基于PLC在注塑机控制系统中的应用1.docx
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基于PLC在注塑机控制系统中的应用1
引言
随着经济全球化的蔓延，中国市场经济环境越来越好。
中国塑料工业经过长期的发展,已形成门类较多、品种齐全的工业体系,同钢材、水泥、木材等产业并驾齐驱成为基础材料产业。
21世纪以来，塑料作为一种新型材料，中国塑料工业在很多领域取得了令世人瞩目的成就，实现了历史性的跨越。
作为轻工行业支柱产业之一的塑料行业，近几年增长速度一直保持在10%以上，在保持较快发展速度的同时，经济效益也有新的提高。
塑料制品行业规模以上企业产值总额在轻工19个主要行业中位居第三，实现产品销售率97.8%，高于轻工行业平均水平。
从合成树脂、塑料机械和塑料制品生产来看，都显示了中国塑料工业强劲的发展势头。
注塑机是注塑成型的主设备，注塑机的技术参数和性能与塑料性质和注塑成型工艺有着密切的关系。
注塑成型设备的进一步完善和发展必将推动注塑成型技术的进步，为注塑制品的开发和应用创造条件。
在大型注塑的技术发展方面，合模系统采用全液压式或液压-机械式，即曲轴连杆型式，两者在市场上均有竞争能力。
但不论哪种形式的注，其发方向都必须向低能耗、低噪音、锁模力容易控制、运行平稳、安全可靠和便于维修方向发展。
近年来，中小型注塑机的技术发展非常迅速，就工艺参数而言，塑化能力、注射压力等都有很大提高。
有的发展成超高系列，其注射压力已451Mpa（4600kgf/cm），在这种设备上模腔压力可到98Mpa（1000kgf/cm），使注塑制品的次品率几乎为零，可注塑0.1－0.2mm厚的薄件制品。
90年代的注塑机正向节能、精密成型、超精密成型、低噪音和高级自动化方向发展。
所谓节能是指注塑机要节省泵的动力，节约电力。
精密成型是指生产制品尺寸精度的范围在0.01－0.001mm，超精密成型是在0.001－0.0001mm，低噪音是指注机能在平稳无撞击和无振动下工作，按规定在距离机器1m左右的地方挥发油的噪音应低于70分贝。
高级自动化是指注塑机能远距离操作或无线操作，保证制品的精度、注塑工艺条件的稳定性。
另外，微处理机在注塑机上的是注塑机的自动控制方面最重要的发展。
注射成型工艺对各种塑料的加工具有良好的适应性，生产能力较高，并易于实现自动化。
在塑料工业迅速发展的今天，注塑机不论在数量上或品种上都占有重要地位，其生产总数占整个塑料成型设备的20%－30%，从而成为目前塑料机械中增长最快，生产数量最多的机种之一。
1绪论
1.1课题研究的目的和意义
早期的注塑机由于当时的条件或成本限制多用继电器电路控制，其故障率高、维修周期短、设备工作效率低。
随着工业控制技术的飞速发展和产品档次的提高，现今注塑机多采用PLC（或专用控制器）加人机界面的控制系统，生产自动化程度的大为提高，有利于降低工厂成本、促进生产线的柔性化和集成化，有利于提高产品的产量、质量以及产品的竞争力。
本课题致力于设计一套实用的PLC注塑机控制系统，结合交流调功温度控制技术，并通过触摸屏的显示画面来监控生产过程中各种情况。
PLC在注塑机控制系统中的应用的意义在于：
1）提高产品质量。
2）减轻工人劳动强度，适当降低操作技术水平。
3）提高劳动生产率，减少在制品数量，加速资金周转。
4）缩减生产面积，节约能源消耗，降低产品成本。
1.2相关技术概况
1.2.1注塑机控制系统简介
注塑机控制系统是整机的一个重要部分，其性能的优劣对整机有着至关重要的影响，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC（可编程控制器）不仅用逻辑编程取代了硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理的功能，真正成为一种计算机工业控制装置。
PLC的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，所以在工业发达国家，PLC在其自动化设备中的比例占首位。
近年来，我国的PLC技术也从初期的引进、消化走向吸收和推广应用阶段，并且在许多工业领域取得了良好的经济效益和社会效益。
在以往国内的注塑机控制系统中，主要存在三种控制类型：
（1）继电器控制
（2）单片机控制
（3）PLC控制
在现代控制系统中，前两种方法因其自身的局限性，多不采用。
而多是采用PLC控制系统，这是一种工业控制机，具有抗干扰能力强，工作可行性高，平均无故障时间长，可在恶劣环境下正常工作，并可与计算机联网运行。
此外，PLC系统还可大大缩短系统的设计，加快工作进度。
在本次设计中我们采用了可编程控制系统。
注塑机控制通常指的是电液控制，即由液压和电气控制部分组成。
注塑机的控制系统是保证注塑机按工艺过程规定的要求（压力、速度、温度、时间等）和动作程序，准确有效地工作的控制系统。
目前注塑机的发展主要集中在：
（1）提高制品尺寸精度和稳定性
（2）提高速度、缩短成型周期
（3）生产过程的自动化和省力
