本文以一臺大型注塑機為例，綜合運用機械學、液壓傳動以及控制理論，通過對注塑機的運動控制、動力傳遞控制、溫度控制以及控制系統(tǒng)的構建進行深入研究，最終利用可編程計算機控制器(PCC)設計出了一個全新的高性能控制系統(tǒng)，可顯著提高設備的綜合性能和自動化程度。
很多注塑機生產(chǎn)商都注意到，早期的注塑機控制系統(tǒng)往往存在元件老化、故障率高和性能落后等缺點。然而，由于注塑機的更新?lián)Q代速度相對較快，更換先進的機型往往是一筆不小的開銷，對于眾多注塑機生產(chǎn)商而言，他們更傾向于利用先進的現(xiàn)代控制技術來開發(fā)精確、高效、節(jié)能型的控制系統(tǒng)，并延長設備的使用壽命。為此，本文以一臺70年代進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(tǒng)應該注意哪些設計問題，并成功實現(xiàn)了對舊設備的"翻新"。
一、注塑機控制的方法和原理
通過分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的注塑機控制系統(tǒng)主要在機械運動控制、動力控制和溫度控制等這幾個方面存在問題。
1、機械運動控制
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，其機械運動控制的重點在于開合模運動控制。這種雙肘式開合模機構的運動原理如圖1所示。
圖1 雙曲肘合模機構的運動原理圖
開合模運動控制的對象是動模板C，而動模板通常是由油缸通過雙曲肘機構進行驅(qū)動的，因此，需要將油缸活塞的位置與動模板的位置以及油缸活塞在某一位置時，活塞的運動速度(由液壓系統(tǒng)的開合模油缸的流量決定) 與動模板的運動速度之間建立相應的關聯(lián)關系，即進行合模機構的線性化工作。
根據(jù)圖1 所示的運動原理，我們可以確立開合模的油缸活塞與動模板的位置和速度的關系。這樣，在控制系統(tǒng)軟件中，通過一個通用的線性化子程序即可實現(xiàn)這部分的運算，也為接下來的準確控制打下了良好的基礎。同時，還可以根據(jù)上述的相互關系來編制計算機軟件，使控制系統(tǒng)能夠快速地計算出活塞與動模板運動的一一對應關系，并生成相應的數(shù)據(jù)模塊。在對開合模的運動進行控制時，系統(tǒng)就可直接從數(shù)據(jù)模塊中讀取活塞和動模板的相關信息，從而大大減少了CPU的運算負荷，并顯著提高了控制系統(tǒng)的實時性。
2、動力控制
注塑機的動力傳遞以液壓傳動為主，因此，在對動力控制部分進行設計時，就要解決好兩方面的問題: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作流程和液壓動作時序圖。
?。?）對于壓力和流量的控制。
現(xiàn)代的注塑機大多采用比例閥來對壓力和流量進行連續(xù)控制，而早期的注塑機液壓系統(tǒng)大多采用壓力流量組合式離散控制。一般，大型注塑機的多級壓力控制閥是由6個控制電磁閥組合動作，并經(jīng)過線性疊加的方式來對壓力進行控制，因此，首先需要測定各個控制電磁閥對壓力控制的貢獻(壓力權) 。
經(jīng)實驗測定可以得到，6個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個多級壓力控制電磁閥的開啟系數(shù)，取值為0和1，其中，0表示不通電動作，而1表示通電動作。
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)設定的壓力自動確定多級壓力控制閥電磁閥的動作組合。
流量的控制與壓力非常類似，這里不再贅述。
（2）工藝動作控制。設計液壓系統(tǒng)動作時序圖，也就是要確定工藝動作對應的閥門動作的邏輯順序。不同的系統(tǒng)其設計當然不盡相同。對本文中的注塑機實例進行改進設計后，最終得到了該設備的工藝動作流程圖（如圖2所示）。
圖2 注塑機的工藝動作流程
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(xiàn)代注塑機使用較多的控制方式是參數(shù)自整定PID控制。針對該設備的這種控制模式，我們將系統(tǒng)設計分為了以下幾個步驟:
(1)對溫控系統(tǒng)硬件的設計。首先，將料筒分為7個控制溫區(qū)，并為各個溫區(qū)配置相應的溫度傳感器(K型熱電偶)來探測溫度；由此獲得的信號經(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 實現(xiàn)) 后輸入到PCC；PCC進行運算及處理后直接作用到7組控制器件(接觸器或無觸點過零型固態(tài)繼電器SSR)，進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(shù)學模型可用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來表示，如方程式（2）所示。通過階躍響應法可以測得數(shù)學模型中各個參數(shù)的具體數(shù)值（見表1）。
