一種大型注塑機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

早期注塑機(jī)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(diǎn),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(zhǎng)設(shè)備壽命,解決這些設(shè)備在使用中的實(shí)際問題,是我國(guó)廣大注塑機(jī)用戶急需解決的問題。以一臺(tái)20世紀(jì)70 年代進(jìn)口的大型注塑機(jī)為對(duì)象, 探討新型的注塑機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。

1 　注塑機(jī)控制的方法和原理

注塑機(jī)的控制要解決的主要問題包括:機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)力控制、溫度控制等。

1. 1 　機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)械液壓式注塑機(jī)是目前塑料行業(yè)廣泛使用的注塑機(jī),它的機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制的重點(diǎn)是開合模運(yùn)動(dòng)控制。雙肘式開合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理如圖1所示。

圖1 　雙曲肘合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖

開合模運(yùn)動(dòng)控制的對(duì)象是動(dòng)模板C ,而動(dòng)模板是由油缸通過雙曲肘機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的,因此,需要建立油缸活塞位置與動(dòng)模板位置的相互關(guān)系,以及油缸活塞在某一位置時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度(由液壓系統(tǒng)開合模油缸流量決定) 與動(dòng)模板運(yùn)動(dòng)速度的相互關(guān)系,即進(jìn)行合模機(jī)構(gòu)的線性化工作。

根據(jù)圖1 所示的運(yùn)動(dòng)原理,可以確立開合模油缸活塞與動(dòng)模板的位置和速度的關(guān)系。控制系統(tǒng)軟件中,以一個(gè)通用線性化子程序?qū)崿F(xiàn)這部分的運(yùn)算,以便進(jìn)行準(zhǔn)確控制。

為減少CPU 的運(yùn)算負(fù)荷,提高控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性,比較好的做法是以上述關(guān)系為基礎(chǔ),編制計(jì)算機(jī)軟件,計(jì)算出活塞與動(dòng)模板運(yùn)動(dòng)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,形成數(shù)據(jù)模塊,開合模運(yùn)動(dòng)控制時(shí)從數(shù)據(jù)模塊中直接讀取活塞和動(dòng)模板的關(guān)系。

1. 2 　動(dòng)力控制

注塑機(jī)的動(dòng)力傳遞以液壓傳動(dòng)為主,注塑機(jī)的動(dòng)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(jì)合理的工藝動(dòng)作流程和液壓動(dòng)作時(shí)序圖。

1.2.1 　壓力流量控制

與現(xiàn)代注塑機(jī)采用比例閥進(jìn)行壓力流量連續(xù)控制不同,早期注塑機(jī)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(jī)的多級(jí)壓力控制閥,是由6 個(gè)控制電磁閥組合動(dòng)作,線性疊加進(jìn)行壓力控制,因此,首先需要測(cè)定控制電磁閥對(duì)控制壓力的貢獻(xiàn)(壓力權(quán)) 。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定,6 個(gè)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(jí)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(gè)多級(jí)壓力控制電磁閥的開啟系數(shù), 取值0(不通電動(dòng)作) 、1(通電動(dòng)作) 。根據(jù)式(1) ,使用循環(huán)判斷的算法很容易實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)定壓力自動(dòng)確定多級(jí)壓力控制閥電磁閥的動(dòng)作組合。

流量的控制與壓力相類似。

1.2.2 　工藝動(dòng)作控制

對(duì)設(shè)備的工藝動(dòng)作設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 　注塑機(jī)的工藝動(dòng)作流程

設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)序圖,就是要確定工藝動(dòng)作對(duì)應(yīng)的閥門動(dòng)作邏輯順序。不同系統(tǒng)不盡相同。

1. 3 　溫度控制

注塑機(jī)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(jī)使用較多的控制方式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為如下步驟:

(1) 　溫控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。把料筒分為7個(gè)控制溫區(qū),各溫區(qū)使用溫度傳感器( K 型熱電偶) 探測(cè)溫度,信號(hào)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(shí)現(xiàn)) 后輸入到PCC ,PCC 進(jìn)行運(yùn)算及處理后控制7 組控制器件(接觸器或無(wú)觸點(diǎn)過零型固態(tài)繼電器SSR) ,從而控制電阻加熱器對(duì)料筒加熱。

(2) 　料筒溫控模型識(shí)別。研究結(jié)果顯示,料筒溫控?cái)?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(shí)滯，Kt 為系統(tǒng)時(shí)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(cè)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(jì)。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(xì)的介紹。

2 　注塑機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

下面以前面對(duì)注塑機(jī)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)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(jī)專用30 鍵小鍵盤。下位機(jī)包括PCC 控制器及擴(kuò)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(shí),適當(dāng)預(yù)留功能擴(kuò)展的需要。

由上、下位機(jī)構(gòu)成的大型注塑機(jī)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(jī)和下位機(jī)軟件構(gòu)成。上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)顯示、通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(jī)軟件系統(tǒng)是整個(gè)注塑機(jī)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(gè)分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),采用分時(shí)多任務(wù)機(jī)制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺(tái)。它可以把任務(wù)分成數(shù)個(gè)具有不同優(yōu)先權(quán)的等級(jí),其中優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級(jí)有著較短的循環(huán)掃描時(shí)間,而且每個(gè)任務(wù)等級(jí)可包括多個(gè)具體任務(wù),在這些任務(wù)中間可再細(xì)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(shí)間再執(zhí)行優(yōu)先權(quán)較低的任務(wù)。因此,在軟件設(shè)計(jì)中可以按應(yīng)用程序的重要程度進(jìn)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(shí)時(shí)性。主要功能任務(wù)設(shè)置如表2 所示。

表2 　主要任務(wù)級(jí)別設(shè)置

2.2.2 　軟件組織結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)用C 語(yǔ)言編寫,采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),組織結(jié)構(gòu)采用金字塔形由上至下4 個(gè)層次的層級(jí)結(jié)構(gòu)(如圖4) 。

第1 層為組織層(主程序mode) ,進(jìn)行注塑機(jī)動(dòng)作狀態(tài)的判斷和處理；第2 層為注塑機(jī)各個(gè)狀態(tài)(全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、設(shè)置、調(diào)模狀態(tài)) 的運(yùn)動(dòng)組織和安全判斷的互鎖操作(動(dòng)態(tài)互鎖和靜態(tài)互鎖)；第3 層為各個(gè)動(dòng)作或功能,它由第2 層進(jìn)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(yùn)行結(jié)果

新設(shè)計(jì)的大型注塑機(jī)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(gè)方面。

(1) 　分時(shí)多任務(wù)可編程計(jì)算機(jī)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(diǎn),保證了注塑機(jī)控制的實(shí)時(shí)性和精確性。

(2) 　基于各個(gè)任務(wù)的重要性不同與特殊要求,進(jìn)行任務(wù)級(jí)別的科學(xué)分配,在保證了注塑機(jī)功能全面實(shí)現(xiàn)的同時(shí),確保了關(guān)鍵過程控制的快速性與準(zhǔn)確性。

(3) 　高級(jí)語(yǔ)言(標(biāo)準(zhǔn)C) 結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì),使系統(tǒng)具有更好的維護(hù)性與可擴(kuò)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(jī)自動(dòng)化程度較高,溫度控制系統(tǒng)參數(shù)自整定,動(dòng)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(jī)在使用中存在的問題,對(duì)提高設(shè)備功能、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命具有重要作用。