現代工控實時以太網通訊技術在橡塑機械上的應用

摘要：根據新研制出的一種耐高溫稀石復合材料的最佳的注塑成型工藝要求，通過基于PC的高速實時控制技術，實現稀石成型的最優化。

關鍵詞：稀石復合材料； EtherCAT； 注射成型

1.新型高分子復合材料的制造工藝特點

稀石復合材料是近兩年開始研發的一種新型熱固性團狀模塑料，它是高分子復合材料的一種，以不飽和聚酯樹脂為基體加上低收縮劑、交聯劑、固化劑、顏料、無機填料及玻璃纖維均勻混合而成的。稀石復合材料具有的強度高、外形穩定、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、阻燃性等優良性能，使得其在電器、建筑、汽車、衛浴、餐飲等行業多有廣泛的應用前景。

2.新型高分子復合材料對控制的要求

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。稀石復合材料在成型過程中，機筒以及過渡嘴必須通冷卻水，避免溫度升高，導致機筒內材料固化引起機筒和螺桿報廢。

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（大模具需要分區段加熱）。

2.2.注射壓力

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

2.3.儲料螺桿轉速及背壓

螺桿的轉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。因為提高轉速，加劇了對增強纖維的擠壓、磨擦和剪切，而使增強纖維破壞加劇，最終導致稀石制品的強度下降，因此，在成型保鮮餐盒時螺桿轉速為50r/ min左右。

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

2.4.成型周期

由于稀石復合材料是熱固性材料，其在模腔中的固化時間占整個成型周期的絕大部分。稀石材料的固化時間與模具溫度、引發劑效率、成品的壁厚、結構有關，經驗為制品壁厚每增加1mm，固化時間增加20～30s左右。

3.控制解決方案

自從PC控制技術問世以來，工控系統通過純軟件方式實現實時控制已經成為一種新的潮流。該技術借助IT技術的發展將PLC，驅動和人機可視化界面在單CPU集成，即使工控系統的各種外設也經由TCP/IP協議通訊，數據交換也可以由數據庫或者即時文件系統，例如機器狀態和過程參數的信息與外界的數據交換。

以下我們對本文所提出的問題：成型溫度，注射壓力，儲料螺桿轉速及背壓，成型周期進行相應的探討。

這些成型工藝都需要對相應的工藝變量例如溫度，壓力和轉速等的精確控制，為了達到這個目的，需要通過PID控制算法實現，因此對控制的速度提出了相當高的要求。今天的工控系統提供基本上所有通用的通訊協議，例如實時以太網絡通訊協議EtherCAT。EtherCAT在網絡性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環時間。通過一個以太網幀，可以交換高達1486字節的過程數據，幾乎相當于12000個數字量I/O。而這一數據量的傳輸僅用300μs。 與100個伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告它們的實際位置和狀態。分布式時鐘技術保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1微秒。

利用 EtherCAT 技術的優異性能，可以實現用傳統現場總線系統所無法實現的控制方法。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在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使狀態數據與任何數據可并行傳輸。EtherCAT技術使得通訊技術與現代高性能的工業PC相匹配。總線系統不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數據傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實現的性能。

這種網絡性能優勢在有相對中等的計算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT的高速循環，可以在兩個控制循環之間完成。因此，控制器總有可用的最新輸入數據，輸出地址的延遲最小。在無需增強本身計算能力的基礎上，控制器的響應行為得到顯著改善。在其他領域中，例如塑料橡膠機械行業中，除注塑機外，擠出機與吹塑機也可以通過這些協議快速進行工業領域的數據交換與操作。

4.結果驗證及結論

綜上所述，現代EtherCAT通訊為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，包括高精度設備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協議。這些在某些控制要求高的橡膠塑料生產機械上，例如稀石材料，得到了廣泛的應用，并且隨著未來的發展而更上新的臺階，成為提高科技附加價值的新亮點。

參考文獻：

[1]陳鋒，顧鈞揚，黃鳳來，BMC注射成型工藝及模具，模具工業，1998

[2]施大發，基于EtherCAT的伺服系統DSP實現，制造業自動化-2011 第6期.