[摘要] 本文介紹了新型可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC) 多任務(wù)處理的工作原理以及在注塑機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用, 并給出了注塑機(jī)PCC控制系統(tǒng)的構(gòu)成和任務(wù)設(shè)定,有效的提高了注塑機(jī)的綜合性能。
[關(guān)健詞] 可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC) ；注塑機(jī)；多任務(wù)處理
前言
現(xiàn)代塑料注射成型機(jī), 簡(jiǎn)稱注塑機(jī), 是一個(gè)集機(jī)、電、液于一體的典型系統(tǒng), 因具有一次能夠成型復(fù)雜制品、后加工量少、加工的塑料種類多等特點(diǎn),自問世以來,發(fā)展極為迅速,目前已成為塑料成型加工的主要設(shè)備。但由于注塑過程是一個(gè)非穩(wěn)定、非恒溫的過程,在合模、注射、升(降) 溫等各生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)將直接影響塑料制品的質(zhì)量, 因而對(duì)注塑機(jī)的控制系統(tǒng)提出了很高的要求。必須有完善的自動(dòng)化控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng), 保證對(duì)注塑機(jī)的被控制量具有一定重復(fù)精度和靈敏度的可靠控制與調(diào)節(jié)。
目前已有很多廠家將可編程序控制器(簡(jiǎn)稱PLC) 用于注塑機(jī)控制, 但傳統(tǒng)的PLC 是單任務(wù)型
的,對(duì)系統(tǒng)來說應(yīng)用程序僅有一個(gè),巳很難勝任實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制要求。近年來, 具有多任務(wù)處理功能的新型可編程計(jì)算機(jī)控制器(簡(jiǎn)稱PCC) 是發(fā)展起來的新一代PLC ,它不僅適用于小規(guī)模的控制,更能勝任復(fù)雜的、對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的控制場(chǎng)合,而且其趨勢(shì)是系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性, 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線和網(wǎng)絡(luò)的支持也在不斷增強(qiáng)。因此我們研究PCC 的多任務(wù)工作原理,并將其用于對(duì)注塑機(jī)的控制, 對(duì)塑料制品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的提高,具有實(shí)用價(jià)值。
一、PCC 的多任務(wù)處理原理
單任務(wù)控制方式的PLC 在處理一些復(fù)雜的任務(wù)時(shí)顯得不夠靈活,甚至不能勝任,具有多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)的PCC 是一種較為適合的控制器。
具有多任務(wù)處理能力的PCC 的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示, 操作系統(tǒng)內(nèi)核是具有多任務(wù)能力的標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng), 它能完成多任務(wù)間的處理與應(yīng)用程序管理等最基本的功能。中間層是PCC 的專用軟件包, 主要由系統(tǒng)管理、系統(tǒng)任務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)管理、高速任務(wù)管理、通訊軟件等組成,它能控制多任務(wù)處理能力的執(zhí)行, 實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的任務(wù)級(jí)別按各任務(wù)執(zhí)行順序進(jìn)行調(diào)用, 監(jiān)視各任務(wù)層的循環(huán)時(shí)間, 設(shè)置、控制和強(qiáng)制處理每個(gè)任務(wù)層I/ O 以及通訊處理等功能。外層是應(yīng)用程序,各個(gè)應(yīng)用程序(又稱為任務(wù)) 可在PCC 中同時(shí)運(yùn)行, 處理器的能力通過"任務(wù)開關(guān)"分配到多個(gè)應(yīng)用程序中。
