5    控制系统绿色设计的分析研究

        控制系统的绿色设计是提高立式注塑机绿色技术水平的核心技术，也是实现设备升级的核心技术。

5.1    控制软件的绿色设计

        控制系统的软件设计是国内立式注塑机厂商的薄弱环节，控制系统绿色设计更是国内立式注塑机厂商的软肋。

        控制软件是know-how的封装容器，它使得那些制造商对于工艺的深度封装起来，不易被复制，而这些构成了机器的竞争力的核心。控制软件自主化，不但有利于保护知识产权，更有利于适应市场多变的特点。

        软件赋予机器更为灵活的功能：在硬件不变的情况下，或硬件变化不大的情况下，软件使得机器能够实现更为丰富的功能，能够充分地将硬件的潜力得到最大的发挥，赋予机器更多的功能设计；软件赋予机器更高的附加值，也赋予机器更高的竞争力。

        标准化的软件设计正在成为潮流。在不同的机器流程以及不同的机器功能设计里，提取具有共性的功能块，通过这项工作，在未来，它的目标在于参数化设置而无需编程，将调试时间（timetomarket）缩短，节省整个开发和调试的成本。

        东芝机械制造有限公司EC-SX智能化全电动立式注塑机，采用了东芝机械最新型的处理控制器，能够更精确地控制立式注塑机，并且运算速度提高了40%。自行研发的智能化DST控制软件用于控制注射和合模过程，可保持加工稳定性，保证每个部件的重量偏差维持在非常低的水平，在使用再生料进行加工的情况下其优势特别明显。东芝机械制造有限公司为防止智能化DST控制软件外泄，DST控制软件仅限在日本国内使用。

        旧机升级满足“现实需求”，Demag公司通过最新的控制软件对用户设备升级，延长设备的生命周期。

5.2    交流伺服电机控制软件的绿色设计

        交流伺服电机控制软件的绿色设计的特点是提高控制系统的动态反映性能、抗干扰能力及对系统参数摄动的鲁棒性。

        伺服交流电机（PMSM）控制结构一般由电流环、速度环和位置环组成的三环串级结构。其控制策略一般是电流环采用滞环控制方式，速度环采用PI控制规律，以保证进行稳定的速度控制。位置环通常采用比例控制规律来保证位置控制的高精度和良好的跟踪性能。但是由于其速度环和电流环的非线性耦合等因素的影响，系统的快速性和抗干扰能力及对系统参数摄动的鲁棒性都不够理想。

        伺服交流电机的非线性回推算法的PID复合控制，较理想解决了伺服交流电机动力驱动中存在快速性、抗干扰性及对系统参数摄动的鲁棒性等性能缺陷。回推算法采用反向递推的设计原则，把状态坐标的变化、不确定参数的自适应调节函数和已知Lyapunov函数的虚拟控制系统的镇定函数等联系起来，实现系统的全局调节或跟踪。在大误差下利用回推控制进行调节，使系统全局渐近稳定，同时防止出现溢出现象；误差较小时则利用非线性PID的自调整能力；误差设定值以外的情况，通过回推算法使得系统误差快速收敛到设定值以内，提高了跟踪能力，保证了非线性PID的调节作用。通过非线性PID的自调整能力，调节控制参数，以适应系统响应时间中系统位置的变化，减少了控制效果对人为因素的依赖，使电机达到比较理想的位置响应实时性能。

5.3    一体化智能变频驱动系统

        2010年初，台达电子成功整合控制（PLC）与驱动器（VFD），推出了高阶磁场矢量控制通用变频器C2000系列，同时也内建了CANOpen主站的通讯能力，真正实现了控制、驱动与通讯三大核心为一体的控制系统“大脑”功能的智能的驱动器，大幅节约了客户的成本。以往变频器纯粹为扮演驱动器角色，接受上位机的命令做各种机械运动，C2000内建的PLC功能，同时支持CANOpen主站通讯能力，当客户有控制两台以上变频器的应用时，只需通过一台C2000做为主站，就可以实现最多同步控制八台C2000或ASDA-A2伺服的应用。多轴同步控制的应用，还可以利用分布式I/O的方式来控制从站的I/O接点，来弥补客户I/O点数不足的需求。使伺服电机可以在任何时刻都在最佳的扭力之下运转，同时可以达到更加精确的可变速度控制、更低的扭力波动，在伺服电机启动、运转和停止的任何时刻都可以提供一致且稳定的运转速度和恒定的扭力输出，以精确的压力与流量控制，消除高压节流的能源消耗，可降低注塑成型过程中5~10℃的油温。

