10 基于生態環境保護原則的注塑工程智能化的“新常態”創新驅動

實現最優最佳的注塑工程的生態環境保護科學水平，取決于智能化控制技術的開發及其科技水平。生態環境保護實現智能化，才能達到最佳化。

注塑設備智能化新常態指以成型加工的生態環境保護的質量水平實現制品質量為目標，設備（生產線）具有感知、分析、推理、決策、控制功能的“人腦”智能，自動檢測制品的質量、自動修正成型工藝參數、“智”適應成型加工環境，實現人為設定的預期目標，它是先進制造技術、信息技術、微電子技術、電子技術、網絡技術、檢測技術的集成和深度融合。

智能化控制系統內涵是一種人機一體化的系統，它是一種混合型的智能系統，并不是單純的人工智能，即來自人工智能又高于人工智能，系統包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執行機構﹑輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋涍^輸出接口﹑執行機構﹐加到被控系統上﹔控制系統的被控量﹐經過傳感器﹐變送器﹐通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統﹐其傳感器﹑變送器﹑執行機構也不同。在這個系統中人占據了核心地位，使人在智能化設備的配合下充分的發揮出了人的潛力，也使得人的智能和設備的智能能夠充分的結合起來，實現人工智能無法實現的智能。智能化系統可以根據成型加工的各種需要 自動的生成一種最佳的制造模式，以使得設備以最優的方式進行運轉。

智能化成型系統通過技術與裝備集成，實現新型塑料制品及塑料制品新型加工的方法與機理、加工工藝與技術的多技術交叉融合?；跍囟?、壓力、流量、體積、流速、強度、應力等多工藝參數數據的深度融合，并及時對外部指令做出響應、完成指令動作，實現對設備自身狀態的調節、控制、監控和診斷。

智能化網絡系統基于網絡技術及無線技術將設備系統的動態參數傳遞出去，與其余設備系統共享數據；實時采集數據、軟件遠程自動升級，實現運行、服務的新模式。

智能化制造狀態通過人、設備與產品的實時聯通與有效溝通，構建高度靈活的個性化和數字化的智能制造模式，貫穿節約能源，提高能效，減少污染、優化能源結構、生態環保、降低資源消耗等綠色化技術性能，持續提高綠色化的科技含量。

在德國舉行的Fakuma 2015展會中，克勞斯瑪菲品牌與耐馳特品牌展示了工業4.0愿景是如何在注塑成型生產中得以實施的一些特殊應用。一臺克勞斯瑪菲的智能機器，其典型的智能化特色是擁有APC（自適應工藝控制）功能。APC能夠識別出由環境條件變化或黏度波動而引起的工藝波動，并獨立地采取應對措施。耐馳特與克勞斯瑪菲甚至更進一步地將其用于ELION 2800和CX 300注塑機與Motan-Colortronic上料機/干燥機的無縫聯網中。通過選擇方案（工裝變化、開始采用周計時器的精確的生產計劃）演示，參觀者們能夠發現：效率是如何通過數據交換而得到提高，或能耗如何得以自動降低到最低水平。

博創公司于2012 年以“節能型塑料注射成型數控系統與裝備”項目列入首批“廣東省數控一代機械產品創新應用示范工程”。 2013 年則與華中數控股份有限公司等單位共同承擔了國家數控一代項目“全電動注射機數控系統配置方案”，共同開發具有自主知識產權的全數字開放式高檔數控系統平臺，采用 100Mbps 實時工業以太網總線技術(NCUC-Bus)，最小插補周期 0.125ms，實現納米級運動插補精度，精準的壓力、流量及溫度控制的全電動注塑機，形成節能智能型注射機專用數控成套產品。在“數控一代”的基礎上博創已率先向“智能一代”發展，開發出注塑成型智能(柔性)制造系統，與客戶籌備柔性智能化復合成型材料數字化工廠。BE120 全電動注塑機是節能智能型數控化注塑機的示范產品，采用全電動伺服驅動技術，系統參數均高于國際標準，高效生產，節省能源，特別適合精密高速成型，節能已經達到國家一級標準，為行業典范。最近，博創打破行業傳統，開發出了應用型極強的注塑機聯網技術，助力客戶實現注塑工廠智能化轉型升級，切實為客戶解決問題，提高生產效率。

