对中国注塑机控制系统的思考
何卫东 博士
现代塑料注塑成型机是一个集机、电、液于一体的典型系统,由于这种设备具有成型复杂制品、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,目前全世界80%以上的工程塑料制品均采用注塑成型机进行加工。
传统的注塑机一般采用简单的开环控制,即按照预先设定值进行控制。在设备制造过程中,预先设定好参数值,例如锁模力、 循环时间、温度等,由机器在生产过程中加以保持。例如模具温度可以通过控制加热流体的温度加以保持,塑化温度可以通过控制外加热装置的功率保持。这种控制方式结构简单,然而抗干扰能力差,控制温度也比较低。
目前,更多的注塑机采用的是闭环控制,即按照在线测量值与设定值的偏差进行控制。闭环控制系统采用了负反馈回路, 抗干扰能力强,当注射速度、注射压力、模腔温度、模腔压力、熔体温度和油压等在生产过程中因干扰出现偏差,机器则通过 控制系统对干扰进行自动修正。这一控制方法抗干扰能力强,控制精度高。更先进的控制方法是应用计算机进行控制,即构筑 闭环实时计算机控制系统。
DAS拽亘弗莱具有很丰富的注塑机控制系统的开发经验,从底层的速度、位置、压力、吨位、温度等控制回路的设计到上面的人机界面设计,我们都可以帮客户带来技术革新。 我们可以基于DHMI 平台,和第三方控制平台(Beckhoff TwinCAT 或多或少SIMENS)来开发设计注塑机控制系统。
注塑机控制系统的性能主要取决与过程控制的算法,这是整个控制系统的核心部分。
通过以上的设计使注塑机生产周期缩短,运行稳定,效率得到提高。
注塑机的过程控制系统主要包含两大部分:一是温度控制系统,以对料筒、熔体和模具的温度进行控制;二是运动控制系统, 以对注塑过程的压力、速度、位移以及吨位进行多级切换。
在温度控制中,其控制精度已经达到了±1℃。精确的温度控制在精密注塑上有利于提高产品质量以及原材料的利用率,是一项 十分重要的指标。在塑料加工过程中,温度控制主要包括料筒、喷嘴和模具的温度控制。料筒温度即料筒表面加热温度, 由于料筒的壁比较厚,因此热电偶检测点的选择非常关键,不同的检测点上温度曲线是有较大的差异的。因此双点平行检测, 即在料筒表面与深处同时设置热电偶,将得到比较稳定的温度曲线,有利于温度控制的精度。喷嘴温度直接影响着熔体通过时 的剪切流动,对制品的质量有大的影响,因此喷嘴温度的控制精度要求更高。模具温度是指与制品接触的模腔表面温度, 它会显著影响充膜、冷却和保压过程。对于模具温度的控制方法可以采用控制加热载体温度的方法也可以直接控制模具温度。 在前一种方法中,以加热载体的出口温度为控制对象,比较简
单,能满足一般的温控要求。当温度控制精度要求较高时一般采用 第二种方法进行温度控制。注射速度、保压压力、溶胶背压是注射部分首先要控制的三个变量,其控制精度直
接影响制品的质量。现代较为先进的注塑机具备了 5 到10 级的注射速度和多段保压以及熔胶背压控制。一般通过位移/速度传感器、压力传感器、闭环注射控制器和高响应伺服阀的配合 使用,实现注射成型过程中熔胶背压、注射速度和保压工况的精确控制。另外比较简单的办法是采用闭环比例阀,通过比例阀本身的 阀芯位置的闭环控制来提高控制精度。然而阀芯位置是一个中间变量,因此控制精度稍差。
移模过程控制最主要的变量是锁模力,锁模力的重复再现是稳定的成型周期的必要条件。移模过程中应该控制的另外一个重要的变量 是位置。一方面,先进的注塑机不断追求效率的提高,移模速度直接影响成型周期,而快速移模本身对减速控制提出了更高的要求。 另一方面,由于特殊工艺的不断开发和推广,模具位置的控制精度要求越来越高。
