号，并把这个数字信号通过通讯接口15发送给变频驱动控制器。
温度采样及控制模块结构，参看图6和图7。温度采样及控制模块21由分别接入其输入端的存储器22、存储器扩展23、485通讯口24、采样电路25、基准电压26和复位电路28，接入温度采样及控制模块21输出端的485通讯口24和继电器控制输出27所组成。
主控制芯片21CPU采用了ATMEL公司生产的芯片ATMEGA8。
存储器22存储芯片为24c02；23为存储器的扩展预留电路。
485通讯口24接口采用芯片75LBC184及光耦N241、N242、N243、电阻R241、R242、R243、R244、R245、R246、R247，电容C241、C242、C243构成标准485异步通讯，与其它功能模块进行数据交换；温度采样电路25由电阻R2513、R2512、R2511、R2510、R259、R258、R257、R256、R255，电容C257、C256、C255、C254、放大器Lm353构成温度信号的差模放大；电阻R254、R253、R252、R251，电容C251、C252、C253构成了信号的第二级放大。接于采样电阻R2512、R2513上的温度传感器可用半导体热敏电阻或热电偶。稳压管D251、D252起保护作用，防止输入电压过高，烧坏CPU的I/O口。
基准电压26由电阻R261、R262、R263、R264，电容C261、E261，电压比较Lm358，二极管D261及芯片74Hc74、74Ls02B组成。
继电器输出27由光偶TLP521，电阻R271、R272、R273、R274、R275、R276，三极管Q270、Q271，二极管D271、D272，继电器RLY271、RLY272构成；通过继电器输出27可以控制加热继电器的吸合。
温度采样及控制器是这样工作的。通过通讯接口24从监测控制器A得到机器的设定温度，通过采样电路25得到机器的实时温度和环境温度；温度采样及控制器21根据设定温度和实时温度得到设定温度与环境温度的差值，以及设定温度与实际温度的差值为输入变量的二变量，进行三维专家模糊PID控制算法，计算得到加热输出的控制量，通过继电器控制输出27控制加热继电器的吸合；模块通过485通讯口24把采样得到的温度实时传递给监测控制器A和工艺流程控制模块11。
变频驱动控制模块结构，参看图8和图9所示。电机变频驱动模块31由分别接于其输入端的存储器32、485通讯口33、外部信号输入34、电源控制35、逆变电路36、电流电压频率检测37，和分别接于电机变频驱动模块31输出端的存储器32、485通讯口33、逆变电路36、电流电压频率检测37和继电器控制输出38所组成；逆变电路36的输出端接于电机的输入端；电流电压频率检测37的输入端接于逆变电路36的输出端。
主控制芯片31CPU采用控制芯片tms320lf2407，产生波形控制信号。
存储器采32存储器芯片采用串口EEPROM芯片93C56。
485通讯口33接口采用芯片75LBC184及N331、N332、N333，电阻R331、R332、R333、R334、R335、R336、R337，电容C331、C332、C333构成标准485异步通讯，与其它功能模块进行数据交换。
外部控制信号输入34通过电阻R347、R348、R345、R346、R344、R343组成电压和电流输入电路，由电阻R342、R341，电容C342、C344和LM353对信号放大，二极管D341、D342和电容C341起保护作用。
电源控制35电源控制部分采用单端反激式开关电源，将输入的380V交流信号经过BDI，E356、E357、C356整流、变换，再经D351～D355，电容E351～E354，C351～C355二次整流后输出控制系统需要的5V、15V、24V等控制电压。
