摘要：阐述了电镀工艺过程控制系统的研究现状和发展概况，介绍了电镀工艺条件对镀件质量的影响。提出了一个基于电源装备的电镀工艺参数控制系统。该系统主要由数字化电镀电源、上位机、现场控制器构成。实践表明，该系统可以实现能量的合理配置，达到节能增效的目的。 关键词：电源装备；电镀工艺；数字化；节能 中图分类号: TQ153 文献标识码：A 文章编号：1004–227X (2007) 02–0051–03 1前言 电镀工艺参数过程控制系统是对溶液成分和工艺参数的自动检测和控制装置，包括电流、电压、电流密度、电量、电流波形转换、温度、pH等控制功能。电镀工艺参数控制系统在国外20世纪70年代末已经实现产业化，经过不断改进，不少发达国家都可生产供应。我国在该领域的研究起步较晚，20世纪80年代研究至今，已进入实用阶段[1]。但以电镀电源为核心的电镀过程的监控在国内只有较少研究和应用，系统全面的过程控制技术缺乏深入研究和应用。从控制角度看，电镀工艺过程及开关式电镀电源的能量转换过程均为非线性时变系统，难以建立准确的模型进行传统的控制。智能控制能够不依赖受控对象的数学模型，利用人的操作经验、知识和推理以及控制系统的某些信息和性能得到相应的控制规则（如专家系统、模糊控制和神经网络等）。这些智能控制的应用将大大提高电镀电源的性能及工艺质量，一些在生产过程中频繁调节电源参数的电镀工艺,要求这种专用的包含电镀 工艺参数控制系统的智能化电源[2]。
基于电源装备的电镀过程控制系统目的在于通过对各种电镀工艺参数的实时监控，实现工艺工程能量的合理配置，达到电镀过程节能增效和提高工艺质量的目的。本文阐述了电镀工艺参数过程控制的研究现状，分析工艺参数对电镀的影响，并以自主研发的大功率数字化开关电镀电源为平台，探讨搭建一个基于数字化电镀电源为核心的电镀工艺参数控制系统。
2电镀工艺条件的影响
电镀是金属离子在阴极上电化学还原而形成金属结晶的过程。实现这一过程需要消耗电能，而且需要在一定的操作条件（pH、温度、电压、电流密度等）下才能得到有用的镀层，因此调整或选择一个合适电镀工艺是电镀生产的一个重要问题。
通过改变镀槽电压可以改变槽液电流。在一些有关的工件或形状相似的零件以及所有其余的作业条件（如镀液成分、镀液温度等）能够准确的保持恒定的情况下，只需要注意镀液特性曲线上的电流与电压，就可保持平均电流密度和特性曲线上的电流密度一致。
电流密度的大小不仅影响达到预定镀层厚度所需时间，而且影响镀层的质量。镀层的粗糙度、硬度、孔隙率、耐腐蚀性、光泽度等镀层的性能，都与电流密度有着密切的联系。因此电镀生产中必需监控电流密度在一定的范围内，并力求镀件的各部分的电流密度较均衡是十分重要的。电流密度的大小取决于电源的输出电流，目前在国内电镀工业中电源设备采用手工现场操作，文章探讨的控制系统使电源设备远程监控成为可能，从而减少工人的工作量，同时可以实现电镀质量的在线管理。
电镀过程离不开温度的控制，不同的镀件有不同的温度控制要求，碱性清洗液的作用随着温度的升高而显著地改变，化学还原性金属镀液的稳定性和沉积速度主要取决于温度，类似的情况很多。所以，最佳镀液温度的精确控制是操作监控的最重要手段之一。
镀液pH的稳定对镀件质量的好坏也有着至关重要的影响。在单盐电解液中，常含有与主盐相应的游离酸，保持电解液在一定的酸度范围内，以防止主盐水解，同时还可以提高溶液的电导率，降低槽电压，在一定程度上提高阴极极化作用，获得较细致的镀层。
3电镀工艺参数过程控制系统
数字化电镀电源的硬件结构包括主电路和控制电路两大部分，其总体结构如图1中虚线框所示，主电路包括6部分：输入整流、功率因数校正、高频逆变电路、主功率变压器、输出整流和输出滤波电路。控制电路包括TMS320LF2407A控制器、采样电路、过温保护电路、隔离驱动、上位机通讯、液晶显示和CAN通讯电路等。
