摘 要：在簡(jiǎn)要說明注塑機(jī)的基本組成和工作流程的基礎(chǔ)上，介紹一款基于ARM處理器LPC2138的注塑機(jī)控制器，給出該控制器的軟硬件設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)論述控制器中溫度檢測(cè)部分硬件電路的組成和設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要介紹控制器軟件的設(shè)計(jì)方法，并著重闡述了溫度檢測(cè)程序模塊所采用的模糊控制與傳統(tǒng)PID相結(jié)合的控制算法?？刂破魍ㄟ^采用主-從結(jié)構(gòu)的雙ARM處理器控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)顯示及控制任務(wù)的分割，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該方案具有穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：注塑機(jī)；溫度控制；ARM；模糊控制；PID

中圖分類號(hào)：TP271文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004373X(2008)2017803

Design of Controller of Plastic Injection-molding Machine Based on LPC2138

LAI Wujun1，CHEN Shuang2

(1.School of MechanicalElectrical Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，341000，China；

2.Educational Administration Deparentment of West Campus，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，341000，China)

Abstract：Based on the brief introduction of basic composition and work-flow of plastic injection-molding machine，this thesis illustrates one kind of the controller of plastic injection-molding machine based on the ARM processor LPC2138，provides the scheme in designing the software and hardware solution for that controller，elaborates hardware composition and designing method of the temperature measurement unit，and briefly introduces the method of software designing of the controller and explains the control algorithm of temperature control module，namely combination of fuzzy control and traditional PID control.In this design，by means of application of double ARM microprocessors control system with master-slave construction to achieve the display and control tasks segmentation.The actual practice of this controller shows this solution has advantages of stability and reliability.

Keywords：plastic injection-molding machine;temperature control;ARM;fuzzy control;PID

現(xiàn)代注塑機(jī)的發(fā)展重點(diǎn)在于提高控制水平和整機(jī)自動(dòng)化程度，以及整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和加工工藝的改進(jìn)方面，以滿足對(duì)于注塑制品質(zhì)量及節(jié)能的要求。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)芯片以集成度高，價(jià)格低，性能強(qiáng)大而得到廣泛應(yīng)用。利用32位的ARM處理器實(shí)現(xiàn)注塑生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)顯示并在線修改各階段的過程參數(shù)，這不僅提高了注塑機(jī)自動(dòng)化程度，而且大大提高了塑料制品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 注塑機(jī)的組成及其工作過程

1.1 注塑機(jī)的組成

該控制器以電動(dòng)-液壓相結(jié)合的復(fù)合式注塑機(jī)為控制對(duì)象，它是集機(jī)-電-液于一體的典型系統(tǒng)。它主要由液壓油路系統(tǒng)、合模系統(tǒng)、注射系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及供料等輔助系統(tǒng)組成。注塑機(jī)的各個(gè)部分互相牽制、互相協(xié)調(diào)地完成注塑機(jī)的循環(huán)動(dòng)作。其中電氣控制系統(tǒng)是注塑機(jī)的“中樞神經(jīng)”，它控制著注塑機(jī)的各種程序及動(dòng)作，對(duì)時(shí)間、位置、壓力、速度和轉(zhuǎn)速等進(jìn)行有效的控制與調(diào)節(jié)。該控制器實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)電氣控制系統(tǒng)的控制功能。

1.2 注塑機(jī)的工作過程

現(xiàn)代注塑機(jī)的控制器主要由注塑機(jī)工藝流程控制、料筒溫度控制、人機(jī)界面等部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)注塑機(jī)整個(gè)工藝流程進(jìn)行控制；對(duì)注塑過程中的流量、壓力、位置以及料桶溫度的控制；對(duì)注塑工作過程參數(shù)的顯示與在線參數(shù)修改。注塑機(jī)的工作過程其實(shí)就是一個(gè)過程控制。當(dāng)要執(zhí)行某一個(gè)動(dòng)作時(shí)，控制器必須輸出相應(yīng)的控制信號(hào)使相關(guān)的電磁閥通電，否則不能正常工作，而當(dāng)檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的行程開關(guān)或接近開關(guān)的輸入信號(hào)后，就可撤除控制信號(hào)使電磁閥失電，以結(jié)束該動(dòng)作，然后根據(jù)工藝要求進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作或停止工作。其工作流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

該控制器由2個(gè)控制模塊構(gòu)成，采用主從式結(jié)構(gòu)來控制注塑機(jī)的注塑過程、溫度、人機(jī)界面、通信等工作。兩個(gè)控制模塊各由一個(gè)處理器來進(jìn)行管理，處理器均采用ARM處理器LPC2138，其中一個(gè)處理器負(fù)責(zé)鍵盤及LCD顯示管理，實(shí)現(xiàn)參數(shù)在線設(shè)定及顯示，以提供友好的人機(jī)界面；另外一個(gè)處理器負(fù)責(zé)檢測(cè)注塑機(jī)的各路輸入情況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑的過程控制與料筒溫度控制。兩者之間采用RS 2³²C串行接口進(jìn)行實(shí)時(shí)通信以實(shí)現(xiàn)信息與數(shù)據(jù)的交換。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2所示。

