（检测技术与自动化装置专业论文）液压式注塑机通用控制器的研究与开发.pdf

中文摘要 摘要 近年来汽车、家用电器、建筑、食品、医疗卫生等产业对塑料制品的需求日 益增长，促进了塑料加工设备的发展，作为塑料成型加工设备中的主要设备 注塑机更是有了长足的进步。随着现代注塑机向复合化、大型化和智能化趋势发 展，其对控制系统要求也越来越高，但是国内自行研制的注塑机控制器性能和功 能却落后于国外先进产品。 本文结合国家高技术产业化项目“注塑机控制器”，对液压式注塑机通用控 制器进行了大量的研究，也取得了良好的效果，所设计的控制器满足了大部分液 压式注塑机的控制需求，同时使控制器整体性能达到国外先进注塑机控制器的同 等水平，局部性能甚至优于国外先进注塑机控制器。 本论文主要从以下几个方面对控制器研究工作和有关结果进行了阐述： 1 概述注塑机的行业现状及注塑技术的发展趋势，论述注塑控制技术的发 展历程及其现状。 2 描述目前注塑机控制系统的主要结构，提出液压式注塑机对控制系统的 需求。在借鉴国内外先进控制器的成果基础上，本文进行了液压式注塑 机通用控制器的总体方案设计。 3 介绍注塑机的基本及特殊工艺流程，设计这些工艺流程的控制策略。基 于注塑需求分析，设计自动注塑的控制方案。分析工艺参数对制品质量 的影响，并设计制品质量控制策略。这部分是本人研究工作的重点。 4 着重研究了注塑机的料管温度对象系统，指出其非线性、大滞后、强耦 合等特性，并针对这些特性，提出基于解耦机制的注塑机料管温度单回 路控制方案，探讨了相应的控制策略。这部分是本人研究工作的难点。 5 分析注塑机操作人员对控制器的人机交互需求，设计人机交互系统。该 部分章节有实际效果图。 6 针对注塑机控制器在内部控制和外部数据交换的通信要求，设计和实现 了相关的通信控制方案。 关键词：注塑机控制器注塑成型工艺温度解耦控制人机交互 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep l a s t i cm o l d i n ge q u i p m e n ti sg r o w i n gr a p i d l ys t e p p e db yt h e i n c r e a s e o fa p p l i c a t i o no fp l a s t i ci ni n d u s t r i e ss u c ha sa u t o m o b i l e ，h o m ee l e c t r i c a p p l i a n c e s ，b u i l d i n g ，f o o d s ，m e d i c i n ea n de t c t h ep l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ， a st h em a i ne q u i p m e n to fp l a s t i cm o l d i n g ，h a sm a d eg r e a tp r o g r e s s p l a s t i ci n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n ei sb e c o m i n gc o m p l e x ，l a r g e s c a l ea n ds m a r t e r , a n di t sd e m a n do f c o n t r o ls y s t e mb e c o m es t r o n g e ra n dh i g h e r m u c hr e s e a r c ho ng e n e r a lc o n t r o l l e ro fh y d r a u l i cp l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ei s b e i n gd o n et h r o u g hm yp a s tt w oy e a r s ，a n dt h er e s u l ts o u n d sw e l l t h ed e s i g n e d c o n t r o l l e rh a ss a t i s f i e dt h em a j o rc o n t r o ld e m a n do fh y d r a u l i cp l a s t i ci n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n e i t s o v e r a l lf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eh a v el e v e l e du pt ot h e o v e i s e a sa d v a n c e do n e sa n ds o m ep a r t i c u l a ri t e m se x c e e d e d t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dr e s u l to