本文以一臺大型注塑機為例，綜合運用機械學(xué)、液壓傳動(dòng)以及控制理論，通過(guò)對注塑機的運動(dòng)控制、動(dòng)力傳遞控制、溫度控制以及控制系統的構建進(jìn)行深入研究，最終利用可編程計算機控制器(PCC)設計出了一個(gè)全新的高性能控制系統，可顯著(zhù)提高設備的綜合性能和自動(dòng)化程度。
很多注塑機生產(chǎn)商都注意到，早期的注塑機控制系統往往存在元件老化、故障率高和性能落后等缺點(diǎn)。然而，由于注塑機的更新?lián)Q代速度相對較快，更換先進(jìn)的機型往往是一筆不小的開(kāi)銷(xiāo)，對于眾多注塑機生產(chǎn)商而言，他們更傾向于利用先進(jìn)的現代控制技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)精確、高效、節能型的控制系統，并延長(cháng)設備的使用壽命。為此，本文以一臺70年代進(jìn)口的大型注塑機為對象，深入探討了在舊設備上裝置新的注塑機控制系統應該注意哪些設計問(wèn)題，并成功實(shí)現了對舊設備的“翻新”。
一、注塑機控制的方法和原理
通過(guò)分析發(fā)現，傳統的注塑機控制系統主要在機械運動(dòng)控制、動(dòng)力控制和溫度控制等這幾個(gè)方面存在問(wèn)題。
1、機械運動(dòng)控制
目前，塑料行業(yè)中應用最廣泛的注塑機是機械液壓式注塑機，其機械運動(dòng)控制的重點(diǎn)在于開(kāi)合模運動(dòng)控制。這種雙肘式開(kāi)合模機構的運動(dòng)原理如圖1所示。
圖1 雙曲肘合模機構的運動(dòng)原理圖
開(kāi)合模運動(dòng)控制的對象是動(dòng)模板C，而動(dòng)模板通常是由油缸通過(guò)雙曲肘機構進(jìn)行驅動(dòng)的，因此，需要將油缸活塞的位置與動(dòng)模板的位置以及油缸活塞在某一位置時(shí)，活塞的運動(dòng)速度(由液壓系統的開(kāi)合模油缸的流量決定) 與動(dòng)模板的運動(dòng)速度之間建立相應的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即進(jìn)行合模機構的線(xiàn)性化工作。
根據圖1 所示的運動(dòng)原理，我們可以確立開(kāi)合模的油缸活塞與動(dòng)模板的位置和速度的關(guān)系。這樣，在控制系統軟件中，通過(guò)一個(gè)通用的線(xiàn)性化子程序即可實(shí)現這部分的運算，也為接下來(lái)的準確控制打下了良好的基礎。同時(shí)，還可以根據上述的相互關(guān)系來(lái)編制計算機軟件，使控制系統能夠快速地計算出活塞與動(dòng)模板運動(dòng)的一一對應關(guān)系，并生成相應的數據模塊。在對開(kāi)合模的運動(dòng)進(jìn)行控制時(shí)，系統就可直接從數據模塊中讀取活塞和動(dòng)模板的相關(guān)信息，從而大大減少了CPU的運算負荷，并顯著(zhù)提高了控制系統的實(shí)時(shí)性。
2、動(dòng)力控制
注塑機的動(dòng)力傳遞以液壓傳動(dòng)為主，因此，在對動(dòng)力控制部分進(jìn)行設計時(shí)，就要解決好兩方面的問(wèn)題:一是對于壓力和流量的控制，這是決定設備精度的主要因素；二是設計合理的工藝動(dòng)作流程和液壓動(dòng)作時(shí)序圖。
（1）對于壓力和流量的控制。
現代的注塑機大多采用比例閥來(lái)對壓力和流量進(jìn)行連續控制，而早期的注塑機液壓系統大多采用壓力流量組合式離散控制。一般，大型注塑機的多級壓力控制閥是由6個(gè)控制電磁閥組合動(dòng)作，并經(jīng)過(guò)線(xiàn)性疊加的方式來(lái)對壓力進(jìn)行控制，因此，首先需要測定各個(gè)控制電磁閥對壓力控制的貢獻(壓力權) 。
經(jīng)實(shí)驗測定可以得到，6個(gè)電磁閥的壓力權分別為:P1=0.21875MPa；P2=0.4375MPa；P3=0.875MPa；P4=1.75MPa；P5=3.5MPa；P6=7.0MPa。
多級壓力控制閥的總控制工作壓力P可以用方程式（1）來(lái)表示:
P=K1×P1+K2×P2+K3×P3+K4×P4+K5×P5+K6×P6 （1）
式中K1～K6分別表示6個(gè)多級壓力控制電磁閥的開(kāi)啟系數，取值為0和1，其中，0表示不通電動(dòng)作，而1表示通電動(dòng)作。
根據方程式(1)，再通過(guò)使用循環(huán)判斷的算法就能夠很容易地根據設定的壓力自動(dòng)確定多級壓力控制閥電磁閥的動(dòng)作組合。
