1 引言

    聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称，英文名称是polyurethane，它是一种高分子材料。聚氨酯是一种新兴的有机高分子材料，被誉为“第五大塑料”，因其卓越的性能而被广泛应用于国民经济众多领域。产品应用领域涉及轻工、化工、电子、纺织、医疗、建筑、建材、汽车、国防、航天、航空等。

    聚鞍酯材料也被广泛应用于制鞋行业，聚氨酯鞋底具有诸多优点：密度低，质地柔软，穿着舒适轻便；尺寸稳定性好，储存寿命长；优异的耐磨性能、耐弯曲性能；优异的减震、防滑性能；较好的耐温性能；良好的耐化学品性能等等。聚氨酯多用于制造高档皮鞋、运动鞋、旅游鞋等。

    在聚氨酯鞋底制造行业，所用的浇注机械主要依赖于进口，浇注机械的控制方式一般分为单片机控制和PLC控制两种。国内生产的浇注机械的控制方式以单片机控制为主，单片机控制存在一些不足，主要反映在以下三个问题上。问题一：单片机抗干扰能力差，计量泵是浇注机的重要组成部分，主要完成聚氨酯原料的精确计量，为了控制出料的速度，需要通过变频器对计量泵进行无极调速，由于变频器与主控单片机的距离很近，对主控单片机的工作有干扰，会出现计量不准确的情况；问题2：浇注机的操作系统主要由按钮和数码管组成，操作过程相当繁琐，增加了对系统操作人员的培训时间；问题三：单片机由于采用汇编语言编程，程序的可读性比较差，程序修改相当困难，无形中增加了新设备的开发周期。考虑到以上几点因素，温州一家浇注机制造商决定开发基于PLC控制的浇注机控制系统。

    2 聚氨酯浇注机控制系统的工作原理

    聚氨酯双色浇注机主要由两部分组成，机械系统和控制系统。控制系统主要由PLC、变频器、继电器及接触器组成。机械系统主要由原料罐、计量泵、罐加热装置、机头搅拌电机、罐搅拌装置、机头导轨、电磁阀及各个管路组成。

    聚氨酯浇注机注料是怎样一个过程呢？下面我们对注料过程进行介绍。每套系统分别有A1、A2、B三个原料罐，每个原料罐对应一个计量泵，精确计量每种料的流量，双色浇注机的意思是可以注两种料，即A1+B的混合料和A2+B的混合料。注哪种混合料由两个电磁阀进行控制，A1料、A2料和B料的比例和注料的质量通过触摸屏进行设定，由计量泵和PLC配合进行精确计量。在打开注料电磁阀的之前，打开机头搅拌电机，浇注的料经过机头搅拌，使料更加均匀。为了保证原料罐中料不凝结，需要定时开启原料罐搅拌电机。A1罐、A2罐、B罐和油箱的加热装置要根据温度控制启停。三个原料罐具有出口压力检测装置，如果超压停止计量泵的工作并报警，实现机械装置的内部保护功能。在同一条鞋底生产线上，可能生产的不是同一规格的鞋底，这样在每个工位的浇注原料质量也就不同，PLC需要存储每个工位的质量，并自动判断所处工位，进行相应质量原料的浇注。经过一个浇注流程，可能某个工位的鞋底质量不合格，需要单独对这几个工位进行浇注。这样可以把其它工位的质量设定为0，按下注料按钮，只浇注有质量设定的工位。一条生产线上可能要生产两种不同材质的鞋底，这就要求系统可以选择注那种料，并可以设定自动切换所注原料的种类和不切换所注原料的种类。

    3 基于PLC的控制方案

    我们对运行环境进行了现场考察和反复研究，在可靠性、稳定性、方便性等方面做了大量工作，采用先进、实用、可靠的PLC做控制，提出了基于和利时公司LM系列PLC的方案。

    整个控制系统有7路数字量输入信号、15路数字量输出信号、7路模拟量输入信号和4路模拟量输出信号，系统还有三路高速输入的需求。

    所以选择了集成40点开关量I/O的CPU模块LM3108，其输入输出分别为24点和16点，输出类型为晶体管，输入通道中有3路为高速输入通道，可以采集100KHZ以下频率的脉冲信号。1个4路模拟量输入模块LM3310，可以采集0~10V、0~20mA、4~20mA三种模拟量信号。1个4路热电阻输入模块LM3312，可以采集CU50和PT100的电阻信号。2个2路模拟量输出模块LM3320，可以对外输出标准的电压、电流模拟量信号。系统配有两块触摸屏，一块安装在机头搅拌装置上，方便操作，另一块安装在控制柜上，便于工程师修改工艺和质量参数。LM3108CPU模块有两个通讯口，RS232口用于和系统操作屏的通讯，RS485通讯口预留，便于系统的扩展需要，如果设备较多，可以组成485通讯网络进行上位机统一监控。两块触摸屏通过专有协议进行互联，可以同时对PLC进行控制。机头搅拌的变频器选用台达7.5kw变频器，计量泵变频器选用台达0.75kw变频器。系统结构图如图1所示：

