近幾年來，國內鋁型材表面處理行業發展迅速，技術進步不斷加快。人們對于鋁型材表面處理水平要求越來越高。電化學整流器是鋁型材表面處理中非常重要的設備，尤其是著色電源，其性能直接影響到鋁型材的著色速度，色感及色調均勻性、光澤及產品合格率。所以把能否滿足工藝要求作為評定整流器設備優劣的依據。整流器的性能主要表現在施加電壓的程序，波形，電壓的穩定性及與工藝的匹配方面[1]。特別是整流器的輸出波形，目前國內對這塊的研究非常多，我司也和很多鋁型材廠家積極配合，進行相關的實驗，取得了不錯的效果。目前的鋁型材著色電源一般采用不可控整流（二極管）、半控整流（可控硅）、全控整流（GTO、IGBT等）的方式，無論哪種，基本都是以實現不同波形為前提的。當然，要實現需要的波形，一個功能強大的控制系統是關鍵，它能使整流器運行更加穩定，調節更加精確，波形更加多樣，通信更加靈活。
1.整流器控制系統簡介
目前，市場上現有的鋁型材可控硅著色電源控制系統主要包含以下幾種：
1）以PLC為控制核心。
該系統主要通過PLC加上相應的調節板進行邏輯控制，PLC負責應用邏輯處理和調壓器控制，調節板負責脈沖序列生成和發送。PLC通過對輸出電壓采樣進而控制調壓器動作，達到控制輸出電壓的目的。
基于PLC的控制系統的缺點主要有以下幾個方面。
i) 實時性差，PLC的程序掃描類似于一個前后臺系統，其程序運行周期隨著程序量的增加而增加，并不固定，所以很難實現對精確控制。
ii)PLC系統的掃描周期一般都需要幾十毫秒，對于要實現一些高頻的脈沖波形，基本上做不到。對一些時間要求較嚴格的輸出，在時間精度上也有一定的偏差。這個是由PLC系統本身的特性決定的。
iii) 由于PLC很難直接進行多路脈沖輸出，所以不能直接觸發可控硅，需要另外的外界電路板實現，而PLC和外接電路板無法通過總線連接，只能通過模擬量給定方式控制，所以從控制方式上來看，也屬于模擬控制系統。
如果用更高等級的PLC，比如三菱的Q系列，西門子的S7-300系列等，對于單個著色電源來說成本也非常高，不太適用。但是PLC具有的優勢也是比較明顯的。首先，其編程方便，進入門檻較低，具有一定控制知識的人都容易上手。其次，模塊種類多樣，各大廠商都推出了或封閉或開放的通信協議模塊，并且使用廣泛，在行業里面具有較大影響力。再次，目前使用的PLC都是一些國際知名的廠商的品牌，不管是質量還是信譽都有充分的保障。所以目前該系統在表面處理電源中應用非常廣泛。目前在鋁型材表面處理中使用較多的PLC是西門子的s7-200系列和三菱的FX系列，一般用于普通硬質氧化，低頻脈沖氧化，電泳，不對稱著色電源和DCAC著色電源的控制系統中。
2）以ARM+FPGA為控制核心。
該系統相比于PLC控制系統，ARM控制器相當于PLC，進行各種邏輯控制，FPGA相當于調節板，生成和發出脈沖。如果說PLC控制系統還是模擬控制系統的話，該系統已經屬于數字控制系統。目前我司的第一代鋁型材表面處理電源數字控制系統正式基于ARM7加FPGA的架構，該芯片型號較老，主頻100MHZ以內，其軟硬件的體系架構已經屬于多年前的技術，正逐漸被淘汰。目前該系統主要應用于鋁型材脈沖氧化電源，鋁型材駐化法著色電源中。總體來說，該系統相對于PLC系統，控制精度更高，屬于全數字化控制系統，能實現一些PLC無法實現的輸出波形，所以還是有一定的市場。但是，由于一些技術上的原因，該系統還存在以下的不足：
i) 該系統的通信接口還不是很完善，由于該系統主要由整流器廠家開發，并不是專業做通信的廠家開發，所以在通信協議的支持上還存在很多不足，特別是對于一些專有的PLC的通信協議支持不足，很難和基于PLC的控制系統進行相關協議的通信。
