专利名称：基于变频调速器的注塑机节能装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于变频调速器的注塑机节能装置及方法。
现有的大量注塑机均采用工频电源输入电动机驱动油泵工作的方式。在使用注塑机生产每一件产品时，都要经过多道工艺过程，而每道工艺过程所需要油泵的油压和出油速度是各不相同的。采用工频电源输入电动机驱动油泵工作的方式时，考虑所需最大油压，最高出油速度的极端要求情况下，电机所应提供的动力是满足要求的。这样一来，在许多不需要极端要求的工艺过程中，工频电机所提供的部分动力是被白白消耗掉的。
为实现上述目的，本发明提出一种基于变频调速器的注塑机节能装置，其特征是它包括信号采集装置、信号处理装置，所述信号采集装置用于接收注塑机的工艺参数设置和工作状态信号，并将这些信号转换后输入到信号处理装置；在信号处理装置中有频率计算装置，该频率计算装置用于接收从信号采集装置来的信号并计算出变频调速器的频率值F，并将该频率值F输入到与注塑机的电机相连的变频调速器，以控制电机的运行转速。
本发明实现上述目的的方案还包括一种基于变频调速器的注塑机节能方法，其特征是包括以下步骤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出变频调速器的频率值F；将频率值F输入到与注塑机电机相连的变频调速器。
由于采用了以上的方案，采用变频调速器连接于工频电源和注塑机电机之间，并采样每道工序对油泵的油压和出油速度等工艺参数设定的指令或其它相关信息，通过计算处理得出此刻满足工艺要求的电机运行转速，在非极端要求情况下就可以适当降低电机的运转速度，这样既保证了注塑机的正常生产，又有效地节约了电能。
图2是本发明实施例一的示意图。
图3是本发明信号采集装置的方框图。
图4是信号处理装置中信号处理流程示意图。
图5是本发明实施例二的示意图。
图6是信号采集装置电路图之一。
图7是信号采集装置电路图之二。
图2、5分别是本发明的两种实现形式，图中所示是一种基于变频调速器的注塑机节能装置，其特征是它包括信号采集装置1、信号处理装置2，所述信号采集装置1用于接收注塑机的工艺参数设置和工作状态信号，并将这些信号转换后输入到信号处理装置2；在信号处理装置2中有频率计算装置，该频率计算装置用于接收从信号采集装置1来的信号并计算出变频调速器的频率值F，并将该频率值F输入到与注塑机的电机相连的变频调速器，以控制电机的运行转速。
要达到节能效果的最基本的接法是所述信号采集装置1的输入端与注塑机的压力流量比例调节阀相连，用于输入压力流量比例调节阀的压力比例调节信号P和流量比例调节信号Q；所述信号采集装置1包括依次相连的信号隔离电路11、整形滤波电路12、限幅调整电路13，经过这些电路的转换，分别输出压力比例调节信号的值Px(简称压力比例调节信号值Px)和流量比例信号的值Qx(简称流量比例信号的值)。再将压力比例调节信号值Px、流量比例调节信号值Qx输入到信号处理装置2。
为了达到更好的节能效果，所述信号采集装置1的输入端还可以与注塑机的下述信号之一相连限位开关信号、触摸屏输出信号、中央处理器CPU板的输出信号，以确定目前所处的工艺阶段。
利用上述装置实现注塑机节能方法包括以下步骤1)采集注塑机的工艺参数设置和工作状态信号；2)根据输入的信号计算出变频调速器的频率值F；3)将频率值F输入到与注塑机电机相连的变频调速器。
如果所采集的注塑机的工艺参数设置和工作状态信号是注塑机上的压力流量比例调节阀的压力比例调节信号P和流量比例调节信号Q；则根据输入的信号计算出变频调速器的频率值F的方法如下式Fp＝Px*Fb/(Pmax-Pmin)Fq＝Qx*Fb/(Qmax-Qmin)F＝a*Fp+b*Fq其中Fb为注塑机的电机的基本运行频率；a＜＝1，b＜＝1，a+b＝1，a、b的值是事先人为设定。根据液压系统特性和试验经验参数，推荐a的取值范围为0～0.2；推荐b的取值范围为1～0.8，为追求最大节能效果则a趋近于0，b趋近于1。一般地讲，考虑到变频调速器的动态性能以及注塑机使用的压力和流量比例调节阀的特性差异和现场工艺参数需要对a、b的取值范围略微调整。Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分别为整个工艺流程中压力比例调节信号值Px和流量比例调节信号值Qx的最大值和最小值。Px和Qx为经信号采集装置1输出压力比例调节信号值和流量比例调节信号值。
