0 前言
現代塑料注射成型機(簡稱注塑機) ,是一個集機、電、液于一體的典型系統,因具有一次能夠成型復雜制品、后加工量少、加工的塑料種類多等特點,自問世以來,發展極為迅速,目前己成為塑料成型加工的主要設備。但由于注塑過程是一個非穩定、非恒溫的過程,在合模、注射、升(降) 溫等各生產過程中的工藝參數將直接影響塑料制品的品質,因而對注塑機的控制系統提出了很高的要求。目前,常用的注塑機控制系統有三種,即傳統繼電器型、可編程控制器型和微機控制型。
近年來,可編程序控制器(簡稱PLC) 以其高可靠性、高性能的特點,在注塑機控制系統中得到了廣泛應用。但目前多以開關量控制為主的簡易PLC 控制系統。為了提高注塑機控制系統的水平和品質,采用一種較PLC 更高層次的、專為中小型控制系統設計的可編程計算機控制器( 簡稱PCC) ,它集成了標準的PLC 和工業控制計算機的特點,具有多任務分時操作系統,數據運算和處理能力比PLC 更強大。用PCC 組成注塑機的控制系統,以實現包括位置控制、、速度控制、溫度控制、故障控制和實時顯示等注塑全過程的多種控制,可大大提高塑料制品的品質,有利于提高經濟效益。
1 注射過程的運動要求
一般注塑機的工作過程可分為合模、注塑、預塑、開模、頂出、調模等運動,每個運動又可分為若干個子運動。每個運動必須按嚴格的順序控制并由液壓傳動系統實現的。表1 列出了各運動的動作名稱、動作順序、電路狀態和所用電磁鐵。
表1 注塑機各運動的動作名稱、動作順序、電路狀態和所用電磁鐵
2 PCC 控制系統的組成及工作過程
注塑機控制系統是根據其工作原理,按照注塑工藝流程,通過PCC 對注塑機現場各傳感元件的控制和對有關執行部件的控制,實現對不同塑料在注射成型各工藝的自動控制以及自動監測和保護。本系統選用貝加萊工業自動化(上海) 公司的2000 系列產品中的B&R2005 型,它是一種緊湊型產品,其結構是采用模塊式,所有模塊尺寸都相同,可靈活自由地通過設定組合插拔來擴展系統。具體選用的模塊有:CPU 為CPU152 ,應用存儲器為ME963 ,電源模塊為PS792 , 數字量輸入模塊為DI477 ,數字量輸出模塊為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 整個控制系統的組成框圖如圖1 所示。
圖1 PCC控制系統的組成
控制系統中設有調模、手動注塑、半自動注塑和全自動注塑幾種工作方式。工作方式選擇由旋轉開關通過PCC 的I/ O 接口電路傳送至系統。系統中有20 多個行程開關,行程開關采用霍爾元件,其優點是非接觸電磁感應,調整方便可靠。這些行程信息也是經隔離電路經PCC 的I/ O 接口電路傳送至系統。系統中有17 個電磁鐵,分別控制不同的注塑動作。輸出的控制信號經PCC 的I/ O 接口和隔離電路控制17 個電磁鐵的通電與斷電。
3 PCC 控制軟件系統的設計
3.1 PCC 編程軟件的特點
PCC 作為新一代可編程序控制器,其應用軟件的靈活性,使其更便于承擔各種規模的現場控制任務,究其原因,就在于PCC 在一個CPU 上集成了分時多任務操作系統,成功地構筑了實時的多應用程序的運行平臺。
PCC2005 多任務性是基于時間片的任務層。系統管理器或硬件時鐘是根據分配給每個任務等級的循環時間在各任務等級之間進行轉換,PCC 的系統調度管理軟件根據掃描周期把時問分成片,按照任務級別的高低自動先后循環往復掃描程序。基于時間的任務等級有兩類:標準任務層和高速任務層,高速任務層比標準任務層級別高。PCC2005 還有一種基于事件的任務等級,這種任務有比基于時間片的任務層都高的優先級,所以只要有特殊事件出現,它們可以立即中斷其它任何任務等級的任務,執行本身的任務。在B&R 系統中,基于事件的任務等級有兩類: 中斷任務等級(Interrupt , IRQ) 和例外處理任務等級(Exception , EXC) 。中斷任務等級的優先級高于所有標準任務等級和高速任務等級,例外處理任務高于中斷任務等級,有著絕對最高的優先級,所以它可以中斷當前的任何任務。
圖2 PCC2000 的任務級別
B&R2005 的任務級別見圖2 。
應用程序各任務模塊級別的設定原則是:在滿足實時性要求的條件下,應盡量降低其級別,以避免CPU 過載。
3.2 系統控制軟件
本控制系統的軟件采用模塊程序結構,其程序結構框圖見圖3 。
圖3 注塑機PCC控制系統程序結構框圖
圖中控制程序主要分為8 個模塊,各模塊的作用如下:
a) 由初始化模塊:主要完成A/ D、D/ A 模塊、各數據區的初始化工作；
b) 數據采集模塊:主要完成模擬量采集、濾波等工作；
c) 自動控制及處理模塊:主要完成注塑機的多種加工過程自動控制；
d) 故障診斷及處理模塊:主要完成對故障巡檢報警及相應處理；
e) 溫度控制模塊:主要完成料筒多級溫度加熱控制；
f) 手動控制及處理模塊:主要用于系統過程的單步動作控制；
g) 停止處理模塊:處理停止信息；
h) 人機對話模塊:主要完成接受控制參數和顯示參數的功能。
根據任務模塊的級別設立原則,除人機對話模塊和系統初始化模塊外,其他任務級別的選擇見表2 。具體每一模塊的控制程序可根據控制信號流程、控制要求和實現方法采用PLC2000 高級語言或梯形圖來編制。
表2 任務級別的選擇
3.3 控制系統設計時應注意的問題
a) 加強和合理安排接地系統,分開模擬地和數字地,避免相互干擾；
b) 加強電源的隔離、屏蔽、浪涌吸收,防止電源的干擾；
c) 系統動作涉及多種參數(壓力、速度、溫度、位置、時間等) 的控制,因此在編程時特別注意到各參數間的相互關系；
d) 安排任務級別時,本系統把實時性要求高的任務放在高級別中,即執行循環次數多；
e) 為避免出錯,單個任務程序的執行時間將小于該任務級別的掃描周期；
f) 為了防止發生誤動作,系統中設計了許多互鎖回路,如手動與自動工況間的互鎖,高速與低速間的互鎖等；
g) 為了提高實時多任務的處理能力, PCC 在硬件上可采用雙結構,一個負責與輸入/ 輸出模塊的通訊,另一個CPU 專門用于處理用戶程序。
4 結束語
具有多任務處理功能的PCC 是近年來發展起來的新一代PLC ,它不僅適用于小規模的控制,更能勝任復雜的、對實時性要求高的控制場合,而且其趨勢是系統的可擴展性和對現場總線和網絡的支持也在不斷增強,隨著規模的不斷擴大,多任務處理能力越來越顯示出生命力。通過用PCC 控制中取代目前在注塑機上大量采用的獨立溫度控制系統和所有的開關量控制,對若干典型的故障現象能夠自動保護、提示、報警,包括上下限報警、正負偏差報警和報警不靈敏區預設,并能夠根據原料及產品的特點對注塑機的工藝進行控制,對生產流程進行實時監測和顯示,對溫度、壓力、位置等連續變量進行閉環控制,對行程、閥門、泵等開關量進行邏輯順序控制等等,可大幅度提高注塑機的生產效率,其性能、易操作性也會有較大的改善。
