B&R PCC 在大型注塑機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
2008/4/21 14:17:00
目前國(guó)內(nèi)大型注塑機(jī)大部分采用PLC 或者基于單片機(jī)芯片的控制系統(tǒng)。雖然上述2 種方法可以完成注塑機(jī)的正常運(yùn)行，但是該種控制系統(tǒng)存在以下不足：控制精度不高，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，保養(yǎng)維修升級(jí)困難。另外，注塑機(jī)正朝著高速、高效、低能耗和高自動(dòng)化的方向發(fā)展，這就要求注塑機(jī)具有完善的自動(dòng)化控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以確保對(duì)注射成型過(guò)程的工藝參數(shù)實(shí)行高重復(fù)度、高靈敏度的可靠性。運(yùn)用B&R PCC 對(duì)意大利一品牌20 世紀(jì)80 年代后期產(chǎn)1 350t 大型注塑機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，取得良好效果，并具備了常規(guī)注塑機(jī)控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的功能。
1 注塑機(jī)控制硬件系統(tǒng)組成
控制系統(tǒng)硬件由上、下位機(jī)組成。上位機(jī)包括工控機(jī)、面板及鍵盤；下位機(jī)包括PCC 控制器及擴(kuò)展模塊。上位機(jī)采用帶486DX2CPU 的IPC2001 安裝了B&R Automation Runime V2.60操作系統(tǒng)，26.4cm (10.4 時(shí)）TFT 真彩屏，中英文操作界面，面板附帶注塑機(jī)專用30 鍵小鍵盤；下位機(jī)采用高性能可編程計(jì)算機(jī)控制器B&R PCC 一2003 系列CP476 ，該P(yáng)CC 除了帶CPU 外還帶有獨(dú)立的TPU , 用于處理高速輸人／輸出（I／O）信號(hào)，擴(kuò)展模塊DM465，DO435 ，旋人式模塊位移采集AI294 、壓力采集AI351、溫度采集AT664 和高速計(jì)數(shù)模塊AIl38 。上、下位機(jī)之間的通訊采用CAN 總線或者RS232 總線。該控制系統(tǒng)在人機(jī)界面上可對(duì)全線集中監(jiān)控，必要時(shí)可以外接moderm 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；具備I / 0 口、加熱和壓力狀態(tài)顯示；自動(dòng)故障報(bào)警與隨機(jī)幫助功能。
系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1 。
上位機(jī)程序組織結(jié)構(gòu)和下位機(jī)相同，功能上分為通訊，數(shù)據(jù)保存和讀寫，曲線的繪制，參數(shù)輸人和輸出等。上、下位通訊以上位機(jī)為主動(dòng)，下位機(jī)為被動(dòng)，上位機(jī)定時(shí)讀寫下位機(jī)的相應(yīng)變量值。上位機(jī)界面設(shè)計(jì)可以在AS 下快速方便實(shí)現(xiàn)。
2.3 系統(tǒng)脫機(jī)模擬調(diào)試
為了實(shí)現(xiàn)脫機(jī)調(diào)試，在程序中添加模擬程序，主要是針對(duì)注塑工藝流程各動(dòng)作的位移和行程開(kāi)關(guān)閉合狀態(tài)的模擬。從而在脫機(jī)狀態(tài)就幾乎可以仿真注塑機(jī)動(dòng)作，大大方便控制系統(tǒng)的調(diào)試，是一般注塑機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)不具有的。
3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)
3.1 運(yùn)動(dòng)控制特性
如何實(shí)現(xiàn)大型注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的平順運(yùn)行和保護(hù)是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。本系統(tǒng)從軟件設(shè)計(jì)上充分優(yōu)化液壓系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)低過(guò)沖、高精度。
活塞運(yùn)動(dòng)加減速段采用RAMP( ）函數(shù)斜坡化控制或者用RAMP _ Ql( ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)二次曲線控制，每次運(yùn)動(dòng)減速位置點(diǎn)實(shí)時(shí)計(jì)算和補(bǔ)償，如油缸活塞行程末端緩沖減速采用RAMP _ Ql( ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)二次曲線處理。液壓系統(tǒng)電磁閥開(kāi)閉進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，在人機(jī)面板上可以設(shè)定延時(shí)時(shí)長(zhǎng)。