圖1 PCC結(jié)構(gòu)模型
為了使多個(gè)PCC 任務(wù)具有不同的優(yōu)先級(jí),用戶可以將任務(wù)設(shè)置在不同的任務(wù)級(jí)別中, 用戶也可以給每個(gè)任務(wù)等級(jí)設(shè)置不同的循環(huán)時(shí)間,在設(shè)置的循環(huán)時(shí)間內(nèi),相應(yīng)的任務(wù)被執(zhí)行一次。如設(shè)某任務(wù)的周期時(shí)間為50ms , 則系統(tǒng)每50ms 執(zhí)行一次該級(jí)別的任務(wù)模塊。在PCC 軟件系統(tǒng)中,允許用戶使用兩種不同的任務(wù)層,標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層(Task Class) 和高速任務(wù)層(HS - Task Class) 。標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層根據(jù)可設(shè)置的循環(huán)時(shí)間又可分為四個(gè)任務(wù)層, 即TC # 1～TC # 4。高速任務(wù)層也分為HS # 1～HS # 4 四個(gè)高速任務(wù)層。執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)按HS # 1～HS # 4 - TC # 1～ TC # 4依次遞減。應(yīng)用程序各任務(wù)模塊級(jí)別的設(shè)定原則是: 在滿足實(shí)時(shí)性要求的條件下, 應(yīng)盡量降低其級(jí)別, 以避免CPU 過載。應(yīng)用程序的各任務(wù)模塊對(duì)CPU的負(fù)載度按下式計(jì)算:
λ= Ti/ Tt ×100 %
式中:λ- 該任務(wù)對(duì)CPU的負(fù)載度；
Ti - 該任務(wù)的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間(ms) , 可由Profiler 軟件測(cè)定；
Tt - 該任務(wù)所處級(jí)別的周期(ms) 。
為保證CPU 可靠運(yùn)行, 各任務(wù)的λ不應(yīng)超過80 %。
現(xiàn)以TC # 1 和TC # 2 兩任務(wù)級(jí)別的執(zhí)行情況為例(如圖2 所示) , 處理過程實(shí)際上是先執(zhí)行級(jí)別高的任務(wù), 若TC # 1 實(shí)際運(yùn)行時(shí)間是4ms , TC # 1 執(zhí)行完后, 再執(zhí)行TC # 2 , 由于TC # 2 的運(yùn)行時(shí)間是9ms , 在開始執(zhí)行TC # 1 到下一次執(zhí)行( 即周期10ms) 時(shí), TC # 2 還未運(yùn)行完,因TC # 1 的優(yōu)先級(jí)別高, 所以TC # 2 的執(zhí)行被打斷, 而轉(zhuǎn)去執(zhí)行TC # 1 ,等執(zhí)行完TC # 1 后,再轉(zhuǎn)去執(zhí)行TC # 2。圖2 中①表示操作系統(tǒng)時(shí)鐘, ②表示系統(tǒng)管理所需時(shí)間, ③是TC # 1 的執(zhí)行時(shí)序, ④是TC # 2 的執(zhí)行時(shí)序。系統(tǒng)管理時(shí)間用于對(duì)系統(tǒng)任務(wù)的管理,此時(shí)間不能改變,以10ms 的操作系統(tǒng)時(shí)鐘為周期執(zhí)行。
圖2 兩任務(wù)的執(zhí)行情況
二、PCC 在注塑機(jī)中的應(yīng)用
2. 1 注塑機(jī)PCC 控制系統(tǒng)的組成
注塑機(jī)控制系統(tǒng)是根據(jù)其工作原理,按照注塑工藝流程, 通過PCC對(duì)注塑機(jī)現(xiàn)場(chǎng)各傳感元件的控制和對(duì)有關(guān)執(zhí)行部件的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同塑料在注射成型過程中各工藝的自動(dòng)控制以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)和保護(hù)。
控制系統(tǒng)選用貝加萊工業(yè)自動(dòng)化(上海) 公司的2000 系列產(chǎn)品中的B&R2005 型, 它是一種緊湊型產(chǎn)品, 其結(jié)構(gòu)采用模塊式, 所有模塊尺寸都相同, 可靈活自由地通過設(shè)定組合插拔來擴(kuò)展系統(tǒng)。具體選用的模塊有: CPU為CPU152 , 應(yīng)用存儲(chǔ)器為ME963 ,電源模塊為PS792 , 數(shù)字量輸入模塊為DI477 , 數(shù)字量輸出模塊為DO480 , 模擬量輸入模塊為AI775 , 溫度輸入模塊為AT350 , 模擬量輸出模塊為AO775 , LCD 顯示模塊為DI164 以及基板等。
