10 基于生态环境保护原则的注塑工程智能化的“新常态”创新驱动

实现最优最佳的注塑工程的生态环境保护科学水平，取决于智能化控制技术的开发及其科技水平。生态环境保护实现智能化，才能达到最佳化。

注塑设备智能化新常态指以成型加工的生态环境保护的质量水平实现制品质量为目标，设备（生产线）具有感知、分析、推理、决策、控制功能的“人脑”智能，自动检测制品的质量、自动修正成型工艺参数、“智”适应成型加工环境，实现人为设定的预期目标，它是先进制造技术、信息技术、微电子技术、电子技术、网络技术、检测技术的集成和深度融合。

智能化控制系统内涵是一种人机一体化的系统，它是一种混合型的智能系统，并不是单纯的人工智能，即来自人工智能又高于人工智能，系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。控制器的输出经过输出接口﹑执行机构﹐加到被控系统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构也不同。在这个系统中人占据了核心地位，使人在智能化设备的配合下充分的发挥出了人的潜力，也使得人的智能和设备的智能能够充分的结合起来，实现人工智能无法实现的智能。智能化系统可以根据成型加工的各种需要 自动的生成一种最佳的制造模式，以使得设备以最优的方式进行运转。

智能化成型系统通过技术与装备集成，实现新型塑料制品及塑料制品新型加工的方法与机理、加工工艺与技术的多技术交叉融合。基于温度、压力、流量、体积、流速、强度、应力等多工艺参数数据的深度融合，并及时对外部指令做出响应、完成指令动作，实现对设备自身状态的调节、控制、监控和诊断。

智能化网络系统基于网络技术及无线技术将设备系统的动态参数传递出去，与其余设备系统共享数据；实时采集数据、软件远程自动升级，实现运行、服务的新模式。

智能化制造状态通过人、设备与产品的实时联通与有效沟通，构建高度灵活的个性化和数字化的智能制造模式，贯穿节约能源，提高能效，减少污染、优化能源结构、生态环保、降低资源消耗等绿色化技术性能，持续提高绿色化的科技含量。

在德国举行的Fakuma 2015展会中，克劳斯玛菲品牌与耐驰特品牌展示了工业4.0愿景是如何在注塑成型生产中得以实施的一些特殊应用。一台克劳斯玛菲的智能机器，其典型的智能化特色是拥有APC（自适应工艺控制）功能。APC能够识别出由环境条件变化或黏度波动而引起的工艺波动，并独立地采取应对措施。耐驰特与克劳斯玛菲甚至更进一步地将其用于ELION 2800和CX 300注塑机与Motan-Colortronic上料机/干燥机的无缝联网中。通过选择方案（工装变化、开始采用周计时器的精确的生产计划）演示，参观者们能够发现：效率是如何通过数据交换而得到提高，或能耗如何得以自动降低到最低水平。

博创公司于2012 年以“节能型塑料注射成型数控系统与装备”项目列入首批“广东省数控一代机械产品创新应用示范工程”。 2013 年则与华中数控股份有限公司等单位共同承担了国家数控一代项目“全电动注射机数控系统配置方案”，共同开发具有自主知识产权的全数字开放式高档数控系统平台，采用 100Mbps 实时工业以太网总线技术(NCUC-Bus)，最小插补周期 0.125ms，实现纳米级运动插补精度，精准的压力、流量及温度控制的全电动注塑机，形成节能智能型注射机专用数控成套产品。在“数控一代”的基础上博创已率先向“智能一代”发展，开发出注塑成型智能(柔性)制造系统，与客户筹备柔性智能化复合成型材料数字化工厂。BE120 全电动注塑机是节能智能型数控化注塑机的示范产品，采用全电动伺服驱动技术，系统参数均高于国际标准，高效生产，节省能源，特别适合精密高速成型，节能已经达到国家一级标准，为行业典范。最近，博创打破行业传统，开发出了应用型极强的注塑机联网技术，助力客户实现注塑工厂智能化转型升级，切实为客户解决问题，提高生产效率。

恩格尔的Engel viper机械手采用了三维运动传感器，实现智能主动振动控制。机械手自身的预期振荡可被计算出来以用于振动控制，但外界影响现在也能得到在线补偿，能够更迅速地到达一个稳定的工作位置，而且能够以明显更高的定位精度进行操作。控制功能还考虑了注塑成型工艺的循环时间，仅需3次循环，Engel viper机械手就能针对各种不同的注塑成型工艺而达到最佳的动力性能。而在此前，机器操作人员必须针对每一种工艺单独计算出最优的处理速度，然后进行人工设置，现在，Engel viper机械手能够对此进行自动管理。

