CN1295912A - 基于变频调速器的注塑机节能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开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器的频率值,并将该频率值输入到与注塑机的电机相连的变频器,以控制变频器输出到电机的频率。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。

Description

基于变频调速器的注塑机节能装置及方法

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。

现在生产和生活中，大量的塑料制品或半成品是通过注塑机注塑冲压而制成的。图1为注塑机整机外形图，其工作如下：现将产品生产各个工艺段的工艺参数，如：压力(油压)、速度(出油速度)、时间、距离等通过面板(A位置)输入，注塑机自动将这些参数输入中央处理器CPU板(B位置)进行处理后，输出到压力流量比例调节阀(C位置)。工频电机(D位置)提供足够的动力来驱动油泵(E位置)，而油泵的油压和出油速度要靠压力流量比例调节阀来调整，不同的工艺段会要求不同的油压和出油速度来保证。其关键的工艺段包括：锁模、射胶、溶胶、冷却、开模等过程。工频电机通过三相电源线接入电网，作为注塑机的动力提供设备。

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。

本发明的目的是提供一种注塑机节能装置，能使注塑机的电机在不同的工艺段提供不同的动力，以节约能源。

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器，以控制变频器的输出到电机的频率。

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器。

由于采用了以上的方案，采用变频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，这样即保证了注塑机的正常生产，又有效地节约了电能。

图1是一种典型的注塑机外表示意图。

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。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

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器，以控制变频器的输出到电机的频率。

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，再将P、流量比例调节信号Q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。

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PPx和流量比例调节信号QQx；则根据输入的信号计算出变频器的频率值F的方法如下式：

Fp=Pmax-Pmin^*50/Px

Fq=Qmax-Qmin^*50/Qx

F=a^*Fp+b^*Fq

其中a＜=1，b＜=1，a+b=1，a、b的值是事先人为设定的或用过自适应算法计算的；Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分别为整个工节流程中压力比例调节信号P和流量比例调节信号Q的最大值和最小值。

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PPx和流量比例调节信号QQx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器的频率值F的方法根据不同的工艺段而不同，如下式：

Fp=Pmax-Pmin^*50/Px

Fq=Qmax-Qmin^*50/Qx

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a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4，b4…的值可以根据实际情况人为设置或用过自适应算法计算得到，Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分别为整个工节流程中压力比例调节信号P和流量比例调节信号Q的最大值和最小值。

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器的工作频率，达到控制电机转速，从而有效节能的目的是本发明的难点。实现节能最终要靠变频器调速改变电机的转速来完成。

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送电机，来降低电机的运转速度。当电机低于工频转速的转速速度工作时，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器输出频率，也就是电机的运转速度，与此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。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器为华为电气公司设计生产的TD2000交流变频器，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器工作频率的核心思想。

如图4所示，构造变频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P、流量比例调节信号Q)：

1．采样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；

2．确定工艺流程中P，流量比例调节信号Q实际最大值与最小值Pmax，Pmin，Qmax，Qmin；

3．计算Px，Qx对应所需的变频器输出频率Fp，Fq：

Fp=(Pmax-Pmin)^*50/Px

Fq=(Qmax-Qmin)^*50/Qx

4．计算最终变频器输出的频率F：

F=a^*Fp+b^*Fq，其中a＜=1，b＜=1，a+b=1

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、B、C、D……)

a1^*Fp+b1^*Fq，其中a1＜=1，b1＜=1，a1+b1=1，信号A

a2^*Fp+b2^*Fq，其中a2＜=1，b2＜=1，a2+b2=1，信号B

F′=a3^*Fp+b3^*Fq，其中a3＜=1，b3＜=1，a3+b3=1，信号C

a4^*Fp+b4^*Fq，其中a4＜=1，b4＜=1，a4+b4=1，信号D……

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或用过自适应算法计算得。

在这里特别要提到，在基于变频调速的注塑机节能方案中并不是一定要求使用华为电气公司的TD2000变频器，图2中的TD2000也可以用其它公司的变频器产品替代。如果使用其它公司的变频器产品，除了上述修改变频器核心软件的到合适的变频器工作频率这种软件方案以外，还有硬件方案可以实现上述目的，如图5所示。

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器可以接收的频率设定信号。变频器会根据此信号给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。

Claims (6)

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器，以控制变频器的输出到电机的频率。

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)。

3、如权利要求1或2所述的基于变频调速器的注塑机节能装置，其特征是：所述信号采集装置(1)的输入端至少还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。

4、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器。

5、如权利要求4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(Px)和流量比例调节信号(Qx)；

根据输入的信号计算出变频器的频率值(F)的方法如下式：

Fp=(Pmax-Pmin)^*50/Px

Fq=(Qmax-Qmin)^*50/Qx

F=a^*Fp+b^*Fq

其中a＜=1，b＜=1，a+b=1，a、b的值是事先人为设定的或用过自适应算法计算的；Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分别为整个工节流程中压力比例调节信号(P)和流量比例调节信号(Q)的最大值和最小值。

6、如权利要求4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(Px)和流量比例调节信号(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(中央处理器CPU)板的输出信号；

根据输入的信号计算出变频器的频率值(F)的方法根据不同的工艺段而不同，如下式：

Fp=(Pmax-Pmin)^*50/Px

Fq=(Qmax-Qmin)^*50/Qx

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a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4，b4…的值可以根据实际情况人为设置或用过自适应算法计算得到，Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分别为整个工节流程中压力比例调节信号(P)和流量比例调节信号(Q)的最大值和最小值。

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