鍵盤電路 控制器需要實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的各種動(dòng)作及控制參數(shù)的輸入，因此鍵盤電路必不可少。鍵盤電路采用ZLG7290鍵盤管理器，它可采樣64個(gè)按鍵或傳感器，并可檢測(cè)每個(gè)按鍵的連擊次數(shù)，而且具有鍵盤去抖動(dòng)處理、雙鍵互鎖處理等功能，因此省去了鍵盤掃描及去抖等相關(guān)處理軟件的編制，這樣不僅節(jié)省了程序空間，而且簡(jiǎn)化了編程。每當(dāng)有按鍵按下，ZLG7290會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，此時(shí)LPC2138可通過I2C接口從ZLG7290內(nèi)部讀取鍵值，這樣就可判斷出按鍵的具體位置。

液晶顯示 LCD模塊選用320×240圖形點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，主機(jī)設(shè)計(jì)有與LCD模塊模塊的接口，可以將其介入，這樣就可實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑機(jī)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的在線修改以及命令輸入提示。

數(shù)字量輸入/輸出電路 數(shù)字量的輸入與輸出均通過光耦隔離電路，以將控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)在電氣上進(jìn)行隔離，防止高壓產(chǎn)生干擾破壞處理器程序的運(yùn)行。輸入信號(hào)經(jīng)整形后送往數(shù)據(jù)總線共ARM處理器讀取。輸出數(shù)字量通過功率放大電路后直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

位移檢測(cè)電路 設(shè)計(jì)有3路位移檢測(cè)電路，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿位置、開關(guān)模位置和托模機(jī)構(gòu)的位置檢測(cè)，檢測(cè)出的位移量作為切換壓力和速度的一個(gè)依據(jù)。位移檢測(cè)采用的傳感器是位移電子尺，位移電子尺給出的信號(hào)是模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器ADS7844得到相應(yīng)的數(shù)字量，LPC2138可以通過SPI口讀取ADS7844的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

比例閥控制電路 控制器設(shè)計(jì)有2路比例閥控制電路，以提供流量和壓力的控制。比例閥的控制采用PWM技術(shù)，PWM信號(hào)直接由硬件電路產(chǎn)生，PWM信號(hào)經(jīng)過三極管放大后通過達(dá)林頓管去驅(qū)動(dòng)比例閥工作。

料筒溫度檢測(cè)和加熱控制電路 此電路位于從機(jī)部分，是本控制器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，因?yàn)榱贤矞囟葘?duì)制品的質(zhì)量有直接的關(guān)系。由于加溫系統(tǒng)存在大慣量，加上電源電壓波動(dòng)等環(huán)境因素的影響，往往難以獲得理想的品質(zhì)因素，因而需要采取相應(yīng)的軟硬件措施，以獲得穩(wěn)定、可靠的溫度控制效果?？刂破髟O(shè)計(jì)有6路溫度檢測(cè)通道，溫度檢測(cè)傳感器采用K型熱電偶，其測(cè)溫范圍為0～400 ℃。熱電偶信號(hào)經(jīng)過儀表放大器AD620放大后，再將其進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。采用V/F轉(zhuǎn)換電路是因?yàn)轭l率信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng)，且實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的性價(jià)比高。6路溫度檢測(cè)的切換采用繼電器控制，以減小導(dǎo)通電阻帶來的溫度測(cè)量誤差，且能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)與系統(tǒng)的隔離。加熱控制電路也采用繼電器控制，繼電器的輸出可直接驅(qū)動(dòng)電磁繼電器或固態(tài)繼電器以控制加熱裝置的電源開關(guān)。另外熱電偶的冷端補(bǔ)償采用集成溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。具體的溫度測(cè)量電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)。主機(jī)部分的軟件分主要包括鍵盤、顯示、通信和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。從機(jī)部分的軟件相對(duì)比較復(fù)雜，主要有通信模塊、溫度檢測(cè)控制模塊、比例閥控制模塊、位移檢測(cè)模塊、工藝流程控制模塊等。

3.1 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)部分軟件分2大模塊，即鍵盤與顯示模塊、通信模塊。其中，鍵盤與顯示模塊負(fù)責(zé)管理64鍵鍵盤和液晶顯示器，由于鍵較多，采用“狀態(tài)轉(zhuǎn)移法”的鍵控程序^［2］，根據(jù)所按下的鍵執(zhí)行相應(yīng)的程序，在液晶顯示器上顯示相應(yīng)的操作頁(yè)面，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與顯示，并實(shí)時(shí)顯示注塑機(jī)當(dāng)前所處的工作狀態(tài)。

通訊模塊負(fù)責(zé)與下位機(jī)通信，控制器中的串行通訊也采用主從式結(jié)構(gòu)，即由主機(jī)發(fā)出通信要求，如參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)操作、運(yùn)行狀態(tài)讀出等，而從機(jī)CPU則根據(jù)主機(jī)CPU的要求給出回應(yīng)。