10.1  网络化控制的新常态创新驱动

网络化控制是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，工业控制系统也发生了巨大的技术变革，网络化控制（Networked Control System，NCS）是在控制系统中引入了计算机网络，从而使得众多的传感器、执行器、控制器等主要功能部件能够通过网络相连接，相关的信号和数据通过通信网络进行传输和交换，避免了点对点专线的铺设，而且可以实现资源共享、远程操作和控制，增加了系统的灵活性和可靠性。

10.1.1 现场总线控制技术的设计

数控技术的发展及在注塑机中应用领域的扩大，大量模拟量交换，常规的分散控制系统中，往往出现相互干扰，运行不稳定，需要在现场采取大量的屏蔽手段，以实现运行的稳定性，但由于使用环境的变化，屏蔽措施达不到十分可靠。现场总线控制系统将工业现场具有通信特点的智能化仪器仪表、PLC控制器、执行机构等现场设备和通信设备连接成网络系统，通过网络实现现场设备之间由模拟量交换变为可靠的数据交换。整个过程都由一台计算机完成，控制器与控制器、控制器与上位机（操作员站或工程师站）之间建立了计算机控制网络，使得操作员在上位机中能够对被控系统的实时运行状态进行监控，某个控制回路的控制策略的设计也可以在上位机中组态完成，通过控制网络下载到对应的控制器中实时运行，大大提高了控制系统的可靠性，并实现了集中管理和分散控制。

广东佳明二代多功能计算机伺服动力驱动系统，将压力传感器反馈的压力信号由超高速计算机主机做PID运算后，通过高速CAN总线输出指令给伺服驱动器直接带动伺服电动机，不需经过DA/AD转换，消除了转换误差及伺服控制器的运算误差，实现了计算机与伺服驱动器之间的数据高速传输，使驱动器与控制系统实现无缝连接，提高了系统的动态响应性能，系统快速启动时间达到50ms，同时解决了常规伺服系统电气调试复杂以及整体驱动系统不稳定的问题，使得驱动器的状态显示和参数设定也可由计算机实现，调试更方便、更简单，提高人与设备的和谐度。

10.1.2网络能耗控制技术的设计[8]

注塑能效硬件设计是基础，能效软件进一步发挥能效硬件的节能性能，网络化是能耗控制向更高能效的智能化控制发展。

德国倍福自动化有限公司的EtherCAT实时工业以太网技术，通过非常经济有效的标准以太网卡(NIC)进行管理；EL3403测量模块具备完整的电网分析和能源管理功能，通过测量电网中所有相关的电气数据及计算每相的有功功率和能量消耗、视在功率S、无功功率Q、频率F等数据，对生产过程能耗进行优化，降低能耗，从而降低了生产成本，也使得整个生产过程更为环保。

菲尼克斯公司的能量管理模块（EMM）具备获取能量数据和监视能量数据的作用，通过现场总线或以太网提供数据采集和传输，Inline I/O模块之间的连接实现了一种从能量消耗点到控制层系统的无缝信息流，实现能效智能化管理，降低电能消耗。

10.1.3 网络服务技术的设计

网络服务系统为用户提供快速全方位的网络服务，是提高设备利用率的重要组成部分。

系统基于3G/4G通讯技术，集数据收发、海量存储、智能传感、智能分析、智能控制、多媒体通讯等功能于一体，实现注塑机运行生产全过程的智能化监管，为塑机终端用户与机械制造商之间提供方便、快捷、直接的沟通桥梁，以及信息化、智能化、网络化。促进了企业由传统的经营模式到信息化、网络化的转变，优化了企业管理，降低了运作成本，并为社会节省资源，节能减排。

耐驰特提供远程支持服务已有很长时间，以便能够向客户提供快速、全球化的专业支持，这使得互动服务得到了很好的诠释。使用这个工具连接的机器能够得到在线访问，这样，通过远程诊断，即可快速而简单地消除故障。对未来的主机接口Euromap 77的开发，标志着一体化生产进入一个重要的里程碑。未来，这一接口将使生产数据能够实时地传送到中央主机。新的数据传输协议OPC UA为耐驰特和克劳斯玛菲已经实施的这些新的通讯接口提供了基础。

东华公司是国内塑机行业最早引进注塑机智能远程监控系统的厂家之一。iS-eeMobile应用了移动通讯技术，服务器可主动将设备关键工况信息传送至客户智能电话，协助客户对生产情况进行综合的监控，带来的是先进的网络数字化的生产管理模式，可以帮助企业提高响应速度及决策效率，从而降低间接成本。公司通过Oracle系统建立了一套集客户信息采集、整合、分析和应用等功能与一体的客户关系管理系统，不断强化“一客户为中心”的战略合作关系。

