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分布式控制系统在大型立式注塑机上的应用

浏览次数: 发布日期:2018-07-17
汽车保险杠、集装箱托盘、电视机外壳、环保垃圾筒等大件塑料制品均需采用大型立式注塑机生产,大型立式注塑机的技术水平是衡量一个国家立式注塑机产业发展水平的重要标志之一。大型立式注塑机由于机械尺寸大、输入输出信号众多,故其控制系统的布线复杂、电缆用量大、排故检修困难、安装调试费时费力。此外,大型立式注塑机通常需要拆分运输、现场重新组装,因此,控制系统的众多电缆信号还必须经接插件转接,拆装工作量大且难以保证可靠连接。目前,大型立式注塑机普遍采用集中式控制系统,与中小型立式注塑机的架构相同,使得上述问题尤为突出。课题根据大型立式注塑机的特点,从控制系统的架构着手,采用分布式控制系统,研究解决大型立式注塑机所存在的安装布线复杂、电缆浪费、快速接插等问题。
1 常规立式注塑机控制系统
立式注塑机的控制技术经历了普通继电器控制、电子电路顺序控制、可编程序控制器控制和计算机控制的发展过程。当前计算机控制的典型方案是采用双机结构,即由界面控制器、主控制器组成。其中,界面控制器负责人机交互,完成工艺参数设置、机器工作状态显示、按键操作等功能,由嵌入式处理器、液晶显示屏、键盘等部件构成;主控制器负责机器的运行控制,完成位置和温度等信号的采集处理、根据工艺参数驱动输出各种控制信号、机器安全保护等功能,由嵌入式处理器及模数转换、数模转换、数字量输入输出等外围电路组成,各种检测元件的输入信号、驱动执行元件的输出信号均连接到主控制器。
目前,常规主控制器通常是单板式或者机箱一体式的结构,因此,立式注塑机中控制系统的安装方式只能为主控制器安装在电器柜内,而各种检测元件、执行元件的信号经电缆统一连接到主控制器,即集中式的连接架构(典型集中式主控制器)。对于小型立式注塑机,控制系统的这种连接架构具有简单直观、走线清楚、成本低等优点,但是对于大型立式注塑机,由于机械尺寸大、控制元件多、拆分运输等特点,出现了诸多弊病。以MA10000型立式注塑机为例,机身长、宽、高分别为11.9m×2.8m×4.0m,从主控制器连接到动模板的电缆长度约26m、多达18路,从主控制器连接到尾板的电缆长度约16m、有14路,这两部分电缆的长度近700m;为满足拆分运输要求,设置了4个插座、计100芯(实际使用约90芯)来转接上述电缆。由此可见,在大型机上采用常规控制系统、集中式的连接架构,电缆用量大、安装布线麻烦、排故检修困难、连接可靠性隐患多。
2 分布式立式注塑机控制系统
分布式立式注塑机控制系统是基于现场总线技术的新型立式注塑机控制系统。现场总线技术是一种应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串行、多结点的数字通信技术。现场总线技术综合了数字通信技术、计算机技术、自动化控制技术、网络技术、智能化仪表和传感器等多种技术手段,具有开放性、数字化、双向串行、支持多节点通信的特点,具有先进性、实用性、可靠性的优点,是工业控制领域的重要技术发展方向。目前,已经发展出了多种现场总线,其中CAN总线是公认为最有前途的现场总线之一。CAN总线已经成为具有国际标准规范的现场总线,采用多主方式工作、非破坏总线仲裁技术、短帧报文结构、CRC校验检错,在1Mb/s通信速率时通信距离可达40m,具有突出的可靠性、实时性、灵活性。
在分布式立式注塑机控制系统中,主控制器由多个分站组成,如主处理器分站、IO点分站、温度分站、位置采集分站或多功能混合分站等,这些分站空间上可以自由分布,即可以选择安装在机器中最合理的位置,然后通过现场总线相连,借助现场总线强大的实时通信功能,在分站间高速交换控制信息、使得整个系统统一协同运行。
基于CAN总线的分布式立式注塑机控制系统,多个分站只需要通过一根4芯的电缆串行连接,而分站安装在机器上各线缆集中的部位,连接附近的检测元件、执行元件,相当于是在机器上布设了多个集线器。显而易见,这样的架构可以节省电缆、布线简单、走线清楚、检修排故方便,拆分运输时理论上只需要接插一根4芯电缆的总线即可。
3 应用方案
3.1 T6F3-Q10C型分布式立式注塑机控制系统
该课题与国内专业的立式注塑机控制系统供应商———浙江科强智能控制系统有限公司合作,选用其专门研制的T6F3-Q10C型分布式立式注塑机控制系统。
T6F3-Q10C型分布式立式注塑机控制系统基于CAN总线技术、采用10寸液晶屏的人机界面、主控制器为T6F3型主机,另外可选择多种分站,灵活构建分布式系统。该系统的主要指标和特性如下。
1) T6F3型主机
32路数字输入、32路数字输出、11路继电器输出,4路高速模拟量采集,8路温度热电偶信号采集,3路模拟量信号输出,2路CAN接口;