但所采用的技术手段，都离不开以计算机技术为基础的自控技术。
因此，注塑机的控制成为目前注塑机发展中一个很重要的内容，主要包括动作程序控制（如开闭模、注射、保压等）和过程程序控制（例如，注射过程的速度和压力程序控制等）两个方面。
1.2.2可编程序控制器的概述
可编程控制器的英文为:
ProgrammableLogicController，简称PLC，是1种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
是在20世纪60年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。
它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，取代各种类型的机械或生产过程的继电器控制系统。
可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。
PLC（可编程序控制器）技术是研究自动化领域广泛使用的工业控制计算机设备的原理、功能、编程和使用方法，是自动化专业及相关专业的一门专业性质较强且与生产实践紧密相联的技术。
1.2.3温度传感器简介
传感器技术是一项正在迅速发展的高新技术，它与通信技术，计算机技术一起构成了当代信息产业的三大支柱。
温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。
在半导体技术的支持下，已相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。
本课题将用到可精确测量温度传感器，通过温度传感器准确测量温度并实施控制。
热电偶温度传感器属于接触式温度测量仪表是工业生产中最常用的温度检测仪表之一。
其特点为测量精度高。
因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，测量范围广。
常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
构造简单，使用方便。
热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
热电偶是一种感温元件,它能将温度信号转换成热电势信号,通过与电气测量仪表的配合,就能测量出被测的温度。
热电偶测温的基本原理是热电效应。
在由两种不同材料的导体A和B所组成的闭合回路中,当A和B的两个接点处于不同温度T和To时,在回路中就会产生热电势。
这就是所谓的塞贝克效应。
导体A和B称为热电极。
温度较高的一端叫工作端（通常焊接在一起）；温度较低的一端叫自由端（通常处于某个恒定的温度下）。
根据热电势与温度函数关系。
可制成热电偶分度表。
分度表是在自由端温度To=0℃的条件下得到的。
不同的热电偶具有不同的分度表。
1.2.4调功器的简介
调功器是应用晶闸管（又称可控硅）及其触发控制电路用于调整负载功率的盘装功率调整单元。
在电子设备中起重要作用的晶闸管（也称可控硅，英文缩写SCR）被广泛用于各类生产部门，正在成为自动化、高效化不可缺少的装置。
晶闸管交流调功器的主电路由三组反并联的晶闸管或三个双向晶闸管构成，三条支路的6个端子可与外电路连接成不同的形式，图1-1（a）为调功器与三相负载接成星型；，图1-1（b）为调功器与三相负载接成三角型。
调功器采用通断式控制方式，各支路的晶闸管连续导通几个周期后又持续截止一段时间。
在晶闸管导通期间，负载电压与电源电压相同，晶闸管截止时各相负载电压为0。
通过晶闸管周期性地通断可以调节负载的功率。
设交流电源电压的周期为T，晶闸管
图1-1交流调功器的主电路
的通断周期为TC，其中共包含N个交流电周期，即TC=NT。
在每个TC中晶闸管有n个交流电周期为导通状态，负载得到的电压有效值UO为：
在TC一定的情况下，通过改变每工作周期中晶闸管的导通时间对应的交流电周期数n可以达到调节输出电压有效值的目的。
晶闸管交流调功器采用过零触发电路、周波数控制方式，输出0～100%可调节的波形呈正弦波群的电压和电流，使负载从电源吸取功率的平均值连续平滑可调。
调功器避免了相位控制时缺角正弦波产生的无线电射频干扰，使晶闸管触发导通时的瞬态浪涌电流和di/dt大为减小。
它用于以镍铬或铁镍铝等电阻材料为发热元件的电加热器的温度自动控制，它与PID温度调节仪或计算机、温度传感器和电加热器组成闭环温控系统，温控精度可达±0.5%～1%。
在最新的温度控制中晶闸管调功器的利用明显的普及起来。
主要用与工业电炉的加热控制、大型风机水泵软启动节能运行控制等。
负载类型可以是三相阻性负载、三相感性负载及三相变压器负载；三相负载可以是中心接地负载、中心不接地负载、内三角形负载及外三角形负载。
如：
盐浴炉、工频感应炉、淬火炉温控；热处理炉温控；玻璃生产过程温控；石油化工机械；电压、电流、功率、灯光等无级平滑调节，恒压恒流恒功率控制等领域。
本课题将采用交流调功器对温度进行精确控制。
1.3本课题的主要内容