控制系统的主要功能有：根据工艺要求控制一台或多台电镀电源，并动态显示工艺参数的状态；显示电镀电源连续工作时间；定时或随机打印工艺参数；
当需要手动控制时交出控制权力等等。
电镀工艺过程控制系统主要由上位机和现场控制器构成，总体结构如图1所示。现场控制器由电镀电源和6个最小系统节点组成，6个最小节点系统包括3个温度传感器节点、电流传感器节点、电压传感器节点和pH电极节点。各节点分别负责采集不同的数据信号，并进行A/D转换（个别节点不需要A/D转换），然后通过现场总线与中央处理器单元进行通讯。上位机完成系统监控及生产管理，现场控制器完成电镀槽的信号采集、通讯、数据显示、参数分析及一系列相关控制。现场控制器和上位计算机通过CAN总线相连，这种通信方式降低了连线的复杂程度，提高了通信的速度，增强了系统的稳定性。
系统的工作过程如下：上位机首先初始化CAN网卡，设置网卡工作模式、接收码、接收掩码和波特率，然后进入运行状态，在适当条件下与现场控制器进行通信，根据收集到的电镀工艺参数的实时数据，可在线对电镀电源及相关设备的发出控制命令。现场控制器主要完成现场数据的采集与处理和现场电镀电源设备的控制等功能，并以查询或中断方式与主机进行通信。
现场控制器是整个控制系统的核心，是直接面向电镀生产过程的，通过接收上位机的控制命令对电镀电源运行状态进行控制，同时把镀液中的各种工艺参数反馈给上位机，实现大回路反馈，以便于主控计算机协调规划，统一管理。现场控制器主处理器的结构框图如图2所示，中央主处理器是整个控制器的核心，负责各种信息的处理，同时与上位机进行通信，其运算速度、对信息的处理能力等方面直接影响控制器的性能。本文采用了TI公司的带有10位ADC和CAN控制器的DSP芯片TMS320LF2407A作为CPU，该芯片集实时处理能力和控制器外设于一身，非常适合于工业控制。通过外围传感测量电路，TSM302LF2407A对电镀液的电流密度、温度、pH等数据进行采集，对镀液温度进行3点采集，软件运算出其平均值，并通过CAN总线，把采集到的工艺参数反馈给上位机，电镀作业者根据得到的镀液实时参数，按不同的工艺要求，在上位监控机上输入相应的控制指令，改变DSP的PWM输出电路的占空比，从而改变电镀电源的运行状态，达到提高电镀工艺质量和电镀过程节能增效的目的。
4结论 电镀电解行业是工业领域著名的耗能大户，其电能成本超过生产总成本的一半左右。电镀过程中，除电源装置的能耗以外，工艺过程缺乏合理科学的控制手段，也造成大量的电能损耗。基于电源装备的电镀过程控制系统对其工艺工程进行过程智能监控，实现能量的合理配置，达到节能增效的目的。电镀过程控制系统目前在国内鲜有深入的研究，该系统的研发不论从节能增效等技术研究还是市场需求方面来说都是其必然的发展趋势。 参考文献： [1]向荣. 21世纪我国电镀设备面临的挑战与对策[J].电镀与精饰, 1999,21 (9): 1-4. [2]杜贵平,姜立新.电镀电源的现状及展望[J].新技术新工艺, 2005,8 (6): 69. [3]向荣.电镀设备呼唤自动化[J].电镀与精饰, 1997, 19 (4): 4-6. [4]张立茗.我国电镀设备的发展和现状[J].电镀与精饰, 2001, 23 (5): 2. [5]冯立明,王玥,孙华,等.电镀工艺与设备[M].北京:化学工业出版社, 2005: 29-44. [6]刘和平,严利平,张学锋,等. TMS320LF240X DSP结构、原理及应用[M].北京:北京航天航空大学出版社, 2002: 226-249.
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