ft h i st h e s i sa r el i s t e da sf o b o w ： 1 t h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h ep l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ei n d u s t r yi s d e s c r i b e d ，a l s od e v e l o p m e n tt r e n do fp l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y t h e h i s t o r ya n ds t a t u s o fc o n t r o l l e ro fp l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ea r e s u m m a r i z e d 2 t h em a i ns t r u c t u r eo fp r e s e n tp l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m i si n t r o d u c e d ，a n dt h eh y d r a u l i cp l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e d e m a n dt o c o n t r o l l e ri sp u tf o r w a r d b a s eo nt h er e f e r e n c et ot h ea d v a n c e dc o n t r o l l e r s ， o v e r a l ld e s i g no ft h eg e n e r nc o n t r o l l e ro fh y d r a u l i cp l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n ei ss h o w n 3 b a s i cs t e p so ft e c h n i c a lf l o wo fp l a s t i ci n j e c l i o nm o l d i n gm a c h i n ei st a k e no u t w i t hs p e c i a ls t e p s ，a n dt h e i rc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ea n a l y z e d b a s eo nt h e d e m a n do fp l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n g ，c o n t r o lm e t h o do fa u t o m a t i ci n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e d u r ei s f o r m e d t h ea f f e c to ft e c h n i c a lp a r a m e t e r so np r o d u c t q u a l i t yi sc o n s i d e r e d ，a n ds t r a t e g i e so fq u a l i t yc o n t r o la r ed e s i g n e d 4 t h er e l a t e dc o n t r o ls c h e m ei sd i s c u s s e dt os o l v es u c hp r o b l e m sa sn o n l i n e a r ， i i 英文摘要 l a ga n dc l o s ec o u p l i n gc h a r a c t e r so fm a t e r i a lp i p e st e m p e r a t u r ea f t e rr e s e a r c h a c o n t r o ls t r a t e g yo fm a t e r i a lp i p e st e m p e r a t u r e ，s i n g l el o o pw i t hd e c o u p l i n g f u n c t i o n ，i sp r o p o s e d 5 t h ed e m a n do fc o n v e n i e n th u m a nm a c h i n ei n t e r f a c eb yo p e r a t o ro ft h e m a c h i n ei sr e v i e w e d ，a n di tc o m e st r u ei no u rc o n t r o l l e r s o m ea c t u a ld i s p l a y s c o p i e df r