逆变电路36由集成芯片74HC573分别输出三路控制信号，由三极光耦O361，电阻R361、R364，电容C361、E361组成VinU/V/W输出至IPM输入端由三极光耦0364，电阻R362、R365，电容C362、E362组成VinX/Y/Z输出至IPM输入端；由三极光耦0367，电阻R363、R366，电容C363、E363组成VinD B输出至IPM输入端。逆变电路通过控制信号VinU/V/W和VinX/Y/X控制三相输出，从而得到不同频率的交流输出电源。
信号检测37由电阻R372、R373、R374、R375，电容C372、E371，电压比较U371组成，检测逆变电路输出至电机的电压、电流、频率等特征参数，D371和D372起保护作用，反馈至主控制芯片，从而实现闭环控制。
继电器输出38由三极管Q380，二极管D381，电阻R381、R382、R383，继电器RLY381，光耦TLP521组成，在错误状态时输出高电平的信号。
此外还有信号输入39由光耦TLP521，电阻R391，电容C391组成，通过信号输入端可实现驱动电机的正、反转选择等功能选择。
电机变频驱动模块是这样工作的。通过485通讯口33接收得到需要控制输出的频率，电源控制35将三相380V交流电整流后一方面供给智能IPM，一方面再经过处理得到控制系统需要的5V、+15V，-15V，+24V等稳定的直流电源，供给整个控制系统。波形控制驱动31根据需要输出的频率产生六组PWM波控制逆变电路36，产生三相频率可变的交流电；电流、电压、频率信号检测37采集输出到电机的电流、电压和频率反馈到31中，以保证输出频率的准确。
图1中所示的监测控制器A，也即是图2所示的监测控制器中的监测控制CPU芯片及其外围各电路1～8，监测控制器A与工艺流程控制模块11、温度控制及采集模块21和电机变频驱动模块31组成单台注射成型机的节能控制装置。多台注射成型机就有多台的监测控制器A、B、C……它们有相同的结构和工作过程，现以监测控制器A为例简述它们的工作过程。
通过监测控制器A上的显示屏6和键盘8设定或修改各个工艺流程的压力、流量、延时以及各温控点的控制温度等参数，设定好的数据存储在数据存储器3中，并通过485通讯口5传递给工艺流程控制模块11和温度检测及控制模块21。
工艺流程控制模块11根据当前时刻机器的输入信号以及事先编录的控制程序确定需要输出的动作信号，并把该动作信号对应输出的压力通过模拟量输出电路17转换成相应的电流信号输出至电液比例压力阀，根据该动作需对应输出的流量信号、压力信号以及电机功率等参数计算得到需输出的频率信号，再把这个计算得到的频率信号通过通讯口15输出至电机变频驱动模块31。
温度检测及控制模块21通过通讯接口24从监测控制模块11得到机器的设定温度，经过放大的温度信号输出至控制器21的模拟量采样口，得到机器的实时温度和坏境温度；温度采样及控制器21根据设定温度和实时温度，采用设定温度与环境温度的差值，以及设定温度与实际温度的差值为输入变量的二变量三维专家模糊PID控制算法，计算得到加热输出的控制量，通过继电器控制输出27控制加热继电器的吸合；并通过485通讯接口24把采样得到的温度实时传递给监测控制器A和工艺流程控制模块11。
电机变频驱动模块31根据485通讯口33得到的频率指令，通过波形驱动模块31产生六组PWM波控制逆变电路36，产生三相频率可变的交流电输出至电动机，电机以控制频率输出带动液压泵源，产生相应的系统所需要的流量。
生产车间有若干橡胶注射成型机，各台成型机都带监测控制器A或B或C……，它们并联于主机工作站的输入端，由主机工作站监控各控制器A、B、C……的工作。主机工作站的微机管理协调整个生产车间，主机工作站控制系统也可以安装在生产管理部门或管理者方便的地方，但一般最好以一个生产车间为单位，其与控制系统间的网络连线以不超过一千米为宜。
主机工作站通过安装在其上的服务软件实现与和主机站相连的各个监测控制器的数据交流，通过选定机器编号，主站可以随时监测到指定机器的各个工艺参数，如当前时刻每个工艺动作的设定压力和流量、当前的动作输入和输出、当前输出的压力电流信号、当前输出的电机频率信号、输出电压和电流以及此刻机器各温控点的实时温度和加热状态等，实现集中管理各橡胶注射成型机的生产。并可以通过互联网把这些信息传递给维修总部，进行远程维护和故障诊断。