如果所采集的注塑机的工艺参数设置和工作状态信号除包括注塑机上的压力流量比例调节阀的压力比例调节信号P和流量比例调节信号Q外，还有下述信号中至少一种限位开关信号、触摸屏输出信号、中央处理器CPU板的输出信号，则根据输入的信号计算出变频调速器的频率值F的方法根据不同的工艺段而不同，如下式Fp＝Px*Fb/(Pmax-Pmin)Fq＝Qx*Fb/(Qmax-Qmin)对于第一工艺段F＝a1*Fp+b1*Fq，其中a1＜＝1，b1＜＝1，a1+b1＝1，对于第二工艺段F＝a2*Fp+b2*Fq，其中a2＜＝1，b2＜＝1，a2+b2＝1，对于第三工艺段F＝a3*Fp+b3*Fq，其中a3＜＝1，b3＜＝1，a3+b3＝1，对于第四工艺段F＝a4*Fp+b4*Fq，其中a4＜＝1，b4＜＝1，a4+b4＝1。
……其中Fb为注塑机的电机的基本运行频率；a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4，b4...的值可以根据实际情况人为设置。根据液压系统特性和试验经验参数，推荐ax(x＝1，2，3，4......)的取值范围为0～0.2；推荐bx(x＝1，2，3，4......)的取值范围为1～0.8，为追求最大节能效果则ax趋近于0，bx趋近于1。每个x的取值对应一个工艺段，不同工艺段的ax和bx应予以区分，其原则是压力主导的工艺段(如射胶段)ax趋于推荐的取值范围上限0.2；流量主导的工艺段(如溶胶段)bx趋于推荐的取值范围上限1.0。一般地讲，考虑到变频调速器的动态性能以及注塑机使用的压力和流量比例调节阀的特性差异和现场工艺参数需要对ax、bx的取值范围略微调整。Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分别为整个工艺流程中压力比例调节信号值Px和流量比例调节信号值Qx的最大值和最小值。Px和Qx为经信号采集装置1输出压力比例调节信号值和流量比例调节信号值。
本发明节能的关键是要根据不同工艺段的电机出力要求，调整变频调速器对电机的输出，以改变电机的运转速度，从而达到节能的效果。由于注塑机在工作时的工艺段较多，如锁模、射胶、溶胶、开模等，所以涉及到的工艺参数也较多，如何从诸多工艺参数中提取重要而有效的信息是本发明的重点，而如何处理这些信息并最终得到一个变频调速器的工作频率，由此控制电机转速，达到有效节能的目的是本发明的难点。实现节能最终要靠变频调速器调速改变电机的转速来完成。
变频调速器接受频率指令的方式很丰富，有面板数字输入，模拟量输入，上位机通讯输入，数字脉冲输入等。本说明书实施例是通过模拟输入的办法输入频率指令，当然可以先将此模拟量转换为数字脉冲或经过上位机输入给变频调速器，效果与通过模拟输入完全等效。
图2、5中虚线框内为注塑机部分结构简单示意，虚线外则为本发明的装置部分。触摸面板得到产品加工的每道工序的工艺参数，如油压、出油速度、工序序号、工作时间等；这些信号送入注塑机的中央处理器CPU板；中央处理器CPU板是控制整个注塑机完成工作所涉及的电信号的处理核心，其功能之一就是产生压力流量比例调节阀所需的和工艺要求所对应的模拟电信号以及其它相关信号；压力流量比例调节阀根据中央处理器CPU送来的以上信号，通过调节油压以及出油速度将油泵的出力大小和速度控制在工艺要求之下；而电机是供给油泵的动力源。未经基于变频调速的注塑机节能改造的电机一般是恒定运行在工频50HZ。
如前所述，现有技术中采用工频电源输入电动机驱动油泵工作的方式时，在许多不需要极端要求的工艺过程中，工频电机所提供的部分动力是被白白消耗掉的。如果能根据工艺要求让电机提供恰好满足要求的动力，也就是说在非极端要求情况下适当降低电机的运转速度，这样就达到了节约电能的目的。变频调速器就是可以灵活调节电机的运转速度的电气设备，它可将工频输入(50HZ)的交流电源整流逆变为50HZ以下频率的三相交流输出到电机，来降低电机的运转速度。当电机以低于工频转速的速度工作时，所耗电量会随之下降。
