摘　要:本文介紹了新型可編程計算機(jī)控制器(PCC) 的特點、多任務(wù)處理的編程方式以及在注塑機(jī)控制上的應(yīng)用,并對注塑機(jī)PCC 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計進(jìn)行了重點介紹。
　　關(guān)鍵詞:可編程計算機(jī)控制器(PCC)；注塑機(jī)；控制系統(tǒng)
　　0 　前言
　　現(xiàn)代塑料注射成型機(jī)(簡稱注塑機(jī)) ,是一個集機(jī)、電、液于一體的典型系統(tǒng),因具有一次能夠成型復(fù)雜制品、后加工量少、加工的塑料種類多等特點,自問世以來,發(fā)展極為迅速,目前己成為塑料成型加工的主要設(shè)備。但由于注塑過程是一個非穩(wěn)定、非恒溫的過程,在合模、注射、升(降) 溫等各生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)將直接影響塑料制品的品質(zhì),因而對注塑機(jī)的控制系統(tǒng)提出了很高的要求。目前,常用的注塑機(jī)控制系統(tǒng)有三種,即傳統(tǒng)繼電器型、可編程控制器型和微機(jī)控制型。
　　近年來,可編程序控制器(簡稱PLC) 以其高可靠性、高性能的特點,在注塑機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但目前多以開關(guān)量控制為主的簡易PLC 控制系統(tǒng)。為了提高注塑機(jī)控制系統(tǒng)的水平和品質(zhì),采用一種較PLC 更高層次的、專為中小型控制系統(tǒng)設(shè)計的可編程計算機(jī)控制器( 簡稱PCC) ,它集成了標(biāo)準(zhǔn)的PLC 和工業(yè)控制計算機(jī)的特點,具有多任務(wù)分時操作系統(tǒng),數(shù)據(jù)運算和處理能力比PLC 更強(qiáng)大。用PCC 組成注塑機(jī)的控制系統(tǒng),以實現(xiàn)包括位置控制、、速度控制、溫度控制、故障控制和實時顯示等注塑全過程的多種控制,可大大提高塑料制品的品質(zhì),有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。
　　1 　注射過程的運動要求
　　一般注塑機(jī)的工作過程可分為合模、注塑、預(yù)塑、開模、頂出、調(diào)模等運動,每個運動又可分為若干個子運動。每個運動必須按嚴(yán)格的順序控制并由液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)的。表1 列出了各運動的動作名稱、動作順序、電路狀態(tài)和所用電磁鐵。

　　表1   注塑機(jī)各運動的動作名稱、動作順序、電路狀態(tài)和所用電磁鐵

　　2 　PCC 控制系統(tǒng)的組成及工作過程
　　注塑機(jī)控制系統(tǒng)是根據(jù)其工作原理,按照注塑工藝流程,通過PCC 對注塑機(jī)現(xiàn)場各傳感元件的控制和對有關(guān)執(zhí)行部件的控制,實現(xiàn)對不同塑料在注射成型各工藝的自動控制以及自動監(jiān)測和保護(hù)。
　　本系統(tǒng)選用貝加萊工業(yè)自動化(上海) 公司的2000 系列產(chǎn)品中的B&R2005 型,它是一種緊湊型產(chǎn)品,其結(jié)構(gòu)是采用模塊式,所有模塊尺寸都相同,可靈活自由地通過設(shè)定組合插拔來擴(kuò)展系統(tǒng)。具體選用的模塊有:CPU 為CPU152 ,應(yīng)用存儲器為ME963 ,電源模塊為PS792 , 數(shù)字量輸入模塊為DI477 ,數(shù)字量輸出模塊為DO480 ,模擬量輸入模塊為AI775 ,溫度輸入模塊為AT350 ,模擬量輸出模塊為AO775 ,LCD 顯示模塊為DI164 以及基板等。PCC 整個控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1 所示。

　　圖1 　PCC控制系統(tǒng)的組成

　　控制系統(tǒng)中設(shè)有調(diào)模、手動注塑、半自動注塑和全自動注塑幾種工作方式。工作方式選擇由旋轉(zhuǎn)開關(guān)通過PCC 的I/ O 接口電路傳送至系統(tǒng)。系統(tǒng)中有20 多個行程開關(guān),行程開關(guān)采用霍爾元件,其優(yōu)點是非接觸電磁感應(yīng),調(diào)整方便可靠。這些行程信息也是經(jīng)隔離電路經(jīng)PCC 的I/ O 接口電路傳送至系統(tǒng)。系統(tǒng)中有17 個電磁鐵,分別控制不同的注塑動作。輸出的控制信號經(jīng)PCC 的I/ O 接口和隔離電路控制17 個電磁鐵的通電與斷電。
　　3 　PCC 控制軟件系統(tǒng)的設(shè)計
　　3.1 　PCC 編程軟件的特點
　　PCC 作為新一代可編程序控制器,其應(yīng)用軟件的靈活性,使其更便于承擔(dān)各種規(guī)模的現(xiàn)場控制任務(wù),究其原因,就在于PCC 在一個CPU 上集成了分時多任務(wù)操作系統(tǒng),成功地構(gòu)筑了實時的多應(yīng)用程序的運行平臺。
　　PCC2005 多任務(wù)性是基于時間片的任務(wù)層。系統(tǒng)管理器或硬件時鐘是根據(jù)分配給每個任務(wù)等級的循環(huán)時間在各任務(wù)等級之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,PCC 的系統(tǒng)調(diào)度管理軟件根據(jù)掃描周期把時問分成片,按照任務(wù)級別的高低自動先后循環(huán)往復(fù)掃描程序?；跁r間的任務(wù)等級有兩類:標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層和高速任務(wù)層,高速任務(wù)層比標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層級別高。PCC2005 還有一種基于事件的任務(wù)等級,這種任務(wù)有比基于時間片的任務(wù)層都高的優(yōu)先級,所以只要有特殊事件出現(xiàn),它們可以立即中斷其它任何任務(wù)等級的任務(wù),執(zhí)行本身的任務(wù)。在B&R 系統(tǒng)中,基于事件的任務(wù)等級有兩類: 中斷任務(wù)等級(Interrupt , IRQ) 和例外處理任務(wù)等級(Exception , EXC) 。中斷任務(wù)等級的優(yōu)先級高于所有標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)等級和高速任務(wù)等級,例外處理任務(wù)高于中斷任務(wù)等級,有著絕對最高的優(yōu)先級,所以它可以中斷當(dāng)前的任何任務(wù)。

