摘 要：軟 PLC是一種基于PC機(jī)的新的自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn), 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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(jī);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(jī)是目前廣泛應(yīng)用的高分子材料加工機(jī)械，目前在國內(nèi)大量使用的注塑機(jī)基本上是采用機(jī)械或液壓驅(qū)動(dòng)的，控制系統(tǒng)大多采用觸點(diǎn)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(dòng)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(gè)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(dòng)化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，通過軟件可以實(shí)現(xiàn)硬件PLC的功能，并能實(shí)現(xiàn)精確的電子齒輪和電子凸輪的高精度同步運(yùn)動(dòng)控制，即軟件PLC技術(shù)。它遵循IEC61131-3的國際標(biāo)準(zhǔn)。
采用軟PLC的典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是工控機(jī)加I/O接口加軟PLC軟件包。軟PLC產(chǎn)品是基于PC機(jī)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(diǎn)，利用軟件技術(shù)可將標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)和PLC的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)值處理、通信網(wǎng)絡(luò)等功能，通過一個(gè)多任務(wù)控制內(nèi)核，提供了強(qiáng)大的指令集、快速而準(zhǔn)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(luò)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(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全電動(dòng)注塑機(jī)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(dòng)注塑機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理
2.1全電動(dòng)注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)
全電動(dòng)注塑機(jī)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(jī)相比，采用了高精度控制性能的伺服電機(jī)和滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)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(jì)量裝置、傳動(dòng)裝置、注射電機(jī)及基座電機(jī)等組成。合模裝置實(shí)現(xiàn)模具的開閉,在注射時(shí)應(yīng)保證模具可靠地合緊。合模裝置主要由前后固定模板,移動(dòng)模板,連接拉桿,連桿機(jī)構(gòu),調(diào)模裝置,合模伺服電機(jī),脫模伺服電機(jī)組成。電氣控制系統(tǒng)提供動(dòng)力并使注射機(jī)按預(yù)定的工藝過程要求（壓力,速度,時(shí)間,溫度）和動(dòng)作順序工作。
圖1 注塑機(jī)系統(tǒng)組成示意圖
2.2 工作原理
注塑機(jī)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(dòng)操作 利用手動(dòng)操作可以進(jìn)行單步的調(diào)試，包括手動(dòng)設(shè)置開合模，手動(dòng)模高調(diào)整，螺桿的手動(dòng)操作，注射座的前后移動(dòng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)等。
（2）半自動(dòng)操作 按下半自動(dòng)操作按鈕，注塑機(jī)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(dāng)再次按下半自動(dòng)操作按鈕時(shí)，將開始下一次循環(huán)。
（3）自動(dòng)操作 完成一個(gè)注射和計(jì)量周期后，程序自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
全電動(dòng)注塑機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要解決三大問題：一是采用了伺服電機(jī)后如何保證高精度的運(yùn)動(dòng)控制，如何在程序中實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制、力矩控制以及這幾種控制之間進(jìn)行切換的問題。二是如何實(shí)現(xiàn)溫度、壓力模擬量的精確控制，來確保每個(gè)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(jì)人機(jī)界面來實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控、在線數(shù)據(jù)的修改、出錯(cuò)報(bào)警的處理、對錯(cuò)誤進(jìn)行及時(shí)的診斷及消除。
3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的硬件由工控機(jī)、SERCOS IO模塊、博士力士樂公司數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器以及伺服電動(dòng)機(jī)組成，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2：工控機(jī)作為上位機(jī)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(jī)、注射伺服電機(jī)、塑化伺服電機(jī)、脫模伺服電機(jī)按照編寫的程序運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)注塑過程中高精度的運(yùn)動(dòng)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(bào)警燈顯示當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀況和錯(cuò)誤報(bào)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(shí)現(xiàn)注塑過程中的精確溫度和壓力PID調(diào)節(jié)。
SERCOS運(yùn)動(dòng)控制總線符合開放式數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)和調(diào)試周期，同時(shí)使系統(tǒng)的可靠性大大提高。
3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
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(diǎn)在于它集成了邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制和可視化于一體。
CoDeSys是符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程工具。只要在計(jì)算機(jī)上安裝了CoDeSys SP RTE軟件，就可以成為一臺先進(jìn)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(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)可視化。可以用CoDeSys SoftMotion實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制編程，包括單軸運(yùn)動(dòng)到復(fù)雜的多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。
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(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，包括了運(yùn)動(dòng)主程序、手動(dòng)控制程序、半自動(dòng)控制程序、自動(dòng)控制程序、IO控制程序、溫度控制程序的設(shè)計(jì)
（1）任務(wù)設(shè)置
在程序任務(wù)中設(shè)置四個(gè)任務(wù) MotionTask 、TEMPCTRL、PressureRead、IOTask
如圖3所示：四個(gè)程序任務(wù)是并行的，根據(jù)設(shè)置的優(yōu)先級和周期掃描的時(shí)間，這樣就能保證邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制的不互相干擾。
圖3 任務(wù)配置圖
（2）運(yùn)動(dòng)主程序設(shè)計(jì)
運(yùn)動(dòng)主程序中主要由參數(shù)初始化、軸組上使能、電機(jī)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(yīng)的操作模式（手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)），主程序?qū)⒄{(diào)用相應(yīng)的處理程序（手動(dòng)控制程序、半自動(dòng)控制程序、自動(dòng)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(diǎn)為該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了軟PLC技術(shù)和SERCOS運(yùn)動(dòng)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(kuò)展性、可靠性、可維護(hù)性大大提高，最重要的是實(shí)現(xiàn)了注射的高速高精度以及短周期循環(huán)。經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，本控制方案達(dá)到了預(yù)期的效果，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn):
[1] 付應(yīng)紅,李曉帆等.軟PLC（SoftPLC）技術(shù)、產(chǎn)品及控制方案探討[J].微計(jì)算機(jī)信息 2000,5
[2]胡燕海等.注塑機(jī)主體結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)及其實(shí)例研究.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2004,6
[3]陳衛(wèi)福,楊建武.開放式數(shù)控系統(tǒng)及SERCOS接口技術(shù)應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社,2003.1
[4]CoDeSys User Manual