基于PLC的塑料注塑成型机控制系统设计.doc

本科生毕业设计（论文） 学院（系）：专 业：学 生：指导教师： 完成日期 年 月 本科生毕业设计（论文）基于PLC的塑料注塑成型机控制系统设计Design of the Control System of Plastic Injection Molding Machine Based on PLC 总 计： 30 页表 格： 1 个插 图： 14 幅本 科 毕 业 设 计（论文）基于PLC的塑料注塑成型机控制系统设计Design of the Control System of Plastic Injection Molding Machine Based on PLC学 院（系）： 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 基于PLC的塑料注塑成型机控制系统设计 电气工程及其自动化 摘 要采用继电器和开关阀的注塑机控制系统的接线复杂、控制精度低、维修不便且缺乏柔性,基于PLC技术的控制方式可大大提高整机的综合性能。本文选用SIMATICS7-200小型PLC系统对注塑机的控制单元进行了通用化设计：包括系统的硬件接线和I/O分配;采用STEP7-Micro/WIN32软件平台进行编程,方式灵活、界面友好且调试方便。关键词控制系统；可编程控制器；塑料注塑成型机；起保停电路Design of the Control System of Plastic Injection Molding Machine Based on PLC Electrical Engineering and Automation Specialty Abstract: Control system to the Plastic injection molding machine formed by electric relays and switching valves has many shortcomings, such as complexity wiring, low control accuracy, inconvenience maintenance and lack of flexibility. Using PLC technology can greatly enhance the machines overall performance. In this paper, SIMATIC S7-200 mini PLC system was used to design the Plastic injection molding machines control unit: including the hardware wiring and the I/O allocation. The STEP7-Micro/WIN 32 software is used as programming platform; it is very flexible, user-friendly and convenient debugging.Key words: Control system; programmable logic controller; plastic injection molding machine; protect and stop circuit目 录1 引言11.1 课题研究的目的和意义11.2 PLC在国内外的发展状况21.3 本课题的主要内容32 注塑机控制系统的分析32.1 相关技术组成32.1.1 注塑机控制系统32.1.2 可编程序控制器42.1.3 温度传感器42.1.4 调功器52.2 注塑机的机械结构62.2.1 注射部分72.2.2 合模部分72.2.3 液压系统72.2.4 控制系统72.3 注塑机控制系统原理72.4 注塑机控制系统的控制要求83 注塑机控制系统的硬件设计93.1 PLC选型的方法93.1.1机型选择的原则93.1.2 PLC容量选择103.1.3 I/O模块的选择103.2 确定I/O点及选择PLC113.2.1可编程控制器控制系统I/O地址分配113.3 注塑机控制系统的接线图123.3.1 注塑机控制系统的整体接线示意图123.4 注塑机控制系统的抗干扰措施133.4.1 抗干扰措施133.4.2 软件设计144 控制系统的软件设计154.1 系统工艺流程图154.2 系统的程序设计164.2.1 注塑机的温度控制164.2.2 注塑机的步序控制174.3STEP7Micro/WIN V4.0编程软件184.3.1STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件主界面及基本组成184.3.2 PLC注塑机控制系统的程序创建184.4 控制程序的调试与仿真194.4.1 程序调试194.4.2 系统仿真20结束语23参考文献24附录25致谢301 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0.10.2mm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0.010.001mm，超精密成型是在0.0010.0001mm，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。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来实现生产过程。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 PLC在国内外的发展状况这几年来，我国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条件。目前中国生产注塑机的厂家较多，据不完全统计已超过60家。注塑机的结构形式有立式和卧式两种。按生产出的制品可分为普通型和精密型注塑机。