关键词：压铸机，脉宽调制，比例阀，软件斜率，自动调模，硬件中断，曲线
正文：
一、项目简介
1. 江苏新瑞机械有限公司坐落于江苏常州，是一家专业从事数控设备的研发、生产、销售和服务的现代化制造型企业。公司主要产品覆盖立式加工中心全部系列、数控车床全部系列、SR系列压铸机全部系列，具有高速度、高精度、高可靠性等特点。新瑞机械秉承“务实敬业、合作高效、锐意进取、精益求精”的企业精神，把一流的产品贡献给客户，把永不满足留给企业，把信心、技术和竞争力来实现“构筑业界一流企业，争创业内第一品牌”的承诺。
2. 压铸机的主要工作原理是压铸成型。在高压的作用下，使液态或半液态的金属，以较高的速度填充压铸型型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。系统有2组比例阀：比例压力和比例流量，用来控制机器的液压动作，如动芯一入、动芯二入、静芯入、动芯一出、动芯二出、静芯出、开模、合模、顶针进、顶针退；压射动作分3步：慢压射、快压射和增压射，由3个独立的步进电机调节油泵的开口；辅机由喷雾机械手、给汤机械手和取件机械手组成，动作速度由画面设定，由相应的变频器控制输出。
3. 项目当中使用的西门子自动化产品的型号、数量、类型、何种控制对象
|
型号 |
数量 |
类型 |
控制对象 |
|
OP270 10 |
1 |
10.4”,256色 |
HMI |
|
CPU313C
|
1
|
24DI,D24V
16DQ,DC24V,0.5A
5AI
2AQ
|
数字量输入
数字量输出，3 PWM输出
模拟量输入：给汤机械手汤臂位置，给汤机械手汤勺位置，系统压力
模拟量输出：给汤机械手汤臂速度，给汤机械手汤勺速度 |
|
SM321 |
3 |
32DI,DC24V |
数字量输入 |
|
SM322 |
2 |
8DQ,DC24V,2A |
数字量输出（电磁阀输出） |
|
SM322 |
3 |
16DQ,DC24V,0.5A |
数字量输出 |
|
SM335
|
1
|
4AI
4AQ
|
模拟量输入：移模电子尺、压射电子尺、顶针电子尺、压射压力检测
模拟量输出：比例压力、比例流量 |
|
IM365 |
1 |
P-BUS |
扩展机架 |
|
RAIL |
2 |
480mm |
导轨 |
|
MPI Cable |
1 |
5m |
电缆 |
4. 照片
新瑞SR150型压铸机
二、控制系统构成
1. 硬件配置、系统结构及选择依据
系统由HMI和S7-300型PLC构成。因为有位置、压力、速度等曲线需要显示，所以选择了OP270 10。显示效果比较好，有操作按键，容易维护；由于需要3路PWM输出控制步进电机，所以选择了CPU313C，几乎全部利用该CPU的数字量输入输出及模拟量输入输出，性价比非常好；另外，由于压射过程非常快，通常为10-50m/s，有时甚至可以达到100m/s以上。系统需要高速采集大量的数据进行显示、分析和比较，因此选择了SM335模块，它的模拟量输入输出速度快、精度高，还可以产生硬件中断。
2. 附加系统的硬件配置图，网络结构图，应用中的监视画面。
辅机系统主要是由3个机械手构成：喷雾机械手、给汤机械手和取件机械手。他们根据压铸机的动作循环，在相应的位置进行动作。
3. 多种可选方案的比较：由于有3个步进电机需要控制，在选择方案时考虑过用CPU313C加3个FM353模块，该模块是1轴步进电机定位模块，最高脉冲频率可达200KHz，但此方案成本太高；考虑到本机器对脉冲频率要求不高，CPU313C模块中集成的3路PWM输出脉冲频率可达2.5KHz，已经完全可以满足系统的要求。因此只用1个CPU313C就完成控制要求，性价比很完美！
三、控制系统完成的功能
1. 整个控制系统可以分为人机界面显示部分和PLC控制部分。其中PLC控制系统可以分为以下几个部分：压铸机动作顺序控制、压射曲线显示、PWM输出控制和机械手控制。压铸机的动作控制如开模合模，是根据不同的位置送出不同的压力和流量，通常合模分4级，开模分3级。考虑到液压动作的平滑，本系统加了软件斜率，在每个动作的开始、切换和结束时都要通过斜率平滑过渡，使动作很流畅而且声音很小。在机器的使用过程中模具的调整很麻烦，自动调模功能自动完成的繁琐的调节过程，简化操作；压射过程对机器的成型非常重要，需要采集大量的位置、压力和位置数据，压射动作分3步：慢压射、快压射和增压射，由3个独立的步进电机调节油泵的开口控制压射的速度；PWM输出是控制3个独立的步进电机，分别对应慢压射、快压射和增压射的速度。控制上由PLC调用系统功能块SFB49来实现；本机器配备了3个机械手：喷雾机械手、给汤机械手和取件机械手，他们是可选的。根据压铸机的动作循环，在相应的位置进行动作。
