注塑機(jī)的PCC控制系統(tǒng)

本文介紹了新型可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC) 的特點(diǎn)、多任務(wù)處理的編程方式以及在注塑機(jī)控制上的應(yīng)用，并對(duì)注塑機(jī)PCC 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。
關(guān)鍵詞：可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC)；注塑機(jī)；控制系統(tǒng)

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(wèn)世以來(lái)，發(fā)展極為迅速，目前己成為塑料成型加工的主要設(shè)備。但由于注塑過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)定、非恒溫的過(guò)程，在合模、注射、升(降) 溫等各生產(chǎn)過(guò)程中的工藝參數(shù)將直接影響塑料制品的品質(zhì)，因而對(duì)注塑機(jī)的控制系統(tǒng)提出了很高的要求。目前，常用的注塑機(jī)控制系統(tǒng)有三種，即傳統(tǒng)繼電器型、可編程控制器型和微機(jī)控制型。

近年來(lái)，可編程序控制器(簡(jiǎn)稱PLC) 以其高可靠性、高性能的特點(diǎn)，在注塑機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但目前多以開關(guān)量控制為主的簡(jiǎn)易PLC 控制系統(tǒng)。為了提高注塑機(jī)控制系統(tǒng)的水平和品質(zhì)，采用一種較PLC 更高層次的、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。用PCC 組成注塑機(jī)的控制系統(tǒng)，以實(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(guò)程的多種控制，可大大提高塑料制品的品質(zhì)，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 注射過(guò)程的運(yùn)動(dòng)要求

一般注塑機(jī)的工作過(guò)程可分為合模、注塑、預(yù)塑、開模、頂出、調(diào)模等運(yùn)動(dòng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)又可分為若干個(gè)子運(yùn)動(dòng)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)必須按嚴(yán)格的順序控制并由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。表1 列出了各運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作名稱、動(dòng)作順序、電路狀態(tài)和所用電磁鐵。

表1 注塑機(jī)各運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作名稱、動(dòng)作順序、電路狀態(tài)和所用電磁鐵

2 PCC 控制系統(tǒng)的組成及工作過(guò)程

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(guò)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)是采用模塊式，所有模塊尺寸都相同，可靈活自由地通過(guò)設(shè)定組合插拔來(lái)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1 所示。

圖1 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(guò)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。

3 PCC 控制軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 PCC 編程軟件的特點(diǎn)

PCC 作為新一代可編程序控制器，其應(yīng)用軟件的靈活性，使其更便于承擔(dān)各種規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)控制任務(wù)，究其原因，就在于PCC 在一個(gè)CPU 上集成了分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，成功地構(gòu)筑了實(shí)時(shí)的多應(yīng)用程序的運(yùn)行平臺(tái)。

PCC2005 多任務(wù)性是基于時(shí)間片的任務(wù)層。系統(tǒng)管理器或硬件時(shí)鐘是根據(jù)分配給每個(gè)任務(wù)等級(jí)的循環(huán)時(shí)間在各任務(wù)等級(jí)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，PCC 的系統(tǒng)調(diào)度管理軟件根據(jù)掃描周期把時(shí)問(wèn)分成片，按照任務(wù)級(jí)別的高低自動(dòng)先后循環(huán)往復(fù)掃描程序。基于時(shí)間的任務(wù)等級(jí)有兩類：標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層和高速任務(wù)層，高速任務(wù)層比標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層級(jí)別高。PCC2005 還有一種基于事件的任務(wù)等級(jí)，這種任務(wù)有比基于時(shí)間片的任務(wù)層都高的優(yōu)先級(jí)，所以只要有特殊事件出現(xiàn)，它們可以立即中斷其它任何任務(wù)等級(jí)的任務(wù)，執(zhí)行本身的任務(wù)。在B&R 系統(tǒng)中，基于事件的任務(wù)等級(jí)有兩類： 中斷任務(wù)等級(jí)(Interrupt ， IRQ) 和例外處理任務(wù)等級(jí)(Exception ， EXC) 。中斷任務(wù)等級(jí)的優(yōu)先級(jí)高于所有標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)等級(jí)和高速任務(wù)等級(jí)，例外處理任務(wù)高于中斷任務(wù)等級(jí)，有著絕對(duì)最高的優(yōu)先級(jí)，所以它可以中斷當(dāng)前的任何任務(wù)。

圖2 PCC2000 的任務(wù)級(jí)別

B&R2005 的任務(wù)級(jí)別見圖2 。

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(guò)載。

3.2 系統(tǒng)控制軟件

本控制系統(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3 。

圖3 注塑機(jī)PCC控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖

圖中控制程序主要分為8 個(gè)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(shù)據(jù)區(qū)的初始化工作；
b) 數(shù)據(jù)采集模塊：主要完成模擬量采集、濾波等工作；
c) 自動(dòng)控制及處理模塊：主要完成注塑機(jī)的多種加工過(guò)程自動(dòng)控制；
d) 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；
e) 溫度控制模塊：主要完成料筒多級(jí)溫度加熱控制；
f) 手動(dòng)控制及處理模塊：主要用于系統(tǒng)過(guò)程的單步動(dòng)作控制；
g) 停止處理模塊：處理停止信息；
h) 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。

根據(jù)任務(wù)模塊的級(jí)別設(shè)立原則，除人機(jī)對(duì)話模塊和系統(tǒng)初始化模塊外，其他任務(wù)級(jí)別的選擇見表2 。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)言或梯形圖來(lái)編制。

表2 任務(wù)級(jí)別的選擇

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

a) 加強(qiáng)和合理安排接地系統(tǒng)，分開模擬地和數(shù)字地，避免相互干擾；
b) 加強(qiáng)電源的隔離、屏蔽、浪涌吸收，防止電源的干擾；
c) 系統(tǒng)動(dòng)作涉及多種參數(shù)(壓力、速度、溫度、位置、時(shí)間等) 的控制，因此在編程時(shí)特別注意到各參數(shù)間的相互關(guān)系；
d) 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；
e) 為避免出錯(cuò)，單個(gè)任務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間將小于該任務(wù)級(jí)別的掃描周期；
f) 為了防止發(fā)生誤動(dòng)作，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了許多互鎖回路，如手動(dòng)與自動(dòng)工況間的互鎖，高速與低速間的互鎖等；
g) 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。

4 結(jié)束語(yǔ)

具有多任務(wù)處理功能的PCC 是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)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)的可擴(kuò)展性和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線和網(wǎng)絡(luò)的支持也在不斷增強(qiáng)，隨著規(guī)模的不斷擴(kuò)大，多任務(wù)處理能力越來(lái)越顯示出生命力。通過(guò)用PCC 控制中取代目前在注塑機(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，對(duì)若干典型的故障現(xiàn)象能夠自動(dòng)保護(hù)、提示、報(bào)警，包括上下限報(bào)警、正負(fù)偏差報(bào)警和報(bào)警不靈敏區(qū)預(yù)設(shè)，并能夠根據(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，對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示，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)行邏輯順序控制等等，可大幅度提高注塑機(jī)的生產(chǎn)效率，其性能、易操作性也會(huì)有較大的改善。