o mo u rc o n t r o l l e ra r es h o w n 6 r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o ni sd e s i g n e dt om e e tt h en e e do fi n t e r i o rd a t a e x c h a n g ea n de x t e r i o ri n f o r m a t i o nt r a n s p o r t a t i o n k e y w o r d s ：c o n t r o l l e ro fp l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，i n j e c t i o nm o l d i n g t e c h n o l o g y , d e c o u p l i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e i i i 第1 章绪论 1 1 引言 第一章绪论 塑料成型技术是把粉状、粒状或液状树脂及添加剂等原料加工成具有一定使 用价值制品的一种技术。塑料制品的质量与成型技术密不可分。塑料成型方法主 要有压缩模塑、传递模塑、挤出成型、吹塑成型、注射成型和热成型六种n 其 中，注射成型又称注射模塑或注塑，是热塑性塑料成型的重要方法，注塑制品已 占塑料制品总量的3 0 以上【2 j ，注塑机是采用注射成型技术的塑料成型加工设备， 属于塑料机械的范畴。 近几年我国的塑料机械行业发展迅速，其发展速度与所创主要经济指标在机 械工业的1 9 4 个行业中名列前茅。塑料机械年制造能力约2 0 万台，门类齐全，在 世界排名第一t 3 l 。注塑机是我国塑料机械的主要品种之一，占塑料机械总产值的 3 8 1 4 j 。现代注塑机的发展趋势是要向着组合结构、专用化、系列化、标准化、 复合化、微型化、大型化、个性化、智能化方向发展，同时还要满足节能、节材、 高效的要求，以适应塑料制品加工企业节约成本的需要吼 随着注塑机的发展，其对控制系统的要求也越来越高，因此国内外众多注塑 机生产厂家、控制器厂商和科研机构一直在努力研制各种注塑机控制系统，以满 足日益增长的注塑控制需求。 本章的主要任务是概述注塑机的行业现状及注塑技术的发展趋势，论述注塑 控制技术的发展历程及其现状，介绍课题的研究背景，规划本文研究工作的主要 内容并提出本文的研究目标。 1 2 注塑机 注塑机按其锁模装置特征可分为机械式、全液压式、全电动式以及电动液压 复合式四种。全液压式注塑机的主要特点是锁模过程受力均匀、锁模重复精度高、 磨损非常小，是目前国内注塑机的主流，因此本文控制器的研究工作主要是围绕 全液压式注塑机进行的。 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 注塑机基本组成 注塑机一般由机架部分、锁模装置、注塑装置、液压传动和电气控制系统等 组成： 1 ) 机架部分：是注塑机的基体，其主要由优质钢板焊接而成。机架部分的 主要功能是为锁模装置、注射装置和液压传动系统等提供支撑，一般要 求机架刚性好、震动小、牢固、平稳【6 l 。 2 ) 锁模装置：是注塑机的关键部分，其主要由动模板、定模板、拉杆、锁 模机构、制品顶出装置和安全门等组成【6 】。锁模装置的主要功能是实现模 具启闭和制品顶出。 3 ) 注射装置；是注塑机的关键部分，其主要由料管、注射螺杆、注射油缸、 加热装置、座台移动油缸、预塑油马达和温度检测元件等组成 6 】0 注射装 置的主要功能是使塑料均匀地塑化，并以足够压力和速度将定剂量的 熔料注射到锁紧的模腔内。 4 ) 液压传动系统：是注塑机的核心部件，其主要由油泵、油缸控制阀以及 附属装置等组成i6 1 。液压传动系统的主要功能是为注塑机提供动力。 5 ) 电气控制部分：是注塑机的重要组成部分，其主要由电源、控制器、加 热及检测元件、执行机构等组成【6 】，其中控制器的性能直接影响注塑制品 质量。 1 2 2 注塑机行业现状 注塑机的发展依赖于塑料原料工业、塑料制品加工工业的发展。近年来由于 汽车、建筑、家用电器、食品、医药等产业对注射制品日盏增长的需要，推动了 我国塑料工业的飞速发展。随着塑料工业的发展，我国塑料机械工业的发展也很 迅速，年增长率达到3 0 4 0 ，是我国机械行业中增长最快的产业之一。 注塑机是塑料成型加工机械的主要种类，2 0 0 4 年我国塑料机械的产值大约在 1 5 0 2 0 0 亿元之间，而其中的注塑机产值就占5 0 以上，注塑机在我国塑料机械 工业中的重要地位可见一斑i 5j 。从美国、日本、德国、意大利、加拿大等主要生 产国来看，注塑机的产量都在逐年增加，在塑料机械中占的比重最大。 