plc在注塑机中应用.doc

巢湖学院2007级电气工程及其自动化学士论文 PLC在200型BMC注塑机中的应用马 铭（巢湖学院 物电系，安徽巢湖 238000）摘要: 注塑机是应用非常广泛的塑料加工机械,塑料产品从加料到取模是一个全自动控制的过程。利用三菱FX2N系列PLC对注塑机加工的控制过程,并对注塑机系统的控制过程进行分析,指出传统的使用继电器接触器的系统可靠性低，维护不方便等一系列缺点,提出使用可编程序控制器(PLC)作为注塑机的核心部件，实现注塑机系统的自动控制过程的方法。并给出了注塑机系统的工作流程图、硬件软件设计方法以及参考的梯形图。关键词:PLC;注塑机;梯形图;控制; Application of PLC in 200 BMC Injection MachineMa MingChaohu college physics and electronic industry department, Anhui Chaohu 238000 Abstract: The injection machine is widely applied to plastic products. The machine is operated by the full automatic control from feeding material to taking mold. The Mitsubishi PLC series FX2N is used to control the process of the injection machine. This article analyzes the control process of Injection machine system. It points out a series of defaults in the traditional system which using relay and contact, such as low dependability and discommodiousness maintenance. It advances the method of complete the automation control process of Injection machine system by using Programmable Logic Controller (PLC) as core part. The work flow chat of Injection machine system, the design method of hardware and software and reference ladder chat are also gained.Key words: PLC; injection machine; ladder chat; control1 概述注塑机是塑料加工行业的主要设备，是集机、液、电技术于一体的现代化设备，能在对各种塑料进行加热、融熔、增压、后，将流态的塑料注入模具内，完成工件的一次注塑成型。整个注塑成型过程通过各种电器元件及电器仪表、电器设备来控制。传统的注塑机控制系统通常采用的是继电器接触器系统加温控仪表控制来实现，但是由于传统的继电器系统设备体积大、可靠性低、维护不方便等原因，导致该系统控制精度低，控制的灵活性差，操作不直观，故障不易分析。而且操作人员调整其控制功能时十分困难，它的控制线路复杂，而且由于其使用有触点的开关动作，工作频率低，触点易灼蚀，随着使用年限的延长，发生故障的概率大大增加，安全性和可靠性降低，维修费用增加；另外，继电器动作比较缓慢，定时不够准确，系统控制精度比较差。因此，在控制系统中，可采用抗干扰能力强，工作可靠性高、使用维护方便的PLC 作为它的主控元件。用PLC控制的电路，不仅可靠性高、体积小、通信方便，而且控制简单、编程容易，近年来在自动化工业生产中得到广泛的应用。