1．前言

鋁型材經(jīng)過擠壓成型之后，一般都需要經(jīng)過表面工藝處理之后，才能作為成品使用。經(jīng)過陽極氧化電解著色表面處理工藝的鋁型材，其表面將得到一層具有良好的耐磨性、耐曬性、耐熱性、耐蝕性和色澤穩(wěn)定持久的氧化膜，被廣泛應(yīng)用在建筑和室內(nèi)外裝飾行業(yè)上。

在鋁型材陽極氧化電解著色表面處理工藝中，有一道電解著色處理工序，是在鋁型材表面陽極氧化工序之后，電泳或封孔工序之前，對需要著色的鋁型材進(jìn)行的一道工序，其原理是在槽體溶液中通過電化學(xué)作用使鋁型材表面附著某些金屬離子，從而顯示出某一類的顏色來。不同的槽體溶液配置及工藝方法，鋁型材電解著出的色彩效果也不一樣，對所要求的著色電源提供的電流或電壓的大小、波形及工作時間長短也不同。

其中有一種由日本發(fā)明的著色方法稱為均勻化著色方法，可在較短的時間里得到效果好、顏色均勻的著色氧化膜。這種著色方法由于生產(chǎn)效率高，成品率高，已在日本廣泛應(yīng)用，目前在國內(nèi)也正在逐步推廣開來。

2．著色電源系統(tǒng)要求

配合均勻化著色方法的著色電源（簡稱均勻化著色電源）需按規(guī)定要求輸出電流波形。均勻化著色電源的工作過程是：首先輸出正向直流電流（稱為P處理）一段時間，然后輸出頻率為1～30Hz范圍內(nèi)特定值，正負(fù)方波占寬比為0.005～0.30內(nèi)特定值的脈沖電流（稱為C處理）一段時間，接著再進(jìn)行一次C處理（稱為C2處理）一段時間，如圖1所示。在工廠生產(chǎn)中，C處理常用的頻率為5Hz，正負(fù)方波占寬比為1:9，C2處理根據(jù)工藝的要求來選擇可有可無。

圖1 均勻著色電源輸出波形

均勻化著色電源的主要功能要求如下：

（1）輸入電壓及范圍：三相、頻率50Hz、380V±20%；

（2）額定輸出電壓：±30V～±80V；

（3）額定輸出電流：1000A～4000A；

（4）*小輸出電流：額定輸出電流的10%；

（5）輸出電流精度：±3%以下；

（6）輸出電流紋波：7%以下（在額定電流的30%～100%內(nèi)）；

（7）入槽靜泡時間：可在10～3000s內(nèi)設(shè)定；

（8）P處理時間：可在0～3000s內(nèi)設(shè)定；

（9）P處理與C處理間隔時間：可在10～3000s內(nèi)設(shè)定；

（10）C處理時間：可在0～3000s內(nèi)設(shè)定；

（11）C處理時脈沖周期：200ms（可根據(jù)要求在20ms～300ms范圍內(nèi)修改）；

（12）C處理時正脈沖寬度：20ms（可根據(jù)要求在10ms～100ms范圍內(nèi)修改）；

（13）能滿足二次C處理的要求；

（14）能滿足補(bǔ)色（即再進(jìn)行C處理）的要求；

（15）有必要的保護(hù)措施。

3．著色電源系統(tǒng)組成及工作原理簡介

為實(shí)現(xiàn)上述的輸出波形及滿足工藝要求，設(shè)計(jì)的均勻化著色電源原理如圖2所示。均勻化著色電源主要由主回路和控制部分組成。

圖2均勻化著色電源原理圖

3．1主回路

主回路包括進(jìn)線斷路器，整流變壓器TM，三相全控整流橋A組、B組，電抗器，逆變部分等。整流變壓器TM付邊采用雙繞組的形式，一組Y接法，連到一整流橋A組，另一組Δ接法，連到另一整流橋B組。整流橋各自整流后經(jīng)電抗器濾波，再逆變，然后并聯(lián)輸出。