一次注射量45-51000g；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、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚氨酯、聚碳酸酯、有机玻璃、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。如广东震德塑料机械厂有限公司生产的捷霸CJ系列注塑机每一种规格均有数控和电脑控制两种形式。又如浙江省宁波海天机械有限公司生产的HTF80X-HFT3600X型系列注塑机，可用于生产各种高精密的热性塑料制品，机器采用线型移动传感器控制注射、合模、顶出，采用多重CPU电控系统、大幅面彩色LED显示、全电脑自动控制。普通卧式注塑机仍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，如同一型号的注塑机配置大、中、小三种注射装置，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。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，这是与工业发达国家的主要差距2。1.3 本课题的主要内容本课题介绍了用S7-200控制器改进中央信号系统的设计方法塑料注塑成型机是塑料加工行业的主要设备，它能加工各种热塑性或热固性塑料，通常由闭模和注塑两大部分组成。颗粒状原料经过柱塞或螺杆压入料筒，加热熔化后，在一定的注射速和压力下，注射到模具内，经保压后很快凝固成所需要的塑料制品。塑料注塑成型生产工艺一般要经过闭模、闸板闭合、稳压、注射座前进、高压注射、保压、预塑、卸压、闸板开启、启模、顶出产品等阶段。注塑成型控制系统操作要求：(1) 塑料注塑成型机是塑料加工行业的主要设备，它能加工各种热塑性或热固性塑料，通常由闭模和注塑两大部分组成。(2) 颗粒状原料经过柱塞或螺杆压入料筒，加热熔化后，在一定的注射速度和压力下，注射到模具内，经保压后很快凝固成所需要的塑料制品。(3) 塑料注塑成型生产工艺一般要经过闭模、闸板闭合、稳压、注射座前进、高压注射、保压、预塑、卸压、闸板开启、启模、顶出产品等阶段。(4) 操作方式有手动、半自动、自动三种形式。(5) 各阶段都是由行程开关控制电磁阀来进行转换的。2 注塑机控制系统的分析2.1 相关技术组成2.1.1 注塑机控制系统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。2.1.2 可编程序控制器可编程控制器的英文为:Programmable Logic Controller，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3。2.1.3 温度传感器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至+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4。 2.1.4 调功器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 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 为公式（1）：(1)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0100%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。2.2 注塑机的机械结构注塑机示意图如下：图2 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。2.2.1 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。2.2.2 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。2.2.3 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。2.2.4 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。2.3 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3所示5。 开关信号输入热电偶模拟信号输入接触器油泵控制信号中间继电器液压系统控制信号可编程控制器S7200图3注塑机控制系统原理框图2.4 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。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。注射座的整进与整退 :(1) 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。(2) 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。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。 预塑液压马达的动: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。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。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。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）6。3 注塑机控制系统的硬件设计3.1 PLC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055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4753Hz， 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。