一种基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制装置及方法.pdf

本发明是一种基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制装置及方法。通过该控制装置及方法使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。

1、  一种基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制装置，包括原有的注塑机及变频器，其特征在于该控制装置接收注塑机的工艺参数和工作状态信号，根据输入信号计算变频器的频率控制信号值Fx及电机提前加速时间点Sx，输出频率控制信号到与注塑机的电机相连的变频器。

2、  根据权利要求1所述的基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制装置，其特征在于其输入输出端口与注塑机及变频器的模拟电压输出接口相连、模拟电流输出接口、I/O动作输出接口、串行通信接口的任意一个或任意组合相连。

3、  根据权利要求1所述的基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制装置，其特征在于所述的控制装置可以是与变频器集成于一体，也可以是独立于变频器的由软硬件组成的装置。

4、  一种基于节能变频调速器的提高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)；
将频率控制信号输出到与注塑机电机相连的变频器；
其特征在于：频率控制信号包括电机提前加速信号。

5、  根据权利要求4所述的基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制方法，其特征在于所采集注塑机的工艺参数设置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的任意一个或者其组合。

6、  根据权利要求4所述的基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制方法，其特征在于所述的提前加速信号包括提前加速时间点和提前加速时间的控制信号。

7、  根据权利要求6所述的基于节能变频调速器的提高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的时间点，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；
电机的提前加速时间(TQx)是指电机需提前启动加速的时间长度，其计算的方法如下：
TQx＝(Ax*F_x+1-Bx*F_x)/(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)，频率控制信号值的计算与现有的变频器相同，在此不再详细描述；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。

8、  根据权利要求4所述的基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制方法，其特征在于所述将频率控制信号输出到与注塑机电机相连的变频器是指电机在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，电机在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。

