喬志杰，閆廣新

(1.安徽電子信息職業(yè)技術學院 機電工程學院，安徽 蚌埠 233000；2.中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830047)

塑料在各行各業(yè)中運用較多，作為生產(chǎn)塑料的設備，注塑機的加工動作經(jīng)常存在突變的速度變化工況，影響設備的穩(wěn)定使用，諸如射膠、座進等動作過程要求具有良好的變速性能，但傳統(tǒng)的注塑機，完全依靠液壓電磁鐵控制方式，硬件和回路復雜，不能及時有效地匹配注射壓力等參數(shù)，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時檢修困難。隨著現(xiàn)代生活對塑料成品的多元化消費需求，注塑機的生產(chǎn)控制迫切需要能夠機動調整。傳統(tǒng)注塑機控制系統(tǒng)接線復雜〔1〕，不便靈活改造，無法滿足多類別產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。變頻器可以靈活調整頻率，實現(xiàn)速度的柔性控制?；趥鹘y(tǒng)注塑機設備的速度控制局限性，對注塑機需要頻繁變速的部分進行變頻改造〔2〕，可實現(xiàn)工藝動作的快速動態(tài)調整，并有效節(jié)約能源，組態(tài)控制系統(tǒng)的引入則可以使控制變得更加直觀、靈活。

1 系統(tǒng)總體方案

注塑機的主要作用是把原料經(jīng)過加熱、注射、成型，注塑工藝〔3〕主要有合模、座進、射膠、座退、開模等，其中合模、座進、座退、射膠、開模四個階段有高速和低速區(qū)別，工藝具體動作過程如圖1所示。

圖1 注塑機的動作過程

控制系統(tǒng)采用人機界面HMI，基于MCGSE軟件，進行監(jiān)視、控制，控制器采用PLC，PLC外圍配置開關類輸入和執(zhí)行電器類輸出，對合模、射膠、座進與座退、開模四個需要變速的動作，電磁鐵采用變頻器改造，其他元件仍采用電磁閥控制，通過電磁閥、中間繼電器實現(xiàn)了注塑機的其他工藝控制，基于變頻器和PLC的注塑機組態(tài)控制系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 基于變頻器和PLC的注塑機組態(tài)控制系統(tǒng)方案

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)采用應用率較高的三菱FR-740變頻器，變頻器主電路接線〔4〕如圖3所示，其中開合模為一個電機控制，座進、座退為一個電機控制，相當于電機的正反轉，M1-M3分別對應開合模電機、座進退電機、射膠電機。

圖3 注塑機系統(tǒng)的變頻器主電路

控制系統(tǒng)采用Mitsubishi公司的主流PLC產(chǎn)品 FX3U-32MR/A，16個輸入/16個輸出，為了使控制系統(tǒng)更加直觀，除對4個硬件按鈕正常分配PLC輸入地址外，在MCGSE組態(tài)軟件中還分配虛擬元件M地址，以進行組態(tài)可視化控制。注塑機控制系統(tǒng)的PLC外部輸入側、輸出側接線分配圖如圖4所示。

圖4 PLC的輸入、輸出側接線分配圖

結合注塑機變頻控制過程，開模、座進、射膠繼電信號接在變頻器正轉啟動信號上，合模、座退繼電信號接在變頻器反轉啟動信號上，外部繼電器信號與變頻器正反轉信號對應關系如圖5所示。

圖5 注塑機系統(tǒng)變頻器與動作繼電器對應關系

2.2 注塑機的變頻設計思路

注塑機不同的工藝需要不同的壓力和速度，根據(jù)本次設備工藝要求，變頻器部分設計思路如下：

(1)初期合模需要快速合模，過程需要較大的壓力，由注塑機工作原理可知注塑壓力與電機轉速成正比，而由變頻器轉速公式可知，轉速和頻率成正比，所以初期合模頻率宜采用較大的頻率，設定為45 Hz，為減輕沖擊，后期合模也即慢速合模過程需要較慢的速度和較小的壓力，頻率采用25 Hz。