5.4    加热系统控制软件的绿色设计

        控制软件是加热系统绿色性能的技术核心。绿色加热装置与绿色控制软件结合为一体，才是完满的绿色设计。

        经典的加热温度PID控制使系统的超调量变大、过渡过程时间增长，实时性差。将模糊控制和PID控制相结合为互联算法，采用以模糊控制方式在线调整PID参数的控制算法，能使模糊控制器根据工艺生产实际情况实时自动调整比例系数、积分系数和微分系数，以达到调节和控制作用的实时性最优。PID参数调节则由模糊控制器根据偏差和偏差变化率进行自动调整，同时把模糊自整定控制器的模糊部分按比例系数、积分系数、微分系数，分成3部分，分别由相应的子推理器来实现。模糊变系数PID的过渡过程时间、最大偏差，余差等调节等动态和静态特性指标均明显优于PID控制，具有较好的自适应能力和鲁棒性，其超调量精度为0.3℃，稳态精度≤1℃，过渡过程的动、静态性能优良，降低了能量损失。

6    注塑成型柔性模块化的绿色设计分析研究

        注塑柔性模块化设计是对传统的系列化规格设计的革命，既解决设备规格、设计制造周期和成本之间的矛盾，又实现设备快速更新换代，是绿色设计的重要组成部分。传统立式注塑机的设计，一般都是一种形式的立式注塑机实现单一成型功能，按此理念按成型使用功能划分立式注塑机的形式：热塑性立式注塑机、热固性立式注塑机、弹性体立式注塑机、高速立式注塑机、注吹中控机，等等，用户购买了一种成型功能的立式注塑机，如需更换其它成型功能，还需购买适应于此成型功能的立式注塑机，不利于设备使用寿命最长化的绿色设计原则。

        快速适应市场需求。交货期短，要求多样化，特殊要求的用户越来越多，这是当今市场供需的特点。生产制造单位必须迎合市场需求变化，变“系列化开发”为“模块化开发”，提高应变能力，使得设备制造商能够根据市场变化做出敏捷反应，以灵活多样的模块组装配置形式及时提供给用户，快速适应市场需求。

        注塑成型柔性模块化的绿色设计让用户在同一台设备上，通过不同模块的搭配得到自己需要的成型功能，实现专用化功能化的成型工艺，满足个性化的需求；方便用户在使用过程中对设备进行局部维护或升级达到延长设备的使用寿命；在一种基本成型功能的立式注塑机上，为用户留出一定范围内的注射工艺的扩展空间，用户只要花少量的投资，就可进行成型功能扩展，以最小成本和最短时间适应加工任务及环境的变化。不但为用户降低设备投入的成本而实现最大的经济效益，而且降低了社会物质资源的消耗及制造能源消耗。

6.1    柔性模块化的绿色设计

        要点模块在成型功能分析的基础上，划分并设计出一系列共性模块、功能模块及联接模块，通过模块的柔性组合构成不同功能/性能的注塑设备。接口的企业标准化。为了确保模块的柔性互换性，重点应尽量保证接口的标准化进行多功能化设计。

        立式注塑机按功能部件可分为注射、合模、底箱、动力驱动、电气等五大模块，每个模块又可分为子模块。根据注射机的结构及成型功能特点，模块可分成以下几种类型：

        共性模块：具备不同成型功能的共性机构、结构、控制器的部件设计为模块。共性模块与常规的部件设计不同之处是具备与功能模块接口，实现扩展柔性。共性模块往往是部件或系统的主要机构/结构部分。

        功能模块：适应于特殊的、专用化的注塑成型工艺的模块。功能模块实现工艺柔性、运行柔性，尽可能扩大其功能和性能的优势。功能模块还可分为“母”功能模块和“子”功能模块，“母”功能模块上可联接多个“子”功能模块，这种工况下，“母”功能模块相对于“子”功能模块为共性模块。

        联接模块：有的共性模块与功能模块之间需设计特殊的专用联接装置即称为联接模块，具备与上、下游模块的联接及扩展的接口。

6.2    注射柔性模块化的绿色设计

        注射部件以注射机构的形式为共性模块，例如双缸注射机构、单缸注射机构；功能模块为塑化及其动力驱动系统。