恩格爾的Engel viper機械手采用了三維運動傳感器，實現智能主動振動控制。機械手自身的預期振蕩可被計算出來以用于振動控制，但外界影響現在也能得到在線補償，能夠更迅速地到達一個穩定的工作位置，而且能夠以明顯更高的定位精度進行操作?？刂乒δ苓€考慮了注塑成型工藝的循環時間，僅需3次循環，Engel viper機械手就能針對各種不同的注塑成型工藝而達到最佳的動力性能。而在此前，機器操作人員必須針對每一種工藝單獨計算出最優的處理速度，然后進行人工設置，現在，Engel viper機械手能夠對此進行自動管理。

10.1  網絡化控制的新常態創新驅動

網絡化控制是控制技術、計算機技術和通信技術相結合的產物。隨著計算機技術和網絡通信技術的不斷發展，工業控制系統也發生了巨大的技術變革，網絡化控制（Networked Control System，NCS）是在控制系統中引入了計算機網絡，從而使得眾多的傳感器、執行器、控制器等主要功能部件能夠通過網絡相連接，相關的信號和數據通過通信網絡進行傳輸和交換，避免了點對點專線的鋪設，而且可以實現資源共享、遠程操作和控制，增加了系統的靈活性和可靠性。

10.1.1 現場總線控制技術的設計

數控技術的發展及在注塑機中應用領域的擴大，大量模擬量交換，常規的分散控制系統中，往往出現相互干擾，運行不穩定，需要在現場采取大量的屏蔽手段，以實現運行的穩定性，但由于使用環境的變化，屏蔽措施達不到十分可靠?，F場總線控制系統將工業現場具有通信特點的智能化儀器儀表、PLC控制器、執行機構等現場設備和通信設備連接成網絡系統，通過網絡實現現場設備之間由模擬量交換變為可靠的數據交換。整個過程都由一臺計算機完成，控制器與控制器、控制器與上位機（操作員站或工程師站）之間建立了計算機控制網絡，使得操作員在上位機中能夠對被控系統的實時運行狀態進行監控，某個控制回路的控制策略的設計也可以在上位機中組態完成，通過控制網絡下載到對應的控制器中實時運行，大大提高了控制系統的可靠性，并實現了集中管理和分散控制。

廣東佳明二代多功能計算機伺服動力驅動系統，將壓力傳感器反饋的壓力信號由超高速計算機主機做PID運算后，通過高速CAN總線輸出指令給伺服驅動器直接帶動伺服電動機，不需經過DA/AD轉換，消除了轉換誤差及伺服控制器的運算誤差，實現了計算機與伺服驅動器之間的數據高速傳輸，使驅動器與控制系統實現無縫連接，提高了系統的動態響應性能，系統快速啟動時間達到50ms，同時解決了常規伺服系統電氣調試復雜以及整體驅動系統不穩定的問題，使得驅動器的狀態顯示和參數設定也可由計算機實現，調試更方便、更簡單，提高人與設備的和諧度。

10.1.2網絡能耗控制技術的設計[8]

注塑能效硬件設計是基礎，能效軟件進一步發揮能效硬件的節能性能，網絡化是能耗控制向更高能效的智能化控制發展。

德國倍福自動化有限公司的EtherCAT實時工業以太網技術，通過非常經濟有效的標準以太網卡(NIC)進行管理；EL3403測量模塊具備完整的電網分析和能源管理功能，通過測量電網中所有相關的電氣數據及計算每相的有功功率和能量消耗、視在功率S、無功功率Q、頻率F等數據，對生產過程能耗進行優化，降低能耗，從而降低了生產成本，也使得整個生產過程更為環保。

