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1 引言
聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡(jiǎn)稱，英文名稱是polyurethane，它是一種高分子材料。聚氨酯是一種新興的有機(jī)高分子材料，被譽(yù)為“第五大塑料”，因其卓越的性能而被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域。產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域涉及輕工、化工、電子、紡織、醫(yī)療、建筑、建材、汽車、國(guó)防、航天、航空等。
聚鞍酯材料也被廣泛應(yīng)用于制鞋行業(yè)，聚氨酯鞋底具有諸多優(yōu)點(diǎn)：密度低，質(zhì)地柔軟，穿著舒適輕便；尺寸穩(wěn)定性好，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)；優(yōu)異的耐磨性能、耐彎曲性能；優(yōu)異的減震、防滑性能；較好的耐溫性能；良好的耐化學(xué)品性能等等。聚氨酯多用于制造高檔皮鞋、運(yùn)動(dòng)鞋、旅游鞋等。
在聚氨酯鞋底制造行業(yè)，所用的澆注機(jī)械主要依賴于進(jìn)口，澆注機(jī)械的控制方式一般分為單片機(jī)控制和PLC控制兩種。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的澆注機(jī)械的控制方式以單片機(jī)控制為主，單片機(jī)控制存在一些不足，主要反映在以下三個(gè)問題上。問題一：?jiǎn)纹瑱C(jī)抗干擾能力差，計(jì)量泵是澆注機(jī)的重要組成部分，主要完成聚氨酯原料的精確計(jì)量，為了控制出料的速度，需要通過變頻器對(duì)計(jì)量泵進(jìn)行無極調(diào)速，由于變頻器與主控單片機(jī)的距離很近，對(duì)主控單片機(jī)的工作有干擾，會(huì)出現(xiàn)計(jì)量不準(zhǔn)確的情況；問題2：澆注機(jī)的操作系統(tǒng)主要由按鈕和數(shù)碼管組成，操作過程相當(dāng)繁瑣，增加了對(duì)系統(tǒng)操作人員的培訓(xùn)時(shí)間；問題三：?jiǎn)纹瑱C(jī)由于采用匯編語(yǔ)言編程，程序的可讀性比較差，程序修改相當(dāng)困難，無形中增加了新設(shè)備的開發(fā)周期?？紤]到以上幾點(diǎn)因素，溫州一家澆注機(jī)制造商決定開發(fā)基于PLC控制的澆注機(jī)控制系統(tǒng)。
2 聚氨酯澆注機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理
聚氨酯雙色澆注機(jī)主要由兩部分組成，機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、繼電器及接觸器組成。機(jī)械系統(tǒng)主要由原料罐、計(jì)量泵、罐加熱裝置、機(jī)頭攪拌電機(jī)、罐攪拌裝置、機(jī)頭導(dǎo)軌、電磁閥及各個(gè)管路組成。
聚氨酯澆注機(jī)注料是怎樣一個(gè)過程呢？下面我們對(duì)注料過程進(jìn)行介紹。每套系統(tǒng)分別有A1、A2、B三個(gè)原料罐，每個(gè)原料罐對(duì)應(yīng)一個(gè)計(jì)量泵，精確計(jì)量每種料的流量，雙色澆注機(jī)的意思是可以注兩種料，即A1+B的混合料和A2+B的混合料。注哪種混合料由兩個(gè)電磁閥進(jìn)行控制，A1料、A2料和B料的比例和注料的質(zhì)量通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)定，由計(jì)量泵和PLC配合進(jìn)行精確計(jì)量。在打開注料電磁閥的之前，打開機(jī)頭攪拌電機(jī)，澆注的料經(jīng)過機(jī)頭攪拌，使料更加均勻。為了保證原料罐中料不凝結(jié)，需要定時(shí)開啟原料罐攪拌電機(jī)。A1罐、A2罐、B罐和油箱的加熱裝置要根據(jù)溫度控制啟停。三個(gè)原料罐具有出口壓力檢測(cè)裝置，如果超壓停止計(jì)量泵的工作并報(bào)警，實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置的內(nèi)部保護(hù)功能。在同一條鞋底生產(chǎn)線上，可能生產(chǎn)的不是同一規(guī)格的鞋底，這樣在每個(gè)工位的澆注原料質(zhì)量也就不同，PLC需要存儲(chǔ)每個(gè)工位的質(zhì)量，并自動(dòng)判斷所處工位，進(jìn)行相應(yīng)質(zhì)量原料的澆注。經(jīng)過一個(gè)澆注流程，可能某個(gè)工位的鞋底質(zhì)量不合格，需要單獨(dú)對(duì)這幾個(gè)工位進(jìn)行澆注。這樣可以把其它工位的質(zhì)量設(shè)定為0，按下注料按鈕，只澆注有質(zhì)量設(shè)定的工位。一條生產(chǎn)線上可能要生產(chǎn)兩種不同材質(zhì)的鞋底，這就要求系統(tǒng)可以選擇注那種料，并可以設(shè)定自動(dòng)切換所注原料的種類和不切換所注原料的種類。
3 基于PLC的控制方案
