1    引言

        早期的非自动化立式注塑机控制系统基本上都是采用单体式温度、压力控制仪表和手动开关控制,不仅自动化程度不高,性能落后,工艺参数的调整花费时间较长,而且故障率比较高,严重影响产品的加工质量、产品的稳定性和生产效率。利用微机控制技术开发精确、高效、节能的控制系统,延长设备使用寿命,解决这些设备在使用中的实际问题,是许多老式立式注塑机用户普遍面临的问题。近年来,微型个人计算机更新迅速,淘汰下来的台式计算机配合数据采集卡板用于老式设备的改造,成本十分低廉,却极大地改善了老式设备的性能。

        本文根据用户要求,对无锡东北塘塑料制品厂的非自动化立式注塑机控制系统进行了改造,实现了注塑过程的计算机自动控制,使之操作简单、方便、可靠。不仅提高了立式注塑机自动化程度,达到能准确控制到相应的精度,而且在人机操作性、系统稳定性等方面有明显改进,对产品的生产效率、产品质量及管理都有较大的改善。立式注塑机的温度控制对产品质量有较大的影响,控制点较多,外界环境温度变化范围宽广,对注塑温度控制过程产生明显的影响。这里重点介绍料筒的温度控制算法以及实现方法。

2    立式注塑机控制系统的硬件组成

        系统由PC机、数据采集卡板,以及信号调理、驱动电路、固态继电器（SSR）等部件组成。数据采集卡板有16路12位模拟量输入、4路12位模拟量输出、32位数字量输入/输出,以及6路定时/计数通道。本文使用其中11路A/D通道:5路为检测温度,3路检测注射速率（检测3点）,3路检测压力量。由各传感器、信号前置放大滤波及热电偶冷端补偿电路等构成了温度、压力和速率的检测系统。1个数字量输入合模行程开关信号。5路定时通道工作于脉宽调制（PWM）方式,输出所需要的脉冲作为SSR的控制信号,分别控制料筒中的三段温度、喷嘴和模具的温度。4路D/A转换器分别控制3路压力和1路流量比例阀。其中的比例流量阀为三级注射速度控制。数据采集卡板插入PC机的PCI插槽。

3    料筒温度闭环控制系统

        在立式注塑机控制系统中,料筒温度是注塑工艺的重要参数,直接影响到制品的质量。其中e(t)为料筒加热段温度给定值与实测值的偏差;e(k)为采样时刻k时的温度偏差离散值;u(k)为对应于e(k)的控制量,即一个采样周期中SSR导通与截止的比率;P(t)为对应于u(k)所施加在加热器上的加热功率;Y(t)为温度实测值。

        计算机在闭环控制过程中,对多个被控物理量进行巡回检测,采集各通道的温度信号,由输入通道将这些信息传输给计算机;计算机对这些信号进行量纲转换等处理后,根据预先规定的调节规律进行运算,计算出调节作用量,经输出通道直接去操纵执行机构。达到控制的目的。实际使用的温度传感器为k型镍铬-镍硅热电偶。通过冷端补偿,热电偶输出的毫伏级电压信号经隔离放大送到A/D转换器,转换结果读入计算机。计算机计算出的调节作用量写入数据采集板上的8253定时器,使之输出PWM波形,驱动SSR的直流端对加热器功率进行控制,以调节料筒温度。SSR是一种有源元件,通过控制输入端的通断来控制输出功率。

        为了避免温度突变,在工艺上对料筒分三段进行温度控制,各段给予不同的温度值。料筒外加热器采用线圈加热,分三段温度控制,每段装一组电热丝,同一相电源加热,在每个几何中心安装一个热电偶检测各段的温度,工艺要求稳定在给定值,±2℃。每一段的温度不仅与本段的加热功率有关,其它段对它也有一定的影响。由于料筒一般采用恒温控制,且误差不大,这种影响可近似看作一个恒值,这样可将关联耦合系统化为三个独立的单输入单输出环节,可作为三个单输入单输出系统进行控制。每一段采用相同的控制算法,对于不同的加热段,系统模型的参数差别很大。每个单输入单输出环节的对象是由每段的加热器、料筒和熔料组成。被控对象具有不对称性、温度控制的纯滞后性和较大的扰动特性。

        料筒加热系统数学模型采用反应曲线法来确定,即通过实验测定广义对象及调节系统动态特性。通过对反应曲线形状的分析可知,立式注塑机的料筒各加热区模型均具有一阶响应特性,对象可近似地用一阶惯性加纯滞后的环节来近似过程输出与输入之间的动态关系。

        系统动态特性实验测试方法采用反应曲线法,用内扰动法做实验,通过阶跃改变给定值,对系统施加扰动,观察温度随时间的变化,得到系统的阶跃反应曲线。阶跃响应的输入为功率,输出为温度。

4    控制策略及其参数整定

        在立式注塑机中,PID控制是比较广泛采用的控制规律。当立式注塑机的实际温度参数必须依靠经验和现场调试来确定时,应用PID控制技术较为方便。通过热电偶采集的被测温度偏离所希望的给定值时,PID控制根据测量信号与设定值的偏差进行比较、积分、微分运算,从而输出适当的控制信号给执行机构,促使测量值恢复到设定值,达到自动控制的效果。

