1    引言

        早期的非自動化立式注塑機控制系統基本上都是采用單體式溫度、壓力控制儀表和手動開關控制,不僅自動化程度不高,性能落后,工藝參數的調整花費時間較長,而且故障率比較高,嚴重影響產品的加工質量、產品的穩定性和生產效率。利用微機控制技術開發精確、高效、節能的控制系統,延長設備使用壽命,解決這些設備在使用中的實際問題,是許多老式立式注塑機用戶普遍面臨的問題。近年來,微型個人計算機更新迅速,淘汰下來的臺式計算機配合數據采集卡板用于老式設備的改造,成本十分低廉,卻極大地改善了老式設備的性能。

        本文根據用戶要求,對無錫東北塘塑料制品廠的非自動化立式注塑機控制系統進行了改造,實現了注塑過程的計算機自動控制,使之操作簡單、方便、可靠。不僅提高了立式注塑機自動化程度,達到能準確控制到相應的精度,而且在人機操作性、系統穩定性等方面有明顯改進,對產品的生產效率、產品質量及管理都有較大的改善。立式注塑機的溫度控制對產品質量有較大的影響,控制點較多,外界環境溫度變化范圍寬廣,對注塑溫度控制過程產生明顯的影響。這里重點介紹料筒的溫度控制算法以及實現方法。

2    立式注塑機控制系統的硬件組成

        系統由PC機、數據采集卡板,以及信號調理、驅動電路、固態繼電器（SSR）等部件組成。數據采集卡板有16路12位模擬量輸入、4路12位模擬量輸出、32位數字量輸入/輸出,以及6路定時/計數通道。本文使用其中11路A/D通道:5路為檢測溫度,3路檢測注射速率（檢測3點）,3路檢測壓力量。由各傳感器、信號前置放大濾波及熱電偶冷端補償電路等構成了溫度、壓力和速率的檢測系統。1個數字量輸入合模行程開關信號。5路定時通道工作于脈寬調制（PWM）方式,輸出所需要的脈沖作為SSR的控制信號,分別控制料筒中的三段溫度、噴嘴和模具的溫度。4路D/A轉換器分別控制3路壓力和1路流量比例閥。其中的比例流量閥為三級注射速度控制。數據采集卡板插入PC機的PCI插槽。

3    料筒溫度閉環控制系統

        在立式注塑機控制系統中,料筒溫度是注塑工藝的重要參數,直接影響到制品的質量。其中e(t)為料筒加熱段溫度給定值與實測值的偏差;e(k)為采樣時刻k時的溫度偏差離散值;u(k)為對應于e(k)的控制量,即一個采樣周期中SSR導通與截止的比率;P(t)為對應于u(k)所施加在加熱器上的加熱功率;Y(t)為溫度實測值。

        計算機在閉環控制過程中,對多個被控物理量進行巡回檢測,采集各通道的溫度信號,由輸入通道將這些信息傳輸給計算機;計算機對這些信號進行量綱轉換等處理后,根據預先規定的調節規律進行運算,計算出調節作用量,經輸出通道直接去操縱執行機構。達到控制的目的。實際使用的溫度傳感器為k型鎳鉻-鎳硅熱電偶。通過冷端補償,熱電偶輸出的毫伏級電壓信號經隔離放大送到A/D轉換器,轉換結果讀入計算機。計算機計算出的調節作用量寫入數據采集板上的8253定時器,使之輸出PWM波形,驅動SSR的直流端對加熱器功率進行控制,以調節料筒溫度。SSR是一種有源元件,通過控制輸入端的通斷來控制輸出功率。

        為了避免溫度突變,在工藝上對料筒分三段進行溫度控制,各段給予不同的溫度值。料筒外加熱器采用線圈加熱,分三段溫度控制,每段裝一組電熱絲,同一相電源加熱,在每個幾何中心安裝一個熱電偶檢測各段的溫度,工藝要求穩定在給定值,±2℃。每一段的溫度不僅與本段的加熱功率有關,其它段對它也有一定的影響。由于料筒一般采用恒溫控制,且誤差不大,這種影響可近似看作一個恒值,這樣可將關聯耦合系統化為三個獨立的單輸入單輸出環節,可作為三個單輸入單輸出系統進行控制。每一段采用相同的控制算法,對于不同的加熱段,系統模型的參數差別很大。每個單輸入單輸出環節的對象是由每段的加熱器、料筒和熔料組成。被控對象具有不對稱性、溫度控制的純滯后性和較大的擾動特性。

        料筒加熱系統數學模型采用反應曲線法來確定,即通過實驗測定廣義對象及調節系統動態特性。通過對反應曲線形狀的分析可知,立式注塑機的料筒各加熱區模型均具有一階響應特性,對象可近似地用一階慣性加純滯后的環節來近似過程輸出與輸入之間的動態關系。

        系統動態特性實驗測試方法采用反應曲線法,用內擾動法做實驗,通過階躍改變給定值,對系統施加擾動,觀察溫度隨時間的變化,得到系統的階躍反應曲線。階躍響應的輸入為功率,輸出為溫度。

4    控制策略及其參數整定

        在立式注塑機中,PID控制是比較廣泛采用的控制規律。當立式注塑機的實際溫度參數必須依靠經驗和現場調試來確定時,應用PID控制技術較為方便。通過熱電偶采集的被測溫度偏離所希望的給定值時,PID控制根據測量信號與設定值的偏差進行比較、積分、微分運算,從而輸出適當的控制信號給執行機構,促使測量值恢復到設定值,達到自動控制的效果。