我們對(duì)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察和反復(fù)研究，在可靠性、穩(wěn)定性、方便性等方面做了大量工作，采用先進(jìn)、實(shí)用、可靠的PLC做控制，提出了基于和利時(shí)公司LM系列PLC的方案。
整個(gè)控制系統(tǒng)有7路數(shù)字量輸入信號(hào)、15路數(shù)字量輸出信號(hào)、7路模擬量輸入信號(hào)和4路模擬量輸出信號(hào)，系統(tǒng)還有三路高速輸入的需求。
所以選擇了集成40點(diǎn)開關(guān)量I/O的CPU模塊LM3108，其輸入輸出分別為24點(diǎn)和16點(diǎn)，輸出類型為晶體管，輸入通道中有3路為高速輸入通道，可以采集100KHZ以下頻率的脈沖信號(hào)。1個(gè)4路模擬量輸入模塊LM3310，可以采集0~10V、0~20mA、4~20mA三種模擬量信號(hào)。1個(gè)4路熱電阻輸入模塊LM3312，可以采集CU50和PT100的電阻信號(hào)。2個(gè)2路模擬量輸出模塊LM3320，可以對(duì)外輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓、電流模擬量信號(hào)。系統(tǒng)配有兩塊觸摸屏，一塊安裝在機(jī)頭攪拌裝置上，方便操作，另一塊安裝在控制柜上，便于工程師修改工藝和質(zhì)量參數(shù)。LM3108CPU模塊有兩個(gè)通訊口，RS232口用于和系統(tǒng)操作屏的通訊，RS485通訊口預(yù)留，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展需要，如果設(shè)備較多，可以組成485通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上位機(jī)統(tǒng)一監(jiān)控。兩塊觸摸屏通過專有協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)，可以同時(shí)對(duì)PLC進(jìn)行控制。機(jī)頭攪拌的變頻器選用臺(tái)達(dá)7.5kw變頻器，計(jì)量泵變頻器選用臺(tái)達(dá)0.75kw變頻器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：
系統(tǒng)I/O分配表如表1所所示：
和利時(shí)G3系列PLC編程軟件支持多種編程語(yǔ)言和數(shù)據(jù)類型，使得程序?qū)崿F(xiàn)更為簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)因?yàn)橐肓薒D語(yǔ)言和ST語(yǔ)言的混合編程，大大減少了PLC的程序量，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。LD語(yǔ)言是大家熟知的梯形圖編程語(yǔ)言，ST語(yǔ)言類似于高級(jí)語(yǔ)言，可以編寫一些循環(huán)指令和判斷語(yǔ)句，例如FOR循環(huán)、WHILE循環(huán)、REPEAT循環(huán)、IF語(yǔ)句、CASE語(yǔ)句等。而且支持結(jié)構(gòu)體、指針、數(shù)組等多種數(shù)據(jù)類型。下面是該系統(tǒng)程序中選擇工位的一個(gè)子程序。
變量聲明部分：
PROGRAM SHEDINGA1_A2
VAR
AA: WORD := 1;
END_VAR
VAR_INPUT
IN_A: BOOL;
END_VAR
VAR_OUTPUT
OUT_A: BOOL;
END_VAR
程序代碼部分：
FOR AA:=1 TO 300 BY 1 DO
IF (G_MODE=1 AND GW_ARR[AA]=GONGWEI_SET AND ZHULIAO1=TRUE ) THEN
A1_ARR[AA]:=A1_DQGW_SET;
END_IF
IF (G_MODE=1 AND GW_ARR[AA]=GONGWEI_SET AND ZHULIAO2=TRUE ) THEN
A2_ARR[AA]:=A2_DQGW_SET;
END_IF
IF (TIME_MODE=1 AND GW_ARR[AA]=GONGWEI_SET AND ZHULIAO1=TRUE ) THEN
A1_TIME[AA]:=A1_TGW_SET;
END_IF
IF (TIME_MODE=1 AND GW_ARR[AA]=GONGWEI_SET AND ZHULIAO2=TRUE ) THEN
A2_TIME[AA]:=A2_TGW_SET;
END_IF
END_FOR
上面這段程序是通過ST語(yǔ)言進(jìn)行編寫的，實(shí)現(xiàn)注料工位的選擇，如果通過LD語(yǔ)言編寫需要600條左右的程序，大量的程序段編寫會(huì)使程序運(yùn)行周期增長(zhǎng)，同時(shí)出錯(cuò)的幾率也相應(yīng)提高，如果程序有錯(cuò)誤，會(huì)給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大困難。之前用單片機(jī)做的控制系統(tǒng)經(jīng)過了幾個(gè)月的開發(fā)周期，而通過和利時(shí)PLC進(jìn)行開發(fā)，只用了1周時(shí)間，大大縮短了控制系統(tǒng)的開發(fā)周期。
