摘要:以一臺進口大型注塑機為對象,綜合運用機械學(xué)、液壓傳動以及控制理論,對注塑機的運動控制、動力傳遞控制、溫度控制以及控制系統(tǒng)構(gòu)建進行深入研究,并利用可編程計算機控制器( PCC) 作為硬件設(shè)計一個全新的高性能控制系統(tǒng),提高設(shè)備的綜合性能和自動化程度。
關(guān)鍵詞: 注塑機 可編程計算機控制器 控制系統(tǒng) 設(shè)計
早期注塑機控制系統(tǒng)普遍存在元件老化、故障率高和性能落后的缺點,利用現(xiàn)代控制技術(shù)開發(fā)精確、高效、節(jié)能型控制系統(tǒng),延長設(shè)備壽命,解決這些設(shè)備在使用中的實際問題,是我國廣大注塑機用戶急需解決的問題。以一臺20世紀70 年代進口的大型注塑機為對象, 探討新型的注塑機控制系統(tǒng)的設(shè)計問題。
1 注塑機控制的方法和原理
注塑機的控制要解決的主要問題包括:機械運動控制、動力控制、溫度控制等。
1. 1 機械運動控制
機械液壓式注塑機是目前塑料行業(yè)廣泛使用的注塑機,它的機械運動控制的重點是開合模運動控制。雙肘式開合模機構(gòu)運動原理如圖1所示。
圖1 雙曲肘合模機構(gòu)運動原理圖
開合模運動控制的對象是動模板C ,而動模板是由油缸通過雙曲肘機構(gòu)驅(qū)動的,因此,需要建立油缸活塞位置與動模板位置的相互關(guān)系,以及油缸活塞在某一位置時活塞運動速度(由液壓系統(tǒng)開合模油缸流量決定) 與動模板運動速度的相互關(guān)系,即進行合模機構(gòu)的線性化工作。
根據(jù)圖1 所示的運動原理,可以確立開合模油缸活塞與動模板的位置和速度的關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)軟件中,以一個通用線性化子程序?qū)崿F(xiàn)這部分的運算,以便進行準確控制。
為減少CPU 的運算負荷,提高控制系統(tǒng)實時性,比較好的做法是以上述關(guān)系為基礎(chǔ),編制計算機軟件,計算出活塞與動模板運動的一一對應(yīng)關(guān)系,形成數(shù)據(jù)模塊,開合模運動控制時從數(shù)據(jù)模塊中直接讀取活塞和動模板的關(guān)系。
1. 2 動力控制
注塑機的動力傳遞以液壓傳動為主,注塑機的動力控制,要解決好兩方面的問題:一是壓力和流量的控制,它是決定設(shè)備精度的主要因素；二是設(shè)計合理的工藝動作流程和液壓動作時序圖。
1.2.1 壓力流量控制
與現(xiàn)代注塑機采用比例閥進行壓力流量連續(xù)控制不同,早期注塑機液壓系統(tǒng)大多采用壓力流量組合式離散控制。大型注塑機的多級壓力控制閥,是由6 個控制電磁閥組合動作,線性疊加進行壓力控制,因此,首先需要測定控制電磁閥對控制壓力的貢獻(壓力權(quán)) 。
通過實驗測定,6 個電磁閥的壓力權(quán)分別為: P1 = 0.218 75 MPa ； P2 = 0.437 5 MPa ；
P3 = 0.875 MPa ； P4 = 1.75 MPa ； P5 = 3. 5 MPa ； P6 = 7. 0 MPa 。
多級壓力控制閥的控制工作壓力P 可以用以下式表示:
P = K1 P1 + K2 P2 + K3 P3 + K4 P4 + K5 P5 + K6 P6 (1)
K1 ～ K6分別表示6 個多級壓力控制電磁閥的開啟系數(shù), 取值0(不通電動作) 、1(通電動
作) 。
根據(jù)式(1) ,使用循環(huán)判斷的算法很容易實現(xiàn)根據(jù)設(shè)定壓力自動確定多級壓力控制閥電磁閥的動作組合。
流量的控制與壓力相類似。
1.2.2 工藝動作控制
對設(shè)備的工藝動作設(shè)計如圖2 所示。
圖2 注塑機的工藝動作流程
設(shè)計液壓系統(tǒng)動作時序圖,就是要確定工藝動作對應(yīng)的閥門動作邏輯順序。不同系統(tǒng)不盡相同。
1. 3 溫度控制
注塑機的溫度控制,主要是指料筒溫度控制。參數(shù)自整定PID 控制是現(xiàn)代注塑機使用較多的控制方式。系統(tǒng)設(shè)計分為如下步驟:
(1) 溫控系統(tǒng)硬件的設(shè)計。把料筒分為7個控制溫區(qū),各溫區(qū)使用溫度傳感器( K 型熱電偶) 探測溫度,信號經(jīng)放大、A/ D 轉(zhuǎn)換(由B&R PCC 2003 家族的模擬量輸入模塊A T 664 實現(xiàn)) 后輸入到PCC ,PCC 進行運算及處理后控制7 組控制器件(接觸器或無觸點過零型固態(tài)繼電器SSR) ,從而控制電阻加熱器對料筒加熱。
(2) 料筒溫控模型識別。研究結(jié)果顯示,料筒溫控數(shù)學(xué)模型可表示為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié),如式(2) 所示。
（2）
式中, t 為溫度，u 為功率，τ為系統(tǒng)時滯，Kt 為系統(tǒng)時間常數(shù)，K 為系統(tǒng)常數(shù)，s 為拉氏變換因子。
數(shù)學(xué)模型各參數(shù)可采用階躍響應(yīng)法測得,見表1 。
表1 料筒各加熱段數(shù)學(xué)模型參數(shù)
(3) 算法設(shè)計。確定參數(shù)自整定方式和PID 算法,采用參數(shù)繼電自整定和增量式PID控制算法, 這方面的理論不少資料有詳細的介紹。
2 注塑機控制系統(tǒng)的設(shè)計
下面以前面對注塑機控制的分析為基礎(chǔ),采用B&R 公司出品的可編程控制器為主體,構(gòu)建注塑機控制系統(tǒng)。
