6ES7231-7PD22-0XA8原装代理

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1 引 言
        随着自动化和单片机技术的发展，以单片机为核心的闭环控制系统成为新一代自动控制塑料机械主要控制系统。利用单片机自动控制注塑生产过程，实时显示并在线修改各阶段的参数，这不仅tigao了注塑机自动化程度，而且大大tigao了塑料制品的生产效率和产品质量。

2 现代注塑机对控制器的要求
现代注塑机集机、电、液于一体，对控制器主要有以下几点基本要求：
①可以实现对注塑机整个工艺流程的控制；
②能满足注塑过程中的liuliang、压力、位置等的控制要求；
③能够自动控制料筒温度，并达到所需精度；
④有良好的人机界面，能方便地在线修改参数并实时显示注塑机的工作过程。
       因此，现代注塑机的控制器主要由注塑机工艺流程控制、料桶温度控制、人机界面等部分组成，能够实现对注塑机整个工艺流程进行控制；对注塑过程中的liuliang、压力、位置以及料桶温度的控制；对注塑工作过程参数的显示与在线参数修改。

3 注塑机主从式单片机控制器的设计
该单片机控制器设计包括硬件设计和软件设计两部分。
3.1 控制器的硬件设计
根据注塑机的工艺流程与控制要求，以INbbb公司生产的80C196KC单片机为核心设计主从式控制器，其结构原理图，如图1所示。

        整个控制器由2个控制模块构成（主机控制模块与从机控制模块），采用主从式结构来控制注塑机的注塑过程、温度、人机界面、通讯等工作。其中主机控制模块负责键盘及LCD显示管理，实现参数在线设定及显示，以提供友好的人机界面；从机控制模块负责检测注塑机的各路输入情况，并实现对注塑的过程控制与料筒温度控制。主、从机CPU之间采用RS-232串口通讯实现信息与数据的交换。
3.1.1 主机控制模块的硬件设计
主机控制模块的结构框图，如图2所示。

        主机控制模块的CPU采用INbbb公司生产的16位高性能的CHMOS单片机80C196KC，该单片机具有功耗低、运算速度快等特点。80C196KC内部自带有8/10位可选的A/D转换器、PWM波型发生器、定时/计数器、串行通讯接口等丰富的资源，外围电路接口灵活，通用性强，主机控制模块的主要功能由它完成。主机控制模块的外围接口器件主要包括：存储器、键盘、液晶显示器、地址译码器。
        存储器：采用1片6264提供8KB RAM，2片27256提供32KB的程序存贮空间，由于需要在控制过程中显示参数、输入提示等，所以以1片E\+2PROM28C256用于存贮多组模具数据及自制汉字字库。
        键盘管理：采用8279进行管理及驱动。键盘共计64个键，包括数字键、功能键和选择键，可以完成参数的在线设定、功能切换、手动执行等注塑机应有的功能。为了方便操作人员的察看注塑机的工作状态，采用7个LED灯指示注塑机的工作状态。 
         液晶显示器：采用自带驱动模块的240×128大屏幕液晶显示器，可以将其直接挂于单片机的外部总线上，对其操作非常简单。可以实现对注塑机工艺参数的实时监视、各个关键参数的在线修改以及命令输入提示。 
         地址译码器：由于控制器的外围电路众多，采用可编程集成芯片GAL16V8实现对各个外部芯片的地址译码，提供灵活多变的译码方式，在实际中可以根据需要进行进一步的调整和修改。
3.1.2 从机控制模块的硬件设计
从机控制模块的结构框图，如图3所示。