10.2  智能化成型加工技术新常态创新驱动

注塑设备智能化成型加工技术包涵多支智能化成型加工技术，而这些技术根据成型加工的发展、科技进步以及人们认识的提高处于不断开发和发展中。克劳斯玛菲的APC（自适应工艺控制）机器功能能够立即对注塑成型过程中产生的波动进行补偿，因而生产出的部件能获得始终如一的高质量，废品量显著降低。总之，极大地节省了时间、成本和材料。

10.2.1 智能化能耗技术

能源成本占据生产设备整个使用成本的90%以上。节约成型加工能耗一直是注塑成型加工的科技进步的重点，也是实现注塑设备绿色化的重点，智能化达到注塑最佳能耗。最理想的能耗就是注塑的设备能耗匹配于塑料由原料熔融成为制品所吸收的热能。

注射能耗智能化技术。注射能耗即注射压力和注射速度的两个参数之积，目前注塑成型加工的这两个技术参数都为人为设定，具有很大的妄目性，而且都为开环运行，这两个技术参数的设定值往往大于模腔内成型制品的实际需要值，不但浪费能量，而且影响制品的表观质量及内在物理性能。智能化控制可把模腔内成型制品不同时间所需的熔融料的压力和流速、通过检测系统反馈给中央控制系统，中央控制系统根据信息发出指令调整注射压力和注射速度，高速动态反映性能的注射机构在指令下迅速作出反映，实现注射参数匹配于成型制品所需的参数，达到最佳的动力驱动能耗。

菲尼克斯公司的能量管理模块（EMM）具备获取能量数据和监视能量数据的作用，通过现场总线或以太网提供数据采集和传输，Inline I/O模块之间的连接实现了一种从能量消耗点到控制层系统的无缝信息流，实现能效智能化管理，降低电能消耗。

10.2.2 智能化保压技术

基于模腔熔体温度的保压控制（P-T）。模内熔体的温度是时间的函数，该温度是通过传感器进行连续地检测来获得的。利用型腔的温度作为信号对保压过程进行控制（P-T）比传统的时间控制（P-t）具有更好的适应性和控制精度，经对比试验表明，P-T控制得到的重量重复精度0.0785%,比时间控制方式的0.1843%的重复精度高出很多。

基于模腔熔体压力的保压控制。传统注塑机保压控制为从注射压力到保压压力采用位置切换，而到保压阶段就从位置切换转入用时间切换多级保压压力的控制方法，其精度和稳定性都较差。利用依靠检测模腔压力来实现压力切换的，即通过一个预先设定的程序来控制。也就是切换点的压力值先存储在控制系统中，其后转换成逻辑控制信号，如果模腔中的压力与设定值相同，则立即切换到保压控制。

压力及温度传感器的性能直接关系保压质量的控制水平。

10.2.3智能化全电动注塑机制动能回收应用技术[16]

这项技术在全电动注塑机上得到开发和应用。Netstal的ELION系列全电动注塑机，把伺服电机制动过程产生的能量直接进入过渡电路，储存在电容电路中，这意味着产生的制动能量不必转化成热量，尤其是在注射循环期间，可以成为总能耗的一个重要部分，例如，当塑化过程发生在模具打开时，产生的制动能量可从过渡电路中汲取旋转螺杆所需的能量。因此，该能量并不是取自电源供应网路，并且产生的能耗相应减少。在成型塑料花瓶生产表明，从伺服电机制动过程直接进入过渡电路的能量占所需循环能量的15%，成型总能耗为0.25kWh/kg。对熔化塑料所需能量的计算表明：这仅比每个循环所需的总能量略少一点。同样，驱动机器所需的能量几乎全部来自各轴的制动过程，并未通过制动电阻转化为热量。与液压注塑机相比，ELION系列注塑机能耗减少了70%，比常规的全电动注塑机能耗低10%以上。

10.2.4 智能化实时塑化温度控制技术

计算机本身具有PID闭环精确控制塑化温度功能。塑化加热温度实时性及实时检测性，直接关系到实现实时的智能化加热温度的灵敏精确控制。

实时塑化加热系统。传统的电阻丝加热原理是电阻丝本身产生高温，然后热量再慢慢的从加热圈本体传导到料筒外表面，然后再从机筒高温区传导到机筒的中心低温区，速度缓慢，并且位于料筒中心的塑料实际温度和料筒表面温度有较大误差，当塑料温度达到要求时虽然电阻丝停止加热，由于存在温度误差，料筒表面仍然继续向料筒内部传导热量，导致温度控制不准确，热电偶不能实时反映塑化温度，提供给电脑的温度数据与实时塑化温度存在误差，造成电脑在分析、判断、决策塑化温度的错误。达不到智能化塑化温度的实时性的动态反映性能。