2 注塑机简介2.1注塑机的用途和现状 注塑机能用于一次成型的外型复杂、尺寸精确或带有金属嵌件的质地密致的塑料制品的制作，被广泛应用于国防、建材、汽车、机电、包装、农业、交通运输、文教卫生及人们日常生活各个领域等。在塑料工业迅速发展的今天，注塑机在数量上达到了前所未有的数目，品种日益发杂多样，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。据有关资料统计，1996-1998年我国出口注塑机8383台，进口注塑机42959台，其中1998年我国注塑机产量达到20000台，其销售额占塑机总销售额的42.9。 我国塑料加工企业遍布全国各地，设备的技术水平参差不齐，大多数加工企业的设备都需要技术改造。这几年来，我国注塑机行业的技术进步十分显著，尤其是注塑机的技术水平与国外名牌产品的差距大大缩小，在控制水平、产品内部质量和外观造型等方面均取得显著改观。选择国产设备，以较小的投入，同样也能生产出与进口设备质量相当的产品。这些为企业的技术改造创造了有利条件。 2.1.1我国注塑机的发展现状目前我国生产注塑机的厂家较多，有将近70家，注塑机的结构形式主要有立式和卧式两种。按生产出的产品可分为普通型注塑机和精密型注塑机。一次注射量从45g 到51000g不等；锁模力200-36000kN；加工原料有热固性塑料、热塑性塑料和橡胶三种。热塑性塑料包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚碳酸酯、有机玻璃、尼龙、聚苯二醛丁二脂、聚砜及(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)等。从加工出的制品来看，有单色、双色的一般和精密塑料制品。上述产品的主要生产厂家都有自己的系列，各有自己的特点。 普通卧式注塑机是注塑机发展的主导方向，其基本结构几乎没有大的变化，除了继续提高其控制能力及自动化水平、降低能耗外，生产厂家根据市场的变化正在向组合系列化方向发展，组合成标准型和组合型，增加了灵活性，扩大了使用范围，提高了经济效益。从而也为注塑机的发展带来了一次飞跃。近几年来，世界上工业发达国家的注塑机生产厂家都在不断提高普通注塑机的功能、质量、辅助设备的配套能力以及自动化水平。同时大力开发、发展大型注塑机、专用注塑机、反应注塑机和精密注塑机，以满足生产塑料合金、磁性塑料、带嵌件的塑料制品的需求。 注塑机是目前中国塑料机械中发展速度最快、水平与工业发达国家差距较小的塑机品种之一。但主要指普通型注塑机，在特大型、各种特殊、专用、精密注塑机的多数品种方面，有的产品尚属空白，这是我国注塑机行业与工业发达国家的主要差距。2.2注塑机发展前景2008年全球注塑机出口总额为54.6亿美元，其中德国注塑机产业规模居世界首位，出口总额占全世界出口总额的20%以上，在全球注塑机竞争中处于优势地位。意大利和日本分列第二、三位。美国的注塑机出口份额逐年下降，己由2000年的9.8%降跌至2008年的5.3%。日本的电动注塑机在全世界占有重要地位，其中在北美地区的电动注塑机占有率已经达到30%左右。目前，欧美日的注塑机主要以精密注塑机、大型注塑机等高技术含量、高附加值的机型为主。经过多年的技术引进和技术创新，中国塑机行业在低端注塑机领域中，制造水平已经与发达国家相差无几，加上劳动力价格的优势，使得中国的低端注塑机出口占据了世界的半壁江山。此外，近几年来，中国塑机行业不仅在中端注塑机领域有了长足的进步，在高端注塑机领域也取得了重要突破，中国塑机的市场份额有望逐步扩大。 就全球市场格局而言，全球建筑市场的持续发展，将会拉动对塑料管材、壁板等挤压制品的需求，进而推动挤出设备的需求增长。因此，预计全球挤出设备需求，将超过其他类型的塑机产品。