2. 1 硬件系統(tǒng)
控制系統(tǒng)硬件配置方式采用現(xiàn)代高檔設(shè)備通用的上下位機結(jié)構(gòu)。上位機為操作監(jiān)控制部
分, 采用帶486DX2CPU 的IPC2001 , 安裝了B&R Automation Runtime V2.60 操作系統(tǒng),TFT 真彩屏,面板附帶注塑機專用30 鍵小鍵盤。下位機包括PCC 控制器及擴展模塊,其配置主要考慮滿足控制系統(tǒng)的現(xiàn)有功能需求,同時,適當預(yù)留功能擴展的需要。
由上、下位機構(gòu)成的大型注塑機控制系統(tǒng)硬件組成及相互關(guān)系如圖3 所示。
圖3 系統(tǒng)硬件組成
2. 2 軟件系統(tǒng)
2.2.1 任務(wù)設(shè)置
控制系統(tǒng)軟件主要由上位機和下位機軟件構(gòu)成。上位機控制系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)顯示、通訊、數(shù)據(jù)存儲、配方的讀取和設(shè)置等功能,包括4大部分:程序模塊、系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)模塊及面板程序模塊。下位機軟件系統(tǒng)是整個注塑機軟件系統(tǒng)的主要部分,它是按注塑工藝流程編寫的應(yīng)用程序。B&R PC 操作系統(tǒng)Automation Studio(AS) 是一個分時多任務(wù)操作系統(tǒng),采用分時多任務(wù)機制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運行平臺。它可以把任務(wù)分成數(shù)個具有不同優(yōu)先權(quán)的等級,其中優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級有著較短的循環(huán)掃描時間,而且每個任務(wù)等級可包括多個具體任務(wù),在這些任務(wù)中間可再細分其優(yōu)先權(quán)的高低。在AS 操作系統(tǒng)管理下,優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)總是先被執(zhí)行,剩余的時間再執(zhí)行優(yōu)先權(quán)較低的任務(wù)。因此,在軟件設(shè)計中可以按應(yīng)用程序的重要程度進行任務(wù)設(shè)置,從而使控制系統(tǒng)得到優(yōu)化,具有較好的實時性。主要功能任務(wù)設(shè)置如表2 所示。
表2 主要任務(wù)級別設(shè)置
2.2.2 軟件組織結(jié)構(gòu)
軟件系統(tǒng)用C 語言編寫,采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計,組織結(jié)構(gòu)采用金字塔形由上至下4 個層次的層
級結(jié)構(gòu)(如圖4) 。
第1 層為組織層(主程序mode) ,進行注塑機動作狀態(tài)的判斷和處理；第2 層為注塑機各個
狀態(tài)(全自動、半自動、手動、設(shè)置、調(diào)模狀態(tài)) 的運動組織和安全判斷的互鎖操作(動態(tài)互鎖和靜態(tài)互鎖)；第3 層為各個動作或功能,它由第2 層進行組合調(diào)用；第4 層是指系統(tǒng)的壓力流量控制任務(wù)。
圖4 主程序功能框圖(部分)
3 運行結(jié)果
新設(shè)計的大型注塑機控制系統(tǒng)在投入生產(chǎn)后,在各方面顯示出比原控制系統(tǒng)更加優(yōu)越的特
性,包括以下幾個方面。
(1) 分時多任務(wù)可編程計算機控制器(PCC) 的應(yīng)用,解決了傳統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)掃描速度受制于程序大小的缺點,保證了注塑機控制的實時性和精確性。
(2) 基于各個任務(wù)的重要性不同與特殊要求,進行任務(wù)級別的科學(xué)分配,在保證了注塑機功能全面實現(xiàn)的同時,確保了關(guān)鍵過程控制的快速性與準確性。
(3) 高級語言(標準C) 結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計,使系統(tǒng)具有更好的維護性與可擴展性。
(4) 功能較齊全,滿足注射成型的的各種工藝需要。比較科學(xué)的控制算法,使壓力、流量控制精度較原系統(tǒng)高;完善的軸互鎖功能,使設(shè)備具有較高的安全性和可靠性。
(5) 整機自動化程度較高,溫度控制系統(tǒng)參數(shù)自整定,動態(tài)和靜態(tài)性能比常規(guī)PID 控制更優(yōu)越。
本系統(tǒng)的開發(fā),解決了舊注塑機在使用中存在的問題,對提高設(shè)備功能、延長設(shè)備的使用壽命具有重要作用。
參考文獻
1 徐寶林. 注塑機機電特性研究及控制系統(tǒng)設(shè)計: [ 碩士學(xué)位論文] . 北京:清華大學(xué)精密儀器及機械學(xué)系,2004
2 北京化工學(xué)院及華南工學(xué)院合編. 塑料機械設(shè)計. 北京:輕工業(yè)出版社,1986.165～220
3 齊蓉. 可編程計算機控制器原理及應(yīng)用. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002. 43～54
作者：徐寶林(金羚電器有限公司,江門, 529040)