（2）
式中，t-溫度，u-功率，τ-系統(tǒng)時滯，Kt-系統(tǒng)時間常數(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)學模型參數(shù)
(3)算法設計。如何確定參數(shù)自整定的方式和PID算法是該設計過程的關鍵，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、注塑機控制系統(tǒng)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(tǒng)進行了重新構建。
1、硬件系統(tǒng)
控制系統(tǒng)的硬件配置方式采用現(xiàn)代高檔設備通用的上、下位機結(jié)構。上位機為操作監(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，且面板還附帶了一個注塑機專用的30鍵小鍵盤。下位機則包括了PCC控制器及擴展模塊，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(tǒng)的硬件組成及相互關系圖。
圖3 由上、下位機構成的大型注塑機控制系統(tǒng)的硬件組成關系圖
2、軟件系統(tǒng)
（1）任務設置。根據(jù)對硬件系統(tǒng)的設計，控制系統(tǒng)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(tǒng)軟件需要實現(xiàn)顯示、通訊、數(shù)據(jù)存儲、配方的讀取和設置等功能，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。下位機軟件系統(tǒng)是按注塑工藝流程編寫的應用程序，可以說是整個注塑機軟件系統(tǒng)的主要部分。這里選用的B&R PC操作系統(tǒng)Automation Studio(AS) 是一個分時多任務的操作系統(tǒng)，可采用分時多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺。該操作系統(tǒng)可先將各個任務劃分出不同的優(yōu)先權等級，其中優(yōu)先權高的任務等級具有較短的循環(huán)掃描時間，而且每個任務等級還可包括多個具體任務，并在這些任務中間可再細分其優(yōu)先權的高低。在AS操作系統(tǒng)管理下，優(yōu)先權高的任務總是先被執(zhí)行，再利用剩余的時間執(zhí)行優(yōu)先權較低的任務。因此，在軟件設計中可以按應用程序的重要程度進行任務設置，優(yōu)化控制系統(tǒng)，使其具有較好的實時性。主要功能的任務設置如表2所示。
表2 主要任務的級別設置
?。?）軟件組織結(jié)構。系統(tǒng)的組織結(jié)構采用了金字塔形的層級結(jié)構設計(如圖4所示) ，由上至下分為4個層次：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作狀態(tài)；第2層為注塑機各個狀態(tài)(全自動、半自動、手動、設置和調(diào)模狀態(tài)) 的運動組織和安全判斷的互鎖操作(動態(tài)互鎖和靜態(tài)互鎖)；第3層為各個動作或功能，它由第2層進行組合調(diào)用；第4層用于處理系統(tǒng)的壓力和流量控制任務。
圖4 主程序功能框圖(部分)
三、運行結(jié)果
本系統(tǒng)的成功開發(fā)，解決了舊注塑機在使用中存在的各種問題，對提高設備功能、延長設備的使用壽命具有非常重要的作用。實踐證明，新設計的大型注塑機控制系統(tǒng)投入生產(chǎn)后，在各個方面都顯示出了比原控制系統(tǒng)更加優(yōu)越的特性，主要從以下幾個方面體現(xiàn)出來：
(1)分時多任務可編程計算機控制器(PCC)這一應用克服了傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的掃描速度受制于程序大小的缺點，保證了注塑機控制的實時性和精確性。
(2)基于各個任務的重要性不同與特殊要求，該控制系統(tǒng)對各個任務級別進行科學分配，在保證注塑機實現(xiàn)其全面功能的同時，也實現(xiàn)了關鍵過程控制的快速性與準確性。
(3)應用了高級語言(標準C) 結(jié)構化的程序設計，使系統(tǒng)具有更好的維護性與可擴展性。
(4)功能齊全，可滿足注射成型的各種工藝需要。科學的控制算法極大地提高了壓力和流量的控制精度，完善的軸互鎖功能也使設備具有較高的安全性和可靠性。
(5)整機的自動化程度較高，溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)實現(xiàn)自整定，各項動態(tài)和靜態(tài)性能均比常規(guī)的PID控制更優(yōu)越。
作者：徐寶林 金羚電器有限公司
作者簡介:徐寶林，男，工程碩士，工程師，長期從事設備工程工作。