2) Q10C型人机界面
10寸、800×600点阵液晶屏,USB2.0接口,100M以太网接口,2个RS232接口;
3) CM-A型分站
16路数字输入、16路数字输出,2路高速模拟量采集,1路CAN接口,具有光电隔离、ESD保护特性,指示数码管、地址可设;
4) CM-B型分站
8路数字输入、8路数字输出,8路温度热电偶信号采集,2路高速模拟量采集,1路CAN接口,具有光电隔离、ESD保护特性,指示数码管、地址可设;
5)CM-C型分站
8路数字输入、8路数字输出,1路CAN接口,具有光电隔离、ESD保护特性,指示数码管、地址可设;
6)CAN总线控制软件特性
支持8个分站,采用500kb/s波特率、11位标识符,优化的应用层协议,容错能力强,采用事件触发实时通信协议、最长2ms通信间隔,分站地址冲突自动检测机制,分站故障自动检测机制,总线和分站故障快速识别机制,系统同步复位及重启保护机制。
3.2 MA10000型立式注塑机上应用方案设计
该课题在宁波某公司的MA10000型立式注塑机上验证实施。MA10000型立式注塑机是大型三板式液压立式注塑机,采用伺服动力系统,机身长、宽、高分别为11.9m×2.8m×4.0m。该机型标准配置时,有开关量输入信号29路、开关量输出信号40路,另有位置尺、热电偶等信号。
非常明显,MA10000型立式注塑机的座台(背面右上方)、动模板(背面中间)、尾板(背面下方)3个部位是各种电器信号汇集的枢纽(见表1)。因此,在这3个部位各放置一个分站,主机依旧放置在控制柜中,总线电缆按照座台、主机、接插件、动模板、尾板顺序串行连接。
座台(背面右上方)处主要有料筒、螺杆、座台等相关的控制信号,包括3路数字输入信号、5路数字输出信号及2路模拟输入信号,因此,选用CM-B型分站。该部位的各信号电缆需经坦克链连接到主机,因此,电缆长度较长,最短的约9m。放置该分站后可节省电缆150多米。尤其是有7对热电偶补偿导线,不仅成本高,而且不耐折,有该分站后,则可以直接连热电偶信号到分站,不需要补偿导线。
动模板(背面中间)处主要有顶针、中子、吹气等相关的控制信号,包括7路数字输入信号、10路数字输出信号及1路模拟输入信号,因此,选用CM-A型分站。该部位的各信号电缆是先往后连到尾板,再经接插件后连回到主机,是电缆长度最长的部位,达到了26m、18路信号电缆总长度约468m。放置该分站后可节省电缆450多米。
尾板(背面下方)处主要有开合模、调模、安全门等相关的控制信号,包括14路数字输入信号、7路数字输出信号及1路模拟输入信号,因此,选用CM-A型分站。该部位的各信号电缆经接插件后连回到主机,各信号电缆的长度通常在15m左右。放置该分站后可节省电缆200多米。
3.3 MA10000型立式注塑机上应用结果分析
按照上述方案实施,在座台(背面右上方)、动模板(背面中间)、尾板(背面下方)3个部位各放置相应的分站,集中附近的控制信号,统一经总线连接到主机,节省电缆效果非常明显。MA10000型立式注塑机采用常规集中式控制系统时,使用的2芯、3芯电缆约950m,采用上述分布式控制系统方案后下降到约150m,两相比较节省了近800m、减少约84%的电缆用量,节省电缆及补偿导线的成本2000多元。
立式注塑机的开合模部件一边有约40路控制信号,采用常规集中式控制系统时,使用了4个25芯的航空接插件。按照上述方案实施,则开合模部件只需一根4芯总线电缆连接到主机,考虑润滑泵交流电源等少数辅助电缆,两部分之间的接插件采用12芯的航空接插件即可。两相比较接插件减少了88芯,减少比例达88%,不仅省下了600多元的接插件成本和约160芯的航空插头焊接工作量,而且拆装更方便、接插更可靠。
按照上述方案实施,从控制柜到座台、动模板、尾板各点只需1根总线,所有信号就近连接到分站,走线变得非常简洁、清爽,极大的方便了电缆布设、排故工作。根据工厂估测,电器安装、布线及调试环节的效率得到了明显提高,工时数减少了25%左右。
综合计算成本,采用该课题的分布式控制系统后,增加了3个分站及分站机箱的成本,但可适当降低主机的接口配置规格,实际增加约2000元成本;减少电缆及接插件成本约2600元;减少布设电缆、接插件焊接、电器调试等人工成本约500元。合计直接节省的成本约1100元,另还有拆装、检修方便等优点。
4 结语
课题的研究实施成果表明,在大型立式注塑机上采用分布式控制系统具有明显的优势,解决了大型立式注塑机由于机械尺寸大带来的电缆用量大、布设和调试检修困难问题,解决了分体运输时的电器快速接插问题,并且降低成本、节省工时、提高产品可靠性,即提升了立式注塑机的档次,增强了立式注塑机的竞争力。
 
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