塑料注射成型机PLC控制系统设计

摘摘 要要 注塑机控制系统是注塑机整机的一个重要组成部分，其性能优劣 对整机至关重要。本论文首先确定了注塑机控制系统的设计方案及 思路，经过与单片机控制、微机控制、继电接触器控制等控制系统 相比较，决定采用 PLC 来实现对注塑机各动作的控制。确定了 PLC 输入和输出接口的属性，将注塑机的所有检测开关、限位开关、手 动操作开关和主令开关等，进行确切地分类和编号，从而确定了 I/O 口的数量。根据输入输出的数量、类型确定 PLC 的型号为 FX2N- MR。完成了注塑机主电路和控制电路等硬件电路的设计。软件设计 方面，根据注塑机各个动作制出注塑机的工艺流程图。根据此工艺 流程图，设计出注塑机的动作流程图，根据动作流程图写出注塑机 的状态转移图，并依据状态转移图写出步进梯形图。 关键词：注塑机，控制系统，状态转移图，步进梯形图 I 目 录 摘摘 要要.IIII 第一章第一章 绪绪 论论.1 1 1.1 塑料机械行业概述 .1 1.2 国内外注塑机的研究现状 .1 1.3 注塑机的发展趋势 .3 第二章第二章 注塑机系统概述注塑机系统概述.5 5 2.1 注塑机的组成 .5 2.2 注塑机的分类 .6 2.3 注塑机控制系统的抗干扰措施 .7 第三章第三章 注塑机控制系统的设计方案和思路注塑机控制系统的设计方案和思路.1010 3.1 注塑机控制系统设计的主要内容和工艺分析 .10 3.2 设计的思路和方案 .11 第四章第四章 注塑机的注塑机的 PLCPLC 控制系统硬件和软件设计控制系统硬件和软件设计.1414 4.1 输入输出点的继电器属性 .14 4.2 PLC 机型的选择.15 4.3 输入输出地址分配表 .16 4.4 主电路的设计 .18 4.5 控制电路的设计 .19 4.6 注塑机的动作流程 .20 4.7 程序设计 .24 第五章第五章 总结与展望总结与展望.3434 5.1 结 论.34 5.2 展望 .35 致谢致谢.3636 参考文献参考文献.3737 0 第一章 绪 论 1.1 塑料机械行业概述 从 20 世纪 50 年代技术创新推出了螺杆式塑料注射成型机至今已有 50 多年 的历史。目前在工程塑料业中，80%的塑料制品采用了注射成型。近年来汽车、 建筑、家用电器、食品、医药等行业对注塑制品日益增长的需要，更推动了注 射成型技术水平的发展和提高。我国塑料机械自 2005 年起已跃居世界第一的 位置，2006 年我国塑料机械工业总产值首次突破 200 亿元人民币，2010 年我 国塑料机械制造工业总产值达 421.06 亿元，同比增长 63%，2013 年行业工业 总产值首次突破 500 亿元，国产塑机占国内塑机市场份额提升至 77%。与全国 23 个主要机械行业横向对比，2013 年我国塑料机械规模以上企业平均主营业 务收入利润率已跃至首位。 1.2 国内外注塑机的研究现状 从注塑机问世起，锁模力在 1000-5000kN、注射量在 50-2000g 的中小型注 塑机占绝大多数。到了 20 世纪 70 年代后期，由于工程塑料的发展，特别是在 汽车、船舶、宇航、机械以及大型家用电器方面的广泛应用，使大型注塑机得 到了迅速发展。其中以美国最为明显，在 1980 年全美国约有 140 台 10000kN 以上锁模力的大型注塑机投入市场，到 1985 年增至 500 多台。日本名机注塑机 公司成功地制造了当今世界最大的注塑机，其锁模力达到 kN，注射量达到 92000g1。 20 世纪 80 年代以来，CAD/CAE/CAPP/CAM 计算机应用技术在注塑机制 造业的广泛应用，促进了中国注塑机研发和制造水平的高速发展。中国一批国 家级高新技术企业都相继引进美国 EDS 公司的 UGS 软件和 PTC 公司的计算机 辅助设计和分析等软件，实现了三维立体参数化建模，机构运动仿真，对关键 零件分析，对高应力区的应力分布、应力峰值、危险区域等进行准备的分析计 算，帮助设计人员迅速地了解、评估和修改设计方案，保证了重要零件的结构 合理性和可靠性；实施了 CIMS 工程，实现了生产计划、物料、成本等计算机 集成管理；引进 IMAN 系统，实现了产品技术数据的创建和跟踪，产品结构和 版本，产品属性和关联数据的查询以及信息传递等计算机集成管理。 