注塑機(jī)是加工塑料制品的主要設(shè)備之一，由于它能一次成型外形復(fù)雜、尺寸精確或帶有金屬嵌件的質(zhì)地致密的塑料制品，而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電力電子、汽車、建材、包裝、國防、農(nóng)業(yè)、文教衛(wèi)生及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域。我國是塑料制品生產(chǎn)大國，也是世界最大的注塑機(jī)生產(chǎn)銷售國家。據(jù)中國塑料加工工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2016年我國橡塑行業(yè)的工業(yè)產(chǎn)值年增長率已達(dá)到8%，同時(shí)市場對(duì)塑料產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求，然而我國高精密注塑機(jī)型仍主要依賴進(jìn)口。

　　注塑過程是將熱塑性塑料或熱固性塑料先在加熱機(jī)筒中均勻塑化，然后由螺桿或柱塞推壓到閉合模具型腔中，經(jīng)冷卻或加熱定型后得到所需塑料制品的成型過程。溫度控制是注塑機(jī)過程控制中最重要的內(nèi)容之一，在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要解決以下問題：

　　由于熔體等被控對(duì)象狀態(tài)的時(shí)變性、外界干擾因素復(fù)雜，導(dǎo)致對(duì)象模型參數(shù)難以確定，容易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩、現(xiàn)場PID參數(shù)整定時(shí)間過長，很難達(dá)到理想的控制效果。同時(shí)，雖然液壓油溫度控制相對(duì)獨(dú)立，但其變化會(huì)影響液壓系統(tǒng)的流量及壓力穩(wěn)定與注射速度的重復(fù)性，而模具的溫度變化則會(huì)影響制品的表面質(zhì)量和制品的成型周期。傳統(tǒng)注塑機(jī)在溫度控制精度、穩(wěn)定性和能耗控制等方面還需要進(jìn)行改進(jìn)和提升。

　　針對(duì)以上問題，我們開發(fā)的“網(wǎng)絡(luò)化注塑機(jī)溫度控制器”是基于飛升曲線參數(shù)自整定控制、神經(jīng)元自適應(yīng)PSD控制和模糊PID控制等技術(shù)，精確穩(wěn)定地測量和控制料筒溫度、射嘴溫度、液壓油溫度和模具溫度，以實(shí)現(xiàn)無超調(diào)、解耦合、抗干擾、參數(shù)自整定等控制功能，達(dá)到提升成型質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和節(jié)能降耗的目的。在滿足各行業(yè)對(duì)塑料制件個(gè)性化、精密化以及高速、高效、節(jié)能生產(chǎn)需求的同時(shí)，使國產(chǎn)注塑機(jī)走高端化、精密化路線，提高橡塑行業(yè)的自動(dòng)化水平。

　　一、關(guān)鍵技術(shù)

　　為了解決注塑機(jī)中溫度控制的種種問題，我們研究高速總線技術(shù)、高精度溫度測量技術(shù)、無超調(diào)參數(shù)自整定控制技術(shù)、多溫區(qū)抗干擾解耦控制技術(shù)和可編程控制技術(shù)，開發(fā)D-BUS高速總線，支持倍福的EtherCAT協(xié)議，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化注塑機(jī)溫度控制器。在實(shí)現(xiàn)無超調(diào)、抗干擾、去耦合和節(jié)能降耗等溫度控制功能的同時(shí)，又可以作為I/O模塊與PAC互聯(lián)，完成自主溫度控制和輔助運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)完整的注塑機(jī)控制系統(tǒng)，達(dá)到降低生產(chǎn)成本、提升塑件質(zhì)量的目的。

　　(1)高速總線技術(shù)

　　高速總線技術(shù)，由環(huán)型以太網(wǎng)和RS485總線雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成的D-BUS高速總線。環(huán)型高速以太網(wǎng)ReBUS使用IEEE802.3以太網(wǎng)規(guī)范構(gòu)成環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，高速總線MB+采用1Mbps的RS485接口標(biāo)準(zhǔn)，通過雙冗余網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸、故障偵測與冗余備份。ReBUS環(huán)型以太網(wǎng)的通信響應(yīng)速度可達(dá)10us/100Bytes，滿足高速運(yùn)動(dòng)控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性要求。

