现代塑料注射成型机, 简称注塑机, 是一个集机、电、液于一体的典型系统, 因具有一次能够成型复杂制品、后加工量少、加工的塑料种类多等特点,自问世以来,发展极为迅速,目前已成为塑料成型加工的主要设备。但由于注塑过程是一个非稳定、非恒温的过程,在合模、注射、升(降) 温等各生产过程中的工艺参数将直接影响塑料制品的质量, 因而对注塑机的控制系统提出了很高的要求。必须有完善的自动化控制与调节系统, 保证对注塑机的被控制量具有一定重复精度和灵敏度的可靠控制与调节。

目前已有很多厂家将可编程序控制器(简称PLC) 用于注塑机控制, 但传统的PLC 是单任务型的,对系统来说应用程序仅有一个,巳很难胜任实时系统的控制要求。近年来, 具有多任务处理功能的新型可编程计算机控制器(简称PCC) 是发展起来的新一代PLC ,它不仅适用于小规模的控制,更能胜任复杂的、对实时性要求高的控制场合,而且其趋势是系统具有可扩展性, 对现场总线和网络的支持也在不断增强。因此我们研究PCC 的多任务工作原理,并将其用于对注塑机的控制, 对塑料制品质量和经济效益的提高,具有实用价值。

一、PCC 的多任务处理原理

单任务控制方式的PLC 在处理一些复杂的任务时显得不够灵活,甚至不能胜任,具有多任务分时操作系统的PCC 是一种较为适合的控制器。

具有多任务处理能力的PCC 的结构模型如图1所示, 操作系统内核是具有多任务能力的标准操作系统, 它能完成多任务间的处理与应用程序管理等最基本的功能。中间层是PCC 的专用软件包, 主要由系统管理、系统任务、标准任务管理、高速任务管理、通讯软件等组成,它能控制多任务处理能力的执行, 实现对不同的任务级别按各任务执行顺序进行调用, 监视各任务层的循环时间, 设置、控制和强制处理每个任务层I/ O 以及通讯处理等功能。外层是应用程序,各个应用程序(又称为任务) 可在PCC 中同时运行, 处理器的能力通过“任务开关”分配到多个应用程序中。

 

图1   PCC结构模型

为了使多个PCC 任务具有不同的优先级,用户可以将任务设置在不同的任务级别中, 用户也可以给每个任务等级设置不同的循环时间,在设置的循环时间内,相应的任务被执行一次。如设某任务的周期时间为50ms , 则系统每50ms 执行一次该级别的任务模块。在PCC 软件系统中,允许用户使用两种不同的任务层,标准任务层(Task Class) 和高速任务层(HS – Task Class) 。标准任务层根据可设置的循环时间又可分为四个任务层, 即TC # 1～TC # 4。高速任务层也分为HS # 1～HS # 4 四个高速任务层。执行的优先级按HS # 1～HS # 4 - TC # 1～ TC # 4依次递减。应用程序各任务模块级别的设定原则是: 在满足实时性要求的条件下, 应尽量降低其级别, 以避免CPU 过载。应用程序的各任务模块对CPU的负载度按下式计算:

λ= Ti/ Tt ×100 %

式中:λ- 该任务对CPU的负载度；

Ti - 该任务的实际运行时间(ms) , 可由Profiler 软件测定；

Tt - 该任务所处级别的周期(ms) 。

为保证CPU 可靠运行, 各任务的λ不应超过80 %。

现以TC # 1 和TC # 2 两任务级别的执行情况为例(如图2 所示) , 处理过程实际上是先执行级别高的任务, 若TC # 1 实际运行时间是4ms , TC # 1 执行完后, 再执行TC # 2 , 由于TC # 2 的运行时间是9ms , 在开始执行TC # 1 到下一次执行( 即周期10ms) 时, TC # 2 还未运行完,因TC # 1 的优先级别高, 所以TC # 2 的执行被打断, 而转去执行TC # 1 ,等执行完TC # 1 后,再转去执行TC # 2。图2 中①表示操作系统时钟, ②表示系统管理所需时间, ③是TC # 1 的执行时序, ④是TC # 2 的执行时序。系统管理时间用于对系统任务的管理,此时间不能改变,以10ms 的操作系统时钟为周期执行。

图2      两任务的执行情况

二、PCC 在注塑机中的应用

2. 1 注塑机PCC 控制系统的组成

注塑机控制系统是根据其工作原理,按照注塑工艺流程, 通过PCC对注塑机现场各传感元件的控制和对有关执行部件的控制,实现对不同塑料在注射成型过程中各工艺的自动控制以及自动监测和保护。

控制系统选用贝加莱工业自动化(上海) 公司的2000 系列产品中的B&R2005 型, 它是一种紧凑型产品, 其结构采用模块式, 所有模块尺寸都相同, 可灵活自由地通过设定组合插拔来扩展系统。具体选用的模块有: CPU为CPU152 , 应用存储器为ME963 ,电源模块为PS792 , 数字量输入模块为DI477 , 数字量输出模块为DO480 , 模拟量输入模块为AI775 , 温度输入模块为AT350 , 模拟量输出模块为AO775 , LCD 显示模块为DI164 以及基板等。

PCC 整个控制系统的组成框图如图3 所示。

图3     PCC控制系统的组成

控制系统中设有调模、手动注塑、半自动注塑和全自动注塑几种工作方式。工作方式选择由旋转开关通过PCC 的I/ O 接口电路传送至系统。系统中有20 多个行程开关, 行程开关采用霍尔元件, 其优点是非接触电磁感应, 调整方便可靠。这些行程信息也是通过隔离电路经PCC 的I/ O 接口电路传送至系统。系统中有17 个电磁铁,分别控制不同的注塑动作。输出的控制信号经PCC 的I/ O 接口和隔离电路控制17 个电磁铁的通电与断电。

2. 2 PCC 控制的软件系统和任务设定

PCC 控制系统的软件采用模块程序结构, 其程序结构框图见图4。

图4     注塑机PCC控制系统程序结构框图

根据任务模块的级别设立原则和各任务循环时间的确定原则,考虑到各模块的实际执行情况,除人机对话模块和系统初始化模块外, 各任务级别的选择和各任务的循环时间见表1。具体每一模块的控制程序可根据控制信号流程、控制要求和实现方法采用PLC2000 高级语言或梯形图来编制。

表1 任务信息

2. 3 任务设定时应注意的问题

1. 在设计总系统的容量时,留出了10 %的容量供操作系统使用；

2. 安排任务级别时, 本系统把实时性要求高的任务放在高级别中,即执行循环次数多；

3. 在任务设置时, 也为非循环任务留出了足够时间,以保证此类任务的处理时间足够；

4. 在实际运行中, 由于各程序模块的运行需要一定的条件, 所以多任务的运行时刻并不总是一个常数；

5. 为了提高实时多任务的处理能力, PCC 在硬件上可采用双结构,一个负责与输入/ 输出模块的通讯,另一个CPU专门用于处理用户程序。

注塑机的加工过程对控制系统的响应速度提出了较高的要求。采用具有多任务处理能力的PCC 对系统进行控制, 并合理的设定各任务模块的任务级别, 在注塑机的性能、生产效率、加工质量等方面有了较大幅度的提高。在实际应用中, 多任务处理能力越来越显示出其优越性。