(2)座進過程前期需要速度較快，頻率采用45 Hz，間隔3 s后，采用15 Hz低頻以便準確平穩(wěn)地到達位置。

(3)為解決射膠工藝段轉換的響應延遲，使塑料以更好的流態(tài)成型，提高塑料質量，射膠工藝采用不同速度分別注射，射膠過程前期需要速度較快，頻率采用50 Hz，2 s后應采用20 Hz的平穩(wěn)速度進行射膠以實現(xiàn)保壓。

(4)座退過程與座進類似，前期需要速度較快，頻率采用45 Hz，3 s后快到達位置時應速度平穩(wěn)，頻率采用15 Hz。

(5)塑料成型后進行開模，需要速度適中，壓力略高，頻率采用30 Hz，之后采用較慢的速度和壓力，頻率采用15 Hz。

根據(jù)注塑機反復的多種速度控制要求，變頻器采用多段速的控制方式〔5〕，F(xiàn)R-740變頻器的高速RH端、中速RM端、低速RL端與PLC輸出信號分別受Y14、Y15、Y16控制，由于M1-M3三臺電機不是同一時刻運行，可共用一個變頻器，減少了投入，RH對應Pr.4參數(shù)，RM對應Pr.5參數(shù)，RL對應Pr.6參數(shù)，頻率4至頻率7分別對應Pr.24-Pr.27，其頻率號、參數(shù)、與RH、RM、RL設定如表1所示，即Pr.4=25，Pr.2=20，其他參數(shù)以此類推。

表1 注塑機七段速編碼表

2.3 注塑機的PLC編程設計思路

由于篇幅所限，文章以自動模式為例介紹編程思路，工藝要求快速合模需要45 Hz的頻率，對應表1的頻率6，在此工作步驟中，需要Y14、Y15同時接通，結合圖5可知還需提供合模的正轉變頻器啟動信號Y1，注塑機系統(tǒng)自動模式時，系統(tǒng)的SFC編程思路如圖6所示，M0為初始步，M1-M13分別對應快速合模-頂桿后退等動作過程，為了能靈活調整注塑工藝，在步M1中，定時器T1時間沒有使用固定的常數(shù)K30，而是采用D2，通過后面的組態(tài)界面可以對快速合模時間進行靈活調整。

圖6 注塑機的自動模式SFC編程思路

2.4 上位機組態(tài)控制系統(tǒng)設計

為了便于監(jiān)控注塑機的運行狀態(tài)以及手動調整參數(shù)，在注塑機變頻器和PLC控制系統(tǒng)基礎上進行組態(tài)控制系統(tǒng)設計，利用MCGSE組態(tài)軟件新建組態(tài)工程〔6〕，在工程中建立自動運行模式和手動測試模式兩個畫面，默認進入自動界面，在自動畫面中可通過切換按鈕進入到手動界面，同樣手動界面亦可以返回到自動界面，界面中射膠等動作按鈕、快速合模等運行指示燈數(shù)據(jù)類型為開關型，分別分配不同的M地址，為了靈活的調整快速合模、快速座進、快速射膠時間，依次分配D2-D4，數(shù)據(jù)類型為數(shù)值型，通過畫面中建立輸入框實現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)調整，而不用重新下載PLC程序，顯著提高了生產(chǎn)效率。

自動運行模式和手動測試模式的組態(tài)界面如圖7和8所示，組態(tài)工程完成后進行下載PLC程序，進行PLC與組態(tài)控制系統(tǒng)聯(lián)機運行，系統(tǒng)不僅可以有效監(jiān)視生產(chǎn)運行狀態(tài)，還可以現(xiàn)場根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)要求及時進行射膠等時間量的在線調整，通過手動測試模式可以對設備進行檢修和微調，達到了設計初衷。

圖7 注塑機自動運行模式組態(tài)界面

圖8 注塑機手動測試模式組態(tài)界面

3 結語

采用新的設計改造方案后，變頻器可以使速度控制更加精準，組態(tài)軟件的應用可以根據(jù)不同工藝更加靈活，適應新的生產(chǎn)任務調整，提高了設備的可靠性，變頻改造使電機的控制更加柔性，組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)能對生產(chǎn)成型主要參數(shù)進行及時有效地監(jiān)視和控制，使控制變得更加直觀和靈活。