摘  要

本文介紹了永宏P(guān)LC在臥式注塑機(jī)上的使用。永宏P(guān)LC的溫度模塊結(jié)合溫控PID指令為注塑機(jī)筒的溫度控制提供了便利，高速通訊以及高精度的模擬量輸出功能在設(shè)備的控制中起到了舉足輕重的作用。

關(guān)鍵詞：溫度模塊；溫控PID；高速通訊

一 項(xiàng)目簡(jiǎn)介 

1.1行業(yè)介紹

      塑料工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要工業(yè)部門，又是一個(gè)新興的綜合性很強(qiáng)的工業(yè)體系。它是由樹脂合成，助劑生產(chǎn)，塑料制品成型及應(yīng)用，塑料原料設(shè)備，塑料回收、再生與利用及相應(yīng)的樹脂合成設(shè)備，助劑生產(chǎn)設(shè)備，塑料準(zhǔn)備設(shè)備，塑料成型設(shè)備，塑料二次加工設(shè)備，塑料輔助設(shè)備，塑料回收與再利用設(shè)備，機(jī)頭與模具制造等組成的工業(yè)體系。由于塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，塑料制品的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，塑料加工設(shè)備已成為國(guó)家機(jī)械工業(yè)的重要組成部分。

      塑料加工設(shè)備是在橡膠機(jī)械和金屬壓鑄機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，早在１８世紀(jì)５０年代，橡膠機(jī)械已有了一定的水平，到１９世紀(jì)７０年代，出現(xiàn)了注塑工藝及設(shè)備。２０世紀(jì)３０年代塑料加工如注塑、擠出形成了工業(yè)化的加工方法，７０年代塑料工業(yè)發(fā)展到一個(gè)新的歷史時(shí)期，促使塑料加工機(jī)械水平不斷提高，無論從技術(shù)、品種、規(guī)格、產(chǎn)量都有了很大的發(fā)展。

1.2客戶需求

      控制系統(tǒng)的質(zhì)量將直接影響產(chǎn)品的成型質(zhì)量，例如對(duì)合模速度、低壓模保、及模具鎖緊力的控制，將影響產(chǎn)品的成型周期、可靠的低壓模保（模具保護(hù)）、準(zhǔn)確的開模定位等等。另一個(gè)需要精確控制的是影響注射成型工藝條件的注射速度、保壓壓力、螺桿轉(zhuǎn)速及料筒的溫度等。例如，由于原料的熱性能不同對(duì)料筒的溫度控制提出苛刻要求，要有合理的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

      永宏P(guān)LC通過通訊的方式控制注塑機(jī)專用變頻器，完成注塑機(jī)筒螺桿的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)良好的注射速度控制，保壓壓力控制等工藝要求。永宏P(guān)LC配備溫度模塊，完成對(duì)注塑筒臂溫度的控制，能夠針對(duì)不同的熱性能材料，達(dá)到良好的控制工藝要求。

1.3解決方案

注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的控制由永宏P(guān)LC完成，通過PLC的輸出點(diǎn)控制電磁閥，間接的控制油路系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。為了保證注射、保壓等工序良好的控制工藝要求，注塑螺桿由專用的注塑機(jī)變頻器控制，變頻器的控制是通過永宏P(guān)LC的通訊更能實(shí)現(xiàn)的。注塑筒臂溫度的控制是控制工藝中的一個(gè)很重要的部分，通過永宏P(guān)LC拓展溫度模塊，控制固態(tài)繼電器，構(gòu)成溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)溫度控制可保證注塑筒臂溫控的高控制工藝要求。

1.4方案背景

永宏P(guān)LC便利的梯形圖編程指令，大大提高了編程的效率，增強(qiáng)了程序的可讀性。深受廣大中小型PLC用戶的青睞。

對(duì)于常用的2位5通電磁閥，永宏P(guān)LC直接通過輸出觸點(diǎn)便可控制。對(duì)于模擬

量控制比例電磁閥，永宏P(guān)LC高精度的模擬量輸出單元可達(dá)到良好的控制效果。永宏P(guān)LC指示支持模擬量模板和模擬量模塊的拓展，模擬量模板的精度為12位，模擬量模塊的精度為14位。永宏P(guān)LC單機(jī)最多可拓展64入模擬量輸入，64路模擬量輸出，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑機(jī)用比例閥的控制。