        从机控制模块也采用INbbb公司的80C196KC单片机，作为模块的***处理器（CPU），主要完成从机控制模块的开关量、模拟量的输入/输出，实现对注塑过程与料筒温度的控制。
其基本外围硬件电路如下：
        存储器：采用6264提供8K RAM，2片27256作为程序存储空间，由于从机CPU可以从主机CPU中获得数据，所以它不需要E2PROM贮存信息。
        开关量：采用TTL芯片74HC373对80C196KC输入/输出开关量的I/O口进行扩展。32点开关量输入，经过光电隔离，将开关量的24V电平与CPU的5V相隔离，采集各执行器的位置与状态。32点的开关量输出，光电隔离后经达林顿管进行功率放大，用于控制各个开关型液压阀。
         模拟量输入：在新型的注塑机中，采用了位置尺对各液压缸的位置进行检测，这些模拟量经过滤波放大后送入80C196KC自身所带有8/10位的A/D输入口，由单片机进行检测。
        温度检测：温度检测主要采用热电隅。热电隅的输出特点为微电压且非线性很强，所以本控制器在温度检测时，采用继电器采样的方式，尽量减少采样损失，采样信号经过低通滤波及放大后，直接由单片机的A/D端口输入。同时在硬件上设置温度检测芯片，对热电隅冷端温度进行检测，并在软件中实现其温度的冷端补偿及非线性校正。
        加热器的控制：由于注塑机料筒所采用的加热器功率较大，本控制器采用的是用继电器带交流接触器的方式实现对加热器的控制。本控制器共有7个继电器输出，每个继电器的过流能力为10A。
        比例阀的控制：注塑机通常采用比例压力/liuliang复合阀，它有2个比例电磁铁，需要模拟量对其进行控制。对80C196KC而言，它没有专门的D/A口，但是它有3路PWM输出，经过对PWM输出进行滤波后，可以实现8位精度的模拟量输出。此模拟量经过比例放大器对比例电磁铁进行驱动。


3.2 注塑机控制器的软件设计
相对于主从式的硬件结构，注塑机软件设计分两个部分，即主机部分软件设计和从机部分软件设计。
3.2.1主机软件设计
主机部分软件分两大模块，即键盘与显示模块、通信模块。
        其中，键盘与显示模块负责管理64键键盘和液晶显示器，由于键较多，采用了“状态转移法”的键控程序[2]，根据所按下的键执行相应的程序，在液晶显示器上显示相应的操作页面，进行参数设置与显示，并实时显示注塑机当前所处的工作状态。
         通讯模块负责与下位机通讯，控制器中的串行通讯也采用主从式结构，即由主机发出通讯要求，如参数设置、手动操作、运行状态读出等，而从机CPU则根据主机CPU的要求给出回应。
3.2.2从机软件设计
从机部分软件相对来说比较复杂，如图4所示。

其中各模块功能如下：
（1）定时模块。利用80C196KC单片机的软件定时器为核心构成，为整个控制系统提供时钟基准。同时包含两类定时器，即10ms定时器与100ms定时器，其中10ms的定时器负责对各个加热器进行PWM控制，使开关式的加热器能实现准连续加热的控制，从而tigao料筒的温度控制精度。而100ms定时器则用于各个需要时间控制的场合。定时器的个数大可以达到128个。
（2）通讯模块。处理与上位机的通讯，包括参数的设定，手动命令的执行以及将运行参数传送给上位机进行显示；
（3）控制模块。完成对整个注塑机系统的控制，它又能分为4个子模块。
①A/D模块。完成对各模拟量的A/D转换及数字滤波，主要为热电隅信号，冷端温度信号与各个位置电子尺的信号。
②温度控制模块。根据热电隅输出与冷端温度进行冷端补偿与非线性校正后得出当前料筒某段的温度，经过PID控制运算后得出当前的加热量，通过PWM加热器控制程序对料筒进行加热控制。
③比例阀控制模块。根据当前的控制要求获得比例阀的输出，并经过软件斜坡控制得到相应的PWM输出值，从而实现对比例阀的控制。
④流程控制模块。根据当前注塑机所处的工作状态（手动、半自动、全自动等）以及各个输入状态（行程开关、位置尺、键盘操作命令等）来控制注塑机的各个工艺流程的进行，如开合模、注射、预塑、射台动作以及顶针动作等。
（5） 主程序。协调各个程序模块的运行，并管理各个中断。

4 结论
         讨论了以80C196KC单片机为核心的主从式结构的注塑机微机控制器方案；给出了单片机注塑机控制系统的主、从机控制模块的硬件组成；介绍了注塑机控制系统主、从部分的软件设计。该控制系统已在实际生产中投入使用，效果良好。

