本文以一臺(tái)大型注塑機(jī)為例，綜合運(yùn)用機(jī)械學(xué)、液壓傳動(dòng)以及控制理論，通過對(duì)注塑機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)力傳遞控制、溫度控制以及控制系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行深入研究，最終利用可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC)設(shè)計(jì)出了一個(gè)全新的高性能控制系統(tǒng)，可顯著提高設(shè)備的綜合性能和自動(dòng)化程度。
 
　　　
　　很多注塑機(jī)生產(chǎn)商都注意到，早期的注塑機(jī)控制系統(tǒng)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(jī)的更新?lián)Q代速度相對(duì)較快，更換先進(jìn)的機(jī)型往往是一筆不小的開銷，對(duì)于眾多注塑機(jī)生產(chǎn)商而言，他們更傾向于利用先進(jìn)的現(xiàn)代控制技術(shù)來(lái)開發(fā)精確、高效、節(jié)能型的控制系統(tǒng)，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。為此，本文以一臺(tái)70年代進(jìn)口的大型注塑機(jī)為對(duì)象，深入探討了在舊設(shè)備上裝置新的注塑機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)該注意哪些設(shè)計(jì)問題，并成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)舊設(shè)備的“翻新”。

一、注塑機(jī)控制的方法和原理

　　通過分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的注塑機(jī)控制系統(tǒng)主要在機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)力控制和溫度控制等這幾個(gè)方面存在問題。

1、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制

　　目前，塑料行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的注塑機(jī)是機(jī)械液壓式注塑機(jī)，其機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制的重點(diǎn)在于開合模運(yùn)動(dòng)控制。這種雙肘式開合模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理如圖1所示。

圖1 雙曲肘合模機(jī)構(gòu)的運(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)模板通常是由油缸通過雙曲肘機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)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(yùn)動(dòng)速度(由液壓系統(tǒng)的開合模油缸的流量決定) 與動(dòng)模板的運(yùn)動(dòng)速度之間建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)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，我們可以確立開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(tǒng)軟件中，通過一個(gè)通用的線性化子程序即可實(shí)現(xiàn)這部分的運(yùn)算，也為接下來(lái)的準(zhǔn)確控制打下了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，還可以根據(jù)上述的相互關(guān)系來(lái)編制計(jì)算機(jī)軟件，使控制系統(tǒng)能夠快速地計(jì)算出活塞與動(dòng)模板運(yùn)動(dòng)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，并生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)模塊。在對(duì)開合模的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制時(shí)，系統(tǒng)就可直接從數(shù)據(jù)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(yùn)算負(fù)荷，并顯著提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

2、動(dòng)力控制

　　注塑機(jī)的動(dòng)力傳遞以液壓傳動(dòng)為主，因此，在對(duì)動(dòng)力控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，就要解決好兩方面的問題:一是對(duì)于壓力和流量的控制，這是決定設(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）對(duì)于壓力和流量的控制。

　　現(xiàn)代的注塑機(jī)大多采用比例閥來(lái)對(duì)壓力和流量進(jìn)行連續(xù)控制，而早期的注塑機(jī)液壓系統(tǒng)大多采用壓力流量組合式離散控制。一般，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，并經(jīng)過線性疊加的方式來(lái)對(duì)壓力進(jìn)行控制，因此，首先需要測(cè)定各個(gè)控制電磁閥對(duì)壓力控制的貢獻(xiàn)(壓力權(quán)) 。

　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定可以得到，6個(gè)電磁閥的壓力權(quán)分別為:P1=0.21875MPa；P2=0.4375MPa；P3=0.875MPa；P4=1.75MPa；P5=3.5MPa；P6=7.0MPa。

　　多級(jí)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(jí)壓力控制電磁閥的開啟系數(shù)，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(jù)方程式(1)，再通過使用循環(huán)判斷的算法就能夠很容易地根據(jù)設(shè)定的壓力自動(dòng)確定多級(jí)壓力控制閥電磁閥的動(dòng)作組合。

