基于可編程計(jì)算機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用方案

1 引言

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(lái)， 發(fā)展極為迅速， 目前已成為塑料成型加工的主要設(shè)備。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在注塑機(jī)上的應(yīng)用，使智能控制注塑工藝過程中各個(gè)參數(shù)達(dá)到最佳值已成為可能。西方工業(yè)國(guó)家已成功推出新一代自動(dòng)控制塑料機(jī)械， 不僅自動(dòng)化程度高、易操作， 而且生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量也大大提高。我國(guó)中小型塑料機(jī)械基本上均采用單體式的溫度、壓力控制儀表和手動(dòng)開關(guān)控制， 不僅自動(dòng)化程度無(wú)法與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，而且嚴(yán)重影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。鑒于此，提出了采用先進(jìn)的電液比例技術(shù)和可編程序計(jì)算機(jī)控制器（簡(jiǎn)稱PCC） 構(gòu)成的機(jī)電一體化控制方案， 該方案具體有以下方面的改進(jìn)。

在控制方式上，用閉環(huán)控制系統(tǒng)代替原來(lái)的開環(huán)控制系統(tǒng)， 對(duì)主要工藝參數(shù)（如溫度、注射壓力、注射速度等） 進(jìn)行閉環(huán)控制，提高了控制精度，能夠大幅度地改善塑料制品的質(zhì)量; 在編制軟件時(shí)， 利用軟件技術(shù)使機(jī)器具有報(bào)警、自檢、自動(dòng)復(fù)位等功能，提高了系統(tǒng)的可靠性;在控制算法上，采用了工業(yè)生產(chǎn)中比較成熟的PID 算法。閉環(huán)系統(tǒng)控制原理如圖1 所示。

圖1 閉環(huán)系統(tǒng)控制原理圖

在液壓系統(tǒng)中，采用比例流量閥和比例壓力閥代替原來(lái)的開關(guān)閥，它們與伺服閥相比具有價(jià)格便宜， 對(duì)工業(yè)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)， 經(jīng)改進(jìn)后的油路不僅更廣泛地適應(yīng)注塑制品加工的工藝條件，促進(jìn)注塑制品質(zhì)量的提高，而且能利用系統(tǒng)調(diào)整工序中所需的壓力和流量，節(jié)省了功率消耗。

在控制裝置上，采用一種專為中小型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可編程計(jì)算機(jī)控制器（簡(jiǎn)稱PCC） ，它集成了標(biāo)準(zhǔn)的PLC 和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)， 具有多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)， 數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力比PLC 更強(qiáng)大。因此用PCC 組成注塑機(jī)的控制系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)包括位置控制、速度控制、溫度控制、故障控制和實(shí)時(shí)顯示等注塑全過程的多種控制，可大大提高塑料制品的質(zhì)量，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。本文著重介紹由PCC 組成的注塑機(jī)控制系統(tǒng)。

2 注塑機(jī)結(jié)構(gòu)及工藝

一臺(tái)通用的注塑機(jī)主要由注射裝置、合模裝置、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。注射裝置的作用是將塑料均勻地塑化和熔融，并在高壓和高速下將熔體注入模具型腔中， 它由塑化部件（螺桿， 料桶，加熱裝置，噴嘴） 、料斗、計(jì)量裝置、傳動(dòng)裝置、注射油缸、移動(dòng)油缸等組成。合模裝置是固定模具，使動(dòng)模板作啟閉模運(yùn)動(dòng)， 能鎖緊模具， 在注射時(shí)保持模具可靠地合緊， 它主要由前后固定模板、移動(dòng)模板、連接拉桿、連桿機(jī)構(gòu)、調(diào)模裝置、合模油缸、移模油缸以及制品頂出裝置組成。液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)提供動(dòng)力并使注塑機(jī)按預(yù)定的工藝過程要求（壓力、速度、時(shí)間、溫度） 和動(dòng)作順序工作。

以常用的螺桿式注塑機(jī)為例，其注射過程如圖2 所示。

圖2 注塑機(jī)工藝生產(chǎn)見圖

注塑的工作過程為： 當(dāng)塑料從料斗落入料筒后，隨著注射螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷被輸送向前。輸送過程中逐漸壓實(shí)，并在料筒的外加熱量和螺桿的剪切熱作用下實(shí)現(xiàn)其物理狀態(tài)的變化，最后成為粘流態(tài)，并建立起一定壓力。當(dāng)螺桿頭部熔料大于注射油缸背壓時(shí)， 螺桿便軸向移動(dòng)后退， 同時(shí)開始容積計(jì)算。當(dāng)頭部熔料達(dá)到預(yù)定注射量后，計(jì)量裝置使行程開關(guān)動(dòng)作，螺桿停止后退和轉(zhuǎn)動(dòng)，預(yù)塑結(jié)束。