注塑机是一种能一次成型外型复杂、尺寸精确或带有金属嵌件的质地密致的塑料制品的塑料生产设备，它是将粒状或粉状塑料加入机筒内，并通过螺杆的旋转和机筒外壁加热使塑料成为熔融状态，然后机器进行合模和注射座前移，使喷嘴贴紧模具的浇口道，接着向注射缸通人压力油，使螺杆向前推进，从而以很高的压力和较快的速度将熔料注入温度较低的闭合模具内，经过一定时间和压力保持（又称保压）、冷却，使其固化成型，便可开模取出制品，从而得到所需的成品。
本课题的主要内容是利用PLC完成注塑机控制系统的设计，对注塑机的时序动作、注射压力以及料筒温度进行准确控制,包括从进料到成品的形成的整个过程。
涉及注塑机的时序控制流程的分析，注塑机料筒的温度控制系统的设计，具体硬件配置的确定，触摸屏画面及程序的编制和整机硬件原理图、电气接线图、PLC程序的编制等。
2注塑机控制系统的分析
2.1注塑机的机械结构
注塑机示意图如下：
图2-1注塑机的结构示意图
它主要由注射部分、合模部分、液压系统、控制系统等部分组成。
2.1.1注射部分
它的主要作用是使塑料塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将一定的熔料注到模腔内。
因此注射装置应具有塑化良好，计量准确的性能，并且在注射时对熔料能提供压力和速度。
注射装置一般由塑化部件（溶胶筒、螺缸、喷嘴等）、料斗、计量装置、螺杆传动装载及注射油缸和射移油缸等组成。
2.1.2合模部分
它是保证成型模具可靠地闭合和实现模具启闭动作，并顶出制品，即成型制品的工作部件。
因为在注射时，进入模控中的熔料还具有一定的压力，这就要求模合装置给予模具以足够的合紧力，以防止在熔料的压力下模具被打开，从而导致制品溢边或使制品精度下降。
合模装置主要由模板、拉杆（哥林柱）、合模机构（如机铰）、制品顶出装置和安全门、调模装置组成。
2.1.3液压系统
注射成型机是由塑料熔融、模子闭合、注射入模、压力保持、制品固化、闭模取出主品等工序所组成的连续生产过程，液压和电气则是为了保证注射成型机按工艺过程预定的要求（压力、速度、温度、时间及位置）和动作程序，准确无误的进行工作而设置的动力和控制系统、液压部分重要有动力油泵、比例压力阀（控制压力变化）、比例流量阀（控制速度变化）、方向阀、管路、油箱等。
2.1.4控制系统
控制系统控制注塑周期的顺序（顺序控制）及维持过程温度、时间、压力及速度于设定值（过程控制）。
电气部分主要由动力、动作程序和加热等控制所组成。
2.2注塑机控制系统原理
本设计控制系统主要由液压马达、液压阀、电磁继电器、温度传感器、接近开关、光栅开关、三相异步电机、各种开关、监控显示装置（触摸屏）和PLC控制器及其特许功能模块等组成。
注塑机开始工作时，监控装置（触摸屏）首先根据本次生产任务进行各种初始化（温度设定、计件值清零、保压时间设定等），然后PLC控制器按一定时序发出控制信号控制液压传动机构的电磁阀和交流调功器的启动，交流调功器以全功率输出给加热负载，并让温度迅速稳定在设定值，此后液压传动机构将开始生产的动作步序。
注塑机控制系统的原理框图如图2-2所示。
图2-2注塑机控制系统原理框图
2.3注塑机控制系统的控制要求
注塑机一般分为手动、自动两种工作模式。
手动模式时按下相应的功能按钮时，能完成相应的操作，此模式一般为调试模具及维修时使用；自动模式时，只需按下启动按钮，注塑机就能按照调定的速度和压力将相应的动作进行到底，此模式一般多用在生产阶段，工作流程如下：
起始位置→合模→整进→注射→保压延时→预塑→整退→启模→顶出→起始位置。
2.3.1模具的开启与闭合
合模时：
电磁铁得电后，合模油缸油路接通，在油压的推动下模具闭合。
开模时：
电磁铁失电后，开模油缸油路接通，在油压的推动下模具打开。
2.3.2注射座的整进与整退
注射座整进时：
电磁铁得电后，注射座在油压的推动下前进到位，注射座射进完成接近开关工作
注射座整退时：
电磁铁失电后，注射座退回到原始位置，注射座射退完成接近开关工作
2.3.3注料杆的射进
注塑电磁铁得电后，注料杆在油压的推动下，把料筒内的融好的原料快速压入模具，挤压完成后并保持一段时间（保压），使模具内的塑料不会回流。
2.3.4预塑液压马达的动作
预塑电磁阀得电，预塑液压马达开始工作，带动注塑螺杠旋转，使原料不断的向前输送，螺杠则在压力的作用下后退并计量，当后退到一定位置时，限位开关动作，预塑完成。
2.3.5顶杠的顶出与复位
顶出电磁阀得电后，顶杠在油压的推动下将模具内的产品顶出。
2.3.6保模时间
高温原材料挤入模具后，需要在模具中冷却一段时间，让其基本成型后才能打开模具，这一段时间为保模时间。
由于产品的大小和原材料的性质的不同，不同产品的保模时间有所不同，这就要求保模时间长短可以调整。
2.3.7注塑料筒温度
注塑机的料筒温度是注塑机的一个重要参数。
原料进入到料筒后，在加热器与注塑杠剪切能共同作用下塑化，如果温度控制不好，将导致原料塑化不良。
注塑机在生产的过程中要求料筒的温度随着产品和原材料的不同，可以对温度作出调整（一般不超过400℃）。
3注塑机控制系统的硬件设计
3.1PLC选型的方法
