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1 引言
聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡稱，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高分子材料，被譽為“第五大塑料”，因其卓越的性能而被廣泛應用于國民經濟眾多領域。產品應用領域涉及輕工、化工、電子、紡織、醫療、建筑、建材、汽車、國防、航天、航空等。
聚鞍酯材料也被廣泛應用于制鞋行業，聚氨酯鞋底具有諸多優點：密度低，質地柔軟，穿著舒適輕便；尺寸穩定性好，儲存壽命長；優異的耐磨性能、耐彎曲性能；優異的減震、防滑性能；較好的耐溫性能；良好的耐化學品性能等等。聚氨酯多用于制造高檔皮鞋、運動鞋、旅游鞋等。
在聚氨酯鞋底制造行業，所用的澆注機械主要依賴于進口，澆注機械的控制方式一般分為單片機控制和PLC控制兩種。國內生產的澆注機械的控制方式以單片機控制為主，單片機控制存在一些不足，主要反映在以下三個問題上。問題一：單片機抗干擾能力差，計量泵是澆注機的重要組成部分，主要完成聚氨酯原料的精確計量，為了控制出料的速度，需要通過變頻器對計量泵進行無極調速，由于變頻器與主控單片機的距離很近，對主控單片機的工作有干擾，會出現計量不準確的情況；問題2：澆注機的操作系統主要由按鈕和數碼管組成，操作過程相當繁瑣，增加了對系統操作人員的培訓時間；問題三：單片機由于采用匯編語言編程，程序的可讀性比較差，程序修改相當困難，無形中增加了新設備的開發周期。考慮到以上幾點因素，溫州一家澆注機制造商決定開發基于PLC控制的澆注機控制系統。
2 聚氨酯澆注機控制系統的工作原理
聚氨酯雙色澆注機主要由兩部分組成，機械系統和控制系統。控制系統主要由PLC、變頻器、繼電器及接觸器組成。機械系統主要由原料罐、計量泵、罐加熱裝置、機頭攪拌電機、罐攪拌裝置、機頭導軌、電磁閥及各個管路組成。
聚氨酯澆注機注料是怎樣一個過程呢？下面我們對注料過程進行介紹。每套系統分別有A1、A2、B三個原料罐，每個原料罐對應一個計量泵，精確計量每種料的流量，雙色澆注機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電磁閥進行控制，A1料、A2料和B料的比例和注料的質量通過觸摸屏進行設定，由計量泵和PLC配合進行精確計量。在打開注料電磁閥的之前，打開機頭攪拌電機，澆注的料經過機頭攪拌，使料更加均勻。為了保證原料罐中料不凝結，需要定時開啟原料罐攪拌電機。A1罐、A2罐、B罐和油箱的加熱裝置要根據溫度控制啟停。三個原料罐具有出口壓力檢測裝置，如果超壓停止計量泵的工作并報警，實現機械裝置的內部保護功能。在同一條鞋底生產線上，可能生產的不是同一規格的鞋底，這樣在每個工位的澆注原料質量也就不同，PLC需要存儲每個工位的質量，并自動判斷所處工位，進行相應質量原料的澆注。經過一個澆注流程，可能某個工位的鞋底質量不合格，需要單獨對這幾個工位進行澆注。這樣可以把其它工位的質量設定為0，按下注料按鈕，只澆注有質量設定的工位。一條生產線上可能要生產兩種不同材質的鞋底，這就要求系統可以選擇注那種料，并可以設定自動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
我們對運行環境進行了現場考察和反復研究，在可靠性、穩定性、方便性等方面做了大量工作，采用先進、實用、可靠的PLC做控制，提出了基于和利時公司LM系列PLC的方案。
整個控制系統有7路數字量輸入信號、15路數字量輸出信號、7路模擬量輸入信號和4路模擬量輸出信號，系統還有三路高速輸入的需求。
所以選擇了集成40點開關量I/O的CPU模塊LM3108，其輸入輸出分別為24點和16點，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。1個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。1個4路熱電阻輸入模塊LM3312，可以采集CU50和PT100的電阻信號。2個2路模擬量輸出模塊LM3320，可以對外輸出標準的電壓、電流模擬量信號。系統配有兩塊觸摸屏，一塊安裝在機頭攪拌裝置上，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量參數。LM3108CPU模塊有兩個通訊口，RS232口用于和系統操作屏的通訊，RS485通訊口預留，便于系統的擴展需要，如果設備較多，可以組成485通訊網絡進行上位機統一監控。兩塊觸摸屏通過專有協議進行互聯，可以同時對PLC進行控制。機頭攪拌的變頻器選用臺達7.5kw變頻器，計量泵變頻器選用臺達0.75kw變頻器。系統結構圖如圖1所示：