菲尼克斯公司的能量管理模塊（EMM）具備獲取能量數據和監視能量數據的作用，通過現場總線或以太網提供數據采集和傳輸，Inline I/O模塊之間的連接實現了一種從能量消耗點到控制層系統的無縫信息流，實現能效智能化管理，降低電能消耗。

10.1.3 網絡服務技術的設計

網絡服務系統為用戶提供快速全方位的網絡服務，是提高設備利用率的重要組成部分。

系統基于3G/4G通訊技術，集數據收發、海量存儲、智能傳感、智能分析、智能控制、多媒體通訊等功能于一體，實現注塑機運行生產全過程的智能化監管，為塑機終端用戶與機械制造商之間提供方便、快捷、直接的溝通橋梁，以及信息化、智能化、網絡化。促進了企業由傳統的經營模式到信息化、網絡化的轉變，優化了企業管理，降低了運作成本，并為社會節省資源，節能減排。

耐馳特提供遠程支持服務已有很長時間，以便能夠向客戶提供快速、全球化的專業支持，這使得互動服務得到了很好的詮釋。使用這個工具連接的機器能夠得到在線訪問，這樣，通過遠程診斷，即可快速而簡單地消除故障。對未來的主機接口Euromap 77的開發，標志著一體化生產進入一個重要的里程碑。未來，這一接口將使生產數據能夠實時地傳送到中央主機。新的數據傳輸協議OPC UA為耐馳特和克勞斯瑪菲已經實施的這些新的通訊接口提供了基礎。

東華公司是國內塑機行業最早引進注塑機智能遠程監控系統的廠家之一。iS-eeMobile應用了移動通訊技術，服務器可主動將設備關鍵工況信息傳送至客戶智能電話，協助客戶對生產情況進行綜合的監控，帶來的是先進的網絡數字化的生產管理模式，可以幫助企業提高響應速度及決策效率，從而降低間接成本。公司通過Oracle系統建立了一套集客戶信息采集、整合、分析和應用等功能與一體的客戶關系管理系統，不斷強化“一客戶為中心”的戰略合作關系。

10.2  智能化成型加工技術新常態創新驅動

注塑設備智能化成型加工技術包涵多支智能化成型加工技術，而這些技術根據成型加工的發展、科技進步以及人們認識的提高處于不斷開發和發展中?？藙谒宫敺频腁PC（自適應工藝控制）機器功能能夠立即對注塑成型過程中產生的波動進行補償，因而生產出的部件能獲得始終如一的高質量，廢品量顯著降低?？傊?，極大地節省了時間、成本和材料。

10.2.1 智能化能耗技術

能源成本占據生產設備整個使用成本的90%以上。節約成型加工能耗一直是注塑成型加工的科技進步的重點，也是實現注塑設備綠色化的重點，智能化達到注塑最佳能耗。最理想的能耗就是注塑的設備能耗匹配于塑料由原料熔融成為制品所吸收的熱能。

注射能耗智能化技術。注射能耗即注射壓力和注射速度的兩個參數之積，目前注塑成型加工的這兩個技術參數都為人為設定，具有很大的妄目性，而且都為開環運行，這兩個技術參數的設定值往往大于模腔內成型制品的實際需要值，不但浪費能量，而且影響制品的表觀質量及內在物理性能。智能化控制可把模腔內成型制品不同時間所需的熔融料的壓力和流速、通過檢測系統反饋給中央控制系統，中央控制系統根據信息發出指令調整注射壓力和注射速度，高速動態反映性能的注射機構在指令下迅速作出反映，實現注射參數匹配于成型制品所需的參數，達到最佳的動力驅動能耗。

菲尼克斯公司的能量管理模塊（EMM）具備獲取能量數據和監視能量數據的作用，通過現場總線或以太網提供數據采集和傳輸，Inline I/O模塊之間的連接實現了一種從能量消耗點到控制層系統的無縫信息流，實現能效智能化管理，降低電能消耗。