如何从诸多工艺参数中提取重要而有效的信息是本发明的重点。因为要实现最大限度的节能，即最大限度地降低变频调速器输出频率，也就是电机的运转速度的同时还要保证电机所驱动的油泵出力要满足工艺的要求。为了决定变频调速器的输出频率，就必须提取反映注塑机工艺参数设置和工作状态的有效信号。
图2、5中的信号采集装置1为实现上述信号采集的发明部件。绝大多数注塑机均配有压力流量比例调节阀，用以调节油泵的出力大小和速度，输入压力流量比例调节阀的信号为反映工艺参数设定的两个关键模拟信号压力比例调节信号P和流量比例调节信号Q以及反映注塑机现在工作状态的几个开关量电信号。信号采集装置1快速准确地获取了上述信号，并将采集的信号转换为易于处理的模拟量和开关量电平信号。
采用这种压力流量比例调节阀信号获取方案的好处为一般压力流量比例调节阀进线盒在机器外部，信号采集方便；压力流量比例调节阀为油泵处理调节的关键性部件，进入压力流量比例调节阀的关键信号集中，能够反映各工艺段要求；压力流量比例调节阀信号多为1安以内的电流信号或是20伏左右的电平信号，易于采样变换和处理；压力流量比例调节阀信号时刻跟随工艺参数变化，对其采集的信号处理实时性强。
但是，不一定只有压力流量比例调节阀信号能够反映注塑机工艺参数设置和工作状态的有效信号，比如注塑机的限位开关，触摸屏输出信号，以及中央处理器CPU板的输出信号都能够反映一部分或全部的工艺参数、注塑机工作状态信息。所以，不排除在注塑机的其它部位取得和P、Q信号性质等同的信号，如注塑机的电脑板，PLC控制器上等，该P、Q信号也不一定是电流信号，可能为电压或其他数字信号。但在压力流量比例调节阀上采样信号的办法最为简便，适应性强，对注塑机的软硬件结构无特别的改动要求。
如何处理信号采集装置1输出的信号并最终得到一个变频调速器的工作频率，达到控制电机转速，从而达到有效节能是本发明的难点。它可以用软件方式实现，也可以采用硬件的方式实现。图2显示的是一种软件处理方式。图2中的信号处理装置及变频调速器为华为电气公司设计生产的TD2000交流变频调速器，利用它本身具有的2路标准模拟通道(0～10V)和8个多功能输入端子来接收信号采集装置1输出的模拟量和开关量电平信号。其中该TD2000型变频调速器的核心控制软件中就有信号处理部分。此种方式得到合适的变频调速器工作频率的方案最为简洁有效且成本低，图4为根据信号采集装置1输出信号合成处理后得到合适的变频调速器工作频率的核心思想。
如图4所示，构造变频调速器输出频率函数的关键算法思路如下一、不加“其它信号”输入的算法(即只有压力比例调节信号P、流量比例调节信号Q)1.采样压力比例调节信号P，流量比例调节信号Q经过两路信号采集装置1输出的0～10V信号Px，Qx；注意，在本说明书中，P、Q是指信号采集装置1的输入(说明书中叫“压力、流量比例调节信号”)，而Px、Qx(说明书中叫“压力、流量比例调节信号值”)是信号采集装置1的输出，目的是为了得到信号处理装置2或变频调速器可处理的工业标准电压或电流信号(0～10V或0～20mA)。
2.确定工艺流程中压力比例调节信号值Px，流量比例调节信号值Qx的实际最大值与最小值Pmax，Pmin，Qmax，Qmin；3.计算Px，Qx对应所需的变频调速器输出频率Fp，FqFp＝Px*Fb/(Pmax-Pmin)Fq＝Qx*Fb/(Qmax-Qmin)(Fb一般等于市电的频率，此处Fb＝50)4.计算最终变频调速器输出的频率FF＝a*Fp+b*Fq，其中a＝0.95，b＝0.05(关于a、b取值的说明见前文)。
二、加入“其它信号”输入的算法1～3步骤同上，上面第4步由以下替换采样信号采集装置1的编码电平信号(A，B，C，D...)，根据各个工艺段调整修正步骤3得到的频率Fp，Fq得到更加优化的输出频率F′(多段函数，对应不同的工艺段A(合模段)、B(溶胶段)、C(射胶段)、D(保压段)……)F′＝a1*Fp+b1*Fq，其中a1＜＝1，b1＜＝1，a1+b1＝1，信号A(合模段)F′＝a2*Fp+b2*Fq，其中a2＜＝1，b2＜＝1，a2+b2＝1，信号B(溶胶段)F′＝a3*Fp+b3*Fq，其中a3＜＝1，b3＜＝1，a3+b3＝1，信号C(射胶段)F′＝a4*Fp+b4*Fq，其中a4＜＝1，b4＜＝1，a4+b4＝1，信号D(保压段)……其中，a，b，a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4，b4...的值可以根据实际情况人为设置，本例中a1＝0.95；b1＝0.95；