3.2 機(jī)鉸機(jī)構(gòu)線性化
該注塑機(jī)的合模機(jī)構(gòu)機(jī)鉸結(jié)構(gòu)為5 點(diǎn)肘桿式，動(dòng)模板行程長(zhǎng)達(dá)2m 。動(dòng)模板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量是通過(guò)測(cè)量合模油缸的活塞桿來(lái)獲取，從而大大提高測(cè)量的精度和可靠性。
將機(jī)鉸結(jié)構(gòu)參數(shù)輸人到B&R togclac 軟件計(jì)算出活塞與動(dòng)模板移動(dòng)位置一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，數(shù)據(jù)保存并導(dǎo)入到工程生成數(shù)據(jù)模塊，再使用DA _ read( ) 函數(shù)可以從數(shù)據(jù)模塊中讀取活塞和動(dòng)模板位置的關(guān)系。
3.3 溫度控制系統(tǒng)特性
采用B&R 智能溫度PIDxh 和PIDXHOPT 功能塊可以計(jì)算出PID 參數(shù)，使溫度控制精確到士1 ℃ 。PIDXHOPT 功能塊可以優(yōu)化加熱程序。
3.4 熔膠背壓閉環(huán)優(yōu)化控制
該系統(tǒng)熔膠背壓采用閉環(huán)控制。背壓反饋值經(jīng)DI351 模塊輸人到CP476 的TPU 處理，比較設(shè)定值后再經(jīng)過(guò)PIDX( ）函數(shù)優(yōu)化。
3.5 過(guò)程參數(shù)監(jiān)控
系統(tǒng)具備豐富的曲線輔助監(jiān)控和分析功能。面板可以顯示開(kāi)合模等階段的速度、壓力、位置等曲線，還可以根據(jù)需要對(duì)各段溫控區(qū)和壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線監(jiān)控，還可以選擇射膠、螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)、開(kāi)鎖模和注射等單元的加工過(guò)程進(jìn)行速度／時(shí)間、壓力／時(shí)間、速度／位置和壓力／位置的過(guò)程監(jiān)控。
3.6 系統(tǒng)通用擴(kuò)展性
系統(tǒng)采用C 語(yǔ)言編寫，結(jié)構(gòu)完整清晰。軟件設(shè)計(jì)大量采用結(jié)構(gòu)變量體系，采用結(jié)構(gòu)變量描述各個(gè)部件的狀態(tài)和動(dòng)作過(guò)程等。如頂出動(dòng)作結(jié)構(gòu)變量包括了進(jìn)和退過(guò)程的頂出行程，頂出各行程階段的速度和壓力；頂出動(dòng)作延時(shí)、報(bào)警標(biāo)志等變量。
該系統(tǒng)軟件通用性強(qiáng)，可以適合同系列不同噸位的注塑機(jī)。在日常維護(hù)更換零部件時(shí)，只需要在面板稍加修改參數(shù)而不需要繁瑣的調(diào)試，如更換頂出油路電磁換向閥時(shí)，倏改方向閥打開(kāi)延時(shí)和關(guān)斷延時(shí)時(shí)長(zhǎng)即可。
3.7 人機(jī)界面友好
人機(jī)界面圖文并茂，可以方便設(shè)置各結(jié)構(gòu)變量參數(shù)，如液壓電磁閥的開(kāi)啟閉合延時(shí)；還可以設(shè)定動(dòng)作的各方面參數(shù)，包括并行動(dòng)作、抽芯組合和速度壓力設(shè)置。
4 總結(jié)
采用貝加萊智能控制系統(tǒng)升級(jí)液壓機(jī)械式大型注塑機(jī)獲得成功，機(jī)器的整體性能超過(guò)了原有的PLC 外加溫控表的早期控制系統(tǒng)。不斷提高注塑機(jī)整體性能是永不停止的趨勢(shì)，在較少的硬件投入的基礎(chǔ)上獲得較多的產(chǎn)品附加值是產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。采用具有穩(wěn)定品質(zhì)的貝加萊智能<
1 注塑機(jī)控制硬件系統(tǒng)組成
控制系統(tǒng)硬件由上、下位機(jī)組成。上位機(jī)包括工控機(jī)、面板及鍵盤；下位機(jī)包括PCC 控制器及擴(kuò)展模塊。上位機(jī)采用帶486DX2CPU 的IPC2001 安裝了B&R Automation Runime V2.60操作系統(tǒng)，26.4cm (10.4 時(shí)）TFT 真彩屏，中英文操作界面，面板附帶注塑機(jī)專用30 鍵小鍵盤；下位機(jī)采用高性能可編程計(jì)算機(jī)控制器B&R PCC 一2003 系列CP476 ，該P(yáng)CC 除了帶CPU 外還帶有獨(dú)立的TPU , 用于處理高速輸人／輸出（I／O）信號(hào)，擴(kuò)展模塊DM465，DO435 ，旋人式模塊位移采集AI294 、壓力采集AI351、溫度采集AT664 和高速計(jì)數(shù)模塊AIl38 。上、下位機(jī)之間的通訊采用CAN 總線或者RS232 總線。該控制系統(tǒng)在人機(jī)界面上可對(duì)全線集中監(jiān)控，必要時(shí)可以外接moderm 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；具備I / 0 口、加熱和壓力狀態(tài)顯示；自動(dòng)故障報(bào)警與隨機(jī)幫助功能。