中国的很多生产机器设备的企业, 控制系统都是配备第三方提供的现成控制系统, 这样的机器设备极容易被其他竞争对手拷贝。 控制系统是一台机器的大脑, 系统的核心, 如果连系统的核心都能在市场上买到, 那仿制该设备就很容易了, 仿制就会导致恶性竞争, 使设备成为低端设备。如果要提高设备的技术含量, 使设备能进入高端市场, 企业就要自己拥有控制系统的核心算法, 控制系统的算法是很难被别人偷去的,除非控制算法的程序原代码被偷去了, 即使偷去了也很难直接应用到他们的系统中去。 但控制算法的程序原代码是不随机器卖出的, 所以被偷的可能性就小多了. 而机械方面的仿制就容易多了。 欧美机械制造业一般都拥有自己的控制系统, 他们从第三方买进控制系统平台, 然后把自己的核心控制逻辑嵌入到控制平台从而形 成自己的控制系统, 或与第三方联合开发, 通过付开发费形式 (一次性投资)而获得控制系统的知识产权, 并且通过联合开发而培训了 自己的控制系统技术队伍, 从而能在以后独立基于控制平台进行系统的升级和改造。
中国注塑机行业至今还没有一家企业拥有自己的注塑机控制系统, 都是直接从第三方购买注塑机控制系统安装在自己的注塑机上。 这一策略直接限制了中国注塑机的技术含量,即使注塑机企业有自己的注塑过程控制工艺, 也很难在第三方的控制系统上实现, 因为第三方控制系统不可能开放其所有的控制窗口供企业技术人员来设置和改变。而国外主要的注塑机企业(例如 HUSKY、BATTENFELD、DEMAG、ENGEL、ARBURG、NETSTAL、DR.BOY等)都拥有自己的注塑机控制系统 (PLC & HMI)。
国外的许多注塑机企业, 把技术研发和创新作为企业的生存之本, 投入了大量的人力物力, 开发出许多新的注塑技术, 特别是先进的控制算法. 他们都有自己的专业研发队伍(既精通自动化控制技术、软件开发,又懂注塑机的过程工艺)。他们充分认识到控制算法和软件技术是一次性投入,但其带来的效益是任何硬件系统所无法可比的, 而且许多硬件功能都能通过软件来进行实现. 最近HUSKY 通过软件、控制算法的改进,使其PET 机器的产品生产周期提高了1 秒多, 这就是智力投入。而国内许多企业总是以为软件可以买、拷贝, 和请一些不懂注塑机和控制技术的人帮他们开发软件, 这样的软件只能实现一些基本常用功能, 谈不上先进控制算法(因开发者不懂注塑机控制系统,又如何能开发出先进的注塑机控制软件呢?)
另外, 通过我们对中国注塑机企业的考察, 发现他们都有想掌握控制系统核心技术的 迫切愿望,但都能找到各种理由来"解释"为什么他们没有自己开发自己独立的控制 系统,
总而言之,不愿出开发费来开发自己的注塑机控制系统, 不愿组建自己的控制开发队伍(不是应用支持队伍)来进行控制系统开发是目前中国注塑机企业的通病, 也是中国注塑机企业的悲哀.
一个高端的控制系统,它应该具有如下特点,
要想改变中国注塑机控制系统现状,我想应从以下几方面来进行,
我们能联合业内人士开发出具有自主知识产权的注塑机控制系统, 使中国注塑机逐渐走向高端。 希望在国际展会上能看到中国自己开发的注塑机控制系统控制我们的注塑机24 小时高性能无错运行,能教学式指导初学使用者快速学会使用,能远程访问监控其运行状态, 能自动查找错误并自修复或指导操作者进行排错,能进行自动质量检测并报警,能为其它工厂监控软件提供OPC 数据接口,能有效整合 其它注塑机附属设备的支持程序;而不是象现在那样注塑机总是静静地放在展会 上,只见修理工不停的在那里忙碌修理。