2.3注塑机工作过程简介“注塑”是利用塑料的热胀冷缩的性质，把物料从料斗8 加入料筒7 中，料筒外由加热圈加热，使物料熔融，在料筒内装有在外动力马达作用下驱动旋转的螺杆，物料在螺杆的作用下，沿着螺槽向前输送并压实，物料在外加热和螺杆剪切的双重作用下逐渐地塑化、熔融和均化，当螺杆旋转时，物料在螺槽摩擦力及剪切力的作用下，把已熔融的物料推到螺杆的头部，与此同时，螺杆在物料的反作用下后退，使螺杆头部形成储料空间，完成塑化过程。然后，螺杆在注射油缸9 的活塞推力的作用下，以高速、高压，将储料室内的熔融料通过喷嘴注射到模具的型腔中，型腔中的熔料经过保压、冷却、固化定型后，模具在合模机构的作用下，启模具，并通过顶出装置4 把定型好的制品从模具顶出落下。注塑机构成见图1.1 锁模油缸 2 锁模机构 3 动模板 4 顶杆 5 定模板6 控制台 7料筒、加热器 8 料斗 9 注射油缸图1 注塑机构成2.4 注塑过程分析 塑料的注塑成型是将粒状或粉状塑料从注塑机的料斗送入机筒内加热熔融塑化后，在注塑机的柱塞或移动螺杆的快速而又连续的压力下被压缩并向前移动，通过机筒前端的喷嘴，以很高的压力和很快的速度注入温度较低的闭合模具内，充满模腔的熔体在受压的情况下，经冷却或加热固化后，开模得到与模具型腔相应的制品。完整的注塑过程包括闭模、合闸、稳压、整进、注射、保压、预塑、解压、开闸、起模等工序。2.5注塑机的操作模式2.5.1 手动操作模式 在这种操作模式下, 操作人员每按一次按钮, 注塑机就动作一个工步, 在一个工序步结束后, 注塑机停止运行, 操作人员再按一次相关按钮, 则注塑机进行下一个工序; 也就是人为地操作指令开关进行相应的生产动作, 一旦停止, 操作生产也自行结束。2.5.2点动操作模式 在此模式下, 当操作人员按下按钮时, 注塑机进行相应的动作, 松开按钮即停止相应的动作。动作的发生和停止与操作人员的操作意念一致。2.5.3 半自动操作模式 一个工作周期结束后即自动停止, 不能循环生产, 中间过程与自动操作模式一致。2.5.4全自动操作模式按启动按钮后, 自动进行一个生产周期, 并能保持循环生产。本方案采用光电位置传感器检测是否有塑料制品落下, 当有塑料制品落下时, 则进行下一个产品的生产; 当没有检测到塑料制品落下时, 说明一个工作周期还没有完成, PLC处于等待状态。3 系统总体方案注塑机系统主要由注射系统、合模系统、液压控制和电气控制系统等部分组成，由电气系统输出程序控制信号驱动液压系统工作，液压系统产生相应的动力推动机械装置运动，机械装置运动又反馈给液压、电气系统，共同完成注塑机的自动工作过程。其中电气系统是注塑机生产注塑制品的重要因素，也是提升注塑机控制系统整体性能的关键所在。利用PLC 技术对传统的电气系统进行改造，可以实现注塑机的自动化控制与调节，注射成型过程的工艺参数控制也能够得到基本保证。由于PLC控制方式可使注塑机实现闭环控制，即按照在线测量值与设定值的偏差通过负反馈回路进行控制，因此当注射速度、注射压力、模腔温度、模腔压力、熔体温度和油压等参数在生产过程中因干扰出现偏差时，机器可通过自适应控制系统针对干扰自动进行修正。使用PLC改造后的注塑机控制系统总体设计框图如图2 所示。图2 注塑机控制系统总体设计3.1 控制系统的硬件实现 完整的注塑过程包括闭模、合闸、稳压、整进、注射、保压、预塑、解压、开闸、起模等工序。每个动作对应一个电磁阀，故要求所选PLC至少有8个输入/输出点。现将其电磁阀开关对应关系列出如其下：电磁阀工序 YV1YV2YV3YV4YV5YV6YV7YV8闭模+合闸+稳压+整进+注射+保压+预塑+解压+开闸+起模+表1 电磁阀动作状态3.1.1 PLC的选型 根据对注塑机自动循环时工艺流程图的分析,其输入信号有安全门开关SQ1、SQ2 ,行程开关SQ3 SQ8 ,压力继电器触点KP,自动循环起动按钮SB1 和停止按钮SB2 ,工作方式选择开关SA (闭合时为自动循环状态,断开时为手动状态) ,以及各工步手动按钮SB3 SB12。该注塑机的执行器件有YV1 YV8 共8个电磁阀。