系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1 。
圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)論是旋人式還是擴(kuò)展模塊都采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，利于控制柜設(shè)計(jì)和安裝。系統(tǒng)抗干擾性好，輸人／輸出模塊均帶有光偶隔離。輸入模塊可以將輸入的電流信號(hào)（0～20mA）和電壓信號(hào)( 0～l0V ）直接轉(zhuǎn)換為0～32767 數(shù)字量信號(hào)。DO 模塊電流可以達(dá)到2A ，由于該執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥驅(qū)動(dòng)電流高于2.5A ，所以DO 信號(hào)通過(guò)擴(kuò)流驅(qū)動(dòng)板放大驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥。
PCC CP476 內(nèi)帶TPU ，實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)I / ( ) ，能有效實(shí)現(xiàn)射膠7 段壓力和速度快速切換控制。為了激活TPU ，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要初始化和設(shè)置LTX ( ）函數(shù)給TPU 分配通道。
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)論是旋人式還是擴(kuò)展模塊都采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，利于控制柜設(shè)計(jì)和安裝。系統(tǒng)抗干擾性好，輸人／輸出模塊均帶有光偶隔離。輸入模塊可以將輸入的電流信號(hào)（0～20mA）和電壓信號(hào)( 0～l0V ）直接轉(zhuǎn)換為0～32767 數(shù)字量信號(hào)。DO 模塊電流可以達(dá)到2A ，由于該執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥驅(qū)動(dòng)電流高于2.5A ，所以DO 信號(hào)通過(guò)擴(kuò)流驅(qū)動(dòng)板放大驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥。
PCC CP476 內(nèi)帶TPU ，實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)I / ( ) ，能有效實(shí)現(xiàn)射膠7 段壓力和速度快速切換控制。為了激活TPU ，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要初始化和設(shè)置LTX ( ）函數(shù)給TPU 分配通道。
2 軟件控制系統(tǒng)
2.1 B&R AS 開(kāi)發(fā)環(huán)境
Windows 下編程環(huán)境Automaton Studio 支持標(biāo)準(zhǔn)C 、Basic 、梯形圖、指令表、順序結(jié)構(gòu)圖等6 種標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。根據(jù)需要可以在同一個(gè)項(xiàng)目中采用多種語(yǔ)言進(jìn)行編程。同時(shí)，編程環(huán)境中除了包含豐富的常規(guī)函數(shù)庫(kù)和功能塊外，還包括注塑機(jī)專用函數(shù)庫(kù)plastliba ，利用該函數(shù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)下文所述系統(tǒng)特性。
B&R 的PCC 控制器采用分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，具備大型計(jì)算機(jī)的分析能力。從注塑機(jī)控制要求出發(fā)，將鎖模、溫控等過(guò)程對(duì)實(shí)時(shí)要求不同的任務(wù)設(shè)置在循環(huán)時(shí)間不同的任務(wù)等級(jí)中（如表1）。
表1 任務(wù)設(shè)置
2.1 B&R AS 開(kāi)發(fā)環(huán)境
