注射成型是热塑性或热固性塑料制件的主要成型方法之一，注塑机是目前广泛使用的高分子材料加工机械。随着自动化和计算机技术的发展，西方工业国家成功推出新一代自动控制注塑机械，自动化程度高，易操作，生产效率和产品质量也大大提高。而目前国内生产和使用的注塑机基本上是液压驱动或者油压计量与电动组合的混合式机型，不仅自动化程度无法与国外同类产品相比，而且加工质量不高，对国外新技术过分的依赖成为目前注塑机制造业发展的瓶颈。而SERCOS(serial real-timecommunication standard)技术的快速发展，尤其是近期SERCOSⅡ的推广应用，以其基于PCI总线的对运动控制的高精度、高实时操作性，为国内厂商加速开发出经济实用的全电动注塑机提供了新的机遇。

1    全电子注塑机控制系统的原理

1.1    注塑过程简述

        整个注塑过程包括合模、锁模、注射保压、塑化/计量、冷却、开模、顶出等主要步骤。料筒内的原料加热到注射温度后，锁模系统的肘杆合上模具，并在动模板上施加设定的锁模力，接着将计量好的塑胶快速射入已锁紧的模具中,当填满模腔后，螺杆保持一定的扭矩，使模腔内的产品更饱和，尺寸更稳定；与此同时，螺杆通过转动并后退(计量产品所需要的塑胶量)，使新的原料进入熔胶筒内并加热；当模具内的产品冷却达到设定时间后，锁模系统将模具分开，然后顶出产品，即完成了一个塑料产品的制作周期。

1.2    SERCOSⅡ简介

        SERCOS数字运动控制接口是一种用于高速、高精度运动控制的现场总线接口和数据交换协议，是目前用于数字伺服和数据通信的唯一国际标准(IEC61491)和当今仅有的供应商中立的开放式接口标准。在通讯结构上，SERCOS采用主站/从站通讯模式，控制器作为主控者，驱动器只允许对控制器的请求做出响应，通过塑料玻璃光缆和标准化的连接件构成的传送段使各个从站(驱动器)彼此连接，构成一个封闭的环路，环内交换的信息完全取决于控制器和驱动器间的任务分配。选择光纤作为通讯介质，具有固有的噪音免疫能力，尤其对于大电流驱动系统优势明显。为了将复杂的初始化过程封装起来，1996年提出了SERCANS的概念，它对于操作系统而言是匿名的，可以在满足总线协议的任何硬件和操作系统环境中使用。

        SERCOSⅡ是继SERCOS推出后技术发展的结果，它继承了SERCOS接口传输数据的高实时性、可靠性、快速性等优点，并且不再限制控制单元的操作系统，仅仅需要数量很少的协议。在结构上，也解除了每个环路最多只能接8根轴的限制，最大轴数取决于系统的循环时间、传输速率和组态软件传输的数据量。在卡上有一个微处理器，包含了SERCOS接口的所有硬件任务：与微处理器连接的数据总线，与光接收器和发送器直接连接的串行接口，以及用于数据控制和通讯的双口RAM，自动传送和监视同步报文的处理电路等。SERCOS环与控制单元之间的接口被简化到只有一个缓存接口，从而把运动控制工作降低到了根据中断信号执行读写操作，使得控制系统的主控功能易于实现软件化。

        运动控制系统中，为了保证数据的实时性和同步性，必须根据交换的数据量大小规定SERCOS通讯的时序图，保证在一个周期内实现对所有周期数据的访问，并严格测试在实时进程内用户处理数据所需时间，将结果输入到时序图中，以便调整命令值和反馈值送到共享内存的时间，避免通讯周期内的访问冲突。

        在计算机PCI板卡上插入SERCOSⅡ卡后，其内嵌的软件即完成以上工作，虽然各个驱动器或I/O站接受和发送数据的时刻不同，但它们的有效时刻是一致的，即在控制系统发出中断、送出MST信号(Master Synchronization Telegram：主控同步报文)后，MDT(MasterDataTelegram：主控数据报文)中的命令值在所有驱动器中同时生效，AT(AxisTelegram：驱动器报文)中的测量数据在同一时刻作为实际值传送到SERCOSⅡ卡中，只要时间片通过编译，并且内存地址和定义已知，SECRCOS接口的初始化就已经完成。