        由于立式注塑机系统的特性以及没有冷却装置,温度的上升和下降有很大的不对称性,这就要求系统超调一定要小。此外,料筒加热过程中,短时间内系统存在较大的误差,造成积分累积,致使控制信号超过执行器件的有效范围,系统将产生较大的超调和长时间的波动。因此控制策略采用选择性控制,即为了防止生产过程发生意外事故或对不同的工艺条件范围需要不同调节规律的情况下使用的一种控制方法。其核心是一个逻辑判断环节,由两个相互独立的调节回路及一个逻辑判断环节组成。当生产过程的被调量处于正常范围时,由正常控制回路进行控制;当被调量处于极限状态时,则正常的控制回路断开,由事故处理控制回路进行控制。主要用于要求各种不同工艺条件的情况,需要选择不同的调节规律或要选择不同的控制算式系数或要选择不同的模型系数等情况,是具有逻辑适应性的选择性控制。其中以PID积分分离算法为主。

        采用积分分离算法调节,在偏差e(k)>A时,Ki=0,此时积分项不起作用,变成PD算法,能迅速地克服偏差。通过PD调节,当e(k)≤A时,Ki=1,积分项又重新起作用,变成PID调节。这既能较迅速地克服偏差,超调量又小,又无余差,因此调节过程的静、动态品质都得到改善,可以保证系统的控制精度。

        PID的参数整定是立式注塑机控制系统设计的核心内容。它是根据注塑过程的特性确定温度PID控制的比例系数、积分时间和微分时间的大小,以及立式注塑机动作控制经验,直接在立式注塑机运转时进行温度调整。采用反应曲线法,通过试验,然后按照立式注塑机调试经验对PID参数进行整定。所得到的PID参数,还要在实际运行中进行最后调整与完善。在注塑现场整定过程中,保持PID参数按先比例,后积分,最后微分的顺序进行,在观察现场过程值的趋势曲线的同时,慢慢的改变PID参数,进行反复凑试,直到控制质量符合要求为止。PID最佳整定参数确定后,当由外界扰动的发生根本性的改变时,必须重新根据需要再进行最佳参数的整定,这是保证PID控制有效的重要环节。生产中要根据产品状况或者定期进行检定。

5    系统软件

        系统的控制软件主要由模拟量测量主程序、主控程序、控制功能子程序、驱动程序及数组文件等构成。模拟量测量和计算变量主程序定时启动后,根据测量点的类型（测量值和计算变量等）、检测时间间隔及检测顺序来安排逐个测量。把生产过程的测量信号采入计算机,存入相应文件中,把计算变量（即那些需经过计算处理后方能使用的变量值）存入另一数组文件中。主控程序依次对多个控制回路的采样、运算、输出、执行控制进行调度,以完成对工艺过程的自动调节。控制功能子程序受主控程序调度,具体完成调节规律运算、运算结果输出和运算偏差报警等。偏差报警子程序受PID算法子程序控制,用于检查在PID算法子程序执行过程中,偏差值等参数是否超出规定范围。若超出规定范围,需要给出报警信息时,该子程序就调用另一子程序,把报警信息存入相应的数组文件中以备用。控制过程中,测量主程序和主控程序根据需要调用各种功能子程序,各程序频繁地与各有关数组文件交换信息,以完成对生产过程的采样、控制规律运算和控制操作。

        测量主程序通过巡回检测,把生产过程的模拟测量值采入计算机,存入相应数组文件中。然后测量主程序调用变量计算子程序进行计算,将计算结果存入有关数组文件中。主控程序对控制周期（从短周期到长周期）进行扫描。当扫描到某回路控制时,主控程序访问有关文件。查询该控制回路的测量值是否处于在线状态或报警状态。如果该回路不处于在线状态或报警状态,则都暂不进行控制。如果是在线,但不处于报警状态,则主控程序访问有关数组文件后,调用该回路的PID算法子程序。然后主控程序又去执行对其它回路的操作。驱动程序寻找各个时刻应该进行控制的通道号,即寻找输出地址,找到输出地址后,就从有关数组文件中取出计算变量,经过换算后产生PWM的数值并写入到相应的定时器中,驱动该地址所对应控制回路的执行机构SSR,操纵执行机构动作完成调节任务。

6    结束语

        利用计算机实现非自动化立式注塑机料筒温度的在线控制,并与速度、压力控制共同形成完整的闭环控制系统,具有系统稳定、可靠性高、控制温度精确、硬件电路简单、成本低廉以及整机自动化程度较高等特点,适合老旧立式注塑机改造,解决了旧立式注塑机在使用中存在的问题,提高了产品质量。整个系统能根据原料及产品的特点对立式注塑机的工艺进行控制,对温度、压力、位置等连续变量进行闭环控制;对行程、阀门、泵等开关量进行逻辑顺序控制。系统连续运行良好,操作方便,最大超调量不到3℃,静差小于±2℃,产品合格率达到99%。