        由于立式注塑機系統的特性以及沒有冷卻裝置,溫度的上升和下降有很大的不對稱性,這就要求系統超調一定要小。此外,料筒加熱過程中,短時間內系統存在較大的誤差,造成積分累積,致使控制信號超過執行器件的有效范圍,系統將產生較大的超調和長時間的波動。因此控制策略采用選擇性控制,即為了防止生產過程發生意外事故或對不同的工藝條件范圍需要不同調節規律的情況下使用的一種控制方法。其核心是一個邏輯判斷環節,由兩個相互獨立的調節回路及一個邏輯判斷環節組成。當生產過程的被調量處于正常范圍時,由正�？刂苹芈愤M行控制;當被調量處于極限狀態時,則正常的控制回路斷開,由事故處理控制回路進行控制。主要用于要求各種不同工藝條件的情況,需要選擇不同的調節規律或要選擇不同的控制算式系數或要選擇不同的模型系數等情況,是具有邏輯適應性的選擇性控制。其中以PID積分分離算法為主。

        采用積分分離算法調節,在偏差e(k)>A時,Ki=0,此時積分項不起作用,變成PD算法,能迅速地克服偏差。通過PD調節,當e(k)≤A時,Ki=1,積分項又重新起作用,變成PID調節。這既能較迅速地克服偏差,超調量又小,又無余差,因此調節過程的靜、動態品質都得到改善,可以保證系統的控制精度。

        PID的參數整定是立式注塑機控制系統設計的核心內容。它是根據注塑過程的特性確定溫度PID控制的比例系數、積分時間和微分時間的大小,以及立式注塑機動作控制經驗,直接在立式注塑機運轉時進行溫度調整。采用反應曲線法,通過試驗,然后按照立式注塑機調試經驗對PID參數進行整定。所得到的PID參數,還要在實際運行中進行最后調整與完善。在注塑現場整定過程中,保持PID參數按先比例,后積分,最后微分的順序進行,在觀察現場過程值的趨勢曲線的同時,慢慢的改變PID參數,進行反復湊試,直到控制質量符合要求為止。PID最佳整定參數確定后,當由外界擾動的發生根本性的改變時,必須重新根據需要再進行最佳參數的整定,這是保證PID控制有效的重要環節。生產中要根據產品狀況或者定期進行檢定。

5    系統軟件

        系統的控制軟件主要由模擬量測量主程序、主控程序、控制功能子程序、驅動程序及數組文件等構成。模擬量測量和計算變量主程序定時啟動后,根據測量點的類型（測量值和計算變量等）、檢測時間間隔及檢測順序來安排逐個測量。把生產過程的測量信號采入計算機,存入相應文件中,把計算變量（即那些需經過計算處理后方能使用的變量值）存入另一數組文件中。主控程序依次對多個控制回路的采樣、運算、輸出、執行控制進行調度,以完成對工藝過程的自動調節�？刂乒δ茏映绦蚴苤骺爻绦蛘{度,具體完成調節規律運算、運算結果輸出和運算偏差報警等。偏差報警子程序受PID算法子程序控制,用于檢查在PID算法子程序執行過程中,偏差值等參數是否超出規定范圍。若超出規定范圍,需要給出報警信息時,該子程序就調用另一子程序,把報警信息存入相應的數組文件中以備用�？刂七^程中,測量主程序和主控程序根據需要調用各種功能子程序,各程序頻繁地與各有關數組文件交換信息,以完成對生產過程的采樣、控制規律運算和控制操作。

        測量主程序通過巡回檢測,把生產過程的模擬測量值采入計算機,存入相應數組文件中。然后測量主程序調用變量計算子程序進行計算,將計算結果存入有關數組文件中。主控程序對控制周期（從短周期到長周期）進行掃描。當掃描到某回路控制時,主控程序訪問有關文件。查詢該控制回路的測量值是否處于在線狀態或報警狀態。如果該回路不處于在線狀態或報警狀態,則都暫不進行控制。如果是在線,但不處于報警狀態,則主控程序訪問有關數組文件后,調用該回路的PID算法子程序。然后主控程序又去執行對其它回路的操作。驅動程序尋找各個時刻應該進行控制的通道號,即尋找輸出地址,找到輸出地址后,就從有關數組文件中取出計算變量,經過換算后產生PWM的數值并寫入到相應的定時器中,驅動該地址所對應控制回路的執行機構SSR,操縱執行機構動作完成調節任務。

6    結束語

        利用計算機實現非自動化立式注塑機料筒溫度的在線控制,并與速度、壓力控制共同形成完整的閉環控制系統,具有系統穩定、可靠性高、控制溫度精確、硬件電路簡單、成本低廉以及整機自動化程度較高等特點,適合老舊立式注塑機改造,解決了舊立式注塑機在使用中存在的問題,提高了產品質量。整個系統能根據原料及產品的特點對立式注塑機的工藝進行控制,對溫度、壓力、位置等連續變量進行閉環控制;對行程、閥門、泵等開關量進行邏輯順序控制。系統連續運行良好,操作方便,最大超調量不到3℃,靜差小于±2℃,產品合格率達到99%。