1.3    采用SERCOSⅡ接口卡的硬件系统结构

        注塑机的硬件设计中，采用基于SERCOS接口的智能伺服驱动系统为主体结构，该结构以插装了SERCOSⅡ接口卡的计算机作为主站，以每个伺服驱动器(drive)作为从站，I/O模块也作为单独的从站接入系统，进行数据读写和通讯操作。主站主要包含三大功能：设定控制参数和目标，显示控制结果，协调机器各环节的动作顺序。从站在主站(上位计算机)的协调下，完成过程控制(压力、温度、位置及速度等的控制)，并把控制结果和实时参数反馈给上位计算机，实现对注射电机、塑化电机、开锁模电机和顶出电机的精确控制。

        在SERCOSⅡ卡作为计算机与底层执行部件接口的结构下，伺服驱动器和I/O模块处于同等级别，所以在程序运行时，I/O模块处理数据的任务(I/Otask)和运动控制任务(Motiontask)可以分别执行。这种任务处理进程使运动控制器与驱动器之间成为一个单一的接口，能同时传送命令信息和反馈信息。

        本系统的硬件结构中，采用了博世力士乐公司的EcoDrive系列伺服驱动器和MKD系列伺服电机，该伺服系统是一种专为执行开环和闭环控制任务的通用自动化系统，在控制单元中包含了所有的动力供给和电子控制系统，同时还提供模拟量接口、并行接口、SERCOS接口等不同的控制模式，能协调处理位置控制、速度控制和力矩控制等3种模式，并能在各种模式下自由切换，使得系统具有较高的动态响应特性。控制流程可以描述为：由上位机发出实现何种控制(如注射的速度或压力控制)的指令，伺服驱动器将根据接收到的指令和实际状况，给出控制信号驱动电机旋转，电机通过皮带与滚珠丝杠相连，将圆周运动转换成直线运动，实现速度、压力或位置的控制。

2    软件系统的设计及人机界面

        系统的程序编写使用的是德国的CoDeSys软件，它是基于IEC61131-3标准定义的自动控制系统的开发工具，适用于工业控制器和PLC组件的编程。当计算机中安装了SERCOSⅡ控制卡后，将生成一个虚拟的高性能可编程控制器(PLC)：RTE(real-timeextension)实时系统，可以方便地进行程序调试和运行状态监控，并实现可视化。软件系统主要实现的功能是：

        (1)各种限位开关、报警灯的定义及地址分配，以及采集的温度、压力传感器数据的运算处理。

        (2)操作面板上按键的处理，要求按钮通过I/O模块控制加工过程，并能根据加工工艺不同进行面板的设计、按键功能的定义。

        (3)注塑加工的主程序及故障诊断、报警显示等辅助程序，要求可以实时监控加工的实际情况。

        软件在结构上采用前后台型，前台程序是实时中断程序，实现伺服、故障诊断和状态监控等功能，由RTE实时系统来实现。后台程序是实现输入、语法分析、数据处理及管理功能的程序，由PLC软件(这里是CoDeSys软件)来实现。根据任务处理的性质和扫描方式的不同，输入输出控制和运动控制是并行处理的，这样就能保证I/O采集到的数据和对输出控制的实时性，确保了运动控制的高速高精度。

        输入输出控制主要对I/O适配器的各输入输出模块进行地址分配，并对手动控制面板的按钮进行定义。利用基于SERCOS接口的I/O输入输出模块，包括以上功能以及温度和压力等模拟量接口模块控制在内的所有任务，都可在计算机内由软件来实现。运动控制任务中包含了手动、半自动(一次注射到顶出的全过程)、全自动(连续工作模式)等主程序，和塑化计量、注射保压、温度控制等功能块(子程序)。程序运行时将调用每个功能块，由功能块返回需要的值。

        调用CoDeSys软件的Visualization中的仿真模块可以建立人机界面(HMI)，为过程监控界面，可以实时观察注塑过程的状态，在线显示注塑过程中的各种参数。为了对注塑过程的各种状况进行有效的管理，还可以建立温度控制、模具文件等界面。

3    结  论

        在实际生产调试中，注射量最大可以达到80cm3，当最大注射速度为200mm/s时，注射时间能够控制在0.5s；另一方面，由于注射伺服电机单步旋转的最高精度可达±40?，因而计量精度能够控制在µm级，只要安装了高精密模具，就能实现注射的高精度。试验样机3个月的连续运行情况表明，该设计实现了注射的高速高精度以及短周期循环，具有非常好的应用价值。