永宏P(guān)LC有強(qiáng)大的通訊功能，最高通訊速率可達(dá)921.6KHz，支持Modbus、自用通訊協(xié)議等常用的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，任意配置常用的RS-232和RS-485通訊拓展口。永宏P(guān)LC通俗易懂的指令集，可以簡(jiǎn)單便捷的完成PLC主機(jī)與注塑變頻器的通訊，通訊穩(wěn)定、可靠。

永宏P(guān)LC配備熱電阻、熱電偶和負(fù)溫度系數(shù)的溫度拓展模塊，模塊的精度為0.1℃，總和精度為±1％。永宏P(guān)LC單機(jī)可拓展32路溫度檢測(cè)點(diǎn)，完全可以達(dá)到注塑機(jī)注射筒臂溫度控制的數(shù)量要求。改溫度模塊配合永宏P(guān)LC專門提供的溫控PID指令，可達(dá)到良好的閉環(huán)控制要求。溫控PID指令以溫度模塊的采集溫度作為程控變量，以溫度預(yù)設(shè)值作為期望值經(jīng)行PID運(yùn)算，PID運(yùn)算結(jié)果以PWM輸出的形式控制SSR，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的控制要求。

二控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1硬件配置

該設(shè)備需要PLC配備通訊模板、模擬量模塊和溫度模塊。主機(jī)型號(hào)為FBs-60MA，拓展通訊模板FBs-CB25，拓展溫度模塊FBs-RTD6，拓展模擬量模塊FBs-4DA，變頻器選用專用的注塑機(jī)變頻器，還需選購(gòu)熱電阻溫度傳感器、電加熱圈、二位五通閥、模擬量比例電磁閥、光電開關(guān)等器材。

以下是該設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。

2.2控制工藝流程設(shè)計(jì)

      注塑成型是利用塑料的熱物理性質(zhì)，把物料從料斗加入料筒中，料筒外由加熱圈加熱，使物料熔融，在料筒內(nèi)裝有在外動(dòng)力馬達(dá)作用下驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的螺桿，物料在螺桿的作用下，沿著螺槽向前輸送并壓實(shí)，物料在外加熱和螺桿剪切的雙重作用下逐漸地塑化，熔融和均化，當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，物料在螺槽

摩擦力及剪切力的作用下，把已熔融的物料推到螺桿的頭部，與此同時(shí)，螺桿在物料的反作用下后退，使螺桿頭部形成儲(chǔ)料空間，完成塑化過程，然后，螺桿在注射油缸的活塞推力的作用下，以高速、高壓，將儲(chǔ)料室內(nèi)的熔融料通過噴嘴注射到模具的型腔中，型腔中的熔料經(jīng)過保壓、冷卻、固化定型后，模具在合模機(jī)構(gòu)的作用下，開啟模具，并通過頂出裝置把定型好的制品從模具頂出落下。

工藝流程圖如下所示。

2.3電氣配線設(shè)計(jì)

      電熱回路是注塑機(jī)的溫度控制回路，如下圖所示，該回路分為一次及二次部分，一次部分電固態(tài)繼電器控制加熱圈，通過固態(tài)繼電器開關(guān)斬波作用進(jìn)行目錄寬調(diào)制控制，改變加熱圈的熱輸出功率，實(shí)現(xiàn)溫度控制。ＤＩＳＣ為Ａ型低壓空氣斷路器，對(duì)ＳＳＲ 電熱過流保護(hù)。

電熱圈的配線如下圖所示。

三 軟件設(shè)計(jì)