　　MB+網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用主從通信方式，主站周期性地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從站根據(jù)配置從報(bào)文指定位置讀取輸入數(shù)據(jù)，并回填輸出數(shù)據(jù)，然后將報(bào)文傳送至下一節(jié)點(diǎn)，依次循環(huán)。當(dāng)報(bào)文回到主站接收端時(shí)，完成了各從站及I/O的數(shù)據(jù)刷新。

　　ReBUS總線采用環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線中設(shè)備如果出現(xiàn)故障將導(dǎo)致環(huán)路斷裂，數(shù)據(jù)同步報(bào)文無法到達(dá)主站，而采用高速M(fèi)B+總線能實(shí)現(xiàn)故障偵測與冗余備份，保證了網(wǎng)絡(luò)的高速性和可靠性。

　　同時(shí)，D-BUS高速總線支持與倍福的EtherCAT互聯(lián)，使得網(wǎng)絡(luò)化溫度控制器可實(shí)現(xiàn)與倍福的工控機(jī)或I/O模塊直接連接，可作為I/O融入注塑機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制部分。這種技術(shù)不僅可以將溫度參數(shù)作為運(yùn)動(dòng)控制的參考輸入，還可以連接編碼器、變頻器等傳感裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為注塑機(jī)控制系統(tǒng)提供溫度控制和I/O功能。

　　(2)高精度溫度測量技術(shù)

　　溫度場擬合方法實(shí)現(xiàn)熱電偶冷端溫度補(bǔ)償，僅通過三點(diǎn)溫度的分布變化規(guī)律，建立由這三點(diǎn)確定的平面上溫度分布的數(shù)學(xué)模型，并通過最小二乘的方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得模型的待定系數(shù)。建立二維平面溫度分布數(shù)學(xué)模型，自變量為已知的三點(diǎn)溫度，函數(shù)值是以這三點(diǎn)為頂點(diǎn)所確定矩形平面上任一點(diǎn)的溫度值。對(duì)于熱電偶的冷端接線端只處于一個(gè)平面上的產(chǎn)品，只需要測量其中三點(diǎn)的溫度，即可實(shí)現(xiàn)該平面上所有通道的熱電偶溫度補(bǔ)償。

　　(3)無超調(diào)參數(shù)自整定控制技術(shù)

　　無超調(diào)參數(shù)自整定PID控制方法可解決工藝參數(shù)配置復(fù)雜和溫度過沖的問題。采用雙PID環(huán)控制，內(nèi)環(huán)準(zhǔn)確檢測和控制發(fā)熱圈的溫度，外環(huán)準(zhǔn)確地檢測和控制熔料溫度。采用飛升曲線法和Z-N公式來確定PID控制參數(shù)，即在熔料從冷態(tài)上升至設(shè)定值的過程中建立數(shù)學(xué)模型，獲取其動(dòng)態(tài)模型參數(shù)，使用一階慣性加純滯后模型來近似表示系統(tǒng)模型，當(dāng)確定模型中的放大系數(shù)、純滯后時(shí)間和時(shí)間常數(shù)后，即可根據(jù)Ziegler—Nichols經(jīng)驗(yàn)公式求得PID的三個(gè)參數(shù)。

　　(4)多溫區(qū)抗干擾解耦控制技術(shù)

　　采用神經(jīng)元自適應(yīng)PSD控制技術(shù)解耦，抵消各溫區(qū)的變化關(guān)聯(lián)，使包含解耦控制器在內(nèi)的廣義對(duì)象傳遞函數(shù)變?yōu)閷?duì)角陣，由此解除過程中的耦合，使各溫區(qū)控制系統(tǒng)變?yōu)閱位芈废到y(tǒng)。針對(duì)注塑機(jī)料筒溫度非線性、時(shí)變性等特點(diǎn)，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可訓(xùn)練性和結(jié)構(gòu)通用性，賦予其自適應(yīng)能力，能逼近其任意溫區(qū)非線性函數(shù)，且不需要精確的對(duì)象模型，實(shí)現(xiàn)起來簡單方便，能夠滿足解耦控制要求。同時(shí)結(jié)合模糊PID控制算法進(jìn)行控制，能較好地克服溫度控制對(duì)象的滯后問題，還能提高系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力。

　　(5)可編程控制技術(shù)