移動(dòng)模板在合模油缸推動(dòng)下使模具閉合。隨之注射座前移， 注射油缸動(dòng)作， 活塞帶動(dòng)螺桿按要求的壓力與速度將頭部的熔料注入模腔內(nèi)。注射完畢后，螺桿仍對(duì)熔料保持一定的壓力，以防止倒流，并進(jìn)行補(bǔ)縮。隨著模腔中熔料的冷卻，塑料從粘流態(tài)恢復(fù)到玻璃態(tài)而定型。合模油缸活塞后退使模具打開， 同時(shí)在頂出機(jī)構(gòu)的作用下將制件脫出， 從而完成一個(gè)工作循環(huán)。

3 注塑過程控制策略

注塑機(jī)的可控變量有兩種，一類是基本以模擬量形式的輸入變量， 如料筒各段溫度、聚合物熔體溫度、螺桿溫度、模具溫度、注射系統(tǒng)壓力、螺桿轉(zhuǎn)速等；另一類是數(shù)字量形式的輸入變量，如螺桿后退停止位置、注射座前后位置、模板向前、向后運(yùn)動(dòng)和超行程等。根據(jù)這些輸入變量，可以對(duì)注塑參數(shù)和溫度進(jìn)行控制。

（1） 注塑參數(shù)的控制

注塑參數(shù)的控制主要有對(duì)注射速度與注射壓力的控制、PVT保壓過程控制、緩沖量控制、背壓控制等。

注射速度控制包含兩種含義： 一是對(duì)螺桿（或柱塞） 推進(jìn)物料的速度進(jìn)行控制；二是對(duì)螺桿推進(jìn)速度同時(shí)進(jìn)行位置和速度值的多級(jí)切換，稱為多級(jí)注射速度切換或控制。同樣，注塑機(jī)的注射壓力控制也包含兩種含義：一是對(duì)螺桿推進(jìn)物料的壓力進(jìn)行控制；二是對(duì)螺桿推進(jìn)壓力同時(shí)進(jìn)行位置和壓力值的多級(jí)切換，稱為多級(jí)注射壓力切換或控制。在注塑機(jī)上采用速度傳感器進(jìn)行速度檢測(cè)，并進(jìn)行數(shù)字量的設(shè)定， 通過電液比例系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)注射速度控制。就注射壓力而言，從注射壓力到保壓壓力是采用位置切換，而在保壓階段時(shí)就從位置切換轉(zhuǎn)入用時(shí)間切換多級(jí)保壓壓力。

對(duì)于PVT保壓控制過程， 用壓力和溫度傳感器對(duì)模腔壓力和模腔溫度及噴嘴處的物料溫度進(jìn)行檢測(cè)， 并作為反饋信號(hào)輸入給控制裝置進(jìn)行“PVT”（ T為模腔中物料溫度、V為比容、P 為模腔壓力） 邏輯運(yùn)算， 發(fā)出指令對(duì)比例壓力電磁閥進(jìn)行比例調(diào)節(jié)， 使注射與保壓時(shí)的系統(tǒng)油壓按PVT特性曲線的指令變化。模內(nèi)熔體的溫度是時(shí)間函數(shù)，它是通過傳感器進(jìn)行不斷地檢測(cè)來(lái)獲取的。

緩沖量控制是對(duì)螺桿頭部余料的控制，具有緩沖與控制注塑量精度的作用。它是通過位移傳感器對(duì)螺桿位置的檢測(cè)，并根據(jù)前次螺桿位置檢測(cè)的記憶信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后，確定下次螺桿位置的設(shè)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。

背壓控制是為了減少軸向溫差，通過預(yù)選油壓多級(jí)控制實(shí)現(xiàn)。當(dāng)螺桿預(yù)塑時(shí)，在物料的作用下要后退， 使注射油缸腔的回油經(jīng)過背壓閥流回油箱，這樣通過調(diào)整背壓閥在螺桿不同位置時(shí)泄油壓力來(lái)建立螺桿頭部熔體壓力的調(diào)節(jié)作用，影響熔體的剪切熱使其軸向溫差得到調(diào)節(jié)。