通过对各个厂家的可编程序控制器进行性价比分析, 可选择三菱FX2N - 48MR型PLC,交流供电,继电器输出( 24 点输入、24 点输出) 。该型号的PLC 具有丰富的指令系统，快速的输入响应功能以及完善的脉冲输出功能。并具有体积小、重量轻、运行可靠、抗干扰能力强以及维修方便等优点。3.1.2 I/O 设备分配根据注塑机工作要求，在自动状态下，把与三菱FX2N - 48MR型PLC相关的连接点按如下分配：输 入输 出外设名称 输入端子外设名称 输出端子安全门开关 SQ1 X1电磁阀YV1 Y1安全门开关 SQ2 X2电磁阀YV2 Y2闭模到位确认 SQ3 X3电磁阀YV3 Y3合闸到位确认 SQ4 X4电磁阀YV4 Y4整进到位确认 SQ5 X5电磁阀YV5 Y5预塑到位确认 SQ6 X6电磁阀YV6 Y6开闸到位确认 SQ7 X7电磁阀YV7 Y7起模到位确认 SQ8 X10 电磁阀YV8 Y10压力继电器 KP X11启动按钮 SB1 X12停止按钮 SB2 X13工作方式选择 SA X26表2 I/O点分配表3.1.3 输出电路保护措施在注塑机PLC 控制系统硬件设计的过程中，由于该系统的输出端接有直流电感性负载，故在电感性负载两端并联续流二极管，续流二极管的额定工作电压大于电源电压2 3 倍，可起到保护作用。为了防止负载短路时，PLC 内部输出元件的损坏，在输出负载回路中加熔断器，进行短路保护。由I/O点分配要求表，给PLC接线，COM端接地，X14X25为备用接点，VD1VD8为起短路保护作用的续流二极管。接线图如下：图3 PLC输入/输出电路图3.2 软件设计与实现注塑机控制系统的顺序功能如图4所示。图4 顺序功能图由于该控制系统共有自动以及手动两种工作方式可供选择。系统使用按钮S A选择是自动或者是手动的工作方式。现以自动方式为例，对软件设计过程加以详细叙述。当系统处于原位状态，准备工作。若此时安全行程开关SQ1 和SQ2 闭合，进入“闭模”工步。若“闭模”到位，则SQ3被压下，电磁阀YV2，YV4 和YV8 开始工作，进入“合闸”工步。若“合闸”到位，则SQ4 被压下，进入“稳压”工步。若“稳压”到位，当压力继电器动作时，电磁阀YV8开始工作，进入“整进”工步。当“整进”至SQ5 压下时，进入“注射”工步，此时电磁阀YV1 和YV6 开始工作。同时T1开始计时，定时时间t1结束后，进入“保压”工步。“保压” 同时开始计时，定时时间t2结束后，进入“预塑”工步。电磁阀YV1 开始工作。“预塑”至SQ6 被压下时，进入“解压”工步。“解压” 同时开始计时，定时时间t3 结束后，进入“开闸”工步。“开闸”至SQ7 被压下时，进入“起模”工步，电磁阀YV1和YV3 开始工作。“起模”至SQ8 被压下，标志起模结束，回到循环初始阶段。在循环过程中，下一工步被激活后，前一工步被立即关断。使用梯形图来实现该控制过程。注塑机自动运行的状态转移图如下图所示,工作方式通过步进开关X26选择，自动部分状态转移图中, S20S30紧密相连,代表自动操作一个周期的工作过程。图5 状态转移图下图是系统的顺序功能图，图中步序08间为实现自动循环起动停止部分梯形图, 步序30100间为自动部分梯形图。其中X012和X013是典型起保停电路由X012开关控制开始，继电器M0带点后自动保持，再由X013控制其关闭，M8034为三菱系列PLC特殊功能继电器，其功能为禁止所有输出，在第28步的时候，安全门开关信号X001和X002控制系统是否继续往下执行，若这两个开关中任何一个没闭合，即安全门未关，这个系统就自动暂停，保证了注塑机工作过程的安全，顺序执行到第93步的时候，系统跳回初始端，从头执行，从而实现了系统的循环控制。图6 全自动过程梯形图4 结束语注塑制品的质量取决于注塑机注塑过程工艺参数的控制，包括模拟量形式的输入变量，如料筒各段温度、BMC熔体温度、螺杆温度、模具温度、注射系统压力、螺杆转速等;数字量形式的输入变量，如螺杆后退停