软PLC在全电动注塑机控制系统设计中的实现

 

　　1 前言

　　注塑机又名注射成型机或注射机。它是将热塑性塑料或热固性料利用塑料成型模具制成各种形状的塑料制品的主要成型设备。分为立式、卧式、全电式。注塑机能加热塑料，对熔融塑料施加高压，使其射出而充满模具型腔。注塑机通常由注射系统、合模系统、液压传动系统、电气控制系统、润滑系统、加热及冷却系统、安全监测系统等组成。采用硬件PLC的控制系统虽然能够实现各种控制功能，由于每个厂家的硬件专有性，封闭性使的用户升级和改造困难。随着自动化和计算机技术的发展，利用计算机的软硬件资源，通过软件可以实现硬件PLC的功能，并能实现的电子齿轮和电子凸轮的高同步运动控制，即软件PLC技术。它遵循IEC61131-3的国际标准。

　　近年来，随着计算机技术的迅猛发展以及PLC方面国际标准的制定，一项打破传统PLC局限性的新兴技术发展起来了，这就是软PLC技术。其特征是：在保留PLC功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通信接口，如以太网、高速串口等；采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准；全部用软件来实现传统PLC的功能。软PLC开发系统实际上就是带有调试和编译功能的PLC编程器，此部分具备如下功能：①编程语言标准化，遵循IEC61131-3标准，支持多语言编程（共有5种编程方式：IL,ST,LD,FBD和SFC），编程语言之间可以相互转换；②丰富的控制模块，支持多种PID算法（如常规PID控制算法、自适应PID控制算法、模糊PID控制算法、智能PID控制算法等等），还包括目前流行的一些控制算法，如神经网络控制；③开放的控制算法接口，支持用户嵌入自己的控制算法模块；④仿真运行，实时在线监控，在线修改程序和编译；⑤强大的网络功能。支持基于TCPIP网络，通过网络实现PLC远程监控，远程程序修改。

　　2 全电动注塑机结构及工作原理

　　2.1全电动注塑机的结构

　　全电动注塑机主要由注射装置、合模装置和电气控制系统组成。如图1所示，和通用的注射机相比，采用了高控制性能的伺服电机和滚珠丝杠实现圆周运动到直线运动的转换。注射装置的作用是将塑料均匀地塑化，并注射到模具型腔中。注射装置由塑化部件（螺杆，料筒，加热装置，喷嘴），料斗、计量装置、传动装置、注射电机及基座电机等组成。合模装置实现模具的开闭，在注射时应保证模具可靠地合紧。合模装置主要由前后固定模板，移动模板，连接拉杆，连杆机构，调模装置，合模伺服电机，脱模伺服电机组成。电气控制系统提供动力并使注射机按预定的工艺过程要求（压力，速度，时间，温度）和动作顺序工作。

　　图1 注塑机系统组成示意图

　　2.2 工作原理

　　注塑机生产一件产品的过程一般要经过合模、注射、保压、冷却（塑化）、开模、顶出制品工序

　　操作方式：

　　（1）手动操作 利用手动操作可以进行单步的调试，包括手动设置开合模，手动模高调整，螺杆的手动操作，注射座的前后移动的手动调节等。

　　（2）半自动操作 按下半自动操作按钮，注塑机开始合模、注射等工作，直到产品加工完成，然后处于等待状态，当再次按下半自动操作按钮时，将开始下循环。

　　（3）自动操作 完成一个注射和计量周期后，程序自动进入下一个循环周期。

　　3 系统设计

　　全电动注塑机控制系统设计中需要解决三大问题：一是采用了伺服电机后如何保证高的运动控制，如何在程序中实现位置控制、速度控制、力矩控制以及这几种控制之间进行切换的问题。二是如何实现温度、压力模拟量的控制，来确保每个注射周期都能保证塑胶原料充分加热至合适的温度和确保注射压力、保压压力的控制。三是如何设计人机界面来实时状态的监控、在线数据的修改、出错报警的处理、对错误进行及时的诊断及消除。

　　3.1 系统的硬件设计

　　控制系统的硬件由工控机、SERCOS IO模块、博士力士乐公司数字伺服驱动器以及伺服电动机组成，控制系统的结构示意图如图2:工控机作为上位机构成控制系统的，通过软PLC和SERCOS光缆环控制锁模伺服电机、注射伺服电机、塑化伺服电机、脱模伺服电机按照编写的程序运动，可以实现注塑过程中高的运动控制，以及位置、速度、力矩以及这几种控制之间切换的问题。输入按钮、行程开关等外部数字量输入信号通过IO模块采集到PLC程序中，经过程序处理变成逻辑关系，得到所需要的输出状态来控制现场设备，指示灯和报警灯显示当前设备运行状况和错误报警信息。温度传感器、压力传感器模拟量信号通过SERCOS IO模块转换为软PLC可以识别的数字量信号，通过在编程系统中编写的PID模块程序可以实现注塑过程中的温度和压力PID调节。

　　SERCOS运动控制总线符合开放式数控系统的标准，可以根据系统需要灵活添加设备，有利于智能数控设备的集散控制，节省了设计和调试周期，同时使系统的可靠性大大提高。

　　3.2系统的软件设计

　　3S公司的CoDeSys与其它软PLC产品如SIEMENSE公司的SIMATIC WinAC、SOFTPLC公司的SoftPLC等相比。优点在于它集成了逻辑控制、运动控制和可视化于一体。

　　CoDeSys是符合IEC61131-3标准的编程工具。只要在计算机上安装了CoDeSys SP RTE软件，就可以成为一台先进的高性能可编程控制器（PLC），另外用CoDeSys不需要其它的组态软件就可以轻松实现实现可视化。可以用CoDeSys SoftMotion实现运动控制编程，包括单轴运动到复杂的多轴插补运动。

　　图2 控制系统结构示意图

　　本控制系统的程序设计采用模块化的设计方法，包括了运动主程序、手动控制程序、半自动控制程序、自动控制程序、IO控制程序、温度控制程序的设计

　　（1）任务设置

　　在程序任务中设置四个任务 MotionTask 、TEMPCTRL、PressureRead、IOTask

　　如图3所示：四个程序任务是并行的，根据设置的优先级和周期扫描的时间，这样就能保证逻辑控制和运动控制的不互相干扰。

　　图3 任务配置图

　　（2）运动主程序设计

　　运动主程序中主要由参数初始化、轴组上使能、电机回零位、操作模式选择、轴组状态处理模块组成，在操作模式选择下，选择相应的操作模式（手动、半自动、自动），主程序将调用相应的处理程序（手动控制程序、半自动控制程序、自动控制程序）程序模块简图如图4所示：

　　图4 程序模块简图

　　4 结束语

　　本文作者创新点为该控制系统的设计采用了软PLC技术和SERCOS运动控制总线技术，简化了硬件结构，使得开发的控制系统符合开发式体系结构的要求，系统的可扩展性、可靠性、可维护性大大提高，重要的是实现了注射的高速高以及短周期循环。经过实践检验，本控制方案达到了预期的效果，具有十分广阔的应用前景。