[摘要]:本文给出了注塑机控制系统的设计方案,设计了控制系统的硬件组成并对传统的温度采集系统进行了改进,简化了硬件电路的设计,同时介绍了控制系统的软件设计。通过仿真试验,证明了硬件和软件的正确性以及系统的稳定性和实时性。
关键词:注塑机 控制系统 K型热电偶 0 前言
随着塑料工业的迅速发展,注塑机在塑料行业中占有越来越重要的地位,它是集机、电、液一体化、集成化和自动化程度很高的一种用于热塑性塑料的成型加工机械,其工作原理与打针用的注射器相似,它将颗粒状塑料加热熔化至流动状态,用注射装置高压快速注入模具内,保压一段时间,经冷却凝固而制成成型的塑料制品。控制系统是整个注塑机的“核心”系统,通过各种电器元件实现对时间、位置、压力和流量等的控制与调节,并通过液压系统控制各种程序动作,从而精确而稳定地完成注塑机的工艺程序,因而控制系统的好坏直接影响产品的成型质量和注射工艺条件,它是衡量注塑机系统的主要标准之一。
1系统硬件设计
1.1 系统总述
该控制系统以两台ATMEL公司生产的AT89C51单片机(CPU1和CPU2)为核心进行控制器的设计[1],其结原理图如图1所示。
图1系统结构原理图
整个控制系统由两台单片机组成即CPU1和CPU2,采用双机通信方式控制注塑过程的实现、参数的设定以及温度的采集及显示等。其中CPU1通过键盘/显示器接口芯片8279完成键盘输入和显示控制两种功能,并通过LCD显示,实现人机对话[2];CPU2通过扩展I/O口控制开关量实现对注塑过程的控制。双机之间采用RS-232串口通讯实现信息与数据的交换。
1.2 温度采集系统
传统的温度采集系统采用A/D转换、滤波、放大、整形后再经控制器(单片机)进行处理,增加了硬件电路的设计,本系统采用K型热电偶+温度转换芯片MAX6675完成对料筒不同位置的温度采集[3],实现对加热线圈的输出控制,并将采集到的数据传输给CPU1,将其显示在LCD上,其硬件电路如图2所示。这种设计克服了K型热电偶存在的非线性、冷补偿、数字化输出等问题,同时优化了硬件电路的设计。硬件电路组成主要有CPU1(AT89C51)、74LS138译码器、K型热电偶和温度转换芯片MAX6675等组成,其中74LS138译码器的输入端与单片机AT89C51(CPU1)的P0口相连,输出端分别接MAX6675的片选端CS选择要测量的热电偶通道。
图2 温度采集硬件电路原理结构图
1.3 模拟量及数字量控制
1.3.1 数字量的输入电路
数字量输入是将现场开关、断电器等触点信号转换成计算机需要的电平信号,以二进制数字量形式输入计算机,计算机通过三态缓冲器读取状态信息。本系统对注射座退等采用行程开关控制,但是开关信号往往容易引起瞬时高电压、过电压、接触抖动等现象,因而对行程开关采用RC滤波电路的小功率输入调理电子路[4],其构成如图3所示。
图3 行程开关信号处理电路
1.3.2 数字量的输出电路
数字量输出是将计算机的数字输出转换成现场各种开关设备所需要的信号,本系统对电磁换向阀的电磁线圈、中间继电器、电机等主要采用固态继电器进行控制,通过固态继电器的光电隔离输出完成从低压电到高电压直流或高电压交流的过渡,避免了高电压蹿入单片机引脚而烧毁。
1.3.3 模拟量的输入电路
注塑机中模拟量的输入主要是电子尺和热电偶,电子尺是一种电阻式的位移传感器,其工作原理是采用可变电阻分压原理,将线位移转换成传感器的电阻变化,并转变成电压信号。本控制系统采用三支电子尺分别对螺杆位移、动模板位移及顶出杆位移进行检测,从而完成对运动速度及位置的控制。通过键盘输入电子尺需要运动的位移,然后经74LS244同相三态缓冲器/线驱动器传送、D/A转换成是压输入到比较器LM393的同相输入端而电子尺的输出电压输入到其反相输入端进行比较,其输出端与CPU2的外部中肢T0相连接,由CPU2的外部中断服务程序判断电子尺是否到达指定位置(或位移),从而实现在指定位置上的速度切换和压力切换,其硬件电路如图4所示。
图4 电子尺控制原理图
2 系统软件设计
系统的软件设计包括两台单片机(CPU1和CPU2)各自要求其实现的功能设计,以及两者之间的通信功能设计。软件采用模块化设计,将每一模块当作一个独立的任务来完成,从而简化了程序设计,提高了软件的运算速度和利用效率。
2.1 CPU1的软件设计
CPU1的主要功能是参数的设定和温度的显示,而键盘/显示器接口芯片8279是一种通用可编程键盘、显示器接口芯片,它能同时完成键盘输入和显示控制两功能,它和具有64个按键或传感器的阵列相连,对键盘不断扫描,自动消除抖动,自动识别出按下的键并给出编码,具有多键同时按下保护功能,采用8279作为键盘、显示接口,能简化键处理和显示程序,减少CPU的运行时间。CPU1的软件设计主要是对8279编写程序,程序分为三部分:主程序、显示子程序和键盘中断服务程序。主程序主要包括8279的初始化和其他初始化;显示子程序完成LCD显示;键盘中断服务程序采用中断方式,当8279检测到有键闭合时,其IRQ引脚发出中断请求信号,CPU1响应中断后,在中断服务程序中完成参数的设定、显示以及与CPU2进行数据交换等,图5为键盘中断服务程序流程图。
图5 键盘中断服务程序流程图
2.2 CPU2的软件设计
注塑机注塑过程由CPU2完成,其中包括模拟量及数字量的输入输出模块、温度采集及控制模块、比例阀控制模块等,这里主要介绍温度采集模块。控制系统对温度的控制与调节采用积分分离的比例微分积分控制形式即改进的PID形式,它是一种根据连续检测温度的偏差信号,当该偏差小于设定的偏差时,即偏差比较小时,采用PID控制,可使稳态误差为零;当该偏差大于设定的偏差时,即偏差比较大时,采用PD控制,这样可以提高系统的效率和控制精度,其温度采集流程图如图6所示[5]。