　日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而有较大变化，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。某住宅区由于自来水管网的水压较低，自来水通常不能到达住宅的较高楼层。传统的供水方式利用蓄水池蓄水，用水泵再次将水送至楼顶的高位水箱，再供应给用户。蓄水池中的水一般是由市政自来水管网供给，这样，有压力的水进入水池后变成了零压力，造成大量的能源白白浪费，这种供水方式不可避免通过蓄水池和高位水箱造成二次污染，影响居民的身体健康。但是为保证小区的供水正常，我们利用PLC，配以稳流罐、负压消除器和不同功能的传感器等，根据网管的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。这种变频恒压供水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置。不对市政供水管网产生负压，适用于一切需要增高水压、恒定liuliang的给水系统。另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省40％。结合使用可编程序控制器，可实现循环变频，电机软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了设备的使用寿命。

　　1　系统设计

　　(1)原理

　　系统采用2~3台水泵并联运行方式，压力传感器将主水管网水压变换为电信号，经模拟量输入模块输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的供电电压和频率。当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下稳定运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力稳定时，PLC给定的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将下一台备用泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，再将一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC首先将先工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述2个信号仍存在时，PLC再停掉第2台工频运行的电机，直到后一台泵用变频器恒压供水。

　　所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制，实现带载软启动，避免了启动大电流给水泵电机带来冲击，相对延长了电机的使用寿命。同时，系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定，这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，tigao了设备的综合利用率，降低了维护费用。

　　(2)系统硬件

　　系统选用了西门子公司的S7-200 (CPU224XP CN )PLC，主要检测元件有水位检测、执行继电器状态等，共计14个输入信号。执行部件有电机、变频调速器、声光报警器等，共10个输出点。模拟量检测有压力检测、变频器运行频率检测和压力比对检测，共2个输入、1个输出量。PLC主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制变频器完成压力调节等功能。水泵分别由变频器软起动，旁路工频运行，进行恒压控制，变频器的起动、停止分为使用触摸屏或文本显示器等设备软控制和PLC自动控制。控制面板上设有一个手动/自动转换开关，PLC对该开关的状态实时检测，当选择手动功能时，PLC只进行检测报警，由人工通过面板上的按钮和开关进行水泵的工频起、停。当选择自动功能时，所有控制、报警均由PLC完成。系统原理图如图1所示。

　　2　系统软件

　　为方便调试和编程，系统控制器采用模块化编程，主要由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警模块组成。

　　(1)手动运行模块

　　当系统处于手动运行时，PLC只接收各电路保护信号和各传感器信号，并由此判断各工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。水泵的起、停和切换由人工通过面板上的按钮和开关来实现。

　　(2)自动运行模块

　　图2　自动运行模块流程图

　　自动运行模块包括系统的初始化、开机命令的检测、数据采集子程序、控制量运算子程序、置初值子程序、电机控制子程序等。自动运行模块流程图如图2所示。其中：数据采集子程序完成对主水管压力的数据采集。

　　控制量运算子程序完成变频器控制量的计算和控制量的输出，其中控制量的计算按PID控制规律进行。 

　　电机控制子程序完成对3台水泵的运行和停止控制。由于变频器的输出频率与水泵的运转速度直接相关，用水量大时，变频器输出频率升高，水泵的运转速度大；用水量小时，频率降低，水泵的运转速度小。因此程序根据变频器的输出频率的大小就可以判断和控制水泵的工作状态。当频率上升到50 Hz(即水泵全速运转)时仍不能满足供水需要时，则PLC自动将台泵切换到工频运行；第2台泵由变频器供电投入运行，如果第2台泵电机达到满转速时仍不能满足供水要求，则PLC自动将第2台泵切换到工频运行，第3台泵由变频器供电投入运行，依此规律逐个投入运行；当2台泵都处于工频全速运行方式，第3台泵处于变频运行工作方式时，如果此时用水量减小，变频器输出频率下降，当频率到达一定的下限Fmin（设定变频器频率下限）时，供水量仍大于用水量，则系统自动将第三台泵停止运行。同样，第三台泵停机后，如果此时供水量还大于用水量，则系统自动将第二台泵停止运行，依此类推。电机控制子程序功能图如图3所示。

　　(3)故障诊断和报警输出模块

　　变频器具有短路、过载等保护功能，当变频器所驱动的水泵电机发生短路、过载等故障时，变频器将自动切断一次供电回路，进入保护状态并输出报警信号。系统把各故障点相应的接触器、断路器等元件的辅助触点接到PLC，PLC扫描输入这些触点的状态，并通过PLC程序将这些状态存放在数据存储区，再结合控制程序和设备预置状态进行逻辑分析，判断设备或元件是否出了故障，如果发生故障，则切断该泵的接触器，然后对变频器复位，再将备用水泵的接触器接通，启动变频器运行备用泵，同时输出该泵故障报警信号。如电机故障指示灯亮等。