圖3逆變電路

圖3是其中一組逆變部分的主電路圖，如圖所示，當(dāng)主臂晶閘管V1、V4導(dǎo)通時，電流經(jīng)電抗器L、主臂晶閘管V1，流向負(fù)載，然后從主臂晶閘管V4流回，此時負(fù)載承受的是正向電壓、電流，當(dāng)要使負(fù)載承受反向電壓、電流時，首先應(yīng)關(guān)掉主臂晶閘管V1、V4的控制脈沖，然后控制輔助晶閘管V11、V14導(dǎo)通，使電容C1、C2放電再反向充電，強(qiáng)迫關(guān)斷主臂晶閘管V1、V4，接著關(guān)掉輔助晶閘管V11、V14的控制脈沖，再控制主臂晶閘管V2、V3導(dǎo)通，這時電流經(jīng)電抗器L、主臂晶閘管V2，流向負(fù)載，然后從主臂晶閘管V3流回，此時負(fù)載承受的就是反向電壓、電流。要使負(fù)載從承受反向電壓、電流轉(zhuǎn)換到承受正向電壓、電流，其原理一樣，先關(guān)掉主臂晶閘管V2、V3的控制脈沖，然后控制輔助晶閘管V12、V13導(dǎo)通，使電容C1、C2放電再反向充電，強(qiáng)迫關(guān)斷主臂晶閘管V2、V3，接著關(guān)掉輔助晶閘管V12、V13控制脈沖，再控制主臂晶閘管V1、V4導(dǎo)通，就完成了負(fù)載從承受反向電壓、電流到承受正向電壓、電流的轉(zhuǎn)換。主臂晶閘管和輔助晶閘管的導(dǎo)通是通過PLC發(fā)出的逆變脈沖來控制的，由于負(fù)載承受正向電壓、電流向反向電壓、電流轉(zhuǎn)換，或由反向轉(zhuǎn)換到正向，都是在極短的時間內(nèi)完成（一般只有幾百個微秒），因此PLC的選型和編程設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到整個逆變部分的正常工作和輸出波形的準(zhǔn)確性。

3．2控制部分

控制部分包括A組、B組整流調(diào)節(jié)單元，逆變脈沖觸發(fā)單元，信號接口電路，可編程邏輯控制器PLC和觸摸屏等。

A組、B組整流調(diào)節(jié)單元主要功能是按照PLC發(fā)出的給定信號來調(diào)節(jié)三相全控整流橋輸出的電流，其內(nèi)部包括PI調(diào)節(jié)電路、移相觸發(fā)電路、功放電路等。

逆變脈沖觸發(fā)單元主要是接收PLC的逆變脈沖，對逆變脈沖再進(jìn)行調(diào)制、功放后控制逆變部分的主臂晶閘管和輔助晶閘管準(zhǔn)確可靠的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)P處理和C處理的波形輸出。

信號接口電路主要功能是對各種信號進(jìn)行整理變換，以滿足各個單元對信號的需求。

可編程邏輯控制器PLC選用西門子的S7-200 CPU226 DC/DC/DC和一模擬量擴(kuò)展模塊EM235組成。PLC作為本電源系統(tǒng)的核心控制器件，主要完成下列功能：

（1）開、停機(jī)控制；

（2）運(yùn)行流程控制；

（3）逆變部分晶閘管的導(dǎo)通控制；

（4）整流給定控制；

（5）電源裝置狀態(tài)量的采集；

（6）模擬量采集；

（7）設(shè)置、顯示參數(shù)的計(jì)算；

（8）與觸摸屏通訊。

PLC輸入輸出定義如表1所示。

表1 PLC輸入輸出定義

觸摸屏采用Hakko的MONITOUCH V708C型彩色觸摸屏，與PLC之間進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)（PPI）通訊。觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）表計(jì)功能指示；

（2）裝置的啟動、停止操作；

（3）增、減操作；

（4）進(jìn)線斷路器的分、合操作；

（5）電流調(diào)節(jié)設(shè)置；

（6）著色檔選擇；

（7）生產(chǎn)工藝過程選擇；

（8）P處理時間、間隔時間、C處理時間設(shè)置；

（9）裝置狀態(tài)顯示；

（10）裝置故障閃爍報(bào)警。

4．軟件編程

軟件主要由觸摸屏程序和PLC程序組成。

觸摸屏共編輯了25個畫面，包括1個主顯示操作畫面、16個著色檔參數(shù)設(shè)置畫面、1個補(bǔ)色參數(shù)設(shè)置畫面、2個著色數(shù)據(jù)查詢畫面、1個PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)查詢畫面、1個時鐘調(diào)整畫面和2個歡迎畫面、1個幫助畫面。當(dāng)電源裝置出現(xiàn)故障時，觸摸屏還會自動彈出故障小畫面，并以紅色閃爍報(bào)警，引起運(yùn)行人員的注意。觸摸屏的畫面不僅完成了上述的功能，而且良好的中文界面非常方便用戶操作使用。

