1 前言

　　注塑機(jī)是目前廣泛應(yīng)用的高分子材料加工機(jī)械，目前在國(guó)內(nèi)大量使用的注塑機(jī)基本上是采用機(jī)械或液壓驅(qū)動(dòng)的，控制系統(tǒng)大多采用觸點(diǎn)繼電器邏輯控制電路，這種控制系統(tǒng)的最大的弊端是控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高、精度較低、生產(chǎn)效率較低。采用硬件PLC的控制系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)各種控制功能，由于每個(gè)廠家的硬件專有性，封閉性使的用戶升級(jí)和改造困難。隨著自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，通過(guò)軟件可以實(shí)現(xiàn)硬件PLC的功能，并能實(shí)現(xiàn)精確的電子齒輪和電子凸輪的高精度同步運(yùn)動(dòng)控制，即軟件PLC技術(shù)。它遵循IEC61131-3的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

　　采用軟PLC的典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是工控機(jī)加I/O接口加軟PLC軟件包。軟PLC產(chǎn)品是基于PC機(jī)開放結(jié)構(gòu)的控制裝置，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點(diǎn)，利用軟件技術(shù)可將標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC轉(zhuǎn)化成全功能的PLC過(guò)程控制器。軟PLC綜合了計(jì)算機(jī)和PLC的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)值處理、通信網(wǎng)絡(luò)等功能，通過(guò)一個(gè)多任務(wù)控制內(nèi)核，提供了強(qiáng)大的指令集、快速而準(zhǔn)確的掃描周期、可靠的操作和可連接各種I/O系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的開放式結(jié)構(gòu)。通過(guò)采用軟PLC和高精度控制性能的伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全電動(dòng)注塑機(jī)能極大的提高設(shè)備的易操作性，產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 全電動(dòng)注塑機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　2.1全電動(dòng)注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)

　　全電動(dòng)注塑機(jī)主要由注射裝置、合模裝置和電氣控制系統(tǒng)組成。如圖1所示，和通用的注射機(jī)相比，采用了高精度控制性能的伺服電機(jī)和滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。注射裝置的作用是將塑料均勻地塑化,并注射到模具型腔中。注射裝置由塑化部件（螺桿,料筒,加熱裝置,噴嘴）,料斗、計(jì)量裝置、傳動(dòng)裝置、注射電機(jī)及基座電機(jī)等組成。合模裝置實(shí)現(xiàn)模具的開閉,在注射時(shí)應(yīng)保證模具可靠地合緊。合模裝置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,合模伺服電機(jī),脫模伺服電機(jī)組成。電氣控制系統(tǒng)提供動(dòng)力并使注射機(jī)按預(yù)定的工藝過(guò)程要求（壓力,速度,時(shí)間,溫度）和動(dòng)作順序工作。

 圖1 注塑機(jī)系統(tǒng)組成示意圖

　　2.2 工作原理

　　注塑機(jī)生產(chǎn)一件產(chǎn)品的過(guò)程一般要經(jīng)過(guò)合模、注射、保壓、冷卻（塑化）、開模、頂出制品工序

　　操作方式：

　?。?）手動(dòng)操作 利用手動(dòng)操作可以進(jìn)行單步的調(diào)試，包括手動(dòng)設(shè)置開合模，手動(dòng)模高調(diào)整，螺桿的手動(dòng)操作，注射座的前后移動(dòng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)等。

　?。?）半自動(dòng)操作 按下半自動(dòng)操作按鈕，注塑機(jī)開始合模、注射等工作，直到產(chǎn)品加工完成，然后處于等待狀態(tài)，當(dāng)再次按下半自動(dòng)操作按鈕時(shí)，將開始下一次循環(huán)。

　?。?）自動(dòng)操作 完成一個(gè)注射和計(jì)量周期后，程序自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　全電動(dòng)注塑機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要解決三大問(wèn)題：一是采用了伺服電機(jī)后如何保證高精度的運(yùn)動(dòng)控制，如何在程序中實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制、力矩控制以及這幾種控制之間進(jìn)行切換的問(wèn)題。二是如何實(shí)現(xiàn)溫度、壓力模擬量的精確控制，來(lái)確保每個(gè)注射周期都能保證塑膠原料充分加熱至合適的溫度和確保注射壓力、保壓壓力的精確控制。三是如何設(shè)計(jì)人機(jī)界面來(lái)實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控、在線數(shù)據(jù)的修改、出錯(cuò)報(bào)警的處理、對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行及時(shí)的診斷及消除。