　　圖2 　PCC2000 的任務(wù)級別

　　B&R2005 的任務(wù)級別見圖2 。
　　應(yīng)用程序各任務(wù)模塊級別的設(shè)定原則是:在滿足實時性要求的條件下,應(yīng)盡量降低其級別,以避免CPU 過載。
　　3.2 　系統(tǒng)控制軟件
　　本控制系統(tǒng)的軟件采用模塊程序結(jié)構(gòu),其程序結(jié)構(gòu)框圖見圖3 。

　　圖3 　注塑機(jī)PCC控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖

　　圖中控制程序主要分為8 個模塊,各模塊的作用如下:
　　a) 由初始化模塊:主要完成A/ D、D/ A 模塊、各數(shù)據(jù)區(qū)的初始化工作；
　　b) 數(shù)據(jù)采集模塊:主要完成模擬量采集、濾波等工作；
　　c) 自動控制及處理模塊:主要完成注塑機(jī)的多種加工過程自動控制；
　　d) 故障診斷及處理模塊:主要完成對故障巡檢報警及相應(yīng)處理；
　　e) 溫度控制模塊:主要完成料筒多級溫度加熱控制；
　　f) 手動控制及處理模塊:主要用于系統(tǒng)過程的單步動作控制；
　　g) 停止處理模塊:處理停止信息；
　　h) 人機(jī)對話模塊:主要完成接受控制參數(shù)和顯示參數(shù)的功能。
　　根據(jù)任務(wù)模塊的級別設(shè)立原則,除人機(jī)對話模塊和系統(tǒng)初始化模塊外,其他任務(wù)級別的選擇見表2 。具體每一模塊的控制程序可根據(jù)控制信號流程、控制要求和實現(xiàn)方法采用PLC2000 高級語言或梯形圖來編制。

　　表2 　任務(wù)級別的選擇

　　3.3 　控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意的問題
　　a) 加強(qiáng)和合理安排接地系統(tǒng),分開模擬地和數(shù)字地,避免相互干擾；
　　b) 加強(qiáng)電源的隔離、屏蔽、浪涌吸收,防止電源的干擾；
　　c) 系統(tǒng)動作涉及多種參數(shù)(壓力、速度、溫度、位置、時間等) 的控制,因此在編程時特別注意到各參數(shù)間的相互關(guān)系；
　　d) 安排任務(wù)級別時,本系統(tǒng)把實時性要求高的任務(wù)放在高級別中,即執(zhí)行循環(huán)次數(shù)多；
　　e) 為避免出錯,單個任務(wù)程序的執(zhí)行時間將小于該任務(wù)級別的掃描周期；
　　f) 為了防止發(fā)生誤動作,系統(tǒng)中設(shè)計了許多互鎖回路,如手動與自動工況間的互鎖,高速與低速間的互鎖等；
　　g) 為了提高實時多任務(wù)的處理能力, PCC 在硬件上可采用雙結(jié)構(gòu),一個負(fù)責(zé)與輸入/ 輸出模塊
　　的通訊,另一個CPU 專門用于處理用戶程序。
　　4 　結(jié)束語
　　具有多任務(wù)處理功能的PCC 是近年來發(fā)展起來的新一代PLC ,它不僅適用于小規(guī)模的控制,更能勝任復(fù)雜的、對實時性要求高的控制場合,而且其趨勢是系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和對現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)的支持也在不斷增強(qiáng),隨著規(guī)模的不斷擴(kuò)大,多任務(wù)處理能力越來越顯示出生命力。通過用PCC 控制中取代目前在注塑機(jī)上大量采用的獨立溫度控制系統(tǒng)和所有的開關(guān)量控制,對若干典型的故障現(xiàn)象能夠自動保護(hù)、提示、報警,包括上下限報警、正負(fù)偏差報警和報警不靈敏區(qū)預(yù)設(shè),并能夠根據(jù)原料及產(chǎn)品的特點對注塑機(jī)的工藝進(jìn)行控制,對生產(chǎn)流程進(jìn)行實時監(jiān)測和顯示,對溫度、壓力、位置等連續(xù)變量進(jìn)行閉環(huán)控制,對行程、閥門、泵等開關(guān)量進(jìn)行邏輯順序控制等等,可大幅度提高注塑機(jī)的生產(chǎn)效率,其性能、易操作性也會有較大的改善。
        作者：陶亦亦,鄧建平 (蘇州職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程系,江蘇蘇州215011)