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案例頻道 摘要：本文主要闡述如何利用臺達C2000通用型變頻器內嵌的PLC功能來構建注塑機壓力流量控制方案，以滿足注塑機壓力流量閉環控制的要求。從而為客戶提供更加經濟的注塑機變頻器控制方案。
Abstract: In this paper, one solution is proposed which makes use of PLC inside C2000 Inverter for building PQC control for Injection Molding Machine, and it can realize the Pressure & Quantity closed loop control for Injection Molding Machine。So providing customers with more economical injection molding machine drive control scheme.
關鍵詞：PLC 變頻器 注塑機 壓力流量 閉環控制
Key Words：PLC Inverter Injection Machine Pressure Flow Closed-loop Control
1.引言
注塑機是將熱塑性塑料或熱固性料利用塑料成型模具制成各種形狀的塑料制品的主要成型設備，能一次成型外型復雜、尺寸精確或帶有金屬嵌件的質地密致的塑料制品，被廣泛應用于國防、機電、汽車、交通運輸、建材、包裝、農業、文教衛生及人們日常生活各個領域。在塑料工業迅速發展的今天，注塑機的生產總數占整個塑料成型設備的20%-30%，是目前塑料機械中增長最快、生產數量最多的機種之一。
2.注塑機概述
注塑成型機是利用塑膠的熱物理性質，把物料從料斗加入料筒中，料筒外由加熱圈加熱，使物料熔融，在料筒內裝有外動力馬達作用下驅動旋轉的螺桿，物料在螺桿的作用下，沿著螺槽向前輸送并壓實，物料在外加熱和螺桿剪切的雙重作用下逐漸地塑化、熔融和均化。當螺桿旋轉時，物料在螺槽摩擦力和剪切力的作用下，把已熔融的物料推到螺桿的頭部，與此同時，螺桿在物料的反作用下后退，使螺桿頭部形成儲料空間，完成塑化過程，然后，螺桿在注射油缸的活塞推力的作用下，以高速、高壓，將儲料室內的熔融料通過噴嘴注射到模具的型腔中，型腔中的熔料經過保壓、冷卻、固化定型后，模具在合模機構的作用下，開啟模具，并通過頂出裝置把定型好的制品從模具頂出落下。其工藝如圖1所示。
圖1 注塑機工藝流程圖
圖1中傳統的注塑機系統中保壓與冷卻工藝是最為耗電的，其原因在于傳統的注塑機是靠溢出閥和流量閥來控制注塑機系統的壓力和流量的，而油泵馬達則一直是工頻運轉，在保壓和冷卻時，其并不需要馬達的運轉，只需要保證需要的壓力或根本無需壓力輸出。測試馬達若一直運轉，雖然靠溢出閥和流量閥能夠讓系統的壓力值達到所需數值，但是馬達消耗的不必要電能很多。因此，目前注塑機系統的主流技術為油電混合型，即通過變頻器來控制馬達的轉速，上位機下達的壓力和流量命令直接進入變頻器內，完成壓力和流量的閉環控制，保證壓力和流量的同時，減少不必要的電能消耗。通過大量的實踐證明，采用油電混合的注塑機系統較傳統的純油壓的注塑機系統要省電50%以上。如圖2所示。
圖2油電混合與純油壓注塑機系統耗電狀況對比
傳統注塑機的系統結構如圖3所示。上位機通過控制溢出閥和流量控制閥來保證系統的壓力和流量給定，采用油電混合方式的注塑機系統則完全可以省去溢出閥和流量控制閥，而通過上位機控制變頻器去實現壓力和流量控制。
圖3純油壓注塑機系統結構圖
圖4是基于臺達HES注塑機系統的油電混合注塑機系統結構圖，上位機將壓力和流量命令直接交給臺達油電混合伺服驅動器，驅動器將會自行進行壓力和流量的閉環控制。
圖4油電混合注塑機系統結構圖
3.臺達油電混合注塑機系統方案
3.1臺達注塑機PQC控制思想