2 第1 章绪论 1 2 3 注塑技术的发展趋势 注射成型总的发展趋势是向精密、节能、自动化、薄壁化和微型化发展【7 1 ， 其主要有以下几个新方向【8 1 ： 1 ) 复合化注射成型技术：这种技术是多种工序或技术的集成，根据工艺需 求，将多种注射成型技术融为一体； 2 ) 超高速注射成型技术：超高速注射成型是指熔料射出时注射螺杆前进速 度在5 0 0 1 0 0 0 m m s 之间的注射成型技术： 3 ) 薄壁注射成型技术：其成型方法有高压高速充模成型、高速低压充模成 型等，这类技术主要是控制熔料充模的注射压力和注射螺杆速度； 4 ) 三维m i d 注射成型技术：通过使用导电树脂和非导电树脂两种材料将电路 制成成型制品： 5 ) 模头滑动注射成型技术：这是一种三维中空成型制品一次成型的独特的 成型方法，典型的制品是汽车发动机的进气歧管和中空制品； 6 ) 水辅注射成型技术：水注射成型是用冷水取代氮气进行加工的，可以比 气辅注射成型得到壁厚更薄的制品，同时也可以生产大型空心制品。 1 3 注塑机控制技术 1 3 1 注塑控制技术的发展历程 注塑机控制技术历经了继电器控制和可编程控制器控制及专用计算机控制 的发展过程【9 】： 1 ) 传统继电器控制系统包括传统的继电器控制箱、由数码一电压转换器组 成的典型控制柜、信号检测及输出控制线路等。 2 ) 可编程控制系统是以可编程控制器( p l c ) 为核心构造的控制系统。p l c 能 完全代替电气系统中的继电器部分，同时具有模拟量闭环控制等功能， 并且通过基于液晶或数码显示管的入机接口，操作者可以修改工艺参数， 监测生产过程。 3 ) 专用计算机控制系统是以微机或工控机为核心并基于采集的注塑机信息 3 浙江大学硕士学位论文 对注塑过程进行决策控制。这类专用控制系统可以实现预设的控制策略， 满足各种特定的注塑需求，同时拥有友好的人机界面，可以存储大量模 具资料。 1 3 2 注塑控制技术的现状 现代注塑机的控制系统主要有基于可编程控制器的控制器和专用计算机控 制器两种类型。基于可编程控制器的控制器核心是可编程控制器，其由输人、输 出装置、编程器和中央处理单元组成，在可编程控制器基础上加入人机界面等单 元，提供键盘等操作者输人接口及液晶屏等操作者监控接口。专用计算机控制器 以微机或工控机为核心构造控制系统，其针对性强、可靠、反应灵敏、运行速度 快，适合高精度注射成型。 目前国外注塑机控制器主要有可编程控制器和专用计算机控制器两种【l o - “】， 前一类控制器的核心是通用可编程控制器，这类控制器继承了可编程控制器的强 大功能，同时构建了基于触摸屏或液晶屏的友好人机界面，因此成为注塑机控制 器的主流之一。但这类控制器以通用可编程控制器为核心也使得其在针对性和控 制策略实施等方面略显不足。同时，国外注塑机厂商和控制设备制造商也一直致 力于研制专用计算机控制器，这类产品中主要分成微机控制器和工控机控制器两 类。微机控制器以微机为核心，目前这类控制器的主流产品都采用多处理器结构 和多板式设计，其微处理器采用了功能强大的a r m 单片机和d s p 处理器以满足高 速信号采集和控制运算需求。工控机控制器以工控机为核心，基于工控机的强大 处理功能，可以实现各类复杂的控制方案。 目前国内注塑机控制器的主流产品是科研院所、大专院校以及台湾鸿讯、香 港珊星等公司研制的各具特色的专用计算机控制器f 1 5 l 。这类产品控制器以微机为 核心，主要有两大类型：单机系统和多机系统。单机系统采用单处理机结构和单 板式设计，将信息的采集、转换和运算融为一体，提供简易的操作界面和直观的 监控画面。多机系统采用多处理机结构和多板式设计，将功能进行分配，若干 c p i j 独立完成相应的工作。这两类控制器的体系结构各有特点，基本能够满足不 同层次的需求。 4 第1 章绪论 1 4 研究背景 我国注塑机控制器的主流是航天部6 3 4 所、华南理工大学、上海交通大学、 西北工业大学、西北轻工业学院、哈尔滨工业大学及浙江大学等科研院所和大专 院校等研制的控制设备【1 5 】，这些控制器各具特色，基本上能够满足不同层次的需 求。同时台湾弘讯、香港珊星等公司开发的控制器也在我国注塑机控制器市场中 占有定份额。 然而与国外先进控制器相比，我们的控制器性能和功能方面都有不小差距。 因此，我国注塑机的控制系统大部分采用德国西门子、美国b b c 、奥地利贝加莱、 日本富土等公司开发的注塑机控制器。 在这种背景下，浙江中控自动化仪表有限公司承接了国家高技术产业化项目 “注塑机控制器”，本文结合这个课题，进行液压式注塑机通用控制器研究工作。 1 5 研究内容 本文的主要研究对象是液压式注塑机，作者针对液压式注塑机的特点及其对 控制系统的要求，在目前国内外先进注塑机控制器已取得成果的基础上，进行了 液压式注塑机通用控制器的研究工作。 本文将从以下几个方面展开控制器的研究： 1 ) 设计控制器总体方案，这部分是本文研究工作的基础。目前国内外先进 注塑机控制系统已取得的成果是这部分设计工作的借鉴对象，液压式注 塑机对控制系统的需求是设计的基础。在这两个前提下，本文将进行控 制器硬件和软件方案的设计； 2 ) 研究注塑工艺流程控制策略。这部分是本文研究工作的重点。注塑工艺 流程是注射成型技术的载体，工艺参数是影响制品质量的重要因素。基 于注塑工艺流程分析，本文将进行各个工艺流程的控制策略的研究及自 动注塑控制策略的研究工作： 3 ) 研究注塑机料管的温度控制策略。这部分是本文研究工作的难点。注塑 机的料管温度系统是典型的非线性、大滞后和强耦合的多变量系统。针 对料管温度对象系统特性，本文将进行温度控制策略的研究工作。 5 浙江大学硕士学位论文 4 ) 设计友好的人机界面。