a2＝0.00；b2＝1.00；a3＝0.20；b3＝0.80；a4＝0.15；b4＝0.85……在这里特别要提到，上述实施例是对特定的变频调速器产品，通过修改变频调速器核心软件得到合适的变频调速器工作频率。但本发明显然不仅适用于某些特定的变频调速器，也适用于普通的变频调速器。对于一个普通的变频调速器，如果不熟悉其内部核心软件，更好的方式是通过硬件方案实现上述目的，如图5所示。
如上所述，信号处理装置2本身可以由外部硬件完成频率的生成，再传递给变频调速器；也可将信号采集装置1当变频调速器输入，通过修改变频调速器控制软件来完成频率的生成，不过通常只有变频调速器厂家才可以做得到。图5中信号处理装置2是用硬件构造的信号处理功能板，它将信号采集装置1输出的信号合成处理为变频调速器可以接收的频率设定信号。变频调速器会根据此信号使电机运转于相应的工作频率和转速。而合成处理过程的核心思想已在流程图4表明，就不再复述。
本发明在深圳某家大型注塑机制造和使用厂家做过充分的试验。试验机型为该厂自行生产的注塑机EA80，其电机功率为11KW。
实验结果表明，无节能器试验每小时耗电量为3.643度/小时；有节能器试验每小时耗电量为2.042度/小时。安装节能器后的节电效果为(3.643-2.042)/3.643＝43.9％。
节能改造后，未出现爆盘、黏磨问题，经长时间试验运行，产品符合工艺要求，对工艺时间亦无影响；且节能器安装简便、工作可靠；从试验数据看节能效果极其显著。考虑到广泛适用性，单机节能效果在30％～40％之间。
权利要求
1.一种基于变频调速器的注塑机节能装置，其特征是它包括信号采集装置(1)、信号处理装置(2)，所述信号采集装置(1)用于采集注塑机的工艺参数设置和工作状态信号，并将这些信号转换后输入到信号处理装置(2)；在信号处理装置(2)中有频率计算装置，该频率计算装置用于接收从信号采集装置(1)来的信号并计算出变频调速器的运行设定频率值(F)，并将该频率值(F)输入到与注塑机的电机相连的变频调速器，以控制电机的运行转速。
2.如权利要求1所述的基于变频调速器的注塑机节能装置，其特征是所述工艺参数设置和工作状态信号包括注塑机上的压力流量比例调节阀的压力比例调节信号(P)和流量比例调节信号(Q)；所述信号采集装置(1)的输入端与注塑机的压力流量比例调节阀相连，用于采集所述压力流量比例调节阀的压力比例调节信号(P)和流量比例调节信号(Q)；所述信号采集装置(1)包括依次相连的信号隔离电路(11)、整形滤波电路(12)、限幅调整电路(13)。
3.如权利要求2所述的基于变频调速器的注塑机节能装置，其特征是所述工艺参数设置和工作状态信号还包括注塑机的限位开关信号、触摸屏输出信号、中央处理器(CPU)板的输出信号，所述信号采集装置(1)的输入端至少还其中之一相连，以确定目前所处的工艺阶段。
4.如权利要求2所述的基于变频调速器的注塑机节能装置，其特征是所述信号处理装置(2)与变频调速器控制软件构成一个整体，并将其与信号采集装置(1)的输出相连；所述信号处理装置(2)包括加法器、减法器、乘法器、除法器，它们将经过信号采集装置(1)处理的注塑机上的压力流量比例调节阀的压力比例调节信号(P)的值(Px)和流量比例调节信号(Q)的值(Qx)做如下处理得到变频调速器的频率值(F)Fp＝Px*Fb/(Pmax-Pmin)Fq＝Qx*Fb/(Qmax-Qmin)F＝a*Fp+b*Fq其中Fb为注塑机的电机的基本运行频率；a、b为事先设定的参数，其取值范围满足a＜＝1，b＜＝1，a+b＝1；Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分别为整个工艺流程中压力比例调节信号值(Px)和流量比例调节信号值(Qx)的最大值和最小值。