10.2.2 智能化保壓技術

基于模腔熔體溫度的保壓控制（P-T）。模內熔體的溫度是時間的函數，該溫度是通過傳感器進行連續地檢測來獲得的。利用型腔的溫度作為信號對保壓過程進行控制（P-T）比傳統的時間控制（P-t）具有更好的適應性和控制精度，經對比試驗表明，P-T控制得到的重量重復精度0.0785%,比時間控制方式的0.1843%的重復精度高出很多。

基于模腔熔體壓力的保壓控制。傳統注塑機保壓控制為從注射壓力到保壓壓力采用位置切換，而到保壓階段就從位置切換轉入用時間切換多級保壓壓力的控制方法，其精度和穩定性都較差。利用依靠檢測模腔壓力來實現壓力切換的，即通過一個預先設定的程序來控制。也就是切換點的壓力值先存儲在控制系統中，其后轉換成邏輯控制信號，如果模腔中的壓力與設定值相同，則立即切換到保壓控制。

壓力及溫度傳感器的性能直接關系保壓質量的控制水平。

10.2.3智能化全電動注塑機制動能回收應用技術[16]

這項技術在全電動注塑機上得到開發和應用。Netstal的ELION系列全電動注塑機，把伺服電機制動過程產生的能量直接進入過渡電路，儲存在電容電路中，這意味著產生的制動能量不必轉化成熱量，尤其是在注射循環期間，可以成為總能耗的一個重要部分，例如，當塑化過程發生在模具打開時，產生的制動能量可從過渡電路中汲取旋轉螺桿所需的能量。因此，該能量并不是取自電源供應網路，并且產生的能耗相應減少。在成型塑料花瓶生產表明，從伺服電機制動過程直接進入過渡電路的能量占所需循環能量的15%，成型總能耗為0.25kWh/kg。對熔化塑料所需能量的計算表明：這僅比每個循環所需的總能量略少一點。同樣，驅動機器所需的能量幾乎全部來自各軸的制動過程，并未通過制動電阻轉化為熱量。與液壓注塑機相比，ELION系列注塑機能耗減少了70%，比常規的全電動注塑機能耗低10%以上。

10.2.4 智能化實時塑化溫度控制技術

計算機本身具有PID閉環精確控制塑化溫度功能。塑化加熱溫度實時性及實時檢測性，直接關系到實現實時的智能化加熱溫度的靈敏精確控制。

實時塑化加熱系統。傳統的電阻絲加熱原理是電阻絲本身產生高溫，然后熱量再慢慢的從加熱圈本體傳導到料筒外表面，然后再從機筒高溫區傳導到機筒的中心低溫區，速度緩慢，并且位于料筒中心的塑料實際溫度和料筒表面溫度有較大誤差，當塑料溫度達到要求時雖然電阻絲停止加熱，由于存在溫度誤差，料筒表面仍然繼續向料筒內部傳導熱量，導致溫度控制不準確，熱電偶不能實時反映塑化溫度，提供給電腦的溫度數據與實時塑化溫度存在誤差，造成電腦在分析、判斷、決策塑化溫度的錯誤。達不到智能化塑化溫度的實時性的動態反映性能。

10.2.5 智能化塑化背壓技術

螺桿在預塑時，計量室中熔體的壓強稱為背壓。背壓控制是為了減少軸向溫差，控制熔體密度，達到塑化精確計量。機頭儲料腔熔融料密度精度是實現精確計量的標志參數，因此其儲料腔的熔融料的壓力直接反映出其密度精度。

傳統塑化背壓都是人為設定的開環系統，通過預選油壓的多級控制來實現的。當螺桿預塑時，其在物料的作用下要后退，這就會使注射油缸腔的回油經過背壓閥流回油箱，因此通過調整背壓閥在螺桿不同位置時的泄油壓力間接起到調節螺桿頭部熔體的壓力（背壓），從而使其軸向溫差得到調節。這種間接的開環的背壓調節不能實現理想塑化質量下的精確計量。