3.1.2 PLC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。3.1.3 I/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24240V（AC），直流I/O信号为010V（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。3.2 确定I/O点及选择PLC3.2.1可编程控制器控制系统I/O地址分配根据塑料注塑成型生产工艺控制要求，其输入设备有8个行程开关、1个压力继电器；其执行器件共有YV1YV8八个电磁阀。因此塑料注塑成型机的电气控制系统采用PLC控制需要有9个输入点，8个输出点，在设计过程中我们选用西门子S7-200系列PLC，基本单元选用CPU224模块，其输入14点，输出10点，能满足控制要求。具体的I/O地址分配见表1，PLC控制系统的I/O接线图。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。S-7200的控制开关的触点表如表1所示7。表1 I/O地址输入分配表输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号安全门行程开关SQ1I0.0电磁阀YV1Q0.0安全门行程开关SQ2I0.1电磁阀YV2Q0.1闸板闭合行程开关SQ3I0.2电磁阀YV3Q0.2稳压行程开关SQ4I0.3电磁阀YV4Q0.3高压注射行程开关SQ5I0.4电磁阀YV5Q0.4卸压行程开关SQ6I0.5电磁阀YV6Q0.5启模行程开关SQ7I0.6电磁阀YV7Q0.6复位行程开关SQ8I0.7电磁阀YV8Q0.7压力继电器KPI1.03.3 注塑机控制系统的接线图3.3.1 注塑机控制系统的整体接线示意图在系统软件设计过程中，首先根据系统控制要求和工艺流程设计出系统顺序功能图，然后根据顺序功能图设计出梯形图，接线示意图如图4所示8。图4注塑机控制系统的整体接线示意图3.4 注塑机控制系统的抗干扰措施可编程序控制器是专门为工业环境设计的控制装置，一般不需要采用什么特殊措施，就可以在工业环境使用。但是，如果环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都不能保证系统的正常安全运行，干扰可能使可编程序控制器接受到错误的信号，造成误动作，或是可编程序控制器内部的数据丢失，严重时甚至会使系统失控。在系统设计时，应采取相应的可靠性措施，以取消或减少干扰的影响，保证系统正常运行。在设计本系统过程中，难免会遇到一些干扰。为了减少干扰对本系统的影响，必须采取一些有效的抗干扰措施。3.4.1 抗干扰措施外部干扰来源(1) 控制系统供电电源的波动以及电源电压中高次谐波产生的干扰。(2) 其他设备或空中强电场通过分布电容和耦合窜入控制系统的干扰。(3) 临近的大容量电气设备起动和停止时，因电磁感应引起的干扰。(4) 相邻信号线绝缘降低，通过导线绝缘电阻引起的干扰。硬件措施分为以下几个方面：(1) 信号隔离(2) 接地屏蔽(3) 采用两路电源分别供电(4) 电缆选择与敷设(5) 其中消除干扰的主要方法是阻断干扰侵入的途径和降低系统对干扰的敏感性，提高系统自身的抗干扰能力。实践表明，系统中可编程序控制器之外的部分的故障率，往往比可编程序控制器本身的故障率高的多，因此在设计时应采取相应的措施，如用靠可靠性的接近开关代替机械限位开关，才能保证整个系统的可靠性910。3.4.2 软件设计抗干扰的软件措施不能完全消除干扰的影响，必须采用软件措施加以配合。可用如下的软件措施：（1） 对于开关量输入，可以采用软件延时20ms，对同一信号做两次以上读如，结果一致才确认输入有效。（2） 某些干扰是可以预知的，如可编程序控制器的输出命令使执行机构（如大功率电动机、电磁铁）动作，常常会伴随产生火花、电弧等干扰信号，他们产生的干扰信号可能是可编程序控制器接受错误的信息。容易产生这些干扰的时间内，可用软件封锁可编程序控制器的某些输入信号，在干扰易发期过去后，再取消封锁。（3） 故障的监测与诊断可编程序控制器的可靠性很高，本身有很完善的自诊断功能，可编程序控制器如出现故障，借助自诊断程序可以方便得找到故障的部位与部件，跟换后就可以恢复正常工作。大量的工程实践表明，可编程序控制器外部的输入、输出元件、如限位开关、电磁阀、接触器等的故障率远远高于可编程序控制其本身的故障率，而这些元件出现故障后，可编程序控制器一般不能察觉出来，不会自动停机，可能是故障扩大，直至强电保护装置动作后停机，有时甚至会造成设备和人身事故。停机后，查找故障也要花费很多时间。为了及时发现故障，在没有酿成事故之前使可编程序控制器自动停机和报警，也为了方便查找故障，提高维修效率，可用梯形图程序实现故障的自诊断和自处理11。4 控制系统的软件设计4.1 系统工艺流程图注塑机的工作过程为：按下电源开关液压油泵启动，系统进入准备状态，此时可选择手动或自动操作模式。当选择自动模式时，按下启动按钮，当确认合模安全时合模电磁阀动作，合模/开模油缸在油压力的作用下驱动导杠动作，使动模板向上面与定模板快速地闭合。合模完毕后，合模到接近开关动作，整进/整退气缸在油压力的作用下驱动拉杆动作,使射台向前移动。射台整进到后，接近开关动作，射胶电磁阀得电，螺杠在液压力的推动下完成射胶并保压一段时间。当射胶时间到达设定值时，射胶电磁阀断电自复位，预塑电磁阀得电，预塑液压马达完成预塑的同时，螺杠退回原来的位置。预塑完后接近开关工作，整进电磁阀断电自复位，射台在液压的作用下退回。射台退回后，射台退到位接近开关动作，合模电磁阀断电自复位，完成启模动作。启模完后，顶出油缸动作将制品顶出，落下的制品使计件光栅动作，产品计数，便完成一个生产周期。当选择手动操作时，分别打开各个转换开关，即可使各个电磁阀得电工作或断电自复位，使油缸在液压力的作用下驱动导杆分别进行合模/开模、整进/整退，射胶，预塑，顶出等动作，完成调机工作。系统工艺流程如图5、图6所示12 。图5 注塑机控制系统工艺流程图(手动部分） 图6 注塑机控制系统工艺流程图(自动部分）4.2 系统的程序设计4.2.1 注塑机的温度控制生产的过程中，螺杠筒温度控制是十分重要的。