随着PLC的推广普及，PLC产品的种类越来越多，而且功能也日趋完善。
PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。
因此，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要的作用。
3.1.1机型选择的原则
机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、
维护使用方便及最佳的性能价格比。
具体应考虑的因素如下所述：
（1）结构合理
对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结
构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC。
（2）功能强、弱适当
对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用抵挡的PLC。
对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档机的PLC。
对于控制比较复杂、控制要求比较高的工程项目，如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂程度的程度，选用中档机或高档机。
其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。
当系统的各个控制对象分布在不同地域时，应根据各个部分的具体要求来选择PLC，以组成一个分布式的控制系统。
（3）机型统一
PLC的结构分为整体式和模块式两种。
整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。
但由于整体式结构的PLC功能有限，只适合于控制要求比较简单的系统。
一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。
（4）是否在线编程
PLC的特点之一是使用灵活。
当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器
重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。
（5）PLC的环境适应性
由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。
尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。
一般PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：
温度工作温度0～55℃
储存温度-40℃～+85℃
温度相对湿度5%～95%（无凝结霜）
振动和冲击满足国际电工委员会标准
电源交流220V，允许变化范围为-15%～+15%，频率为47～53Hz，
瞬间停电保持10ms
环境周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体
对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。
3.1.2PLC容量选择
PLC容量包括两个方面：
一是I/O的点数；二是用户存储器的容量（字数）。
PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。
根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%～25%考虑裕量。
对于开关量控制系统，存储器字数为开关量乘以8；对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。
通常，一条逻辑指令占用存储器一个字。
计时、计数、移位及算术运算、数据传输等指令占用存储器两个字。
各种指令占存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。
I/O点数也应留有适当裕量。
由于目前I/O点数较多的PLC价格较高，若备用的I/O的点的数量太多，将使成本增加。
根据被控对象的输入和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%～15%考虑备用量。
3.1.3I/O模块的选择
PLC是一种工业控制系统，他的控制对象是工业生产设备或工业生产过程他的工作环境是工业生产现场。
他与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。
通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为对被控对象进行控制的依据。
同时控制器又通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。