人机交互需求是这部分工作的基础，基于需求分 析，本文将展开人机交互系统的设计工作： 5 ) 研究可靠的通信控制策略。这部分研究工作是控制器可靠运行的重要保 障。在控制器内部以及控制器与外界问存在大量数据交换的需求，本文 将基于这些需求分析进行通信控制策略的研究。 6 ) 展望下步的工作。本文最后将介绍控制器的调试情况，并探讨今后的 工作方向。 1 6 研究目标 本文的研究目标是使液压式注塑机通用控制器能满足大部分液压式注塑机 的控制需求，同时整体性能达到国外先进注塑机控制器的同等水平，局部性能优 于国外先进注塑机控制器。 围绕这个总目标，本文规划各部分研究工作的目标如下： 1 ) 控制器总体方案的设计目标：满足大部分液压式注塑机信号处理的需求， 满足各种先进控制算法对控制运算、数据存储等方面需求，为人机交互 策略及通信控制的实现奠定基础。 2 ) 注塑工艺流程控制策略的研究目标：满足大部分液压式注塑机的工艺流 程控制需求并支持部分应用较广的特殊工艺流程控制；满足大部分液压 式注塑机的制品质量控制霈求；流程动作的位置控制精度优于i m m 。 3 ) 注塑机料管温度控制策略的研究目标：满足大部分液压式注塑机的温度 控制需求，温度控制的稳态精度优于2 ，最大超调量l o9 c ，过渡时 间3 0 m i n 。 4 ) 人机界面的设计目标：界面友好，提供直观的操作方式和监控界面，能 满足操作者数据存储管理的需求。 5 ) 通信控制策略的研究目标：满足控制器内部以及控制器与外界间大量的 数据交换需求，保证信息交换的实时性和可靠性。 6 第2 章控制器总体设计 2 1 引言 第二章控制器总体设计 目前国内外注塑机控制器主要有可编程控制器和专用计算机控制器两种，前 一类控制器以通用可编程控制器为核心使得其在针对性和控制策略实施等方面 略显不足。专用计算机控制器主要分成微机控制器和工控机控制器两类，微机控 制器以微机为核心，采用单处理器结构或多处理器结构。工控机控制器以工控机 为核心，基于工控机的强大处理功能，可以实现各类复杂的控制方案。 在这部分工作中，本文主要任务是分析注塑机对控制系统的需求，并在国内 外先进控制器已有成果基础上，提出液压式注塑机控制器的硬件和软件方案，为 本文后面工作奠定基础。 2 2 需求分析 信号采集、控制运算和信号输出是控制器基本功能，本小节基于控制器的三 个基本功能对注塑系统进行了特性及其控制需求分析。 2 2 1 信号处理需求 注塑机系统是复杂的电液混合系统，如何正确获取可靠的注塑机状态信息并 正确可靠地输出控制信号是控制器正常工作的基本条件。 注塑机系统主要有两类信号：模拟信号和数字信号。模拟信号主要为注塑机 的电子尺信号、温度信号和比例阀信号。电子尺信号指示了注塑机动模板、螺杆、 顶针等装置的当前位置，注塑机一般有2 4 把电子尺。温度信号指示了注塑机 的料管及液压油的当前温度值，注塑机一般有3 8 段温度信号。比例阀信号指 示了注塑机流量比例阀、压力比例阀、背压比例阀等装置的信息，注塑机一般有 2 3 个比例阀。数字信号主要为注塑机的行程开关信号、电眼信号、油阀信号 和接触器信号。行程开关信号为注塑机对装置行程进行限制保护设备的信号，注 塑机一般有1 5 3 0 个行程开关信号。电眼信号主要用于检测成品脱落和调模脉 冲，注塑机一般有2 4 个电眼信号。油阀信号用于控制注塑机油缸的启闭，注 7 浙江大学硕士学位论文 塑机一般有1 0 2 5 个油阀信号。接触器信号用于控制接触器的开关，注塑机一 般有3 1 0 个接触器信号。 信号处理是注塑机控制器需要满足的基本功能，控制器要能以期望的精度进 行模拟信号采集并输出运算后的信号，同时正确地获取注塑机的开关量信号，并 正确可靠控制油阀及接触器的启闭。 2 2 2 控制运算需求 控制运算模块是控制器的大脑，如何基于获取的注塑机信号辨识出复杂电液 混合注塑系统的状态是控制器的关键。本小节基于一般液压式注塑系统的特性分 析，提出了注塑系统在性能、功能及可靠性三个方面的需求。 1 ) 功能需求 a ) 工艺流程控制：要求控制器能基于采集的信号正确辨识出注塑机的状态， 并按用户需求可靠精确地执行期望的工艺流程。一般要求控制器提供手 动和自动两类工艺流程控制方式，其中，自动方式中一般又要求细分分 成半自动、电眼自动和时间全自动三种控制方式。手动方式时，要求控 制器能晌应用户选择的特定工艺流程： b ) 温度控制：要求控制器能基于采集的温度信号以一定精度将料管温度控 制在用户设定的期望值附近； 0 故障诊断：要求控制器能基于获取的信号辨识出当前注塑机状态，并进 行故障诊断。在故障发生后，控制器能根据不同故障的危险等级以不同 报警方式提醒用户； d ) 人机交互界面：要求控制器提供用户友好的交互界面，引导用户进行正 确可靠的操作。这方面的需求主要分为注塑过程监控及工艺参数设置两 部分。过程监控界面需要控制器提供注塑机的当前状态信息，如当前注 塑动作、注塑速度、注塑压力等，并提示用户控制系统产生的故障报警， 引导用户进行正确的操作。参数设置界面需要控制器提供用户设置工艺 参数的接口并对参数的合理性进行判断，以保证安全： e ) 数据管理：要求控制器能根据用户需求存储、读取特定的注塑机状态信 息、工艺参数、报警状态等，并对这些参数进行分析处理已保证信息的 8 第2 章控制器总体设计 正确性。 