3.1模擬量輸出的設(shè)定

      注塑機(jī)模擬量比例閥的控制需要通過永宏P(guān)LC的模擬量模塊做設(shè)定。永宏模擬量模塊在使用之前首先要進(jìn)行端口設(shè)定。為裝機(jī)前先設(shè)好各點(diǎn)輸出電

壓/電流的選擇（V/I），單/雙極性（B/U），輸出電壓/電流范圍，再將FBs-4DA/2DA串接在PLC擴(kuò)展界面，并完成外加24VDC電源及模擬量輸出配線。

      聯(lián)機(jī)PLC之后，主機(jī)會(huì)自動(dòng)識(shí)別PLC拓展的模擬量模塊，并為模擬量通道分配地址。在模擬量通道的使用時(shí)，直接將要輸出的數(shù)字量輸出值填入模擬量輸出緩存器即可在輸出模塊上獲得對(duì)應(yīng)的通道模擬量輸出。

3.2溫控PID的使用

      溫控PID指令配合溫度模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑機(jī)筒臂的加熱。溫控PID指令利用溫度模塊配合溫度規(guī)劃表格將外界溫度測(cè)量進(jìn)來，作為程控變量，經(jīng)軟件PID運(yùn)算，得到適宜的輸出控制值，以控制溫度在用戶期望的范圍內(nèi)。較泛用PID的使用更簡(jiǎn)便，易于操作。我們只需要設(shè)定PID運(yùn)行的模式，溫控PID執(zhí)行的起始通道地址及其數(shù)量，溫控PWM輸出點(diǎn)地址，比例、積分、微分參數(shù)的設(shè)定（永宏P(guān)LC建議的PID參數(shù)分別是110,17,50），溫度數(shù)值輸出緩存器，工作緩存器。

永宏溫控PID指令如下圖所示。

3.3通訊的功能的使用

      永宏P(guān)LC對(duì)注塑機(jī)專用變頻器的控制是通過Modbus通訊的方式實(shí)現(xiàn)的，采用通訊的方式比模擬量的方式既簡(jiǎn)便實(shí)用，又降低了成本，提高了可靠性。

      在使用永宏的Modbus指令時(shí)，首先要配置“Modbus Master表格”，在表格中定義從站的站號(hào)，主站對(duì)從站建立讀操作或?qū)懖僮?，?shù)據(jù)的長(zhǎng)度，從站數(shù)據(jù)的起始地址以及主站數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的起始地址。以下是程序中使用的Modbus通訊指令。

四 設(shè)備調(diào)試

4.1 PLC控制變頻器的調(diào)試

      注塑機(jī)械的調(diào)速要達(dá)到以下三方面的控制效果：一是無極調(diào)速應(yīng)有一定的調(diào)速范圍，能在一定范圍內(nèi)平滑調(diào)速以便于生產(chǎn)不同品種的產(chǎn)品；二是啟、停制動(dòng)平穩(wěn)，特別是開機(jī)時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速低扭矩大，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)要求很高。注塑機(jī)一般都是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在低速啟動(dòng)時(shí)，也要有很大的轉(zhuǎn)矩，才能使機(jī)器平穩(wěn)啟動(dòng)；三是性能穩(wěn)定、工作可靠，為了保證塑料制品的質(zhì)量，要求拖動(dòng)系統(tǒng)的工作必須十分穩(wěn)定。另外在塑料制品的加工過程中，各環(huán)節(jié)之間的速度調(diào)整變化要穩(wěn)定、快捷、精確。

      注塑工藝要求PLC能配合專用注塑機(jī)變頻器完成以上控制效果，此部分是電氣調(diào)試的一個(gè)非常重要的部分。

4.2溫控PID的調(diào)試

      注塑機(jī)筒臂溫度的控制是生產(chǎn)工藝中一個(gè)重要的組成部分，直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。永宏P(guān)LC為拓展的溫度模塊分配模擬量地址，通道地址的讀值是