外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而PLC的CPU所处理信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。
PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。
为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。
根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。
标准的I/O模块用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。
典型的交流I/O信号为24～240V（AC），直流I/O信号为0～10V（DC）。
I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便的对功能进行扩展。
对一个控
制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O所用的点数就可能有所不同，现具体分析如下：
（1）开关量输入模块输入电压的选择
输入模块的输入电压一般为DC24V和AC220V。
直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。
交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
（2）开关量输出模块的选择
继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命有一定的限制。
如果系统的输出信号变化不是很频繁，选用继电器型。
选择时应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等，还应注意同一输出模块对电阻性负载、电感性负载和白炽灯的驱动能力的差异。
输出模块的输出电流额定值应大于负载电流的最大值。
本系统设计中根据实际选用的是AC220V开关量输入模块和继电器型输出模块。
以此为依据，本系统的设计选用三菱公司的FX2N系列（见表3.1）可编程序控制器。
FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器，完全符合此设计的要求。
表3.1FX2N系列基本单元
型号
输入
点数
输出
点数
扩展模块
可用点数
继电器输出
可控硅输出
晶体管输出
FX2N-16MR-001
FX2N-16MS
FX2N-16MT
8
8
24～32
FX2N-32MR-001
FX2N-32MS
FX2N-32MT
16
16
24～32
FX2N-48MR-001
FX2N-48MS
FX2N-48MT
24
24
48～64
FX2N-64MR-001
FX2N-64MS
FX2N-64MT
32
32
48～64
FX2N-80MR-001
FX2N-80MS
FX2N-80MT
40
40
48～64
3.2确定I/O点及选择PLC
3.2.1可编程控制器控制系统I/O点数估计
输入设备——用以产生输入控制信号（如按钮、指令开关、限位开关、接近开关、传感器等）。
本系统中包括双向选择开关4个，按钮开关5个，光栅开关2个和接近开关5个。
输出设备——由PLC的输出信号驱动的执行元件，如继电器、接触器、电磁阀、指示灯等。
该系统中有中间继电器5个，接触器2个，电磁阀5个，指示灯1个。
本系统中实际需要输入点17点，输出点8点，根据输入输出点数，以及考虑到今后对系统的维护和扩充使用，要保留一定的裕量，因此我们选用的PLC型号为三菱公司的FX2N系列，其选择如下：
基本单元：
FX2N-48MR（输入点24点，输出点24点）
功能模块：
FX2N－4AD-TC模块1个、FX2N－4DA模块1个、FX2N-422-BD通信口1个
在确定了控制对象的控制任务和选择好PLC的机型后，即可安排输入、输出的配置，并对输入、输出进行地址编号。
分配I/O地址时要注意以下问题：
（1）设备I/O地址尽可能连续；
（2）相邻设备I/O地址尽可能连续；
（3）输入/输出I/O地址分开；
（4）每一框架I/O地址不要全部占满，要留有一定的余量，便于系统扩展和工艺流程的改，但不宜保留太多，否则会增加系统成本；
（5）充分考虑控制柜与控制柜之间、框架与框架之间、模块与模块之间的信号联系，合理地安排I/O地址，减少它们之间的内部连线。
3.2.2PLC的I/O分配表
表3.2PLC的I/O分配表
序号
名称
元件符号
备注
输
入
X0
电机启动
SB1
启动按纽
X1
电机停止
SB2
停止按纽
X2
复位开关
SB3
X3
手动模式选择
SA1
手动/自动双向选择开关
X4
自动模式选择
X5
手动开/合模
SA2
开模
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