2 ) 性能需求 a ) 最快控制运算周期可达5 2 0 m s ，以满足高速注塑要求； b ) 工艺流程控制可重复定位精度优于l m m ，以保证连续制品质量； c ) 温度控制：稳态精度优于2 c ，最大超调量1 0 ，过渡时间 、3 0 m i n ； d ) 实时显示注塑过程，滞后时间不超过1 s ； e ) 工艺流程控制可根据需求灵活组态。 3 ) 可靠性需求 可靠性是控制器正常工作的首要前提，注塑机可靠性需求有以下几个方面： a ) 电源干扰：要求控制器能在恶劣的电网环境下正常工作； b ) 电磁干扰：要求控制器能最大程度地抑制或消除电磁干扰的影响； c )容错控制：要求控制器有容错控制措施，以保证控制系统能从系统掉电、 故障发生等错误中恢复正常运行。 2 3 硬件设计 基于注塑机对象系统的需求分析，并借鉴了国内外先进控制器已取得的成 果，本章决定采用专用计算机控制器的设计思路，以高性能的单片机为核心，采 图2 1 控制器的硬件框图 9 浙江大学硕士学位论文 用多处理器结构和多板式设计，其整体硬件方案如图2 1 所示。 控制器主要有两个相对独立部分：操作面板和主控制板。操作面板主要是满 足人机交互、模具资料管理、内部通信及远程访问控制等功能需求以及响应速度 等性能需求。主控制板主要是满足信号处理的方面需求以及工艺流程控制、温度 控制、信号处理、内部通信等功能需求和高速注塑、高精度控制等性能需求。操 作面板与主控制板通过标准接口进行通信。 在这种设计方案中，操作面板和主控制板可基于共同的通信接口进行独立设 计，从而使控制器具各了良好的扩展性。 2 3 1 操作面板 操作面板主要由处理器、c p l d 模块、存储模块、显示模块、按键模块、c f 卡模块、内部通信模块和远程通信模块等组成。 1 、处理器 处理器是操作面板的核心，其负责与c p l d 模块的数据交互、数据存储控制 和内外部通信控制因此处理器的性能直接影响到整个操作面板的性能。 a t m e l 公司的a t 9 1 系列微控制器是基于a r m t t d m i 嵌入式微处理器的1 6 3 2 位微控制器。a r m 7 t d m i 微处理器用高密度的1 6 位指令集实现了高效的3 2 位r i s c 结构，且功耗很低。同时，a t 9 1 系列微控制器使用a t m e l 公司的高密度c m o s 技 术，通过在一个单片上集成a r m 7 t d m i 和大量的f l a s h 程序存储器、片内r a m 以 及各种外围功能模块。a t 9 1 m 4 0 8 0 0 是a t 9 1 系列中价格最低的成员。它包含8 k b 的s d r a m ，外部总线接口e b i 和定时器、u s a r t 、中断控制器等外围部件。同时， a 1 9 1 m 4 0 8 0 0 内核a r m 7 t d m i 处理器的性能使其可由软件实现d m a ，s p i 和i s 0 7 8 1 6 接口等附加的外围功能【。 基于a t 9 1 m 4 0 8 0 0 的高性价比以及操作面板的性能需求，本章选择该单片机 作为操作面板的处理器。 2 、存储模块 由于a t 9 1 m 4 0 8 0 0 内部只有8 k b 的s d r & m t l 6 ，而操作面板在程序运行时需要 大量存储空间，同时在人机交互、模具管理等过程涉及大量数据存储，因此需要 对操作面板的存储进行扩展。 1 0 第2 章控制器总体设计 一一一 基于不同的数据存储需求，本章设计的存储模块主要由f l a s h 存储器、s d r a m 存储器和r a m 存储器组成。其中f l a s h 存储器用于存放操作面板程序代码：s d r a m 存储器用来存放模具参数、组态参数等数据，通过电池供电来保证系统掉电时数 据不丢失：r a m 存储器作为显示模块的显示缓存。 3 、c p l d 模块 c p l d 是复杂可编程逻辑器件，它是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起 来的。同以往的p a l ，g a l 等相比较，c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至 几千块通用i c 芯片。c p l d 主要的优点有【1 7 4 8 】： 1 ) 规模越来越大，实现功能越来越强，同时可以实现系统集成； 2 ) 研制开发费用低，不承担投片的风险，使用方便： 3 ) 可通过开发工具在计算机上完成设计，电路设计周期短： 4 ) 设计人员无需了解很深的i c 知识，e d a 软件易学易用； 5 ) c p l d 系统成熟后，可以进行a s i c 设计，形成批量生产。 因此本章在设计过程中充分吸收了c p l d 优势，在c p l b 上设计集成了s b r a m 的地 址译码模块、显示控制模块、按键处理模块和c f 卡的控制模块。 4 、显示模块 显示模块采用了7 英寸大屏幕彩色液晶显示屏，液晶显示控制器为集成在 c p l d 上的显示控制模块，背光电源根据显示屏参数自行搭建【。 5 、按键模块 按键模块共有6 4 个按键，按键识别、按键状态、按键消抖等处理由集成在 c p l d 上的按键处理模块进行。 