3.2 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

從機(jī)軟件主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑機(jī)工藝流程流程控制?？刂破鞲鶕?jù)當(dāng)前注塑機(jī)所處的工作狀態(tài)（手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)等）以及各個(gè)輸入狀態(tài)（行程開關(guān)、電子尺、鍵盤操作命令等）來控制注塑機(jī)的各個(gè)工藝流程的進(jìn)行。在手動(dòng)模式下，注塑機(jī)的各個(gè)動(dòng)作可以單獨(dú)執(zhí)行，如開關(guān)模、射膠、座臺(tái)動(dòng)作以及托模動(dòng)作等。在半自動(dòng)模式下，注塑機(jī)在控制器的控制下動(dòng)作1個(gè)循環(huán)，即生產(chǎn)出1件制品，如果需要進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，則只要打開在關(guān)閉安全門1次即可。全自動(dòng)模式提供2種方式：一種是時(shí)間自動(dòng)方式；另一種是電眼自動(dòng)方式，前者是以計(jì)時(shí)方式來判斷制品的取出，其計(jì)時(shí)是從最后一次托模退動(dòng)作終止的時(shí)刻開始，該時(shí)間可以設(shè)定，只要時(shí)間一到，注塑機(jī)立即進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，而后者是根據(jù)電眼來檢測(cè)制品是否脫落，如果檢測(cè)到則立即進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到制品落下，則進(jìn)行報(bào)警。

從機(jī)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是溫度控制模塊，也是本文介紹的重點(diǎn)。溫度控制是注塑機(jī)必要的環(huán)節(jié)，其控制性能直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。它包括溫度檢測(cè)和加熱器控制兩個(gè)方面。控制器采用模糊控制和常規(guī)PID控制相結(jié)合的控制算法，并且可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置成不使用模糊控制或PID控制，此時(shí)溫度控制就按時(shí)間周期方式進(jìn)行，即通過設(shè)定加熱的時(shí)間周期和溫控百分比進(jìn)行溫度控制。

根據(jù)模糊控制理論，當(dāng)論域?yàn)殡x散時(shí)，經(jīng)過量化后的輸入量的個(gè)數(shù)是有限的。因此可以針對(duì)輸入的不同組合離線計(jì)算出相應(yīng)的控制量，從而組成一張控制表，實(shí)際控制時(shí)只要直接查這張控制表即可。在ARM處理器中如何實(shí)現(xiàn)控制規(guī)則表是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。本系統(tǒng)采用二維矩陣形式存儲(chǔ)控制規(guī)則表，例如定義二維矩陣為fuzzyctrl［13］［13］。因輸入量偏差E和偏差變化率DE量化后分別為x，y，且x，y={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，則在ARM中可以將其與a，b={0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12}一一對(duì)應(yīng)。例如，假設(shè)E量化后為x=-2，y=3，則在ARM中對(duì)應(yīng)a=4，b=9，查表時(shí)只需查fuzzyctrl［4］［9］，這樣表示無論從數(shù)據(jù)管理還是從查表方便而言，都具有極大的優(yōu)勢(shì)。這種離線計(jì)算、在線查表的模糊控制方法比較容易滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

另外，控制器還結(jié)合了傳統(tǒng)的PID控制方法。軟件判斷偏差e的大小范圍，當(dāng)e>+6 ℃或e<-6 ℃時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到PID控制程序段，使系統(tǒng)能快速響應(yīng)；當(dāng)-6 ℃

4 結(jié) 語

采用雙處理器對(duì)整個(gè)控制任務(wù)進(jìn)行合理分割，不僅提高了系統(tǒng)的處理速度和穩(wěn)定性，而且軟件設(shè)計(jì)也相對(duì)簡(jiǎn)單。處理器結(jié)合位移傳感器，并按一定的壓力和速度對(duì)注塑機(jī)實(shí)施控制和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，大大提高了產(chǎn)品的精度和質(zhì)量。料筒溫度控制采用模糊控制結(jié)合傳統(tǒng)控制方法PID控制，使溫度控制達(dá)到更好的控制效果。該控制器件已在實(shí)際生產(chǎn)中獲得了應(yīng)用，經(jīng)過半年多的使用，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好、性能穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

［1］Philips Semiconductor.LPC213x User Manual［Z］.2005.6

［2］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程\\.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［3］李忠文.注塑機(jī)操作與調(diào)校技術(shù)\\.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［4］鐘漢如.注塑機(jī)控制系統(tǒng)\\.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［5］孫增圻.智能控制理論與技術(shù)\\.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

［6］程武山.智能控制理論與應(yīng)用\\.上海：上海交通大學(xué)出版社，2006.

［7］夏馬子，余先濤.注塑機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2007(4):22-23.

［8］張奇苗，張培仁.注塑機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀表，2005(2):29-31.

［9］周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)(修訂版)\\.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［10］王海欣，黃海宏.液晶顯示器的漢字顯示方法［J］.液晶與顯示，2005，20(2):155-158.

作者簡(jiǎn)介 賴武軍 男，1975年出生，江西瑞金人，江西理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。研究方向?yàn)橹悄軆x表與自動(dòng)化裝置。