权利要求
1.橡胶注射成型机节能控制系统，它包括变频驱动电机、液体压力和流量传感器、温度传感器和电源电路，其特征在于节能控制系统由监测控制器、工艺流程控制模块、温度采样及控制模块和变频驱动控制模块组成；工艺流程控制模块、温度检测及控制模块和变频驱动控制模块的输入端分别与监测控制器的输出端相连接，工艺流程控制模块、温度检测及控制模块和变频驱动控制模块的输出端分别与监测控制器的输入端相连接。
2.橡胶注射成型机节能集中控制系统，其特征在于设一个由微机作主工作站的控制中心，其输出及输入端分别与若干个监测控制器的输出和输入端相连接，其中任一监测控制器的输出及输入端还分别与工艺流程控制器、温度检测及控制器和变频驱动控制器的输出及输入端相连接。
3.根据权利要求1所述的橡胶注射成型机节能控制系统，其特征是监测控制器A与工艺流程控制模块(11)、温度控制及采集模块(21)和电机变频驱动模块(31)组成单台注射成型机的节能控制装置。
4.根据权利要求1所述的橡胶注射成型机节能控制系统，其特征是监测控制器(1)由分别接于其输入端输出端复位电路(2)、数据存储器(3)、逻辑译码(4)、485通讯口(5)、LCD显示(6)、网络接口(7)和键盘指示灯(8)组成。
5.根据权利要求1所述的橡胶注射成型机节能控制系统，其特征是工艺流程控制模块(11)由分别接于其输入端的数字量输入(12)、数据存储(13)、逻辑译码(14)、485通讯口(15)和模拟量输入(16)，分别接于工艺流程控制模块(11)输出端的数字量输入(12)、数据存储器(13)、逻辑译码(14)、485通讯口(15)、模拟量输出(17)和控制数字量继电器输出(18)所组成。
6.根据权利要求1所述的橡胶注射成型机节能控制系统，其特征是温度采样及控制模块(21)由分别接入其输入端的存储器(22)、存储器扩展(23)、485通讯口(24)、采样电路(25)、基准电压(26)和复位电路(28)，接入温度采样及控制模块(21)输出端的485通讯口(24)和继电器控制输出(27)所组成。
7.根据权利要求1所述的橡胶注射成型机节能控制系统，其特征是电机变频驱动模块(31)由分别接于其输入端的存储器(32)、485通讯口(33)、外部信号输入(34)、电源控制(35)、逆变电路(36)、电流电压频率检测(37)，和分别接于电机变频驱动模块(31)输出端的存储器(32)、485通讯口(33)、逆变电路(36)、电流电压频率检测(37)和继电器控制输出(38)所组成。
8.根据权利要求2所述的橡胶注射成型机节能集中控制系统，其特征是主机工作站通过安装在其上的服务软件实现与和主机站相连的各个监测控制器的数据交流，通过选定机器编号主机站随时监测指定机器的各个工艺参数，通过互联网把这些信息传递给维修总部进行远程维护和故障诊断。
全文摘要
一种橡胶注射成型机节能控制系统，包括变频驱动电机、液体压力和流量传感器、温度传感器和电源电路，节能控制系统由监测控制器、工艺流程控制模块、温度采样及控制模块和变频驱动控制模块组成；工艺流程控制模块、温度检测及控制模块和变频驱动控制模块的输入端和输出端分别与监测控制器的输出端和输入端相连接。对工艺流程主要参数控制变频节能，实现了负载流量匹配，解决了注射成型机液压系统长期存在的溢流多，耗费能量大的问题。每一监测控制器并联到同一主机工作站上，通过主机的控制软件检查控制各个监测控制器的数据，实现现场数字化管理。还可以通过互联网把数据传递主机工作站控制中心，实现远程控制节能、诊断及维修服务。
文档编号B29C45/82GK1824490SQ20061004921
公开日2006年8月30日 申请日期2006年1月20日 优先权日2006年1月20日
发明者金波, 李勇, 陈飞飞, 翁振涛 申请人:宁波华普工业控制技术有限公司