一种基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制装置及方法
                         技术领域
本发明涉及注塑机，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由变频器带来的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控制装置及方法。
                         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基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制装置及方法，该控制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。
为实现上述目的，本发明提出一种基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制装置，包括原有的注塑机及变频器，其特征在于变频器和注塑机之间设置有控制装置，该控制装置可以接收注塑机的工艺参数和工作状态信号，根据输入信号计算变频器的频率控制信号值Fx及电机提前加速时间点Sx，输出频率控制信号到与注塑机的电机相连的变频器，以控制电机的运行转速；通过该控制装置实现对变频器的实时控制，并准确地传输控制指令，达到节能、提高生产效率的目的。
所述的控制装置，其对注塑机和变频器可以是单向传输，根据实际的应用情况，也可以设计为双向传输，且其输入输出端口可以是与注塑机及变频器的模拟电压输出接口相连、可以是与注塑机模拟电流输出接口相连，可以是I/O动作输出接口，可以是串行通信接口相连，也可以是上述各接口的组合。
所述工艺参数和工作状态信号包括注塑工艺相关的压力比例信号、流量比例信号，以及注塑机位置、时间、限位开关及当前所处的工艺段标志；所述的控制装置可以是与变频器控制软件构成一个整体，也可以是独立于变频器的由软硬件组成的装置。
本发明实现上述目的还包括一种基于节能变频调速器的提高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)；
将频率控制信号输出到与注塑机电机相连的变频器；
其特征在于：频率控制信号包括电机提前加速信号。
所采集注塑机地工艺参数设置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。
所述的提前加速信号包括提前加速时间点和提前加速时间的控制信号。
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的时间点，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；
电机的提前加速时间(TQx)是指电机需提前启动加速的时间长度，其计算的方法如下：
TQx＝(Ax*F_x+1-Bx*F_x)/(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；F_x为当前工艺段频率控制信号值，F_x+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)，频率控制信号值的计算与现有的变频器相同，在此不再详细描述；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。
所述将频率控制信号输出到与注塑机电机相连的变频器是指电机在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，电机在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，也就是说电机的提前加速时间和提前加速时间点为零；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变频器的输出频率，使电机提前加速，避免时间延迟，保证整个注塑周期不变。
由于在注塑机的变频器节能改造中使用本发明，实现了电机的提前加速，消除了变频器节能过程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。
                        附图说明
图1为本发明实施的结构示意图，
图2为本发明另一种实施方式的结构示意图，
图3为本发明实施的控制流程图，
图4为本发明实施的各工艺段切换控制流程图，
图5为本发明实施的主要部件连接图，
图6为本发明实施的时间对比图。
                       具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
图1、图2分别是本发明的两种实现形式，图中所示是一种基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制装置，本发明中的控制装置在此称为信号采集处理装置，该控制装置用于接收注塑机的工艺参数和工作状态信号，计算各工艺段变频器的频率控制信号值Fx及电机提前加速时间点Sx，输出频率控制信号到与注塑机的电机相连的变频器，以控制电机的运行转速；
控制装置可以与变频器集成在一起，也可以设置于变频器和注塑机之间，图1所示为本发明将信号采集处理装置集成在变频器中，与变频器形成成一个整体；图2所示为独立于变频器的硬件构成信号采集处理装置。
该信号采集处理装置的输入输出端口可以是与注塑机的模拟电压输出接口相连、可以是与注塑机模拟电流输出接口相连，可以是I/O动作输出接口，可以是串行通信接口相连，也可以是上述各种接口的组合。输入信号可以是注塑机的压力比例信号、流量比例信号、限位开关信号、各动作输出的开关信号及串行、并行通信数据，详细的主要部件连接参照图5。
图5所示结构就是采用串行通信接口，该接口传输数字信号，能够保证传输信号的准确，避免不必要的干扰。注塑机将锁模、射胶、顶针、压力和流量信号都向信号采集处理装置输出，该信号采集处理装置经过处理计算后将控制信号输出到变频器，由变频器控制电机的正常运行和提前加速。
因此，对于基于节能变频调速器的提高注塑机生产效率的控制装置及方法，其主要包括以下步骤：
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)；
3、将频率控制信号输出到与注塑机电机相连的变频器。
至于其具体控制流程如图3所示。
所谓的采集注塑机控制系统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。上述的工艺参数是由注塑机控制系统的操作界面设定，可包括所有的信号，也可只是采用部分信号。
由于注塑机各工艺段的切换是采用位置点或时间点进行切换的，采用位置点切换的工艺段时间是随着该工艺段的动作速度变化而变化的，因此，本发明实施时对各个工艺段设置标志，通过对各工艺段标志测定可计算各工艺段的工作时间，具体流程见图4。
工艺段的标志是专门设定的，譬如信号采用数字信号传输时，该工艺段的标志是位于信号尾部的数字标识，或者采用其它方式也可。
图5所示实施例中采集的注塑机控制系统有关工艺参数和工作状态信号主要是注塑机的锁模输出信号和流量压力比例信号(A部分所标识的)。根据锁模输出信号确定注塑机的生产循环的初始工艺段(即初始点)；根据流量压力比例信号变化测出注塑机的工艺段数和各工艺段的时间，并标注各工艺段的标志。
其中，控制流程中的A部分和B部分可以衔接起来，形成总的控制流程。
控制流程中最主要的控制步骤是：在计算电机提前加速时间点前先判断当前工艺段频率控制信号值是否小于下一工艺段频率控制信号值，当大于下一工艺段频率控制信号值时，提前加速时间点为当前工艺段时间的结束时间，即提前加速时间为零；当小于下一工艺段频率控制信号时，提前加速时间点(Sx)的计算如下：
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*F_x+1-Bx*F_x)/(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；F_x为当前工艺段频率控制信号值，F_x+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)，频率控制信号值的计算与现有的变频器相同，在此不再详细描述；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。
在计算电机提前加速时间(TQx)＝(Ax*F_x+1-Bx*F_x)/(Cx*Fmax)*DT+T0中，当(Ax*F_x+1-Bx*F_x)/(Cx*Fmax)*DT＝0时，TQx＝T0，各工艺段的电机提前加速时间置为一定值，是本公式的一个特例，这种计算方法较为简便。
经实际试验及检测，按照本发明所实施的信号采集处理装置的变频器，注塑机在高压锁模工艺段转射胶工艺段时，高压锁模工艺段的流量值设定为20％，转高压锁模的位置点为60mm，根据高压锁模的流量值及位置点测出的高压锁模工艺段时间T1；射胶工艺段参数设定流量为85％；对应于流量的射胶工艺段频率控制信号值F2大于高压锁模工艺段的频率控制信号值F1，高压锁模工艺段转射胶工艺段的电机提前加速时间(TQ1)由下式计算：
TQ1＝(A1*F₂-B1*F₁)/(C1*Fmax)*DT+T0
本例取A1＝1，B1＝1，C1＝1，加速时间DT取值为0.5s，电机惯量大小的修正值T0取值为0s。
计算电机提前加速时间点(S1)由下列公式计算：S1＝T1-TQ1
当高压锁模工艺段未到达提前加速时间点(S1)时向变频器输出高压锁模工艺段对应的电机运行频率控制信号F1，当高压锁模工艺段到达提前加速时间点(S1)后向变频器输出射胶工艺段对应的电机运行频率控制信号F2。
该信号采集控制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。
图6是本例未加变频器、加装变频器及加装采用本发明的变频器的高压锁模工艺段转射胶工艺段电机速度和动作速度曲线的比较。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，锁模工艺段的速度响应取决于油阀的比例阀响应，响应时间较小可忽略不计；使用变频器的注塑机在高压锁模工艺段转射胶工艺段时，由于电机的速度响应有一定的滞后时间，使得射胶工艺段开始时动作速度有一段加速延迟时间，使射胶工艺段时间延长。而使用本发明的注塑机控制系统后，注塑机在高压锁模工艺段转射胶工艺段前已经给变频器输出了一个提前加速时间，在工艺段切换时电机速度已达到射胶工艺段所要求的转速，射胶工艺段的速度响应与未使用变频器的情况一致，从而达到了不降低生产效率的前提下节能的目的。
如在注塑机上加装37KW变频器的应用中，未采用本发明所实施的方法和装置时，加装了变频器的注塑机节能达35％，但工作周期由未加装变频器前的29s延长至32S，生产周期延长了约10％，实际节能率仅为31％。采用配置本发明所述方法和装置时，如设定参数为：T0＝0.2S、F0＝10Hz、Fmax＝50Hz、Fmin＝20Hz、DT＝0.5S，加装了变频器的注塑机的生产周期仍为29s，节能为35％，经长时间运行，产品符合工艺要求，在生产效率不降低的前提下实现了节能的目的。
以上描述是对本发明几种具体实施方式的详细描述，并不限制本发明的实施内容为此，凡是采用本发明所描述控制装置及控制方法的，均在本发明的保护范围之内。