現(xiàn)代工控實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊技術(shù)在橡塑機(jī)械上的應(yīng)用

摘要：根據(jù)新研制出的一種耐高溫稀石復(fù)合材料的最佳的注塑成型工藝要求，通過基于PC的高速實(shí)時(shí)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)稀石成型的最優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：稀石復(fù)合材料； EtherCAT； 注射成型

1.新型高分子復(fù)合材料的制造工藝特點(diǎn)

稀石復(fù)合材料是近兩年開始研發(fā)的一種新型熱固性團(tuán)狀模塑料，它是高分子復(fù)合材料的一種，以不飽和聚酯樹脂為基體加上低收縮劑、交聯(lián)劑、固化劑、顏料、無(wú)機(jī)填料及玻璃纖維均勻混合而成的。稀石復(fù)合材料具有的強(qiáng)度高、外形穩(wěn)定、自潔性佳、耐酸堿腐蝕、絕緣性、耐高溫、抗紫外老化、食品接觸安全、阻燃性等優(yōu)良性能，使得其在電器、建筑、汽車、衛(wèi)浴、餐飲等行業(yè)多有廣泛的應(yīng)用前景。

2.新型高分子復(fù)合材料對(duì)控制的要求

2.1.成型溫度

料筒溫度約25oC左右，使射出材料溫度在40oC以下以利成型。稀石復(fù)合材料在成型過程中，機(jī)筒以及過渡嘴必須通冷卻水，避免溫度升高，導(dǎo)致機(jī)筒內(nèi)材料固化引起機(jī)筒和螺桿報(bào)廢。

模溫通常為145oC左右，通常用電加熱、蒸汽或油加熱，為盡可能做到加熱均勻，選用油加熱（大模具需要分區(qū)段加熱）。

2.2.注射壓力

由于未固化的稀石復(fù)合材料粘度較低，流動(dòng)性很好，所采用的射出壓力在800Kg/cm2以下。只有在進(jìn)行封裝產(chǎn)品注射成型時(shí)，為防止損壞封裝件，需要使用更低粘度的稀石復(fù)材料，此時(shí)射出壓力則為400Kg/cm2左右；射出壓力的選擇除了與稀石復(fù)合材料的粘度有關(guān)外，還與制品的形狀（復(fù)雜與否）、澆注系統(tǒng)的類型、尺寸等有關(guān)。

2.3.儲(chǔ)料螺桿轉(zhuǎn)速及背壓

螺桿的轉(zhuǎn)速不但影響其輸送能力，亦直接影響到單位體積流量物料所消耗的功率。因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)速，加劇了對(duì)增強(qiáng)纖維的擠壓、磨擦和剪切，而使增強(qiáng)纖維破壞加劇，最終導(dǎo)致稀石制品的強(qiáng)度下降，因此，在成型保鮮餐盒時(shí)螺桿轉(zhuǎn)速為50r/ min左右。

提高背壓雖然能提高物料中增強(qiáng)纖維的分散程度，去除物料所含有的氣體，但背壓高、輸送效率低，對(duì)增強(qiáng)纖維的磨擦與剪切也加強(qiáng)，會(huì)使制品的強(qiáng)度下降，所以最佳的背壓應(yīng)維持在3Kg/cm2左右。

2.4.成型周期

由于稀石復(fù)合材料是熱固性材料，其在模腔中的固化時(shí)間占整個(gè)成型周期的絕大部分。稀石材料的固化時(shí)間與模具溫度、引發(fā)劑效率、成品的壁厚、結(jié)構(gòu)有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)為制品壁厚每增加1mm，固化時(shí)間增加20～30s左右。

3.控制解決方案

自從PC控制技術(shù)問世以來，工控系統(tǒng)通過純軟件方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制已經(jīng)成為一種新的潮流。該技術(shù)借助IT技術(shù)的發(fā)展將PLC，驅(qū)動(dòng)和人機(jī)可視化界面在單CPU集成，即使工控系統(tǒng)的各種外設(shè)也經(jīng)由TCP/IP協(xié)議通訊，數(shù)據(jù)交換也可以由數(shù)據(jù)庫(kù)或者即時(shí)文件系統(tǒng)，例如機(jī)器狀態(tài)和過程參數(shù)的信息與外界的數(shù)據(jù)交換。

以下我們對(duì)本文所提出的問題：成型溫度，注射壓力，儲(chǔ)料螺桿轉(zhuǎn)速及背壓，成型周期進(jìn)行相應(yīng)的探討。

這些成型工藝都需要對(duì)相應(yīng)的工藝變量例如溫度，壓力和轉(zhuǎn)速等的精確控制，為了達(dá)到這個(gè)目的，需要通過PID控制算法實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)控制的速度提出了相當(dāng)高的要求。今天的工控系統(tǒng)提供基本上所有通用的通訊協(xié)議，例如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議EtherCAT。EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達(dá)到了一個(gè)新的高度。1000個(gè)分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時(shí)間。通過一個(gè)以太網(wǎng)幀，可以交換高達(dá)1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于12000個(gè)數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。 與100個(gè)伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報(bào)告它們的實(shí)際位置和狀態(tài)。分布式時(shí)鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時(shí)間偏差小于1微秒。

利用 EtherCAT 技術(shù)的優(yōu)異性能，可以實(shí)現(xiàn)用傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的控制方法。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現(xiàn)在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)與任何數(shù)據(jù)可并行傳輸。EtherCAT技術(shù)使得通訊技術(shù)與現(xiàn)代高性能的工業(yè)PC相匹配?？偩€系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數(shù)據(jù)傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實(shí)現(xiàn)的性能。

這種網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢(shì)在有相對(duì)中等的計(jì)算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT的高速循環(huán)，可以在兩個(gè)控制循環(huán)之間完成。因此，控制器總有可用的最新輸入數(shù)據(jù)，輸出地址的延遲最小。在無(wú)需增強(qiáng)本身計(jì)算能力的基礎(chǔ)上，控制器的響應(yīng)行為得到顯著改善。在其他領(lǐng)域中，例如塑料橡膠機(jī)械行業(yè)中，除注塑機(jī)外，擠出機(jī)與吹塑機(jī)也可以通過這些協(xié)議快速進(jìn)行工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)交換與操作。

4.結(jié)果驗(yàn)證及結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)代EtherCAT通訊為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和拓?fù)涞撵`活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，包括高精度設(shè)備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議。這些在某些控制要求高的橡膠塑料生產(chǎn)機(jī)械上，例如稀石材料，得到了廣泛的應(yīng)用，并且隨著未來的發(fā)展而更上新的臺(tái)階，成為提高科技附加價(jià)值的新亮點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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