流量的控制與壓力非常類(lèi)似，這里不再贅述。
（2）工藝動(dòng)作控制。設計液壓系統動(dòng)作時(shí)序圖，也就是要確定工藝動(dòng)作對應的閥門(mén)動(dòng)作的邏輯順序。不同的系統其設計當然不盡相同。對本文中的注塑機實(shí)例進(jìn)行改進(jìn)設計后，最終得到了該設備的工藝動(dòng)作流程圖（如圖2所示）。
圖2 注塑機的工藝動(dòng)作流程
3、溫度控制
注塑機的溫度控制主要是指對料筒的溫度控制。目前，現代注塑機使用較多的控制方式是參數自整定PID控制。針對該設備的這種控制模式，我們將系統設計分為了以下幾個(gè)步驟:
(1)對溫控系統硬件的設計。首先，將料筒分為7個(gè)控制溫區，并為各個(gè)溫區配置相應的溫度傳感器(K型熱電偶)來(lái)探測溫度；由此獲得的信號經(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(shí)現) 后輸入到PCC；PCC進(jìn)行運算及處理后直接作用到7組控制器件(接觸器或無(wú)觸點(diǎn)過(guò)零型固態(tài)繼電器SSR)，進(jìn)而控制電阻加熱器對料筒的加熱。
(2)料筒溫控模型識別。研究表明，料筒溫控數學(xué)模型可用一階慣性加純滯后環(huán)節來(lái)表示，如方程式（2）所示。通過(guò)階躍響應法可以測得數學(xué)模型中各個(gè)參數的具體數值（見(jiàn)表1）。
式中，t-溫度，u-功率，τ-系統時(shí)滯，Kt-系統時(shí)間常數，K-系統常數，s-拉氏變換因子。
表1 料筒各加熱段的數學(xué)模型參數
(3)算法設計。如何確定參數自整定的方式和PID算法是該設計過(guò)程的關(guān)鍵，本例中采用的是參數繼電自整定和增量式PID控制算法。
二、注塑機控制系統的設計
按照前面對注塑機控制的分析，我們選用B&R公司的可編程控制器為主體，對注塑機的控制系統進(jìn)行了重新構建。
1、硬件系統
控制系統的硬件配置方式采用現代高檔設備通用的上、下位機結構。上位機為操作監控制部分，采用帶486DX2CPU的IPC2001裝置，并安裝了B&R Automation Runtime V2.60操作系統。TFT真彩屏的使用，使得操作更加直觀(guān)真實(shí)，且面板還附帶了一個(gè)注塑機專(zhuān)用的30鍵小鍵盤(pán)。下位機則包括了PCC控制器及擴展模塊，其配置主要以滿(mǎn)足控制系統的現有功能需求為主，同時(shí)還適當預留出功能擴展的需要。圖3所示的是由上、下位機構成的大型注塑機控制系統的硬件組成及相互關(guān)系圖。
圖3 由上、下位機構成的大型注塑機控制系統的硬件組成關(guān)系圖
2、軟件系統
（1）任務(wù)設置。根據對硬件系統的設計，控制系統軟件相應地由上位機軟件和下位機軟件構成。其中，上位機控制系統軟件需要實(shí)現顯示、通訊、數據存儲、配方的讀取和設置等功能，主要包括程序模塊、系統模塊、數據模塊以及面板程序模塊4大部分。下位機軟件系統是按注塑工藝流程編寫(xiě)的應用程序，可以說(shuō)是整個(gè)注塑機軟件系統的主要部分。這里選用的B&R PC操作系統Automation Studio(AS) 是一個(gè)分時(shí)多任務(wù)的操作系統，可采用分時(shí)多任務(wù)機制構筑其應用軟件的運行平臺。該操作系統可先將各個(gè)任務(wù)劃分出不同的優(yōu)先權等級，其中優(yōu)先權高的任務(wù)等級具有較短的循環(huán)掃描時(shí)間，而且每個(gè)任務(wù)等級還可包括多個(gè)具體任務(wù)，并在這些任務(wù)中間可再細分其優(yōu)先權的高低。在A(yíng)S操作系統管理下，優(yōu)先權高的任務(wù)總是先被執行，再利用剩余的時(shí)間執行優(yōu)先權較低的任務(wù)。因此，在軟件設計中可以按應用程序的重要程度進(jìn)行任務(wù)設置，優(yōu)化控制系統，使其具有較好的實(shí)時(shí)性。主要功能的任務(wù)設置如表2所示。
表2 主要任務(wù)的級別設置
（2）軟件組織結構。系統的組織結構采用了金字塔形的層級結構設計(如圖4所示) ，由上至下分為4個(gè)層次：第1層為組織層(主程序mode)，主要用于判斷和處理注塑機的動(dòng)作狀態(tài)；第2層為注塑機各個(gè)狀態(tài)(全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、設置和調模狀態(tài)) 的運動(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)行組合調用；第4層用于處理系統的壓力和流量控制任務(wù)。