圖4中已經將基于HES的臺達油電混合注塑機系統展示了出來，所謂HES是由臺達VJ驅動器（臺達油電伺服驅動器）、臺達伺服馬達、配套的內齒輪泵和壓力傳感器組成的一套系統，其核心部分是VJ驅動器。該驅動器只所以稱為油電混合伺服驅動器，首先是因為其可以驅動同步馬達，具備伺服控制特性；此外VJ具備PQC控制模式，即壓力與流量閉環控制，從而能夠實現系統壓力和流量的回授運行，不但能夠節省電能，還能保證上位機的壓力與流量命令得到執行。基于VJ驅動器的PQC控制框圖如圖5所示。
圖5中，液壓控制系統即是PQC控制，其思想為壓力命令與壓力回授進行閉環PI控制調節，同時流量命令作為壓力PI控制的輸出限制，從而利用壓力PI閉環的快速性，控制系統壓力跟隨壓力命令，并保證系統流量控制在流量命令之內。這是充分利用流量與頻率對應，壓力與轉矩對應的關系。
圖5 PQC控制框圖
3.2基于C2000內部PLC的注塑機方案
VJ驅動器作為注塑機專用驅動器，內置PQC控制環，可以簡單有效地進行注塑機系統壓力和流量控制。但是由于注塑機客戶應用要求的高低不同，并不是所有客戶都指定需要專用驅動器進行馬達驅動。盡管專用驅動器具備驅動精確、節能明顯等特點，但是價格的考慮使得客戶更愿選擇比較經濟的方案。
臺達C2000通用型變頻器可以滿足這類客戶的需求。C2000不僅具備同步馬達驅動能力，同時還內置了PLC功能，即可以進行一定范圍內的PLC程序編譯，這為C2000進行注塑機應用提供了可行的條件。考慮到C2000并沒有VJ所具有的PQC控制環，因此必須通過內部PLC來進行程序編輯以實現PQC控制環。
先將圖5的控制思想簡化如圖6。從圖6中可以看出，壓力輸入對于C2000來說只是0～10V的模擬量，壓力回授同樣對于C2000來說也只是0～10V模擬量，其流量命令也是0～10V的模擬量，這樣C2000的ACI、AVI、AUI三路模擬量輸入通道可以分別對應，并且通過內部PLC的模擬量PID指令，進行壓力閉環PI控制程序編寫，再將流量命令的輸入模擬量轉換為頻率命令，并寫入模擬量PI輸出限制參數內，完成功能的實現。
圖6 PQC等效控制
再將圖6結合C2000的模擬量通道變為如圖7所示的PQC控制。根據圖7的思想進行C2000內部PLC程序編寫，主要的指令為FPID與FREQ兩個，其中FPID指令已經將PID回授與對應的頻率進行了自動的變換，例如若01-00=50Hz，那么PID回授AVI=5V，變頻器會自動將此事的PID回授看為25Hz。但是FREQ則沒有這樣的功能，其只是簡單的將頻率命令以0.01的單位進行輸出，因此，ACI輸入數值后，變頻器內部PLC需要將其數值進行必要的轉換，變成對應的頻率值。
圖7 基于C2000模擬量通道的PQC控制
以01-00=50Hz為例，ACI輸入與對應的頻率值關系從圖8中看以看出，這是一個線性方程的關系，可以推算ACI=5*F-Value/10。同理，AUI作為流量輸入，其模擬量與對應的頻率值的關系也是相似的，只不過AUI對應之頻率值需要作為模擬PID的輸出限制而已，ACI與AUI對應頻率值計算的PLC程序如圖9。
圖8 ACI與頻率值對應關系
圖9 ACI AUI頻率值計算程序
在圖9中，以01-00=50HZ進行編寫，測試正常后，以01-00為任意值進行編寫，完整的PLC程序如圖10。
圖10 PLC完整程序
4.結束語
油電混合型注塑機系統因通過變頻器實現壓力和流量的閉環調節，從而節省了大量的電能。但是由于注塑機客戶的層次不同，并不是每個注塑機客戶都需要專用的注塑機油電伺服驅動器進行控制。而臺達C2000通用型變頻器，通過豐富的模擬量通道以及內部PLC功能，可以模仿VJ驅動器的PQC控制環功能，從而提供客戶更加經濟的注塑機變頻器控制方案。
作者簡介：
左濤，出生于1985年10月，畢業于沈陽工業大學 ，控制理論與控制工程碩士學位，現任臺達電子集團機電事業部專案經理，從事臺達IABU一體化方案制定與市場策略開發，工作區域包括中國大陸地區、印度、歐洲、非洲和中東地區。
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