6 、c f 卡模块 c f 模块提供了标准c f 存储接口，其对c f 卡的读写控制由集成在c p l d 上的 c f 卡控制模块进行。 7 、内部通信模块 内部通信模块主要由a t 9 1 m 4 0 8 0 0 可编程串口和标准r s 4 8 5 接口芯片组成。 8 、远程通信模块 远程通信模块通过标准网络芯片接入以太网，并由处理器处理网络信息。 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 主控制板 主控制板主要由处理器、d a 模块、a d 模块、d 0 模块、d i 模块和通信模块等 组成，其中d a 模块、a d 模块、d 0 模块和d i 模块是信号处理的硬件平台。 1 、处理器 处理器是主控制板的核心，控制器的所有控制功能都是围绕它展开的。因此 处理器的性能直接影响着控制器的性能。p h i l i p s 公司的l p c 2 1 3 8 是基于 a r m t t d m i s 的高性能3 2 位r i s c 微控制器，集成了t h u m b 扩展指令集，5 1 2 k b 可 在系统中编程( 1 s p ) 的片内f l a s h 和在应用中编程 l a p ) 的3 2 k br a m ，向量中断 控制器。2 个u a r t ，2 个1 2 c 串行接口，2 个s p i 串行接口，2 个定时器( 7 个捕获 比较通道) ，p w m 单元可提供多达6 个p w m 输出，1 6 通道1 0 位a d c ，实时时钟，看门 狗定时器，4 8 个通用i o 引脚。c p u 时钟高达6 0 m h z ，片内晶体振荡器和片内 p l l 2 0 l 。 l p c 2 1 3 8 的大容量片内f l a s h 、高达6 0 m h z 的c p u 时钟和丰富的外围部件使 其成为主控制板处理器的理想选择。 2 、d a 模块 d a 模块主要由三路电压输出和电流输出通道组成，用于控制比例阀，采用 1 2 位d a 输出。当为电流输出时，驱动电流可达0 2 4 a ，电阻：1 0 4 5 欧母， 功率：2 5 w ；当为电压输出时，输出电压为o h l o v ，输出阻抗为l m 。d a 模块通 过光电耦合器进行隔离。 3 、a d 模块 a d 模块主要由4 路电子尺采集通道和8 路温度热电偶信号采集通道组成。电 子尺采集通道采集分辨率可达0 1 m m ，采样时间小于l m s ；热电偶信号采集通道 采样进度0 5 度，分辨率0 1 o 2 度。a d 模块通道通过光电耦合器进行隔离。 4 、d o 模块 d o 模块主要由2 4 路开关量输出通道和1 4 路继电器输出通道组成。开关量输 出通道的能力为2 a 2 4 v 。d o 模块通道通过光电耦合器进行隔离。 5 、d i 模块 o i 模块主要为3 2 路开关量输入通道。d i 模块通道通过光电耦合器进行隔离。 6 、通信模块 】2 第2 章控制器总体设计 内部通信模块主要由l p c 2 1 3 8 的可编程串口和标准r s 一4 8 5 接口芯片组成。 2 4 软件设计 控制器的操作部分与主控制板是两个相对独立部分，因此本小节在共同的内 部通信协议规范以及各自的硬件平台下，进行两部分软件的设计工作。 2 4 1 操作面板 操作面板的软件编译环境为a r m t h u m bs o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l k i t 。操 作面板软件主要由监控模块、按键处理、模具管理、参数设置模块和通信模块等 软件模块组成，其结构框图如下图所示； 图2 2 操作面板的软件框图 1 、监控模块 监控模块是操作者对注塑机进行监控的窗口，为了让操作者正确了解注塑机 的运行情况，监控模块提供了注塑机控制器的控制模式信息、注塑机的动作信息、 注塑机动作的压力、注塑机动作的速度、注塑机动模板的位置、注塑机顶针的位 置、注塑机螺杆的位置、注塑机螺杆的转速和控制器的报警信息等。同时，监控 模块实时模拟机器当前的动作，让操作者获得直观的注塑机信息。 2 、按键处理 按键处理模块支持8 * 8 的键盘，设计了7 个画而选择键、1 个翻页键、o 9 1 3 塑婆奎兰堡主堂垡堡壅 数字按键和小数点键、4 个方向键、1 个确认键、1 个删除键、1 个语言切换键、 4 个控制模式切换按键、2 3 个手动操作按键、3 个模具调整按键和备用按键。 3 、模具管理 模具管理模块主要为管理与模具配套的配方参数，即将当前模具号参数保存 到存储模块f l a s h 中，或从f l a s h 中读取特定模具号的参数，其最多可管理9 9 9 套模具配方参数。 4 、参数设置 参数设置模块为操作者提供了修该当前模具配方参数的接口，模具配方参数 主要有：功能类参数、动模板类参数、模具调整类参数、注射类参数、脱模类参 数和温度类参数等。 5 、c f 卡管理 c f 卡管理模块主要提供c f 卡文件系统驱动、检测c f 卡的状态、读取c f 卡 中模具配方参数和保存模具配方到c f 卡等功能。 6 、通信模块 通信模块主要由内部通信和远程通信两部分组成。