軟PLC在全電動注塑機控制系統(tǒng)設(shè)計中的應用

軟PLC是一種基于PC機的新的自動控制技術(shù),與傳統(tǒng)的PLC控制方式相比,它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)硬PLC的所有功能,而且它遵循IEC61131-3編程標準,為用戶提供了更多的開放性,本文通過介紹使用德國3S公司的軟PLC產(chǎn)品CoDeSys在注塑機控制系統(tǒng)設(shè)計中的應用,為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的改造提供一種全新的控制方案。
關(guān)鍵詞：軟PLC;注塑機;控制系統(tǒng)

Abstract: Soft PLC is a new technology in the world industrial automation field ,It is based on the PC,Contrast to the traditional hardware PLC control system ,It provide more open opportunity to the customers.This paper based on new automation software CoDeSys ,and illustrate an example in the Plastic Injection Molding Machine to introduces the new control mothod to replace the traditional control system and realize the auto-control.
Key words: SoftPLC,Plastic Injection Molding Machine,Control System

1 前言

注塑機是目前廣泛應用的高分子材料加工機械，目前在國內(nèi)大量使用的注塑機基本上是采用機械或液壓驅(qū)動的，控制系統(tǒng)大多采用觸點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，由于每個廠家的硬件專有性，封閉性使的用戶升級和改造困難。隨著自動化和計算機技術(shù)的發(fā)展，利用計算機的軟硬件資源，通過軟件可以實現(xiàn)硬件PLC的功能，并能實現(xiàn)精確的電子齒輪和電子凸輪的高精度同步運動控制，即軟件PLC技術(shù)。它遵循IEC61131-3的國際標準。

采用軟PLC的典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是工控機加I/O接口加軟PLC軟件包。軟PLC產(chǎn)品是基于PC機開放結(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，利用軟件技術(shù)可將標準的工業(yè)PC轉(zhuǎn)化成全功能的PLC過程控制器。軟PLC綜合了計算機和PLC的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學運算、數(shù)值處理、通信網(wǎng)絡等功能，通過一個多任務控制內(nèi)核，提供了強大的指令集、快速而準確的掃描周期、可靠的操作和可連接各種I/O系統(tǒng)及網(wǎng)絡的開放式結(jié)構(gòu)。通過采用軟PLC和高精度控制性能的伺服電機作為驅(qū)動系統(tǒng)的全電動注塑機能極大的提高設(shè)備的易操作性，產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 全電動注塑機結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1全電動注塑機的結(jié)構(gòu)

全電動注塑機主要由注射裝置、合模裝置和電氣控制系統(tǒng)組成。如圖1所示，和通用的注射機相比，采用了高精度控制性能的伺服電機和滾珠絲杠實現(xiàn)圓周運動到直線運動的轉(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、計量裝置、傳動裝置、注射電機及基座電機等組成。合模裝置實現(xiàn)模具的開閉,在注射時應保證模具可靠地合緊。合模裝置主要由前后固定模板,移動模板,連接拉桿,連桿機構(gòu),調(diào)模裝置,合模伺服電機,脫模伺服電機組成。電氣控制系統(tǒng)提供動力并使注射機按預定的工藝過程要求（壓力,速度,時間,溫度）和動作順序工作。

圖1 注塑機系統(tǒng)組成示意圖

2.2 工作原理

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

操作方式：

（1）手動操作 利用手動操作可以進行單步的調(diào)試，包括手動設(shè)置開合模，手動模高調(diào)整，螺桿的手動操作，注射座的前后移動的手動調(diào)節(jié)等。

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

（3）自動操作 完成一個注射和計量周期后，程序自動進入下一個循環(huán)周期。

3 系統(tǒng)設(shè)計

全電動注塑機控制系統(tǒng)設(shè)計中需要解決三大問題：一是采用了伺服電機后如何保證高精度的運動控制，如何在程序中實現(xiàn)位置控制、速度控制、力矩控制以及這幾種控制之間進行切換的問題。二是如何實現(xiàn)溫度、壓力模擬量的精確控制，來確保每個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)計人機界面來實時狀態(tài)的監(jiān)控、在線數(shù)據(jù)的修改、出錯報警的處理、對錯誤進行及時的診斷及消除。

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

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

SERCOS運動控制總線符合開放式數(shù)控系統(tǒng)的標準，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)計和調(diào)試周期，同時使系統(tǒng)的可靠性大大提高。

3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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)點在于它集成了邏輯控制、運動控制和可視化于一體。

CoDeSys是符合IEC61131-3標準的編程工具。只要在計算機上安裝了CoDeSys SP RTE軟件，就可以成為一臺先進的高性能可編程控制器（PLC），另外用CoDeSys不需要其它的組態(tài)軟件就可以輕松實現(xiàn)實現(xiàn)可視化?？梢杂肅oDeSys SoftMotion實現(xiàn)運動控制編程，包括單軸運動到復雜的多軸插補運動。

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)計采用模塊化的設(shè)計方法，包括了運動主程序、手動控制程序、半自動控制程序、自動控制程序、IO控制程序、溫度控制程序的設(shè)計

（1）任務設(shè)置

在程序任務中設(shè)置四個任務 MotionTask 、TEMPCTRL、PressureRead、IOTask

如圖3所示：四個程序任務是并行的，根據(jù)設(shè)置的優(yōu)先級和周期掃描的時間，這樣就能保證邏輯控制和運動控制的不互相干擾。

圖3 任務配置圖

（2）運動主程序設(shè)計

運動主程序中主要由參數(shù)初始化、軸組上使能、電機回零位、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，選擇相應的操作模式（手動、半自動、自動），主程序?qū)⒄{(diào)用相應的處理程序（手動控制程序、半自動控制程序、自動控制程序）程序模塊簡圖如圖4所示：

圖4 程序模塊簡圖

4 結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點為該控制系統(tǒng)的設(shè)計采用了軟PLC技術(shù)和SERCOS運動控制總線技術(shù)，簡化了硬件結(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)的可擴展性、可靠性、可維護性大大提高，最重要的是實現(xiàn)了注射的高速高精度以及短周期循環(huán)。經(jīng)過實踐檢驗，本控制方案達到了預期的效果，具有十分廣闊的應用前景。

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