脉宽调制功能是系统集成功能，仅需在硬件配置中作简单设定后，即可在PLC程序中调用SFB49，使用非常方便。
CALL SFB 49 , "DI_PULSE_1"
// 慢压射
LADDR :="DI_PULSE_1".LADDR
// Count Address:768
CHANNEL :=0
SW_EN :="DI_PULSE_1".SW_EN
MAN_DO :="DI_PULSE_1".MAN_DO
SET_DO :="DI_PULSE_1".SET_DO
OUTP_VAL:="DI_PULSE_1".OUTP_VAL
JOB_REQ :="DI_PULSE_1".JOB_REQ
JOB_ID :="DI_PULSE_1".JOB_ID
JOB_VAL :="DI_PULSE_1".JOB_VAL
STS_EN :="DI_PULSE_1".STS_EN
STS_STRT:="DI_PULSE_1".STS_STRT
STS_DO :="DI_PULSE_1".STS_DO
JOB_DONE:="DI_PULSE_1".JOB_DONE
JOB_ERR :="DI_PULSE_1".JOB_ERR
JOB_STAT:="DI_PULSE_1".JOB_STAT
2. 在压射过程中如何高速采样位置、压力和速度数据是项目的难点。在硬件上，我们选用SM335模块，它的模拟量输入处理速度约为每通道200us，精度为14位，并产生硬件中断OB40。系统中设定了2ms的硬件中断，在压射过程中采集位置、压力和速度数据；在PLC程序方面，我们使用了变址寻址的编程技巧，压缩程序空间，提高运行效率，使系统可以在2ms的中断周期内完成运算；在HMI方面，配置了TREND曲线，在压射过程结束后可以马上更新曲线。
L #Index
SLD 4
LAR1
OPN "DB_Curve"
L #Act_Pos
T DBW [AR1,P#0.0] // Actual Position
L #Act_Prs
T DBW [AR1,P#4000.0] // Actual Pressure
L #Act_Pos
L #Act_PosPre
-I
L 33
*I
T DBW [AR1,P#8000.0] // Actual Speed
L #Act_Pos
T #Act_PosPre
L #Index
+ 1
T #Index
3. 附加生产工艺当中有特点或较典型的设备或工艺照片。
四、项目运行
系统在2005年4月份投入使用后，运行情况良好，获得用户的好评。该方案将用在大型、高档的压铸机上。由于压铸机的使用环境非常恶劣，因此硬件很可靠性非常重要，S7-300坚固的硬件保证了系统的可靠性。而HMI方面由于使用了OP270 10，操作简便，显示效果比较好，也回避了触摸屏的一些缺点，如不适合使用在多油污、金属碎片的环境等。
五、应用体会
项目进行当中，深深地感到西门子自动化产品无与伦比的灵活性。STEP 7强大而便捷的编程功能和PROTOOL灵活自如的组态性能使项目的编程和调试进展非常快。更改容易，维护方便。在PLC的编程中，使用了符号编程，简单明了，易学易懂易维护。为了节约成本，编程中使用模块化编程和变址寻址，大量压缩程序空间，否则必须使用更高一挡的CPU314C-2DP。
当然在调试的过程中，也在所难免地遇到了麻烦。PWM输出原本是集成功能，很方便使用。但由于我们节约成本，使用CPU313C上的数字量输入点，在没有配置使用硬件门的情况下，CPU313C上的部分数字量输入点还是会影响3通道的PWM输出。由于西门子手册上的描述也不确切，在求助无门的情况下，对CPU313C上的数字量输入点一一进行测试并与3通道的PWM输出对照，终于弄清楚了硬件门的准确定义，完满解决了问题。
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