其中，内部通信模块根据 内部通信协议通过r s 一4 8 5 串行口与主控制板进行数据交换；远程通信通过标准 网络接口芯片接入i n t e r n e t ，为远程用户访问提供应用服务。 2 4 2 主控制板 主控制板的软件开发环境为k e i lu v 3 ，编译环境为a r d e v e l o p e rs u i t e 。 图2 3 主控制板的软件框图 1 4 第2 章控制器总体设计 主控制板软件主要由数据管理模块、控制模块、信号处理模块、容错处理模块和 通信模块等软件模块组成，其结构框图如图2 3 所示。 l 、信号处理模块 信号处理模块主要负责注塑杌状态信号的采集并输出控制信号，其主要由电 子尺模拟信号采集、温度模拟信号采集、系统动力输出、开关量采集和开关量输 出等组成。 1 ) 电子尺模拟信号采集：采集电子尺的信号并根据电子尺设定长度等参数 转换成相应装置的位置。为满足高速控制要求，程序每5 m s 完成一次电 子尺信号采集和位置运算。在慢速运动时采集运算精度优于0 。1 r a m ； 2 ) 温度模拟信号采集：采集料管各段的热电偶信号并转换成相应段的实际 温度值，程序每0 5 s 完成料管各段的热电偶信号采集及温度运算，采样 运算精度优于- - _ + 0 1 度 3 ) 系统动力输出：输出系统压力比例阀、系统背压阀和系统流量阀的控制 信号，其电压输出精度为2 m v ，电流输出精度为l m a ； 4 ) 开关量采集：处理器用查询和中断两种方式进行开关量采集，以满足实 时性需求。同时为满足高速控制的需求，查询时开关量采集周期为5 m s ； 5 ) 开关量输出：输出经过运算的控制动作，在高速控制过程中，开关量的 最快输出周期为5 m s 。 2 、控制模块 控制模块是控制器控制策略台勺实现模块，其主要由工艺流程控制和温度控制 两部分组成。工艺流程控制主要功能为控制各个工艺过程、实现注塑工序的自动 控制并提供质量控制；温度控制主要功能是控制注塑机的料管各段温度在期望时 间内达到设定的期望值，以保证注塑制品质量。 3 、数据管理模块 数据管理模块主要负责保存和更新主控制板的版本信息、控制信息、注塑机 信息、当前模具信息和系统标定信息等。 1 ) 版本信息：标识主控制板程序版本的信息。由于主控制板与操作面板相 对独立，因此需通过版本信息来同步更新控制器这两部分的程序。版本 信息只在主控制板程序更新时才进行同步更新，操作面板只能获得主控 1 5 浙江大学硕士学位论文 制板的版本信息，无权修改此信息； 2 ) 控制信息：记录控制器策略、控制动作、控制输出等的信息。数据管理 模块只在操作面板发出对此类信息的请求时，从控制模块获取最新数据 并通过内部通信传递给操作面板；当系统掉电时，数据管理模块获取最 新控制信息并保存到f l a s h 中；当系统上电时，数据管理模块从f l a s h 中获取数据并更新； 3 ) 注塑机信息：包括注塑机的动作类型、动作压力、动作速度、动模板位 置、顶针位置、螺杆位置、螺杆转速等。数据管理模块在操作面板发出 对此类信息的请求时，从控制模块获取最新数据并通过内部通信传递给 操作面板；当系统掉电时，主控制板丢弃此类信息；当系统上电时，数 据管理模块从控制模块获取最新数据并通过内部通信传递给操作面板。 4 ) 当前模具信息：包括功能类参数、动模板类参数、模具调整类参数、注 射类参数、脱模类参数和温度类参数等。当用户通过操作面板修改模具 参数时，操作面板通过内部通信将数据传递给主控制板的数据管理模块 并由其进行数据更新；当系统掉电时主控制板丢弃此类信息；当系统上 电时数据管理模块通过内部通信从操作面板获得当前模具信息并更新。 5 ) 系统标定信息：主要为位置、温度等采集模块及动力输出模块的标定信 息。当系统掉电时，数据管理模块负责将信息转存到f l a s h 中；当用户 通过操作面板修改系统标定信息时，操作面板通过内部通信将数据传递 给主控制板的数据管理模块并将数据保存到f l a s h ；当系统上电时，数 据管理模块负责从f l a s h 中读取标定信息。 4 、报警管理模块 报警管理模块主要由故障检测、报警处理和报警操作三部分组成。 1 ) 故障检测：报警管理模块在信号采集、工艺流程控制和温度控制等模块 中嵌入故障检测单元，以实时检测注塑过程中可能出现的故障： 2 ) 报警处理：当故障检测单元检测到故障时，报警处理模块根据故障的危 险等级进行相应处理，并通过声光报警等措施提醒用户； 3 ) 报警操作：如果用户在预期时间内没响应报警处理单元发出的报警信号， 报警操作单元便按预设的动作进行关闭电机、电加热开关等操作，以保 1 6 第2 章控制器总体设计 证安全。 5 、通信模块 通信模块根据内部通信协议通过r s 一4 8 5 串行口与主控制板进行数据交换， 系统上电时，主控制板根据请求将控制类信息传递给操作面板板并从操作面板获 取当前的模具参数；运行过程中，主控制板根据请求向操作面板发送当前的实时 信息。 2 5 结束语 本章的设计目标满足大部分液压式注塑机信号处理的需求，满足各种先进控 制算法对控制运算、数据存储等方面需求，为人机交互策略及通信控制的实现奠 定基础。围绕这个设计目标，本章进行了控制器的硬件及软件方案的设计工作， 进行了主要硬件模块的设计，并基于硬件平台和控制需求规划了软件功能模块。 1 7 浙江