系統I/O分配表如表1所所示：
和利時G3系列PLC編程軟件支持多種編程語言和數據類型，使得程序實現更為簡單。該系統因為引入了LD語言和ST語言的混合編程，大大減少了PLC的程序量，縮短了產品的開發周期。LD語言是大家熟知的梯形圖編程語言，ST語言類似于高級語言，可以編寫一些循環指令和判斷語句，例如FOR循環、WHILE循環、REPEAT循環、IF語句、CASE語句等。而且支持結構體、指針、數組等多種數據類型。下面是該系統程序中選擇工位的一個子程序。
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語言進行編寫的，實現注料工位的選擇，如果通過LD語言編寫需要600條左右的程序，大量的程序段編寫會使程序運行周期增長，同時出錯的幾率也相應提高，如果程序有錯誤，會給系統調試帶來很大困難。之前用單片機做的控制系統經過了幾個月的開發周期，而通過和利時PLC進行開發，只用了1周時間，大大縮短了控制系統的開發周期。
4 基于PLC控制系統優點
聚氨酯雙色澆注機選用和利時公司的小型一體化PLC取代了原系統中的單片機，較大程度地提高了系統的配置，增加了系統的靈活性，能夠更好地滿足用戶的需求。本系統具有以下優點：
計量準確，誤差小
和利時公司LM系列PLC具有3路100K的高速計數器，恰好滿足該系統同時對3種原料進行精確計量的要求，使得出料誤差控制在1g以內，為用戶節省了價格昂貴的聚氨酯原料。
工位數更多
和利時公司LM系列PLC擁有120K的程序存儲空間，6K的掉電保持區，可以掉電存儲300個澆注工位的工位數據，比原系統50個工位的存儲做了大幅度的提升，使得澆注設備能適應大規模流水作業的需求。
原料配重更加精確
和利時公司LM系列PLC的數據運算能力比較強，可以進行32位的浮點型數據運算，使得配料比例運算的更精確，使得鞋底的材質更接近于設計的材質要求。
泵和電機的使用壽命增長
和利時公司LM系列PLC可以實現多回路的PID調節，本系統通過整形限速指令，實現了泵和電機的軟啟動，增長了泵和電機的使用壽命。
可靠性高
本系統的控制核心是和利時公司LM系列PLC，能夠在惡劣的環境中長期、可靠、無故障地運行，接線簡單，維護方便，隔離性好，抗腐蝕能力強，能夠適應較寬的溫度變化范圍，平均無故障時間間隔（MTBF）大于15年。
縮短了系統升級的時間
和利時公司LM系列PLC的編程語言符合IEC61131-3標準，易學、易懂、易用。除了具有傳統的指令表（SL）、梯形圖（LD）和功能塊圖（FBD）等編程功能外，還具有結構化語言（ST）和順序功能圖（SFC）等編程功能。和利時公司的PLC系統提供了多種應用功能塊，包括各種通訊功能塊，可以具體到年月日和時刻的多種定時器和超長時間繼電器等，方便了各種功能的實現，有利于縮短開發周期和節省程序容量。
5 結束語
該系統具有自動化程度高，操作簡單、安全可靠、省時省力、工作效率高的特點。節約了大量人力、物力的同時，有效的避免了誤操作的發生，經濟效益和社會效益十分可觀。
參 考 文 獻
[1] 《HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC硬件手冊》，杭州和利時自動化有限公司，2006
[2] 《HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC軟件手冊》，杭州和利時自動化有限公司，2006
[3] 《HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC指令與功能塊手冊》，杭州和利時自動化有限公司，2006
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號