　　3　结语

　　变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。采用PLC作为控制器，硬件结构简单，成本低，系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。另外，S7-200(CPU224XP CN )PLC基本单元提供二个RS-485接口，一个与触摸屏或文本显示器（系统参数显示、设定、系统运行软控制设备）等设备通讯控制，另一个可以与楼宇监控中心进行通讯，实现无人远程控制。

　　目前，三速单相电动机结构简单，成本较低，控制方便，它使电风扇具备高、中、低三档转速，tigao了电风扇的供风质量，因此，这种单相电动机在家用电风扇得到广泛的应用。

       但是，当需要进一步tigao电风扇的质量和品位时，仅具有三档转速的单相电动机就不能满足电风扇的要求，必须tigao单相电动机的调速能力。我们使用无触点开关分时接通的方法，在硬件电路基本不变的条件下，使三速单相电动机具有二十档转速的调速能力。

　　1 三速单相电动机开关调速的原理

　　三速单相电动机调速电路如图1所示， L、M、H分别为单相电动机的低速抽头、中速抽头和高速抽头，单相电动机采用电容运行方式，三个抽头与电源的连接由三个双向晶闸管TL、TM、TH来控制，当TL导通时电动机的低速抽头与电源连接，电动机低速运转，同样，TM导通时电动机中速运转，TH导通时电动机高速运转。我们采用分时接通L、M、H的方法，可以调节电动机的转速，使三速单相电动机获得多于三档转速的变速能力。

        设电源频率为50HZ，其周期为0.02S，取调速周期TS=8T（T为电源周期），低速调速时，调速周期内不接通任何一个晶闸管，则电动机的转速0，调速周期内全接通晶闸管TL，则电动机低速运转，但如果在8个电源周期内，N个周期接通晶闸管TL（0≤N≤8），其他时间不接通，那么，在电动机的低速下可获得8档更低的转速。同样，中速调速时，调速周期内全接通晶闸管TL，则电动机低速运转，全接通晶闸管TM，则电动机中速运转，如果在8个电源周期内N个周期接通晶闸管TM，（8-N）个周期接通TL，那么在电动机的低速和中速之间可获得8档转速。同样道理，在中速和高速间又可获得8档转速。由此可见采用分时接通的方法，可以使只有三档转速的三速单相电动机具有二十四档转速的调速能力。

　　2 三速单相电动机开关调速的硬件和软件设计

　　三速单相电动机调速电路如图1所示，某家用电风扇的单相电动机采用单片机ATMEL89C2051控制，单片机的输出端口P1.5、P1.6、P1.7经反相器与晶闸管TL、TM、TH的控制极连接，当P1.5=“0”时，晶闸管导通，电动机可低速运转，反之，P1.5=“1”时，晶闸管截止，电动机停转，即由P1.5输出电位控制电动机的低速档；同样，由P1.6输出电位控制电动机的中速档，P1.7控制电动机的高速档。同步电路每个电源周期产生一个脉冲信号，并在电源电压由负变正时产生脉冲的下降沿。同步信号由INT0中断口输入单片机。三速单相电动机开关调速的控制方法如下：在每个电源电源电压由负变正过零时，同步电路产生一个脉冲信号，向单片机申请中断，单片机响应中断后执行调速程序，按给定的转速代码输出转速信号，调节电动机转速。取调速周期Ts=8T（T为电源周期），调速程序必须经过8次中断才能输出一个转速代码的转速，在调速周期内不能接受新的转速代码，否则电动机的转速将不受控制。在调速程序中，采用一个存储单元（34H）作为转速输入单元，另一个存储单元（37H）作为电源周期指示器，记录已经输出的电源周期，控制器需要改变风扇的转速时，随时可以向（34H）单元写入转速代码，但只有电源周期指示器的数值为零时，调速程序才能将（34H）单元的数据变成实际输出的信号。电源周期指示器的初始值为00H，INT0每中断一次调速周期定时器加1，直至电源周期指示器为08H时，重新清零，并且读入转速输入单元（34H）的数据。