以0.1℃為單位的溫度讀值，省去了模擬量值到工程值的線性轉(zhuǎn)換過程。永宏P(guān)LC提供的溫控PID指令給溫度PID的調(diào)試帶來了很大的方便，但是要想得到良好的控制效果還需要對(duì)比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)試。永宏P(guān)LC溫控PID的比例、積分、微分參數(shù)建議值為110,17，50。

      根據(jù)以上的PID參數(shù)配置的溫度閉環(huán)控制，能夠達(dá)到良好的穩(wěn)態(tài)效果，但是開始出現(xiàn)的超調(diào)幅度較大。根據(jù)以上現(xiàn)象稍加改動(dòng)了積分和微分參數(shù)，控制效果基本滿足客戶的需求。

4.3整體的設(shè)備調(diào)試

      由于之前對(duì)設(shè)備的各部分做過單獨(dú)調(diào)試，在整體測(cè)試的過程中為出現(xiàn)大的異常。在電氣控制方面稍加改動(dòng)，設(shè)備便能正常運(yùn)行。以下是整體設(shè)備圖。

五 難點(diǎn)分析

      永宏P(guān)LC提供的溫度模塊和溫度PID指令使整個(gè)設(shè)備的溫度控制部分變得簡(jiǎn)單易行，給電氣工程師減少了工程實(shí)施的難度。

      注射螺桿的控制是設(shè)備調(diào)試過程中的一個(gè)難點(diǎn)，設(shè)備要求螺桿的啟動(dòng)平穩(wěn)、無振動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)平穩(wěn)、工作可靠，調(diào)速范圍廣且?guī)ж?fù)載能力強(qiáng)，這就需要變頻控制有良好的性能。為達(dá)到以上的效果，需要完成PLC與變頻器的默契配合。

      為了提高注射螺桿的控制效果，我們還可利用永宏P(guān)LC突出的高速脈沖輸出性能，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，控制注射螺桿的傳動(dòng)。通過以上方案對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，可進(jìn)一步的提高設(shè)備的運(yùn)行性能，保證生產(chǎn)過程的可靠性。

六 設(shè)備運(yùn)行

      設(shè)備調(diào)試完畢之后，用戶對(duì)機(jī)器進(jìn)行了一段時(shí)間的使用測(cè)試。該機(jī)器能夠按照客戶要求的控制效果完成各項(xiàng)工藝流程，生產(chǎn)出的注塑產(chǎn)品達(dá)到較高的工藝水平。

七 應(yīng)用體會(huì)

      通過該項(xiàng)目使我了解到了永宏P(guān)LC的在溫度控制、高速通訊、模擬量操作等方面的優(yōu)勢(shì)。永宏P(guān)LC強(qiáng)大的指令集，使程序編寫更人性化，通俗易懂。表格設(shè)定使操作更簡(jiǎn)單，在項(xiàng)目中用到了Modbus Master表格，通過此表格作為向?qū)碓O(shè)定Modbus通訊相關(guān)數(shù)據(jù)，使得操作過程更簡(jiǎn)單。永宏P(guān)LC有良好的通訊性能通訊速率最高可達(dá)920KHz。永宏P(guān)LC拓展的溫度模塊讀值是以0.1℃為單位的溫度讀值，省去了模擬量值與工程值的轉(zhuǎn)換，操作方便。模擬量模塊的精度為0.1℃，總和誤差為1%，性能指標(biāo)較高。模擬量模塊的精度為14位，輸入為隔離型的，達(dá)到較高的性能指標(biāo)。硬件可靠性高，在設(shè)備的運(yùn)行過程中，PLC持續(xù)運(yùn)行，未出現(xiàn)異常，客戶對(duì)永宏產(chǎn)品硬件性能表示肯定。

八 參考文獻(xiàn)

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[2] 范堤商貿(mào)（上海）有限公司. 永宏可編程控制器使用手冊(cè)II【進(jìn)階應(yīng)用篇】. 2010

[3] 王興天. 注塑機(jī)技術(shù)與注塑機(jī). 2005