　　3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)的硬件由工控機(jī)、SERCOS IO模塊、博士力士樂公司數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器以及伺服電動(dòng)機(jī)組成，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2：工控機(jī)作為上位機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)軟PLC和SERCOS光纜環(huán)控制鎖模伺服電機(jī)、注射伺服電機(jī)、塑化伺服電機(jī)、脫模伺服電機(jī)按照編寫的程序運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)注塑過(guò)程中高精度的運(yùn)動(dòng)控制，以及位置、速度、力矩以及這幾種控制之間切換的問(wèn)題。輸入按鈕、行程開關(guān)等外部數(shù)字量輸入信號(hào)通過(guò)IO模塊采集到PLC程序中，經(jīng)過(guò)程序處理變成邏輯關(guān)系，得到所需要的輸出狀態(tài)來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，指示燈和報(bào)警燈顯示當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀況和錯(cuò)誤報(bào)警信息。溫度傳感器、壓力傳感器模擬量信號(hào)通過(guò)SERCOS IO模塊轉(zhuǎn)換為軟PLC可以識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，通過(guò)在編程系統(tǒng)中編寫的PID模塊程序可以實(shí)現(xiàn)注塑過(guò)程中的精確溫度和壓力PID調(diào)節(jié)。

　　SERCOS運(yùn)動(dòng)控制總線符合開放式數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)系統(tǒng)需要靈活添加設(shè)備，有利于智能數(shù)控設(shè)備的集散控制，節(jié)省了設(shè)計(jì)和調(diào)試周期，同時(shí)使系統(tǒng)的可靠性大大提高。

　　3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　3S公司的CoDeSys與其它軟PLC產(chǎn)品如SIEMENSE公司的SIMATIC WinAC、SOFTPLC公司的SoftPLC等相比。最大優(yōu)點(diǎn)在于它集成了邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制和可視化于一體。

　　CoDeSys是符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程工具。只要在計(jì)算機(jī)上安裝了CoDeSys SP RTE軟件，就可以成為一臺(tái)先進(jìn)的高性能可編程控制器（PLC），另外用CoDeSys不需要其它的組態(tài)軟件就可以輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)可視化?？梢杂肅oDeSys SoftMotion實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制編程，包括單軸運(yùn)動(dòng)到復(fù)雜的多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　本控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，包括了運(yùn)動(dòng)主程序、手動(dòng)控制程序、半自動(dòng)控制程序、自動(dòng)控制程序、IO控制程序、溫度控制程序的設(shè)計(jì)

　?。?）任務(wù)設(shè)置

　　在程序任務(wù)中設(shè)置四個(gè)任務(wù) MotionTask 、TEMPCTRL、PressureRead、IOTask

　　如圖3所示：四個(gè)程序任務(wù)是并行的，根據(jù)設(shè)置的優(yōu)先級(jí)和周期掃描的時(shí)間，這樣就能保證邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制的不互相干擾。

圖3 任務(wù)配置圖

　?。?）運(yùn)動(dòng)主程序設(shè)計(jì)

　　運(yùn)動(dòng)主程序中主要由參數(shù)初始化、軸組上使能、電機(jī)回零位、操作模式選擇、軸組狀態(tài)處理模塊組成，在操作模式選擇下，選擇相應(yīng)的操作模式（手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)），主程序?qū)⒄{(diào)用相應(yīng)的處理程序（手動(dòng)控制程序、半自動(dòng)控制程序、自動(dòng)控制程序）程序模塊簡(jiǎn)圖如圖4所示：

圖4 程序模塊簡(jiǎn)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)為該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了軟PLC技術(shù)和SERCOS運(yùn)動(dòng)控制總線技術(shù)，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，使得開發(fā)的控制系統(tǒng)符合開發(fā)式體系結(jié)構(gòu)的要求，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可靠性、可維護(hù)性大大提高，最重要的是實(shí)現(xiàn)了注射的高速高精度以及短周期循環(huán)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，本控制方案達(dá)到了預(yù)期的效果，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。