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案例頻道早期注塑機控制系統普遍存在元件老化、故障率高和性能落后的缺點(diǎn),利用現代控制技術(shù)開(kāi)發(fā)精確、高效、節能型控制系統,延長(cháng)設備壽命,解決這些設備在使用中的實(shí)際問(wèn)題,是我國廣大注塑機用戶(hù)急需解決的問(wèn)題。以一臺20世紀70 年代進(jìn)口的大型注塑機為對象, 探討新型的注塑機控制系統的設計問(wèn)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(wèn)題包括:機械運動(dòng)控制、動(dòng)力控制、溫度控制等。
1. 1 機械運動(dòng)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(dòng)控制的重點(diǎn)是開(kāi)合模運動(dòng)控制。雙肘式開(kāi)合模機構運動(dòng)原理如圖1所示。
圖1 雙曲肘合模機構運動(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)模板是由油缸通過(guò)雙曲肘機構驅動(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)活塞運動(dòng)速度(由液壓系統開(kāi)合模油缸流量決定) 與動(dòng)模板運動(dòng)速度的相互關(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,可以確立開(kāi)合模油缸活塞與動(dòng)模板的位置和速度的關(guān)系?？刂葡到y軟件中,以一個(gè)通用線(xiàn)性化子程序實(shí)現這部分的運算,以便進(jìn)行準確控制。
為減少CPU 的運算負荷,提高控制系統實(shí)時(shí)性,比較好的做法是以上述關(guān)系為基礎,編制計算機軟件,計算出活塞與動(dòng)模板運動(dòng)的一一對應關(guān)系,形成數據模塊,開(kāi)合模運動(dòng)控制時(shí)從數據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
注塑機的動(dòng)力傳遞以液壓傳動(dòng)為主,注塑機的動(dòng)力控制,要解決好兩方面的問(wèn)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(dòng)作流程和液壓動(dòng)作時(shí)序圖。
1.2.1 壓力流量控制
與現代注塑機采用比例閥進(jìn)行壓力流量連續控制不同,早期注塑機液壓系統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(gè)控制電磁閥組合動(dòng)作,線(xiàn)性疊加進(jìn)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(guò)實(shí)驗測定,6 個(gè)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(gè)多級壓力控制電磁閥的開(kāi)啟系數, 取值0(不通電動(dòng)作) 、1(通電動(dòng)作) 。根據式(1) ,使用循環(huán)判斷的算法很容易實(shí)現根據設定壓力自動(dòng)確定多級壓力控制閥電磁閥的動(dòng)作組合。
流量的控制與壓力相類(lèi)似。
1.2.2 工藝動(dòng)作控制
對設備的工藝動(dòng)作設計如圖2 所示。
圖2 注塑機的工藝動(dòng)作流程
設計液壓系統動(dòng)作時(shí)序圖,就是要確定工藝動(dòng)作對應的閥門(mén)動(dòng)作邏輯順序。不同系統不盡相同。
1. 3 溫度控制
注塑機的溫度控制,主要是指料筒溫度控制。參數自整定PID 控制是現代注塑機使用較多的控制方式。系統設計分為如下步驟:
(1) 溫控系統硬件的設計。把料筒分為7個(gè)控制溫區,各溫區使用溫度傳感器( 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(shí)現) 后輸入到PCC ,PCC 進(jìn)行運算及處理后控制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) ,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,料筒溫控數學(xué)模型可表示為一階慣性加純滯后環(huán)節,如式(2) 所示。
（2）式中, t 為溫度，u 為功率，τ為系統時(shí)滯，Kt 為系統時(shí)間常數，K 為系統常數，s 為拉氏變換因子。
數學(xué)模型各參數可采用階躍響應法測得,見(jiàn)表1 。
表1 料筒各加熱段數學(xué)模型參數
(3) 算法設計。確定參數自整定方式和PID 算法,采用參數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。
2. 1 硬件系統
控制系統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 , 安裝了B&R Automation Runtime V2.60 操作系統,TFT 真彩屏,面板附帶注塑機專(zhuān)用30 鍵小鍵盤(pán)。下位機包括PCC 控制器及擴展模塊,其配置主要考慮滿(mǎn)足控制系統的現有功能需求,同時(shí),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硬件組成及相互關(guān)系如圖3 所示。
圖3 系統硬件組成
2. 2 軟件系統
2.2.1 任務(wù)設置
控制系統軟件主要由上位機和下位機軟件構成。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,包括4大部分:程序模塊、系統模塊、數據模塊及面板程序模塊。下位機軟件系統是整個(gè)注塑機軟件系統的主要部分,它是按注塑工藝流程編寫(xiě)的應用程序。B&R PC 操作系統Automation Studio(AS) 是一個(gè)分時(shí)多任務(wù)操作系統,采用分時(shí)多任務(wù)機制構筑其應用軟件的運行平臺。它可以把任務(wù)分成數個(gè)具有不同優(yōu)先權的等級,其中優(yōu)先權高的任務(wù)等級有著(zhù)較短的循環(huán)掃描時(shí)間,而且每個(gè)任務(wù)等級可包括多個(gè)具體任務(wù),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,剩余的時(shí)間再執行優(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,從而使控制系統得到優(yōu)化,具有較好的實(shí)時(shí)性
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號