4 基于PLC控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
聚氨酯雙色澆注機(jī)選用和利時(shí)公司的小型一體化PLC取代了原系統(tǒng)中的單片機(jī)，較大程度地提高了系統(tǒng)的配置，增加了系統(tǒng)的靈活性，能夠更好地滿足用戶的需求。本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
計(jì)量準(zhǔn)確，誤差小
和利時(shí)公司LM系列PLC具有3路100K的高速計(jì)數(shù)器，恰好滿足該系統(tǒng)同時(shí)對(duì)3種原料進(jìn)行精確計(jì)量的要求，使得出料誤差控制在1g以內(nèi)，為用戶節(jié)省了價(jià)格昂貴的聚氨酯原料。
工位數(shù)更多
和利時(shí)公司LM系列PLC擁有120K的程序存儲(chǔ)空間，6K的掉電保持區(qū)，可以掉電存儲(chǔ)300個(gè)澆注工位的工位數(shù)據(jù)，比原系統(tǒng)50個(gè)工位的存儲(chǔ)做了大幅度的提升，使得澆注設(shè)備能適應(yīng)大規(guī)模流水作業(yè)的需求。
原料配重更加精確
和利時(shí)公司LM系列PLC的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力比較強(qiáng)，可以進(jìn)行32位的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)運(yùn)算，使得配料比例運(yùn)算的更精確，使得鞋底的材質(zhì)更接近于設(shè)計(jì)的材質(zhì)要求。
泵和電機(jī)的使用壽命增長(zhǎng)
和利時(shí)公司LM系列PLC可以實(shí)現(xiàn)多回路的PID調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)通過整形限速指令，實(shí)現(xiàn)了泵和電機(jī)的軟啟動(dòng)，增長(zhǎng)了泵和電機(jī)的使用壽命。
可靠性高
本系統(tǒng)的控制核心是和利時(shí)公司LM系列PLC，能夠在惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)期、可靠、無故障地運(yùn)行，接線簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，隔離性好，抗腐蝕能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)較寬的溫度變化范圍，平均無故障時(shí)間間隔（MTBF）大于15年。
縮短了系統(tǒng)升級(jí)的時(shí)間
和利時(shí)公司LM系列PLC的編程語(yǔ)言符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，易學(xué)、易懂、易用。除了具有傳統(tǒng)的指令表（SL）、梯形圖（LD）和功能塊圖（FBD）等編程功能外，還具有結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言（ST）和順序功能圖（SFC）等編程功能。和利時(shí)公司的PLC系統(tǒng)提供了多種應(yīng)用功能塊，包括各種通訊功能塊，可以具體到年月日和時(shí)刻的多種定時(shí)器和超長(zhǎng)時(shí)間繼電器等，方便了各種功能的實(shí)現(xiàn)，有利于縮短開發(fā)周期和節(jié)省程序容量。
5 結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單、安全可靠、省時(shí)省力、工作效率高的特點(diǎn)。節(jié)約了大量人力、物力的同時(shí)，有效的避免了誤操作的發(fā)生，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分可觀。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 《HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC硬件手冊(cè)》，杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，2006
[2] 《HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC軟件手冊(cè)》，杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，2006
[3] 《HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC指令與功能塊手冊(cè)》，杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，2006
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)