PCC 整個(gè)控制系統(tǒng)的組成框圖如圖3 所示。
圖3 PCC控制系統(tǒng)的組成
控制系統(tǒng)中設(shè)有調(diào)模、手動(dòng)注塑、半自動(dòng)注塑和全自動(dòng)注塑幾種工作方式。工作方式選擇由旋轉(zhuǎn)開關(guān)通過PCC 的I/ O 接口電路傳送至系統(tǒng)。系統(tǒng)中有20 多個(gè)行程開關(guān), 行程開關(guān)采用霍爾元件, 其優(yōu)點(diǎn)是非接觸電磁感應(yīng), 調(diào)整方便可靠。這些行程信息也是通過隔離電路經(jīng)PCC 的I/ O 接口電路傳送至系統(tǒng)。系統(tǒng)中有17 個(gè)電磁鐵,分別控制不同的注塑動(dòng)作。輸出的控制信號(hào)經(jīng)PCC 的I/ O 接口和隔離電路控制17 個(gè)電磁鐵的通電與斷電。
2. 2 PCC 控制的軟件系統(tǒng)和任務(wù)設(shè)定
PCC 控制系統(tǒng)的軟件采用模塊程序結(jié)構(gòu), 其程序結(jié)構(gòu)框圖見圖4。
圖4 注塑機(jī)PCC控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖
根據(jù)任務(wù)模塊的級(jí)別設(shè)立原則和各任務(wù)循環(huán)時(shí)間的確定原則,考慮到各模塊的實(shí)際執(zhí)行情況,除人機(jī)對(duì)話模塊和系統(tǒng)初始化模塊外, 各任務(wù)級(jí)別的選擇和各任務(wù)的循環(huán)時(shí)間見表1。具體每一模塊的控制程序可根據(jù)控制信號(hào)流程、控制要求和實(shí)現(xiàn)方法采用PLC2000 高級(jí)語言或梯形圖來編制。
表1 任務(wù)信息
2. 3 任務(wù)設(shè)定時(shí)應(yīng)注意的問題
1. 在設(shè)計(jì)總系統(tǒng)的容量時(shí),留出了10 %的容量供操作系統(tǒng)使用；
2. 安排任務(wù)級(jí)別時(shí), 本系統(tǒng)把實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)放在高級(jí)別中,即執(zhí)行循環(huán)次數(shù)多；
3. 在任務(wù)設(shè)置時(shí), 也為非循環(huán)任務(wù)留出了足夠時(shí)間,以保證此類任務(wù)的處理時(shí)間足夠；
4. 在實(shí)際運(yùn)行中, 由于各程序模塊的運(yùn)行需要一定的條件, 所以多任務(wù)的運(yùn)行時(shí)刻并不總是一個(gè)常數(shù)；
5. 為了提高實(shí)時(shí)多任務(wù)的處理能力, PCC 在硬件上可采用雙結(jié)構(gòu),一個(gè)負(fù)責(zé)與輸入/ 輸出模塊的通訊,另一個(gè)CPU專門用于處理用戶程序。
三、結(jié)束語
注塑機(jī)的加工過程對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度提出了較高的要求。采用具有多任務(wù)處理能力的PCC 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制, 并合理的設(shè)定各任務(wù)模塊的任務(wù)級(jí)別, 在注塑機(jī)的性能、生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量等方面有了較大幅度的提高。在實(shí)際應(yīng)用中, 多任務(wù)處理能力越來越顯示出其優(yōu)越性。
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[作者] 張德榮 陶亦亦
(1. 蘇州鐵路機(jī)械學(xué)校教產(chǎn)中心機(jī)電部,江蘇蘇州215011 2. 蘇州職業(yè)大學(xué), 江蘇蘇州215011)
[作者簡(jiǎn)介] 張德榮(1969) ,男,工學(xué)學(xué)士,現(xiàn)從事機(jī)械制造專業(yè)教學(xué)及機(jī)電控制產(chǎn)品的研制開發(fā)工作。
陶亦亦(1963) ,男,蘇州職業(yè)大學(xué),副教授,主要研究領(lǐng)域?yàn)橐簤簜鲃?dòng)與控制、電氣控制。