ii)由于采用芯片級的開發，不僅要精通高級語言編程，而且要對設備驅動都要有非常深入的了解，開發起來有一定難度。進入門檻較高。
iii)該型控制系統還存在體積較大，結構復雜的缺點，該系統由多塊不同功能的板子組成。結構顯得臃腫，不簡潔。
控制系統視圖如下：
3）以PowerPC + FPGA為控制核心。
該系統是我司開發的鋁型材表面處理電源的第二代數字控制系統。該系統不僅從結構上對控制板進行了精簡優化，同時還從軟硬件兩方面對系統進行了非常大的提升。主要優點有如下幾個方面：
i)該數字控制系統相比于第一代系統而言，結構上已經大大優化。其電路板總共只有兩塊，并且采用分層結構，實際占用面積只相當于一塊板子的大小，占用面積大大減小，顯得更加精煉。
ii)外設功能相比于第一代系統得到了極大提升。在保證輸入輸出點數不變的情況下，提高了模擬量的采樣精度和采樣速率。這有助于控制更加精確。同時，該控制系統還保留了雙通道的設計，如果客戶對電源的可靠性有更高一級的需求，以后可以在該系統上實現雙系統熱備。
iii)從系統硬件角度上來看，FPGA芯片進行了升級，功能和主頻都得到極大提升，同時，基于PowerPC架構的新一代數字芯片功能已經大大超過了ARM7。.其主頻達到了400MHZ，同時帶有128M DDR2內存。其配置相當于早期的個人電腦，該控制系統具有異常出色的通信能力，不僅支持以太網，光纖以太網，串口，CAN網絡的通信，還支持同三菱PLC和西門子PLC的網絡通信，能和目前的基于PLC控制的設備進行網內的互聯，也就是能通過CClink或者profibus等進行組網。
iv)從軟件的角度來看，系統采用了RT-Linux實時操作系統，linux操作系統是世界上主流的操作系統之一，目前在手機應用中的安卓系統，就是以linux系統為內核的。Linux操作系統目前主要用在一些大型的商業系統中，其性能早已經過了時間的驗證。結合功能強大的數字芯片，我司的第二代數字控制系統能在不受系統負荷影響下任務調度時間精確到1ms，是PLC系統執行周期的幾十分之一。也大大優于ARM系統。
v)由于采用了特殊的技術，我們的系統編程支持基于IEC61131通用標準的圖形編程界面和編程語言，支持PLC的梯形圖，邏輯圖等編程，同時也支持C，C++，C#等高級語言編程，也就是說，可以使用以上所有的語言進行編程，這也就使傳統的基于單片機的編程和IEC標準相融合。用戶不需要關注底層驅動和操作系統級的任務調度，只需關注應用層面的邏輯就可以。所以，對于部分廠家用戶來說，如果熟悉PLC編程，也就同樣熟悉該系統的編程。使用非常方便。圖形編程界面如下：
控制系統圖片如下：
圖二
目前，鋁型材表面處理包含氧化，電泳和著色，其中氧化和電泳是比較常規的電源，對波形沒有特別的要求，但是著色工藝對電源的輸出要求較嚴格，我們的控制系統重點應用在鋁型材的著色電源中。
一般來說，鋁型材的著色膜包括整體著色膜，染色膜和電解著色膜。由于電解著色膜的耐候性，耐光性和使用壽命都非常好，目前已經廣泛應用于建筑鋁型材的著色【2】 電解著色的電源波形也經歷了不斷的發展，從最初的工頻正弦波，交流波，到后來的不對稱AC波形，正負脈沖波形，鋸齒波，以及各種波形的組合等。我們的電源控制系統也正是針對這些各種不同波形應用，著眼于兼容各種波形以及各種波形的任意組合，是我們整流器設計廠家追求的目標。正是基于這個目的，我們才選擇基于PowerPC+RT-Linux的軟硬件架構的控制平臺。這是目前國內功能最強大，性能最優異的控制平臺。
該平臺可以已經集成了直流著色工藝，不對稱交流著色工藝，DCAC交流著色工藝，其中交流的波形可以實現正負波頭比一比一，一比二，一比三，同時，直流和交流的幾種波形可以任意組合輸出，以滿足不同客戶的不同需求。智能顯示操作控制屏（觸摸屏）實現整流電源的狀態設置、參數設置、數據顯示及故障顯示功能,可存儲多組工藝參數,開機后自動完成工藝流程。整流電源預留與上位計算機接口，方便實現上位機、數據采集和自動化生產線聯動控制。