　　流量的控制與壓力非常類似，這里不再贅述。

（2）工藝動(dòng)作控制。設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)序圖，也就是要確定工藝動(dòng)作對(duì)應(yīng)的閥門動(dòng)作的邏輯順序。不同的系統(tǒng)其設(shè)計(jì)當(dāng)然不盡相同。對(duì)本文中的注塑機(jī)實(shí)例進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后，最終得到了該設(shè)備的工藝動(dòng)作流程圖（如圖2所示）。

圖2  注塑機(jī)的工藝動(dòng)作流程

3、溫度控制

　　注塑機(jī)的溫度控制主要是指對(duì)料筒的溫度控制。目前，現(xiàn)代注塑機(jī)使用較多的控制方式是參數(shù)自整定PID控制。針對(duì)該設(shè)備的這種控制模式，我們將系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為了以下幾個(gè)步驟:

(1)對(duì)溫控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。首先，將料筒分為7個(gè)控制溫區(qū)，并為各個(gè)溫區(qū)配置相應(yīng)的溫度傳感器(K型熱電偶)來(lái)探測(cè)溫度；由此獲得的信號(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)算及處理后直接作用到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)，進(jìn)而控制電阻加熱器對(duì)料筒的加熱。

(2)料筒溫控模型識(shí)別。研究表明，料筒溫控?cái)?shù)學(xué)模型可用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來(lái)表示，如方程式（2）所示。通過階躍響應(yīng)法可以測(cè)得數(shù)學(xué)模型中各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值（見表1）。

　　式中，t-溫度，u-功率，τ-系統(tǒng)時(shí)滯，Kt-系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，K-系統(tǒng)常數(shù)，s-拉氏變換因子。

表1 　料筒各加熱段的數(shù)學(xué)模型參數(shù)

(3)算法設(shè)計(jì)。如何確定參數(shù)自整定的方式和PID算法是該設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵，本例中采用的是參數(shù)繼電自整定和增量式PID控制算法。

二、注塑機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　按照前面對(duì)注塑機(jī)控制的分析，我們選用B&R公司的可編程控制器為主體，對(duì)注塑機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了重新構(gòu)建。

1、硬件系統(tǒng)

　　控制系統(tǒng)的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裝置，并安裝了B&R Automation Runtime V2.60操作系統(tǒng)。TFT真彩屏的使用，使得操作更加直觀真實(shí)，且面板還附帶了一個(gè)注塑機(jī)專用的30鍵小鍵盤。下位機(jī)則包括了PCC控制器及擴(kuò)展模塊，其配置主要以滿足控制系統(tǒng)的現(xiàn)有功能需求為主，同時(shí)還適當(dāng)預(yù)留出功能擴(kuò)展的需要。圖3所示的是由上、下位機(jī)構(gòu)成的大型注塑機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成及相互關(guān)系圖。

圖3  由上、下位機(jī)構(gòu)成的大型注塑機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成關(guān)系圖

2、軟件系統(tǒng)

（1）任務(wù)設(shè)置。根據(jù)對(duì)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)軟件相應(yīng)地由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件構(gòu)成。其中，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，主要包括程序模塊、系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)模塊以及面板程序模塊4大部分。下位機(jī)軟件系統(tǒng)是按注塑工藝流程編寫的應(yīng)用程序，可以說(shuō)是整個(gè)注塑機(jī)軟件系統(tǒng)的主要部分。這里選用的B&R PC操作系統(tǒng)Automation Studio(AS) 是一個(gè)分時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，可采用分時(shí)多任務(wù)機(jī)制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺(tái)。該操作系統(tǒng)可先將各個(gè)任務(wù)劃分出不同的優(yōu)先權(quán)等級(jí)，其中優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級(jí)具有較短的循環(huán)掃描時(shí)間，而且每個(gè)任務(wù)等級(jí)還可包括多個(gè)具體任務(wù)，并在這些任務(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，再利用剩余的時(shí)間執(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，優(yōu)化控制系統(tǒng)，使其具有較好的實(shí)時(shí)性。主要功能的任務(wù)設(shè)置如表2所示。

表2 　主要任務(wù)的級(jí)別設(shè)置

（2）軟件組織結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)采用了金字塔形的層級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(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(jī)的動(dòng)作狀態(tài)；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)置和調(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層用于處理系統(tǒng)的壓力和流量控制任務(wù)。