Windows 下編程環(huán)境Automaton Studio 支持標(biāo)準(zhǔn)C 、Basic 、梯形圖、指令表、順序結(jié)構(gòu)圖等6 種標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。根據(jù)需要可以在同一個(gè)項(xiàng)目中采用多種語(yǔ)言進(jìn)行編程。同時(shí)，編程環(huán)境中除了包含豐富的常規(guī)函數(shù)庫(kù)和功能塊外，還包括注塑機(jī)專用函數(shù)庫(kù)plastliba ，利用該函數(shù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)下文所述系統(tǒng)特性。
B&R 的PCC 控制器采用分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，具備大型計(jì)算機(jī)的分析能力。從注塑機(jī)控制要求出發(fā)，將鎖模、溫控等過(guò)程對(duì)實(shí)時(shí)要求不同的任務(wù)設(shè)置在循環(huán)時(shí)間不同的任務(wù)等級(jí)中（如表1）。
表1 任務(wù)設(shè)置
2.2 系統(tǒng)軟件組織結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)軟件由下位機(jī)系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)和界面三部分組成，軟件采用C 語(yǔ)言編寫。
注塑工藝流程（見(jiàn)圖2）中熔膠和開(kāi)模同時(shí)進(jìn)行，因此軟件結(jié)構(gòu)上包含順序結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)。程序中插入掛起和喚醒功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)程序的順序和并行動(dòng)作。組織結(jié)構(gòu)采用金字塔形由上至下4 個(gè)層次（見(jiàn)圖3) ，將流程圖各過(guò)程任務(wù)定義為執(zhí)行層并分布在不同標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層。按功能分為通訊、互鎖操作、數(shù)據(jù)操作、溫控、報(bào)警等。功能上除了可以滿足常規(guī)順序動(dòng)作、多路并行動(dòng)作之外，還可以實(shí)現(xiàn)普通控制系統(tǒng)難以達(dá)到的幾個(gè)特性，可以顯著提高注塑機(jī)性能，更好地保護(hù)液壓系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)軟件由下位機(jī)系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)和界面三部分組成，軟件采用C 語(yǔ)言編寫。
注塑工藝流程（見(jiàn)圖2）中熔膠和開(kāi)模同時(shí)進(jìn)行，因此軟件結(jié)構(gòu)上包含順序結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)。程序中插入掛起和喚醒功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)程序的順序和并行動(dòng)作。組織結(jié)構(gòu)采用金字塔形由上至下4 個(gè)層次（見(jiàn)圖3) ，將流程圖各過(guò)程任務(wù)定義為執(zhí)行層并分布在不同標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層。按功能分為通訊、互鎖操作、數(shù)據(jù)操作、溫控、報(bào)警等。功能上除了可以滿足常規(guī)順序動(dòng)作、多路并行動(dòng)作之外，還可以實(shí)現(xiàn)普通控制系統(tǒng)難以達(dá)到的幾個(gè)特性，可以顯著提高注塑機(jī)性能，更好地保護(hù)液壓系統(tǒng)。
圖2 注塑工藝流程
圖3 主程序功能框圖
上位機(jī)程序組織結(jié)構(gòu)和下位機(jī)相同，功能上分為通訊，數(shù)據(jù)保存和讀寫，曲線的繪制，參數(shù)輸人和輸出等。上、下位通訊以上位機(jī)為主動(dòng)，下位機(jī)為被動(dòng)，上位機(jī)定時(shí)讀寫下位機(jī)的相應(yīng)變量值。上位機(jī)界面設(shè)計(jì)可以在AS 下快速方便實(shí)現(xiàn)。
2.3 系統(tǒng)脫機(jī)模擬調(diào)試
為了實(shí)現(xiàn)脫機(jī)調(diào)試，在程序中添加模擬程序，主要是針對(duì)注塑工藝流程各動(dòng)作的位移和行程開(kāi)關(guān)閉合狀態(tài)的模擬。從而在脫機(jī)狀態(tài)就幾乎可以仿真注塑機(jī)動(dòng)作，大大方便控制系統(tǒng)的調(diào)試，是一般注塑機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)不具有的。
3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)
3.1 運(yùn)動(dòng)控制特性