10.2.5 智能化塑化背压技术

螺杆在预塑时，计量室中熔体的压强称为背压。背压控制是为了减少轴向温差，控制熔体密度，达到塑化精确计量。机头储料腔熔融料密度精度是实现精确计量的标志参数，因此其储料腔的熔融料的压力直接反映出其密度精度。

传统塑化背压都是人为设定的开环系统，通过预选油压的多级控制来实现的。当螺杆预塑时，其在物料的作用下要后退，这就会使注射油缸腔的回油经过背压阀流回油箱，因此通过调整背压阀在螺杆不同位置时的泄油压力间接起到调节螺杆头部熔体的压力（背压），从而使其轴向温差得到调节。这种间接的开环的背压调节不能实现理想塑化质量下的精确计量。

智能化塑化背压控制技术的塑化背压根据压力传感器检测机头储料腔的熔融料压力信息作为控制背压的指令，直接反馈与设定的压力进行比较，自动跟踪变化，利用储存注塑合格品的压力波形，并在射出—保压过程中按合格品压力波形进行追踪控制的功能，提高塑化质量精度。日本东洋的背压自动跟踪技术，在si-100（C75）应用表明，塑化计量精度提高50%以上。

智能化背压技术为实现智能化计量创造了前提。智能化计量就是要实现不论在何种条件下，反映出真实的塑化计量。根据塑化PVT原理，熔融料在不同温度及压力下，具有不同的比容，质量也不同。目前塑化计量，只是计螺杆的位移量，实际上达不到塑化的真实计量。智能化背压达到了储料腔的熔融料的温度、压力和热比容一致，保证了塑化计量的精确性。智能化计量系统只要选取三个参数中的一个参数进行分析、推理、决策，确定塑化螺杆的位移，达到真实的塑化质量值。

10.2.6 智能化调模技术

调模系统的作用是当生产过程中更换产品需采用不同厚度的模具时，调节轴向容模量的大小，同时使合模系统对模具产生所要求的锁模力。

模具分型面的涨模量为智能化调模的检测参数。智能化调模的目的是合模机构的锁模与模具成型加工模腔产生的涨模力达到最佳的匹配状态，不但保护了模具及延长模具的使用寿命，而且降低了锁模能耗。反映两者之间是否达到最佳匹配的表征是模具在注塑过程中，模具分型面涨模量是否处于临界状态。

模具在注塑成型过程中的模温波动应智能控制在一定范围内，以消除模温影响锁模力的因数。

10.2.7智能化干燥系统

智能化干燥系统有利于降低废品率、减少能耗、提高产量，实现用户更大的投资回报率。

意大利辅助设备生产商Moretto S.P.A新开发了几种不同寻常概念的大型干燥系统，根据输入原料的类型、成型干燥所需的数量、希望达到的生产速率。Flowmatik中央控制器智能运行，掌握每个料斗的容量和原料的堆积密度、被期望的停留时间、温度以及空气流动速率，提供的气流可与生产速率向适应，达到降低生产速率的时候节省更多的电能，可节约了40%的干燥气流。

10.2.8 成型制品检测智能化技术

注塑成型加工的目的是得到合格的塑料制品，外观质量是塑料制品质量的主要表征。智能化视觉技术检测成型制品在成型加工链环节中处于越来越重要的地位。视觉系统可先采集标准产品，而后针对需检测的产品进行对比分析，确定是否合格，检测过程既可在产品注塑刚完成後进行，也可以单独检测，做出分析，为中央控制系统提供准确、可靠的数据支持，中央控制系统根据视觉反馈信息作出分析、调整成型加工工艺参数，达到合格的产品。德国ISRA表面视觉公司Smash模块化检测系统，智能探测能有效低扫描塑料薄片产品表面缺陷，变进行自动分析，以确定缺陷产生的原因，从而有助于生产者防止缺陷的产生，提供产品质量和生产率。SmartScope Flash 500自动尺寸测量系统，具有多个带有可触发探头的传感器，配备了自动校正的AccuCentric 12倍电动变焦距头，用于影像测量，可对较难成像的部件特征进行触觉测量，还有用于测量非接触式表面轮廓的TTL、DRS激光以及彩虹探头扫描白光传感器，还提供可以获取几毫克探测压力数据点的独一无二的羽毛探针微探针传感器。Ohaus公司Navigator XT系列无接触质量测定仪，具有两个无接触式红外传感器，不要触摸按键，36种功能组合，适应于计数、百分比称量，重量复核、显示保留和累积/求和的应用。