智能化塑化背壓控制技術的塑化背壓根據壓力傳感器檢測機頭儲料腔的熔融料壓力信息作為控制背壓的指令，直接反饋與設定的壓力進行比較，自動跟蹤變化，利用儲存注塑合格品的壓力波形，并在射出—保壓過程中按合格品壓力波形進行追蹤控制的功能，提高塑化質量精度。日本東洋的背壓自動跟蹤技術，在si-100（C75）應用表明，塑化計量精度提高50%以上。

智能化背壓技術為實現智能化計量創造了前提。智能化計量就是要實現不論在何種條件下，反映出真實的塑化計量。根據塑化PVT原理，熔融料在不同溫度及壓力下，具有不同的比容，質量也不同。目前塑化計量，只是計螺桿的位移量，實際上達不到塑化的真實計量。智能化背壓達到了儲料腔的熔融料的溫度、壓力和熱比容一致，保證了塑化計量的精確性。智能化計量系統只要選取三個參數中的一個參數進行分析、推理、決策，確定塑化螺桿的位移，達到真實的塑化質量值。

10.2.6 智能化調模技術

調模系統的作用是當生產過程中更換產品需采用不同厚度的模具時，調節軸向容模量的大小，同時使合模系統對模具產生所要求的鎖模力。

模具分型面的漲模量為智能化調模的檢測參數。智能化調模的目的是合模機構的鎖模與模具成型加工模腔產生的漲模力達到最佳的匹配狀態，不但保護了模具及延長模具的使用壽命，而且降低了鎖模能耗。反映兩者之間是否達到最佳匹配的表征是模具在注塑過程中，模具分型面漲模量是否處于臨界狀態。

模具在注塑成型過程中的模溫波動應智能控制在一定范圍內，以消除模溫影響鎖模力的因數。

10.2.7智能化干燥系統

智能化干燥系統有利于降低廢品率、減少能耗、提高產量，實現用戶更大的投資回報率。

意大利輔助設備生產商Moretto S.P.A新開發了幾種不同尋常概念的大型干燥系統，根據輸入原料的類型、成型干燥所需的數量、希望達到的生產速率。Flowmatik中央控制器智能運行，掌握每個料斗的容量和原料的堆積密度、被期望的停留時間、溫度以及空氣流動速率，提供的氣流可與生產速率向適應，達到降低生產速率的時候節省更多的電能，可節約了40%的干燥氣流。

10.2.8 成型制品檢測智能化技術

注塑成型加工的目的是得到合格的塑料制品，外觀質量是塑料制品質量的主要表征。智能化視覺技術檢測成型制品在成型加工鏈環節中處于越來越重要的地位。視覺系統可先采集標準產品，而后針對需檢測的產品進行對比分析，確定是否合格，檢測過程既可在產品注塑剛完成後進行，也可以單獨檢測，做出分析，為中央控制系統提供準確、可靠的數據支持，中央控制系統根據視覺反饋信息作出分析、調整成型加工工藝參數，達到合格的產品。德國ISRA表面視覺公司Smash模塊化檢測系統，智能探測能有效低掃描塑料薄片產品表面缺陷，變進行自動分析，以確定缺陷產生的原因，從而有助于生產者防止缺陷的產生，提供產品質量和生產率。SmartScope Flash 500自動尺寸測量系統，具有多個帶有可觸發探頭的傳感器，配備了自動校正的AccuCentric 12倍電動變焦距頭，用于影像測量，可對較難成像的部件特征進行觸覺測量，還有用于測量非接觸式表面輪廓的TTL、DRS激光以及彩虹探頭掃描白光傳感器，還提供可以獲取幾毫克探測壓力數據點的獨一無二的羽毛探針微探針傳感器。Ohaus公司Navigator XT系列無接觸質量測定儀，具有兩個無接觸式紅外傳感器，不要觸摸按鍵，36種功能組合，適應于計數、百分比稱量，重量復核、顯示保留和累積/求和的應用。