　　在调速程序中，我们采用8位数据记录风扇的转速代码，其中低3位（b2b1b0）表示接通比例N，第4、5位（b4b3）表示接通档次，高3位（b7b6b5）不用。接通档次表示调速为低速调速、中速调速还是高速调速，其值为b4b3={00B，01B，10B，11B}，当接通档次为00B时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管TL，接通比例外不接通晶闸管；当接通档次为01B时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管TM，接通比例外接通晶闸管TL，当接通档次为10B时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管TH，接通比例外接通晶闸管TM；当接通档次为11B时，接通比例只有00H一种，这时在整个调速周期内接通晶闸管TH，电动机高速运转。接通比例的取值范围000B-111B，由此可知，转速代码的取值范围为00H-18H，总共25个代码，其中00H为零速，01H-08H为低速档代码，09H-10H为中速档代码，11H-18H为高速档代码。所以电动机除零速外共有二十四档转速。这样定义转速代码的优点是三档转速的代码时连续的，并且代码的大小与转速的高低相关。

　　调速程序的控制算法如图2所示，电源周期指示器指示在一个调速周期内已经过的电源周期的数目，其初值为00H，N为转速代码中的接通比例。

         INT0每中断一次电源周期指示器的值加1，直至08H时重新置零，因此，可以用电源周期指示器来控制接通晶闸管的电源周期数，实现转速代码中接通比例对电动机转速的控制。为了便于编程，我们引入一个控制位c，在转速代码设定的接通比例范围内，控制位置c=1，在转速代码设定的接通比例范围之外控制位置c=0，再根据转速代码的接通档次，可以算出需要接通晶闸管的代码，即

　　晶闸管的代码（t1t0）=（接通档次位b4b3）+控制位（c）

　　这里晶闸管的代码t1t0={00B，01B，10B，11B}，其中00B表示不接通，01B表示晶闸管TL，10B表示晶闸管TM，11B表示晶闸管TH。晶闸管代码算出之后即可根据晶闸管代码与控制信号的逻辑关系获得相应的控制信号，输出相对应的信号，对电动机的转速进行控制。晶闸管代码与输出控制信号的逻辑关系为：

　　根据上述控制算法，我们编写控制程序，实验证实上述方法可以调节三速单相电动机的转速，使仅有三档转速的电动机具备二十四档转速的调速能力，但这个方法有一些缺点，主要是：

　　1）电动机的转矩是脉动的，使电动机的机械噪声增大，必须采取良好的润滑和防止转子轴向运动的措施减少噪声。为了在调速周期内电动机的转矩较为平滑，减少脉动，可采用改进的控制位波形如图3所示，在接通比例不变的前提下，平均分布接通控制位，减少电动机转矩的脉动程度，从而减低电动机的噪声。

　　2）低速档接通比例较低时，电风扇的风叶出现蠕行，不能正常送风，必须限制小转速代码。可去掉低速档转速代码中低接通比例的四个代码，保留转速较高的二十档转速。

　　实验证实，采用改进的控制位波形和限制小转速代码之后，三速单相电动机在风扇应用中取得较好的调速和节能效果。三速单相电动机开关调速的实验测试结果如下：

本试验电动机所带的负载为风扇，有关技术数据如下：

　　

　　3 结束语

　　在家用电风扇控制电路中，采用晶闸管分时接通的方法，可以使仅有高、中、低三档转速的单相电动机具有二十档转速的调速能力，这种方法无需增加较多的硬件，仅在控制程序中采用新的调速算法，即可达到tigao风扇风速档次的目的，同时，电风扇的功率在调速时能随着转速下降而减少，使风扇具有良好的节能效果。这种方法的主要缺点是：

　　1）电动机的转矩是脉动的，使电风扇的机械噪声增大。

　　2）低速档接通比例较低时，电风扇的风叶出现蠕行，不能正常送风。

　　对1）个问题，采用改进的控制位波形数据，在接通比例不变的前提下，平均分布接通控制位，减少电动机转矩的脉动程度，同时，采取良好的润滑和防止转子轴向运动的措施，减低电动机的噪声。对2）个问题，采用限制小转速代码即可防止电风扇在低速运行时风叶蠕行，不能送风。实验证实，采用改进的控制位波形和限制小转速代码之后，三速单相电动机在风扇应用中取得较好的调速效果和节能效果。