下面是基于該型控制系統的著色電源輸出各種波形的視圖。注：最下面那條曲線是輸出波形曲線
圖3 不對稱交流波形
如圖3所示，該波形是不對稱交流著色輸出波形，可以實現正負向電壓從0V到額定的單獨調節，該輸出波形的的周期是50HZ。輸入參數有正向電壓，負向電壓，正向軟啟時間，負向軟啟時間，工作時間。自動穩定輸出電壓或電流，精度小于±1%，具有超溫、DC過流、DC過壓、水壓異常、流量過低、水溫過高、漏水檢測，正向電壓過壓，負向電壓過壓等保護及報警功能。
圖4
如圖4所示，該波形是正向輸出曲線，單個波頭10毫秒，頻率為100HZ。可以設置的參數有靜浸時間，直流軟起時間，直流電壓，間隔時間，交流軟啟時間，交流電壓，交流運行時間。波形模式，包含普通正向，一比一，一比二，一比三和
各種波形的組合形式。
圖5
如圖5所示，改圖輸出為一比一交流模式，也就是標準的正弦曲線。頻率為50HZ，可以設置的參數有靜浸時間，直流軟起時間，直流電壓，間隔時間，交流軟啟時間，交流電壓，交流運行時間。波形模式，包含普通正向，一比一，一比二，一比三和各種波形的組合形式。
圖6
如圖6所示，該波形是輸出交流一比二的波形，周期為30ms，可以設置的參數有靜浸時間，直流軟起時間，直流電壓，間隔時間，交流軟啟時間，交流電壓，交流運行時間。波形模式，包含普通正向，一比一，一比二，一比三和各種波形的組合形式。
圖7
如圖7所示，該輸出波形為交流一比三模式。周期為40ms，可以設置的參數有靜浸時間，直流軟起時間，直流電壓，間隔時間，交流軟啟時間，交流電壓，交流運行時間。波形模式，包含普通正向，一比一，一比二，一比三和各種波形的組合形式。
圖8
如圖8所示，該波形為交流一比二一比三混合輸出，周期為70ms，可以設置的參數有靜浸時間，直流軟起時間，直流電壓，間隔時間，交流軟啟時間，交流電壓，交流運行時間。波形模式，包含普通正向，一比一，一比二，一比三和各種波形的組合形式。
3.系統組網
基于PowerPC系統架構的新一代數字芯片性能非常出眾，特別是在通信功能方面，可以支持目前大部分的工業用通信網絡。支持包括傳統的串口，CAN，以太網，光纖以太網等，同時支持多路的總線通信，比如可以組成雙網，多網的CAN、以太網等。這樣的好處就是可以進行雙網備份，更大的提高系統的穩定性。另外，我們知道，目前在鋁型材表面處理電源生產線的控制系統中，基于三菱的CClink網絡和西門子Profibus網絡是目前的主要應用，我們的系統也支持者兩種通信方式，極大了促進了和現有的現場網絡的融合，同時也能盡可能的滿足業主方或者生產線系統集成商的要求。
圖9
如圖9所示，該型控制系統具有各種通信接口，實現了和上位機，服務器，生產線DCS系統和其他各種工廠自動化控制系統的對接。
4.結束語
本文主要介紹基于PowerPC架構的硬件平臺與基于RT-Linux操作系統的軟件平臺搭建的數字控制系統在鋁型材著色電源中的應用。期望在芯片技術和軟件技術不斷發展的今天，能把一些新型的技術，高性能的產品引入到鋁型材表面處理行業里面，以推動整個鋁型材行業的發展。簡要介紹了幾種目前鋁型材表面處理用電源的所使用的控制系統，重點介紹了基于PowerPC和RT-Linux架構新一代數字控制系統的在鋁型材著色電源控制中的應用，該系統秉承性能出眾，功能強大，運行穩定，入門簡單的優勢，希望能應用到更多特殊處理的表面處理整流器上，這也是我們下一步的目標。當然，技術的更新日新月異，我們期待能和大家共同學習，共同進步，為國家鋁型材表面處理工業的發展，做出應有的貢獻。