如果温度过高，螺杠筒中的塑料会发生分解而变质；如果温度过低会使塑料塑化不良，流动性变差，制品成型不好。注塑机中通常采用PID控制的方法，一般能达到1的精度要求。温度传感器将螺杠内的动态的温度转化为标准的电压信号（或电流信号），标准的电信号通过A/D转换送入PLC中与温度的设定值进行比较，根据比较的结果在PLC内进行PID调节，PID调节的输出经D/A转换后直接作为交流调功器的输入控制信号，及时的调整负载的输入功率，使实际温度与设定相同。其温度过程控制原理框图如图7所示。PLCPID调节D/A转换交流调功加热器热电偶A/D转换图7 温度过程控制原理框图注塑机的温度控制一般要求都在400以内，而S-7200的摄氏温度的测量范围为-100+1200，其相对应的数字量范围为-1000+12000，它的测温精度为0.1。从热电偶传来的温度信号在0+400的范围内，所以经S-7200输入到PLC中的数字量的范围应为0+400013。4.2.2 注塑机的步序控制注塑机有手动和自动两种工作模式。手动模式下，按下相应的功能按钮时，便能完成相应的操作；自动模式下，只需按下启动按钮，注塑机就能按照调定的动作工作。根据控制流程图、I/O配置图及分配表，编制程序。该机PLC顺序控制系统图（见图8）14。SM0.1I0.0I0.1I0.7启模T37Q0.6Q0.0I0.6M0.5闸板开启Q0.4T39T39M1.1卸压Q0.1I0.5M1.0预塑T38M0.7保压T38Q0.76Q0.06M0.6注射座前进Q0.7稳压Q0.5M0.0000I0.0I0.1Q0.0M0.1Q0.0闭模I0.2M0.2I0.3Q0.1Q0.3Q0.7闭模M0.3I1.0I0.4M0.4T37Q0.6高压注射Q0.0M0.5图8 PLC注塑机顺序控制系统图4.3STEP7Micro/WIN V4.0编程软件4.3.1 STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件主界面及基本组成（1）STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件，它的主界面窗口组件如图9所示。 图9 STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件主界面窗口（2）STEP7项目包括下列基本组件： 程序块:由可执行的代码和注释组成，可执行的代码由主程序、可选子程序和中断程序组成。 数据块:由数据（变量存储器的初始值）和注释组成。 系统块:用来设置系统的参数，例如存储器的断电保持范围、PLC的输出状态、模拟量与数字量输入滤波值等。 符号表:允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。 状态表:用来观察程序执行时指定的内部变量的状态，状态表并不下载到PLC，仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具。 4.3.2 PLC注塑机控制系统的程序创建（1） 打开项目执行“文件”“新建”命令，可以新建一个项目。可以保存为扩展名为“.mwp”的新建项目。或执行“文件打开命令可以打开项目。（2） 输入指令输入梯形图指令可以通过指令树、工具条按钮等方式进行。指令树中包含了几乎所有的指令，或在工具条上直接放常用的指令。或用快捷键F4、F6、F9键进行操作。（3） 创建逻辑网络用梯形图编写的程序就是将组件排列成逻辑网络。可以通过工具栏或者右键快捷菜单进行程序编辑，形成程序网络。（4） 输入地址在梯形图输入指令时，参数最初是由“？”显示的，表示参数未赋值，可以用绝对值或者符号标明程序中的指令操作数。绝对引用是指使用内存区的位或者字节位置标识地址，符号引用则是指使用数字、字母的字符组成标识地址。如果有未赋值的参数，程序将不能正常编译。（5） 编译与保存编译可以通过工具栏按钮或者PLC菜单进行。可通过“PLC”菜单中的“编译”命令，或者工具栏上的“编译”按钮，编译当前被激活的编辑器中的程序。若选择“PLC”菜单中的“全部编译”命令，则按照顺序编译程序块（主程序、全部子程序、全部中断程序）、数据块、系统块等全部块。使用“全部编译”，与哪一个窗口是活动的无关。编译结束后，输出窗口显示编译信息。可以通过工具栏的“保存”按钮、“文件”菜单中的“保存”命令及“另存为”进行保存11。4.4 控制程序的调试与仿真4.4.1 程序调试(1) 调试条件 选择合适的CPU外电路，根据信号系统要求以及I/O资源配置进行模拟连接，输入端由PLC按键模拟，输出端组态王模拟即可； 使用STEP7Micro/WIN V4.0编程软件进行编程；(2) 程序调试步骤 打开STEP7-Micro/WINV4.0软件； 在命令菜单中选择DebugProgram Edit in RUN； 把以设计好的系统程序语句在RUN模式下输入； 输入程序有误，系统提示不能运行； 修改有误程序，继续输入程序直到系统检测无误为止； 退出RUN模式在命令菜单中选择DebugProgram Edit in RUN，然后点击取消复选标志。4.4.2 系统仿真由于客观条件的限制，只能对部分系统进行模拟调试。仿真调试时，按信号装置的运行条件，依次设置输入信号，并观察输出正确与否，同时可通过编程器监控内部各点状态，在输入端接上手动按钮而在PLC的输出指示灯上看输出，输入信号完全靠手动来控制。观察输出指示灯能否在每个相应的点动状态得电。调试过程中观察各基本环节是否满足控制要求15。(2) 系统仿真图本系统仿真的主要示意图。 注塑机控制系统闭模仿真示意图如图10所示。按下启动按钮，在程序中用初始化脉冲SM0.1将初始步对应的编程元件M0.0置位，为转换的实现作好准备，安全门行程开关SQ1、SQ2闭合，即I0.0、I0.1动合触点闭合，则将“闭模”对应的编程元件M0.1置位，进入“闭模”工步，使电磁阀YV1接通。 图10 注塑机闭模仿真示意图 注塑机控制系统闸板闭合仿真示意图如图11所示。若“闭模”到位，即SQ3被压下，I0.2动合触点闭合，则将“闸板闭合”对应的编程元件M0.2置位，进入“闸板闭合”工步，使电磁阀YV2、YV4、YV8接通。图11 注塑