　　以控制器模擬量輸入輸出為基礎(chǔ)，參考IEC61499標(biāo)準(zhǔn)和IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，通過無超調(diào)參數(shù)自整定PID控制功能塊、神經(jīng)元自適應(yīng)PSD控制功能塊、模糊PID控制功能塊，實(shí)現(xiàn)注塑過程的無超調(diào)溫度控制，通過可編程的方式解決不同物料類型、多種工藝參數(shù)的配置問題，提高注塑機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)效率。

　　二、主要性能和創(chuàng)新之處

　　產(chǎn)品“網(wǎng)絡(luò)化注塑機(jī)溫度控制器”主要用于注塑機(jī)的料筒和射嘴溫度控制、液壓油溫度控制和模具溫度控制，主要性能如下：

　　(1)滿足工業(yè)級(jí)應(yīng)用需求，產(chǎn)品通過電磁兼容測試、高低溫老化實(shí)驗(yàn)和極限防護(hù)測試，工作環(huán)境溫度-40至85℃，濕度范圍95%不結(jié)露;

　　(2)網(wǎng)絡(luò)化溫度控制器具有CPU、網(wǎng)關(guān)、I/O與冗余控制功能，具有以太網(wǎng)、RS485和ZigBee通信接口，支持倍福的EtherCAT協(xié)議，通信周期≤2ms，模擬量輸入輸出穩(wěn)定時(shí)間10us/8通道;

　　(3)編程語言支持IEC61131和IEC61499標(biāo)準(zhǔn)，支持無超調(diào)PID控制參數(shù)自整定、PWM和模擬量輸出、位置式和增量式PID控制;溫度控制精度達(dá)到±0.1℃;

　　(4)通過CE認(rèn)證和RoHS認(rèn)證，總體技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)水平。

　　溫度場擬合方法實(shí)現(xiàn)熱電偶冷端溫度補(bǔ)償技術(shù)、無超調(diào)參數(shù)自整定控制技術(shù)、多溫區(qū)抗干擾解耦控制技術(shù)和可編程控制技術(shù)，提高了對(duì)注塑機(jī)溫度的測量和控制精度，基于溫度參數(shù)可對(duì)注射時(shí)間和分級(jí)注射進(jìn)行優(yōu)化，使得注射成型工藝參數(shù)的選定更具合理性，同時(shí)系統(tǒng)可以自適應(yīng)不同的物料類型和環(huán)境條件，大大縮短試模和修模的時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，保證熱塑過程的穩(wěn)定性，顯著提高塑料制品的質(zhì)量。無超調(diào)、解耦合、抗干擾和參數(shù)自整定是技術(shù)特色和創(chuàng)新點(diǎn)。

　　三、市場需求情況

　　我國塑料制品的總量雖然已經(jīng)位居世界第二，但人均消費(fèi)量僅40公斤，較美國、比利時(shí)、德國等發(fā)達(dá)國家差距達(dá)5倍之多。因此，我國塑料制品和塑料機(jī)械的市場需求還將繼續(xù)增長，并有很大的發(fā)展空間。整體來說，我國精密注塑成型裝備還處在起步階段，發(fā)展空間很大，高精密制品市場需求與日俱增，對(duì)精密注塑成型設(shè)備與技術(shù)的要求也不斷提高。

　　IARTF行業(yè)分析報(bào)告顯示，世界塑料加工機(jī)械近年來的年均產(chǎn)銷量為100億美元左右，其中近70億美元為進(jìn)出口貿(mào)易，由此可見塑料加工機(jī)械在國際貿(mào)易中是一支比較活躍的力量。但我國塑料加工機(jī)械2016年的出口額還不到15億美元，僅占世界塑料加工機(jī)械出口額的10%。由于我國的塑料加工機(jī)械產(chǎn)品大部分處于仿制階段，目前僅能保有中低檔和通用型市場，雖然在國際上以低廉的價(jià)格占據(jù)一定優(yōu)勢，但仍缺乏自主產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)和競爭力。

　　本產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面、使用方便、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，專門針對(duì)橡塑行業(yè)應(yīng)用需求，強(qiáng)化了網(wǎng)絡(luò)通信、分布式可編程控制、控制參數(shù)自整定、無超調(diào)控制等功能。據(jù)我們估計(jì)，經(jīng)過機(jī)電配套和工程項(xiàng)目應(yīng)用，本產(chǎn)品將在國際市場上以高性價(jià)比的優(yōu)勢站穩(wěn)腳跟，而且可以替代進(jìn)口產(chǎn)品。