著色電源的操作執(zhí)行、控制、設(shè)置參數(shù)的計(jì)算等都是通過PLC的程序來實(shí)現(xiàn)完成的，PLC的程序設(shè)計(jì)是著色電源控制性能的關(guān)鍵。

為了便于查找、修改和調(diào)試程序，以及縮短CPU的掃描周期，均勻化著色電源設(shè)計(jì)的PLC程序除主程序外，還有10個子程序和4個中斷程序，PLC的程序方框圖見圖4、圖5、圖6所示。如圖中所示，主程序主要完成采樣、操作、故障處理、判斷開停機(jī)等內(nèi)容；子程序0主要完成運(yùn)行時的工作流程控制；子程序1主要完成在靜泡時間內(nèi)的控制操作；子程序2主要完成P處理時間內(nèi)的控制操作；子程序3主要完成在間隔時間內(nèi)的控制操作；子程序4主要完成C處理時間內(nèi)的控制操作；子程序5主要完成著色完成后的處理工作；子程序6是在P處理和C處理起動前對逆變脈沖的控制；子程序7是停機(jī)時對逆變脈沖的控制；子程序8主要完成停機(jī)時著色參數(shù)的輸入和計(jì)算等內(nèi)容；子程序9主要完成補(bǔ)色參數(shù)的輸入和計(jì)算等內(nèi)容。中斷程序主要是完成C處理時對逆變脈沖的控制，其中逆變脈沖的立即開通和立即關(guān)斷時間間隔是采用語句延時來實(shí)現(xiàn)的。

圖4 PLC程序框圖（1）

圖5 PLC程序框圖（2）

圖6 PLC程序框圖（3）

5．實(shí)測波形

圖7是一臺輸出能力為±55V，3000A的均勻化著色電源在試驗(yàn)室的電阻性負(fù)載下輸出的電流、電壓的波形全過程。圖中P處理時間是3s，輸出電流是750 A，電壓30V；間隔時間是10s；C處理時間是5s，輸出電流是1000 A，電壓±40V，正向脈沖寬度為20ms，周期為200 ms，與設(shè)置值完全符合。

圖8是圖7中C處理放大后的波形。圖9是圖8中波形放大后的一部分。圖10是C處理過程中PLC發(fā)出的逆變脈沖與輸出的控制關(guān)系。

圖7電阻負(fù)載下輸出波形全過程

圖8電阻負(fù)載下C處理波形全過程

圖9電阻負(fù)載下C處理波形

圖10 C處理過程中PLC發(fā)出的逆變脈沖與輸出的控制關(guān)系

圖11是同臺均勻化著色電源在現(xiàn)場輸出3000A，±30V，正向脈沖寬度為20ms，周期為200ms的C處理電壓電流波形。圖12是在現(xiàn)場輸出2000A，±20V，正向脈沖寬度為20ms，周期為200 ms的C處理電壓電流波形。

圖11現(xiàn)場輸出3000A時的C處理波形

圖12現(xiàn)場輸出2000A時的C處理波形

6．結(jié)論

均勻化著色電源是為了取代進(jìn)口，降低成本，按照生產(chǎn)工藝要求國內(nèi)自主研發(fā)的一種大功率電源產(chǎn)品。從設(shè)計(jì)之初，選用西門子的小型PLC S7-200來進(jìn)行小于毫秒級的逆變換流控制，曾是一種大膽的設(shè)想，如今通過實(shí)踐證明是可行的。在現(xiàn)場，均勻化著色電源完全滿足生產(chǎn)工藝的要求，鋁材著出的顏色效果與國外進(jìn)口設(shè)備一致，并且均勻化著色電源選用西門子的S7-200 PLC作為核心控制器件，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制精度高，加之采用觸摸屏顯示中文界面，操作更加方便簡單，受到了用戶的歡迎。