基于ＬＰＣ２１３８的注塑機控制器設(shè)計

摘 要：在簡要說明注塑機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的注塑機控制器，給出該控制器的軟硬件設(shè)計方案，詳細論述控制器中溫度檢測部分硬件電路的組成和設(shè)計，簡要介紹控制器軟件的設(shè)計方法，并著重闡述了溫度檢測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。控制器通過采用主-從結(jié)構(gòu)的雙ARM處理器控制系統(tǒng)來實現(xiàn)顯示及控制任務(wù)的分割，實際運行結(jié)果表明，該方案具有穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：注塑機；溫度控制；ARM；模糊控制；PID

中圖分類號：TP271文獻標識碼：B文章編號：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)代注塑機的發(fā)展重點在于提高控制水平和整機自動化程度，以及整機優(yōu)化設(shè)計和加工工藝的改進方面，以滿足對于注塑制品質(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，價格低，性能強大而得到廣泛應(yīng)用。利用32位的ARM處理器實現(xiàn)注塑生產(chǎn)過程的自動控制，實時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自動化程度，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 注塑機的組成及其工作過程

1.1 注塑機的組成

該控制器以電動-液壓相結(jié)合的復(fù)合式注塑機為控制對象，它是集機-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)、潤滑系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全保護裝置、監(jiān)測系統(tǒng)及供料等輔助系統(tǒng)組成。注塑機的各個部分互相牽制、互相協(xié)調(diào)地完成注塑機的循環(huán)動作。其中電氣控制系統(tǒng)是注塑機的“中樞神經(jīng)”，它控制著注塑機的各種程序及動作，對時間、位置、壓力、速度和轉(zhuǎn)速等進行有效的控制與調(diào)節(jié)。該控制器實現(xiàn)注塑機電氣控制系統(tǒng)的控制功能。

1.2 注塑機的工作過程

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

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

該控制器由2個控制模塊構(gòu)成，采用主從式結(jié)構(gòu)來控制注塑機的注塑過程、溫度、人機界面、通信等工作。兩個控制模塊各由一個處理器來進行管理，處理器均采用ARM處理器LPC2138，其中一個處理器負責(zé)鍵盤及LCD顯示管理，實現(xiàn)參數(shù)在線設(shè)定及顯示，以提供友好的人機界面；另外一個處理器負責(zé)檢測注塑機的各路輸入情況，并實現(xiàn)對注塑的過程控制與料筒溫度控制。兩者之間采用RS 2³²C串行接口進行實時通信以實現(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 控制器需要實現(xiàn)注塑機的各種動作及控制參數(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個按鍵或傳感器，并可檢測每個按鍵的連擊次數(shù)，而且具有鍵盤去抖動處理、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，而且簡化了編程。每當有按鍵按下，ZLG7290會產(chǎn)生中斷信號，此時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圖形點陣型液晶顯示模塊，主機設(shè)計有與LCD模塊模塊的接口，可以將其介入，這樣就可實現(xiàn)對注塑機工藝參數(shù)的實時監(jiān)視、各個關(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)行機構(gòu)在電氣上進行隔離，防止高壓產(chǎn)生干擾破壞處理器程序的運行。輸入信號經(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)動執(zhí)行機構(gòu)動作。

位移檢測電路 設(shè)計有3路位移檢測電路，分別實現(xiàn)對螺桿位置、開關(guān)模位置和托模機構(gòu)的位置檢測，檢測出的位移量作為切換壓力和速度的一個依據(jù)。位移檢測采用的傳感器是位移電子尺，位移電子尺給出的信號是模擬信號經(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信號直接由硬件電路產(chǎn)生，PWM信號經(jīng)過三極管放大后通過達林頓管去驅(qū)動比例閥工作。