      

    系统I/O分配表如表1所所示：

              

    和利时G3系列PLC编程软件支持多种编程语言和数据类型，使得程序实现更为简单。该系统因为引入了LD语言和ST语言的混合编程，大大减少了PLC的程序量，缩短了产品的开发周期。LD语言是大家熟知的梯形图编程语言，ST语言类似于高级语言，可以编写一些循环指令和判断语句，例如FOR循环、WHILE循环、REPEAT循环、IF语句、CASE语句等。而且支持结构体、指针、数组等多种数据类型。下面是该系统程序中选择工位的一个子程序。
变量声明部分：

    PROGRAM SHEDINGA1_A2

    VAR

     AA: WORD := 1;

    END_VAR

    VAR_INPUT

     IN_A: BOOL;

    END_VAR

    VAR_OUTPUT

     OUT_A: BOOL;

    END_VAR

    程序代码部分：

    FOR  AA:=1 TO 300 BY 1 DO

      IF (G_MODE=1 AND GW_ARR[AA]=GONGWEI_SET  AND ZHULIAO1=TRUE ) THEN

               A1_ARR[AA]:=A1_DQGW_SET;

             END_IF

           IF (G_MODE=1 AND GW_ARR[AA]=GONGWEI_SET  AND ZHULIAO2=TRUE ) THEN

               A2_ARR[AA]:=A2_DQGW_SET;

             END_IF

           IF (TIME_MODE=1 AND GW_ARR[AA]=GONGWEI_SET  AND ZHULIAO1=TRUE ) THEN

               A1_TIME[AA]:=A1_TGW_SET;

             END_IF

           IF (TIME_MODE=1 AND GW_ARR[AA]=GONGWEI_SET  AND ZHULIAO2=TRUE ) THEN

               A2_TIME[AA]:=A2_TGW_SET;

             END_IF

          END_FOR

    上面这段程序是通过ST语言进行编写的，实现注料工位的选择，如果通过LD语言编写需要600条左右的程序，大量的程序段编写会使程序运行周期增长，同时出错的几率也相应提高，如果程序有错误，会给系统调试带来很大困难。之前用单片机做的控制系统经过了几个月的开发周期，而通过和利时PLC进行开发，只用了1周时间，大大缩短了控制系统的开发周期。

    4 基于PLC控制系统优点

    聚氨酯双色浇注机选用和利时公司的小型一体化PLC取代了原系统中的单片机，较大程度地提高了系统的配置，增加了系统的灵活性，能够更好地满足用户的需求。本系统具有以下优点：

    计量准确，误差小

    和利时公司LM系列PLC具有3路100K的高速计数器，恰好满足该系统同时对3种原料进行精确计量的要求，使得出料误差控制在1g以内，为用户节省了价格昂贵的聚氨酯原料。

    工位数更多

    和利时公司LM系列PLC拥有120K的程序存储空间，6K的掉电保持区，可以掉电存储300个浇注工位的工位数据，比原系统50个工位的存储做了大幅度的提升，使得浇注设备能适应大规模流水作业的需求。

    原料配重更加精确

    和利时公司LM系列PLC的数据运算能力比较强，可以进行32位的浮点型数据运算，使得配料比例运算的更精确，使得鞋底的材质更接近于设计的材质要求。

    泵和电机的使用寿命增长

    和利时公司LM系列PLC可以实现多回路的PID调节，本系统通过整形限速指令，实现了泵和电机的软启动，增长了泵和电机的使用寿命。

    可靠性高

    本系统的控制核心是和利时公司LM系列PLC，能够在恶劣的环境中长期、可靠、无故障地运行，接线简单，维护方便，隔离性好，抗腐蚀能力强，能够适应较宽的温度变化范围，平均无故障时间间隔（MTBF）大于15年。

    缩短了系统升级的时间

    和利时公司LM系列PLC的编程语言符合IEC61131-3标准，易学、易懂、易用。除了具有传统的指令表（SL）、梯形图（LD）和功能块图（FBD）等编程功能外，还具有结构化语言（ST）和顺序功能图（SFC）等编程功能。和利时公司的PLC系统提供了多种应用功能块，包括各种通讯功能块，可以具体到年月日和时刻的多种定时器和超长时间继电器等，方便了各种功能的实现，有利于缩短开发周期和节省程序容量。

    5 结束语

    该系统具有自动化程度高，操作简单、安全可靠、省时省力、工作效率高的特点。节约了大量人力、物力的同时，有效的避免了误操作的发生，经济效益和社会效益十分可观。

    参 考 文 献

    [1] 《HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC硬件手册》，杭州和利时自动化有限公司，2006

    [2] 《HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC软件手册》，杭州和利时自动化有限公司，2006

    [3] 《HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC指令与功能块手册》，杭州和利时自动化有限公司，2006