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)代控制技術開發(fā)精確、高效、節(jié)能型控制系統(tǒng),延長設備壽命,解決這些設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。雙肘式開合模機構運動原理如圖1所示。
圖1 雙曲肘合模機構運動原理圖
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系,即進行合模機構的線性化工作。
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系。控制系統(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系為基礎,編制計算機軟件,計算出活塞與動模板運動的一一對應關系,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,它是決定設備精度的主要因素；二是設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) 。
通過實驗測定,6 個電磁閥的壓力權分別為: 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
對設備的工藝動作設計如圖2 所示。
圖2 注塑機的工藝動作流程
設計液壓系統(tǒng)動作時序圖,就是要確定工藝動作對應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)設計分為如下步驟:
(1) 溫控系統(tǒng)硬件的設計。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。研究結果顯示,料筒溫控數(shù)學模型可表示為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié),如式(2) 所示。
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)學模型各參數(shù)可采用階躍響應法測得,見表1 。
表1 料筒各加熱段數(shù)學模型參數(shù)
(3) 算法設計。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)的設計
下面以前面對注塑機控制的分析為基礎,采用B&R 公司出品的可編程控制器為主體,構建注塑機控制系統(tǒng)。
2. 1 硬件系統(tǒng)
控制系統(tǒng)硬件配置方式采用現(xiàn)代高檔設備通用的上下位機結構。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,適當預留功能擴展的需要。
由上、下位機構成的大型注塑機控制系統(tǒng)硬件組成及相互關系如圖3 所示。
圖3 系統(tǒng)硬件組成
2. 2 軟件系統(tǒng)
2.2.1 任務設置
控制系統(tǒng)軟件主要由上位機和下位機軟件構成。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用程序。B&R PC 操作系統(tǒng)Automation Studio(AS) 是一個分時多任務操作系統(tǒng),采用分時多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺。它可以把任務分成數(shù)個具有不同優(yōu)先權的等級,其中優(yōu)先權高的任務等級有著較短的循環(huán)掃描時間,而且每個任務等級可包括多個具體任務,在這些任務中間可再細分其優(yōu)先權的高低。在AS 操作系統(tǒng)管理下,優(yōu)先權高的任務總是先被執(zhí)行,剩余的時間再執(zhí)行優(yōu)先權較低的任務。因此,在軟件設計中可以按應用程序的重要程度進行任務設置,從而使控制系統(tǒng)得到優(yōu)化,具有較好的實時性。主要功能任務設置如表2 所示。
表2 主要任務級別設置
2.2.2 軟件組織結構
軟件系統(tǒng)用C 語言編寫,采用結構化設計,組織結構采用金字塔形由上至下4 個層次的層級結構(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。
圖4 主程序功能框圖(部分)
3 運行結果
新設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) 分時多任務可編程計算機控制器(PCC) 的應用,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) 基于各個任務的重要性不同與特殊要求,進行任務級別的科學分配,在保證了注塑機功能全面實現(xiàn)的同時,確保了關鍵過程控制的快速性與準確性。
(3) 高級語言(標準C) 結構化的程序設計,使系統(tǒng)具有更<