（2） 溫度控制

溫度控制主要有對(duì)料筒溫度、料口處溫度、噴嘴溫度、模具溫度、油溫等進(jìn)行控制。

對(duì)料筒溫度控制是注塑工藝的重要參數(shù)，是塑化裝置的惟一外部供熱， 因此料筒的溫度控制技術(shù)將直接影響制品質(zhì)量。注射料筒的加熱段一般分3段到4 段， 通過一次儀表（熱電偶） 和二次儀表， 對(duì)加熱電阻圈的控制與調(diào)節(jié)組成閉環(huán)控制回路。

料口處溫度控制直接影響固體的磨擦系數(shù)和輸送效率，能使料筒其它部分物料的溫度得到更加

穩(wěn)定的控制。它是用熱電偶檢測(cè)溫度并通過PDPI控制循環(huán)冷卻水流實(shí)現(xiàn)控制的。

噴嘴溫度控制的好壞不僅會(huì)影響注塑過程能否穩(wěn)定工作，而且直接影響著高溫熔體通過噴嘴時(shí)

剪切熱和剪切流動(dòng)，因此采用熱電偶對(duì)噴嘴的溫度進(jìn)行檢測(cè)并加以控制。

模具溫度控制通過熱電偶對(duì)實(shí)際溫度值的測(cè)量， 再與溫度控制儀表的設(shè)定值相比較， 將所獲得的偏差信號(hào)進(jìn)行放大，放大信號(hào)對(duì)加熱和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)控制， 使模具處于穩(wěn)定的溫度范圍之內(nèi)，以保持制品品質(zhì)。

油溫控制對(duì)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性及注塑制品質(zhì)量有重要影響， 因而系統(tǒng)設(shè)置油溫控制裝置， 通過溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)油溫的加熱和冷卻控制。

4 PCC控制系統(tǒng)

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各工藝的自動(dòng)控制以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

本控制系統(tǒng)采用某工業(yè)自動(dòng)化公司的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)是采用模塊式， 所有模塊尺寸均相同， 可靈活自由地通過設(shè)定組合插拔來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)。采用的主要模塊有： CPU152（CPU） 、ME963（應(yīng)用存儲(chǔ)器） 、PS792（電源模塊） 、DI477（數(shù)字量輸入模塊） 、DO480（ 數(shù)字量輸出模塊） 、AI775（ 模擬量輸入模塊） 、AT350（溫度輸入模塊） 、AO775（模擬量輸出模塊） 、DI164（LCD 顯示模塊） 以及基板等。PCC 整個(gè)控制系統(tǒng)的組成如圖3 所示。

圖3 PCC控制系統(tǒng)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。這些行程信息也是經(jīng)隔離電路及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。

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)如圖4 所示。

圖4 注塑機(jī)PCC控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖

圖4 中控制程序主要分為8 個(gè)模塊，各模塊的作用如下： ①初始化模塊： 主要完成A/ D、D/ A 模塊、各數(shù)據(jù)區(qū)的初始化工作；②數(shù)據(jù)采集模塊：主要完成模擬量采集、濾波等工作； ③自動(dòng)控制及處理模塊： 主要完成注塑機(jī)的多種加工過程自動(dòng)控制；④故障診斷及處理模塊：主要完成對(duì)故障巡檢報(bào)警及相應(yīng)處理；⑤手動(dòng)控制及處理模塊： 主要用于系統(tǒng)過程的單步動(dòng)作控制；⑥停止處理模塊： 處理停止信息； ⑦人機(jī)對(duì)話模塊： 主要完成接受控制參數(shù)和顯示參數(shù)的功能。

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(yǔ)言來(lái)編制。

5 結(jié)束語(yǔ)

用PCC 控制取代目前在注塑機(jī)上大量采用的獨(dú)立溫度控制系統(tǒng)和所有的開關(guān)量控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)若干典型的故障現(xiàn)象的自動(dòng)保護(hù)、提示、報(bào)警，包括上下限報(bào)警、正負(fù)偏差報(bào)警、報(bào)警不靈敏區(qū)預(yù)設(shè)。依據(jù)原料及產(chǎn)品的特點(diǎn)對(duì)注塑機(jī)的工藝進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示生產(chǎn)流程，并對(duì)溫度、壓力、位置等連續(xù)變量進(jìn)行閉環(huán)控制，對(duì)行程、閥門、泵等開關(guān)量進(jìn)行邏輯順序控制等，大幅度提高了注塑機(jī)的生產(chǎn)效率， 其性能和易操作性也會(huì)有較大的改善， 具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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