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。

  • 速度控制环的设计
  • 位置控制环的设计(开环或闭环)
  • 锁模吨 位控制环的设计
  • 温度控制环的设计(若是液压系统,油温控制也极为关键)
  • 压力控制环的设计
  • 速度控 制与压力控制的有效平稳切换
  • 关模压 力保护控制的设计
  • 多段平 滑控制曲线产生器的设计
  • 控制输出线性化设计
  • 其他系统优化设计
  • 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,

  • 中国劳动力便宜, 而现在 市场上的注塑机控制系统已能满足他们的要求, 所以没 有必要开发自己的控制系统.
  • 有些公 司本身就是靠拷贝别人的注塑机起家的, 所以担 心若自己开发出来后被别人拷贝去了.
  • 有些公 司喜欢请控制系统平台提供商(SIMENS, BECKHOFF, B&R 等等)来为他 们免费开发控制系统, 而控制 系统平台提供商为了占据市场,也勉为 其难的来为这些公司来开发注塑机控制系统. 然而这 些控制系统平台提供商的强项是开发自动化控制系统的通用平台,尽可能 提供给用户接口让用户来作二次开发, 他们对 注塑机控制系统的特点并不了解, 所以他 们最后设计的注塑机控制系统只能让机器运行起来, 但运行 品质就不是很理想, 只能满 足中低档机器的要求.
  • 不愿出 开发费请专业人士(具有自 动化电气软件背景的有长期注塑机控制系统开发经验的专业人士)来开发其控制系统, 希望控制系统平台提供商来为他 们免费开发控制系统.认为硬件值钱, 软件不值钱(中国特色).其实硬件容易被模仿, 而软件 才能真正体现系统的核心价值. 软件能 为系统带来的高端利益, 防备拷贝. 硬件是长期投资, 软件是一次性投资.
  • 中国的 注塑机企业通常有几家控制平台提供商, 他们喜 欢在这些控制平台提供商中搞平衡,从而也 限制了他们自主开发自己的控制系统的积极性.
  • 开发高 端设备不适合中国国情, 在中国 主要还是中低端设备占据市场.其实若 按注塑机数量来讲, 这个观点是对的; 但若从利润角度来看, 从世界角度来看,这个观点就不一定对. HUSKY 一年最多生产600 台各种类型的注塑机, 而中国 很多注塑机厂动不动一年就是三四千台, 有的甚至上万台, 可他们的利润却没有HUSKY 600 台多. 而HUSKY在中国也有很多客户.为什么HUSKY 同样吨 位的机器能在中国卖二十多万美金, 而中国 生产的同样吨位的机器只能卖不到十万元人民币?
  • 相信外国人, 不相信中国人; 喜欢找 老外来为他们开发控制系统. 其实在 国外的许多公司的产品都是在中国人参与下开发出来的. HUSKY 的POLARIS 控制平 台的开发队伍中中国人就占了一半, 而且许 多核心技术都是中国人提出来的. 
  • 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,

  • 可扩展的,易于接线,快速通讯,方便查错的I/O 接口。
  • 抗噪音、精确、快速的运动控制。
  • 可靠稳定、用户友好的、人性化的人际界面。
  • 开放的系统结构, 便于第 三方产品的嵌入与集成,INTERNET 通讯接口,
  • 远程诊断与服务, OPC 通讯服务器的支持。
  • 快速的扫描频率,可靠、简单、易于维 护和查错的控制器。
  • 一个高 端的注塑机控制系统,它还应具有如下特点,
  • 高质量的产品 (Superior part quality)
  • 通过调 节系统控制参数和SPC 分析来 保证控制过程的一致性、抗干扰性,从而优化产品的质量。
  • 快速的生产周期 (Fast Cycle Time)
  • 快速的PLC 程序执行周期;
  • 高性能的PC 和快速的I/O;
  • 各控制 部件的快速通讯能力;
  • 自校正 和自适应的控制方法;
  • 高级的各种速度、压力、温度等 的控制算法和节能的控制策略。
  • 友好的 用户设计与界面
  • 广泛使 用有意义的逼真图标以便直观操作;
  • 最少按 钮操作步数来达到最快的信息获取;
  • 单一按钮操作;
  • 用户可编程功能;
  • 明了精 确的报警功能和在线帮助;
  • 详细的操作事件记录;
  • 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,

  • 企业领 导要有正确的认识。劳动力 密集型企业已经不再适合中国特别是沿海一带企业的发展。特别是 一些有能力的企业(象海天)更是要 做技术创新方面的领头羊。
  • 国家的大力支持。在国外, 一些开发项目(R&D)可以从 政府申请到项目资金。象HUSKY每年从 加拿大政府申请到不少资金来支持其“POLARIS”控制平台的开发。
  • 中国注 塑机各种协会和组织要团结起来, 制定统一的规划, 帮助有 能力的中国注塑机企业勇敢地走自己发展的道路, 将注塑 机的核心算法控制在自己手里。
  • 破除注 塑机控制系统的垄断。目前国 内注塑机控制系统主要是被台湾、日本和 欧洲的几家公司垄断。他们把 注塑机控制系统的价格压的很低, 无形中 绑架了不少中国注塑机企业。当某些 企业试图开发自己的控制系统,这些注 塑机控制系统提供商就会百般游说,最终使 这些开发项目流产而不得不采用他们的系统。
  • 从国外 引进一些注塑机控制方面的优秀人才来加快国内注塑机控制的发展。其实国 外注塑机公司里有许多优秀的中国人在进行注塑机控制系统的研究。
  • 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。

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