如何實(shí)現(xiàn)大型注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的平順運(yùn)行和保護(hù)是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。本系統(tǒng)從軟件設(shè)計(jì)上充分優(yōu)化液壓系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)低過(guò)沖、高精度。
活塞運(yùn)動(dòng)加減速段采用RAMP( ）函數(shù)斜坡化控制或者用RAMP _ Ql( ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)二次曲線控制，每次運(yùn)動(dòng)減速位置點(diǎn)實(shí)時(shí)計(jì)算和補(bǔ)償，如油缸活塞行程末端緩沖減速采用RAMP _ Ql( ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)二次曲線處理。液壓系統(tǒng)電磁閥開(kāi)閉進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，在人機(jī)面板上可以設(shè)定延時(shí)時(shí)長(zhǎng)。
3.2 機(jī)鉸機(jī)構(gòu)線性化
該注塑機(jī)的合模機(jī)構(gòu)機(jī)鉸結(jié)構(gòu)為5 點(diǎn)肘桿式，動(dòng)模板行程長(zhǎng)達(dá)2m 。動(dòng)模板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量是通過(guò)測(cè)量合模油缸的活塞桿來(lái)獲取，從而大大提高測(cè)量的精度和可靠性。
將機(jī)鉸結(jié)構(gòu)參數(shù)輸人到B&R togclac 軟件計(jì)算出活塞與動(dòng)模板移動(dòng)位置一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，數(shù)據(jù)保存并導(dǎo)入到工程生成數(shù)據(jù)模塊，再使用DA _ read( ) 函數(shù)可以從數(shù)據(jù)模塊中讀取活塞和動(dòng)模板位置的關(guān)系。
3.3 溫度控制系統(tǒng)特性
采用B&R 智能溫度PIDxh 和PIDXHOPT 功能塊可以計(jì)算出PID 參數(shù)，使溫度控制精確到士1 ℃ 。PIDXHOPT 功能塊可以優(yōu)化加熱程序。
3.4 熔膠背壓閉環(huán)優(yōu)化控制
該系統(tǒng)熔膠背壓采用閉環(huán)控制。背壓反饋值經(jīng)DI351 模塊輸人到CP476 的TPU 處理，比較設(shè)定值后再經(jīng)過(guò)PIDX( ）函數(shù)優(yōu)化。
3.5 過(guò)程參數(shù)監(jiān)控
系統(tǒng)具備豐富的曲線輔助監(jiān)控和分析功能。面板可以顯示開(kāi)合模等階段的速度、壓力、位置等曲線，還可以根據(jù)需要對(duì)各段溫控區(qū)和壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線監(jiān)控，還可以選擇射膠、螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)、開(kāi)鎖模和注射等單元的加工過(guò)程進(jìn)行速度／時(shí)間、壓力／時(shí)間、速度／位置和壓力／位置的過(guò)程監(jiān)控。
3.6 系統(tǒng)通用擴(kuò)展性
系統(tǒng)采用C 語(yǔ)言編寫，結(jié)構(gòu)完整清晰。軟件設(shè)計(jì)大量采用結(jié)構(gòu)變量體系，采用結(jié)構(gòu)變量描述各個(gè)部件的狀態(tài)和動(dòng)作過(guò)程等。如頂出動(dòng)作結(jié)構(gòu)變量包括了進(jìn)和退過(guò)程的頂出行程，頂出各行程階段的速度和壓力；頂出動(dòng)作延時(shí)、報(bào)警標(biāo)志等變量。
該系統(tǒng)軟件通用性強(qiáng)，可以適合同系列不同噸位的注塑機(jī)。在日常維護(hù)更換零部件時(shí)，只需要在面板稍加修改參數(shù)而不需要繁瑣的調(diào)試，如更換頂出油路電磁換向閥時(shí)，倏改方向閥打開(kāi)延時(shí)和關(guān)斷延時(shí)時(shí)長(zhǎng)即可。
3.7 人機(jī)界面友好
人機(jī)界面圖文并茂，可以方便設(shè)置各結(jié)構(gòu)變量參數(shù)，如液壓電磁閥的開(kāi)啟閉合延時(shí)；還可以設(shè)定動(dòng)作的各方面參數(shù)，包括并行動(dòng)作、抽芯組合和速度壓力設(shè)置。
4 總結(jié)
采用貝加萊智能控制系統(tǒng)升級(jí)液壓機(jī)械式大型注塑機(jī)獲得成功，機(jī)器的整體性能超過(guò)了原有的PLC 外加溫控表的早期控制系統(tǒng)。不斷提高注塑機(jī)整體性能是永不停止的趨勢(shì)，在較少的硬件投入的基礎(chǔ)上獲得較多的產(chǎn)品附加值是產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。采用具有穩(wěn)定品質(zhì)的貝加萊智能<
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