5.如权利要求2所述的基于变频调速器的注塑机节能装置，其特征是所述信号处理装置(2)是独立于变频调速器的、由硬件组成的装置，它包括加法器、减法器、乘法器、除法器，它们将经过信号采集装置(1)处理的注塑机上的压力流量比例调节阀的压力比例调节信号值(Px)和流量比例调节信号值(Qx)做如下处理得到变频调速器的频率值(F)Fp＝Px*Fb/(Pmax-Pmin)Fq＝Qx*Fb/(Qmax-Qmin)F＝a*Fp+b*Fq其中Fb为注塑机的电机的基本运行频率；a、b为事先设定的参数，其取值范围满足a＜＝1，b＜＝1，a+b＝1；Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分别为整个工艺流程中压力比例调节信号值(Px)和流量比例调节信号值(Qx)的最大值和最小值。
6.如权利要求4或5所述的基于变频调速器的注塑机节能装置，其特征是其中a的取值范围为0～0.2；b的取值范围为1～0.8。
7.一种基于变频调速器的注塑机节能方法，其特征是包括以下步骤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出变频调速器的频率值(F)；将频率值(F)输入到与注塑机电机相连的变频调速器。
8.如权利要求7所述的基于变频调速器的注塑机节能方法，其特征是所采集的注塑机的工艺参数设置和工作状态信号是注塑机上的压力流量比例调节阀的压力比例调节信号值(Px)和流量比例调节信号值(Qx)；根据输入的信号计算出变频调速器的频率值(F)的方法如下式Fp＝Px*Fb/(Pmax-Pmin)Fq＝Qx*Fb/(Qmax-Qmin)F＝a*Fp+b*Fq其中Fb为注塑机的电机的基本运行频率；a、b为事先设定的参数，其取值范围满足a＜＝1，b＜＝1，a+b＝1；Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分别为整个工艺流程中压力比例调节信号值(Px)和流量比例调节信号值(Qx)的最大值和最小值。
9.如权利要求8所述的基于变频调速器的注塑机节能方法，其特征是其中a的取值范围为0～0.2；b的取值范围为1～0.8。
10.如权利要求7所述的基于变频调速器的注塑机节能方法，其特征是所采集的注塑机的工艺参数设置和工作状态信号值是经过信号采集装置(1)处理的注塑机上的压力流量比例调节阀的压力比例调节信号值(Px)和流量比例调节信号值(Qx)，以及下述信号中至少一种限位开关信号、触摸屏输出信号、中央处理器(CPU)板的输出信号；根据输入的信号计算出变频调速器的频率值(F)的方法根据不同的工艺段而不同，如下式Fp＝Px*Fb/(Pmax-Pmin)Fq＝Qx*Fb/(Qmax-Qmin)对于第一工艺段F＝a1*Fp+b1*Fq，其中a1＜＝1，b1＜＝1，a1+b1＝1，对于第二工艺段F＝a2*Fp+b2*Fq，其中a2＜＝1，b2＜＝1，a2+b2＝1，对于第三工艺段F＝a3*Fp+b3*Fq，其中a3＜＝1，b3＜＝1，a3+b3＝1，对于第四工艺段F＝a4*Fp+b4*Fq，其中a4＜＝1，b4＜＝1，a4+b4＝1。……其中Fb为注塑机的电机的基本运行频率；a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4，b4...为事先设定的参数，根据液压系统特性和试验经验参数，ax(x＝1，2，3，4......)的取值范围为0～0.2；bx(x＝1，2，3，4......)的取值范围为1～0.8，式中每个x的取值对应一个工艺段；Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分别为整个工艺流程中压力比例调节信号值(Px)和流量比例调节信号值(Qx)的最大值和最小值，根据下述信号中至少一种限位开关信号、触摸屏输出信号、中央处理器(CPU)板的输出信号来判断目前所处的工艺阶段。
全文摘要
本发明公开了一种基于变频调速器的注塑机节能装置及方法,该装置包括信号采集装置、信号处理装置,信号采集装置用于接收注塑机的工艺参数设置和工作状态信号,并将这些信号转换后输入到信号处理装置;信号处理装置计算出变频调速器的运行设定频率值,并将该频率值输入到与注塑机的电机相连的变频调速器,以控制电机的运转速度。在非极端要求情况下就可以适当降低电机的运转速度,保证了注塑机的正常生产,又有效地节约了电能。
文档编号B29C45/76GK1354079SQ01135680
公开日2002年6月19日 申请日期2001年10月16日 优先权日2000年10月18日
发明者姜仲文, 齐勇 申请人:深圳市安圣电气有限公司