料筒溫度檢測和加熱控制電路 此電路位于從機部分，是本控制器的設(shè)計重點，因為料筒溫度對制品的質(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。控制器設(shè)計有6路溫度檢測通道，溫度檢測傳感器采用K型熱電偶，其測溫范圍為0～400 ℃。熱電偶信號經(jīng)過儀表放大器AD620放大后，再將其進行V/F轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。采用V/F轉(zhuǎn)換電路是因為頻率信號的抗干擾能力強，且實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的性價比高。6路溫度檢測的切換采用繼電器控制，以減小導(dǎo)通電阻帶來的溫度測量誤差，且能夠?qū)崿F(xiàn)信號與系統(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償采用集成溫度傳感器來實現(xiàn)。具體的溫度測量電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

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

3.1 主機軟件設(shè)計

主機部分軟件分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)的操作頁面，進行參數(shù)設(shè)置與顯示，并實時顯示注塑機當前所處的工作狀態(tài)。

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

3.2 從機軟件設(shè)計

從機軟件主要是實現(xiàn)對注塑機工藝流程流程控制。控制器根據(jù)當前注塑機所處的工作狀態(tài)（手動、半自動、全自動等）以及各個輸入狀態(tài)（行程開關(guān)、電子尺、鍵盤操作命令等）來控制注塑機的各個工藝流程的進行。在手動模式下，注塑機的各個動作可以單獨執(zhí)行，如開關(guān)模、射膠、座臺動作以及托模動作等。在半自動模式下，注塑機在控制器的控制下動作1個循環(huán)，即生產(chǎn)出1件制品，如果需要進行下一個循環(huán)，則只要打開在關(guān)閉安全門1次即可。全自動模式提供2種方式：一種是時間自動方式；另一種是電眼自動方式，前者是以計時方式來判斷制品的取出，其計時是從最后一次托模退動作終止的時刻開始，該時間可以設(shè)定，只要時間一到，注塑機立即進入下一個循環(huán)，而后者是根據(jù)電眼來檢測制品是否脫落，如果檢測到則立即進入下一個循環(huán)，如果在規(guī)定時間內(nèi)沒有檢測到制品落下，則進行報警。

從機軟件設(shè)計的重點是溫度控制模塊，也是本文介紹的重點。溫度控制是注塑機必要的環(huán)節(jié)，其控制性能直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。它包括溫度檢測和加熱器控制兩個方面。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)實際需要設(shè)置成不使用模糊控制或PID控制，此時溫度控制就按時間周期方式進行，即通過設(shè)定加熱的時間周期和溫控百分比進行溫度控制。

根據(jù)模糊控制理論，當論域為離散時，經(jīng)過量化后的輸入量的個數(shù)是有限的。因此可以針對輸入的不同組合離線計算出相應(yīng)的控制量，從而組成一張控制表，實際控制時只要直接查這張控制表即可。在ARM處理器中如何實現(xiàn)控制規(guī)則表是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。本系統(tǒng)采用二維矩陣形式存儲控制規(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}一一對應(yīng)。例如，假設(shè)E量化后為x=-2，y=3，則在ARM中對應(yīng)a=4，b=9，查表時只需查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。這種離線計算、在線查表的模糊控制方法比較容易滿足實時控制的要求。

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e>+6 ℃或e<-6 ℃時，系統(tǒng)將自動切換到PID控制程序段，使系統(tǒng)能快速響應(yīng)；當-6 ℃

4 結(jié) 語

采用雙處理器對整個控制任務(wù)進行合理分割，不僅提高了系統(tǒng)的處理速度和穩(wěn)定性，而且軟件設(shè)計也相對簡單。處理器結(jié)合位移傳感器，并按一定的壓力和速度對注塑機實施控制和動態(tài)監(jiān)測，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，使溫度控制達到更好的控制效果。該控制器件已在實際生產(chǎn)中獲得了應(yīng)用，經(jīng)過半年多的使用，系統(tǒng)運行情況良好、性能穩(wěn)定。

參考文獻

［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.注塑機溫度控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代機械，2007(4):22-23.

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

［9］周航慈.單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(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.

作者簡介 賴武軍 男，1975年出生，江西瑞金人，江西理工大學(xué)機電學(xué)院碩士研究生。研究方向為智能儀表與自動化裝置。