目前，国外注塑机控制系统系透过多个微处理器分工，融合先进的硬件及 软件技术而成。控制系统的设计，特别注重机器与操作者的沟通，使操作者更 容易掌握及发挥机器的各项功能。多种语言显示功能，突破了语言障碍。此外， 1 还配置了许多高级的控制功能。例如，塑料注射模腔过程专家系统、智能识别 模腔塑料注射保压点切换、自动设定注射压力参数和注射速度参数、智能调校 锁模参数等。例如，美国一家著名的注塑机公司 Cincinnati Milacron，百余年来 不论在机械制造技术、设计开发、研究发展方面，都走在世界前列，该公司制 造的 VISTA 系列注塑机应用了航天工业的特殊技术材料、尖端控制系统及液压 技术。又例如美国穆格公司研制的 PC28 注塑机控制系统和 MOOG2000 注塑机 电脑控制系统，具有工业控制机的所有功能，全套注塑机输入输出驱动和检测 控制接口及注塑机控制程序软件。香港华大机械设备有限公司生产的 C2 系列 注塑机，在日本厂商配合下开发了 CIMtrol 电脑控制系统，该控制系统有较全 面的注塑机电脑控制功能，使操作者能体现现代化注射成型工艺控制的优越性 能。 与发达国家相比，中国的精密注塑机控制系统开发研究显得微乎其微。在 技术研究上投入的人力、物力较小，而这方面的技术研究涉及面广，牵涉机械 设计、液压传动系统、计算机控制技术水平以及化工高分子塑料等学科的综合 性研究。中国塑料机械行业在应用高新技术、提高技术水平以及在推广应用机 电一体化等方面，虽然已经取得了较大进展，并有部分企业已经开始采用微电 脑控制，并且能够应用闭环控制技术，但西方发达国家应用这种技术已相当普 遍，而且能够采用开环与闭环并用的控制技术，并将一些高性能注塑机控制系 统取代传统的旧式继电器控制，因而大大提高了产品的精度、质量、稳定性和 可靠性。 近年来中国的工程塑料应用发展得很快，而工程塑料制品的精度要求高于 其他塑料制品。例如生产一个仪表上用的小模数聚碳酸酯齿轮，要求各节点重 复精度达到 0.05mm 以上，制品收缩率控制在 1%以下。因此除了对注塑机本身 的加工精度要求苛刻外，精密可靠的控制系统、液压系统和精密元件也是精密 注塑的关键所在。1995-2010 年这 15 年间，中国的汽车工业、原材料工业、电 子工业、交通运输业以及包装工业等将大力发展，因而对大型、超大型注塑机 的需求日益增多。例如被列入中国支柱产业的汽车工业，不可能等到中国有了 自行设计制造的高精度注塑机再进行汽车生产，故这些高精度注塑机只有依赖 进口；再例如中国是一个木材资源相当贫乏的国家，建筑用的塑料门窗仅占门 窗总量的 1.2%左右，这和德国塑料窗已占其窗总量的 50%左右相比，可以看出， 中国塑料门窗的开发潜力是十分巨大的。 综上所述，中国精密注塑机和控制系统研究要根据自身的客观条件，如技 术力量、资金等，开发新产品，加强高新技术的应用和提高控制技术水平，逐 步缩小中国与其他发达国家的差距。 2 1.3 注塑机的发展趋势 中国塑机产品每次参加塑机展览会，不论在规模上还是在技术上，都有不 同程度的进步，一些产品正在逐步缩短与发达国家的差距，各别产品（如注塑 机）处于世界领先水平。因而在最近几届国际橡塑机械展览会上，受到国外友 好客商的好评。从中国塑料机械工业总体水平看，不论是管理水平、技术水平、 产品品种、应用高新技术以及产品档次等方面，都与发达国家差距较大。为缩 小差距，避免将中国广阔的塑机市场拱手让给他人，以下几点应是中国塑料机 械行业的长远发展方向。 （1）配合塑料加工行业，加速高新技术的应用。 （2）为提高中国塑料机械的控制水平和技术性能，应更加速应用微电脑技 术和高精度元件。 （3）在模具设计和加工技术方面，更加速推广应用 CAD/CAM/CAE 技术， 使中国的模具制造水平在不长的时间内，进入世界先进行列。 （4）塑机行业要进一步加强专业化分工。 （5）加强塑料机械企业自身的技术改造。 从目前的国际水平来看，注塑机的移模速度已从过去的 20-30m/min 提高到 40-50m/min，高的甚至达到 70m/min；注射速度从过去的 100mm/s 提高到现在 的 250mm/s，有的达到 450mm/s。日本制钢所研制的电动型注塑机达到 900mm/s。注射压力从过去的 120-150Mpa 提高到目前的 180-250MPa。日本的 SN120P 机已达到 460MPa，它生产的制品收缩率几乎为零，制品公差可保证在 0.02-0.03mm，壁厚可达到 0.1-0.2mm。节能方面，从过去的流量比例和压力比 例控制发展到变量控制或定量控制。变频调速系统、伺服控制技术的注塑机， 其能耗仅为传统机器的 30%。注塑机的高效率主要体现在工作节拍快，制品周 期短，普遍比过去提高 24%以上。高效注塑机的开模与预塑一般都是同步完成， 开模过程中同时完成了抽芯和顶出。日本展览会上最快的注塑机，其工作周期 只有 1s。注塑机的控制技术历经了继电器、接触器控制及可编程控制器控制和 专用计算机控制的发展过程。自 20 世纪 60 年代末美国费洛思公司首先应用计 算机控制技术开始，经过 20 世纪 80 年代以后的高速发展，它已经不再是简单 的动作控制，而是包括熔体温度、注射压力、注射速度、保压时间、冷却过程 及液压回路等各种参数的综合控制。注塑机过去大多数采用开环控制，目前正 在向闭环控制方向发展。德国克劳斯马菲公司的 PM 控制系统，通过合模力、 3 模腔压力和充模过程的控制，使制品质量的误差精确到 0.15%。 注塑机发展的重要特点是向精密化、低噪音、高效率、节能和高度自动化 方向发展，在控制系统设计方面，采用全闭环伺服电机为驱动的伺服液压执行 阀，配合压力传感器和激光测量尺，做到压力和速度全闭环。这就要求注塑机 控制系统有较高的品质指标。 综上所述，现代注塑机的发展正朝着以下几个方向发展。 （1）采用数控和数显装置。借助电子技术的快速发展，利用微处理器控制 技术，对注塑数据的输入、循环程序的编程可以在控制面板显示器上直接输入， 同时对设备锁模、注射等的位置、动态过程、输出的不同压力、速度进行监控、 反馈，形成闭环控制。 （2）节能方面采用节能的泵源电路（功率匹配泵源电路、负载敏感回路等） ，采用高效节能的控制元件（插装阀、叠加阀、多功能阀、比例阀、伺服阀、 数字阀等） ，采用变频调速装置对液压马达进行调速。 （3）低噪声，无污染（全自动注塑机） 。 （4）实现自动化、无人化、低成本化。为实现注塑自动化，除了采用机械 手、输送带等，出现了自动换模系统，它对注塑机的要求： 高性能的个人计算机（PC）系统； 具有模具注塑程序记忆系统； 稳定的机械结构； 简洁及明朗的机体； 足够的换模空间。 （5）除了普通的注塑机外，另外注塑机正向着两极方向发展： 朝着高压、巨型注塑机方向发展。注射量达 170kg，锁模力可达万吨以 上。 朝着超小型精密注塑机方向发展。注射量达 0.01g，锁模力为 5t。精密注 塑机精度可以达到：质量偏差为 0.002g，零件厚度偏差为 0.001mm，注射时间 偏差为 0.01s，加料时间偏差为 0.1s，计量位置偏差为 0.015mm，开模位置精度 偏差为 0.005mm2。 4 第二章 注塑机系统概述 2.1 注塑机的组成 注塑机的具体组成部分有：液压油路系统，合模系统，射台移动系统，加 热冷却系统，润滑系统，电气控制系统，安全保护、监测系统以及供料等辅助 系统。 2.1.1 注塑机液压油路系统 注塑机的液压油路系统由油泵、油泵电机、滤油器、油箱、油管、油温冷 却器、比例压力阀、比例流量阀、开关阀、液压马达等各种液压元件组成，还 包括一些辅助元件和密封件。注塑机系统设计采用了比例压力阀和比例流量阀， 可实现压力和流量的多级控制，具有油路简单、效率高、系统稳定性良好、冲 击少和噪声小等优点。 2.1.2 注塑机合模系统 合模系统的作用是推动模具进行开合运动，使动模板作启闭模往返移动， 锁紧模具的力要大于注射压力，使塑料制品没有飞边。合模系统主要由四根拉 杆和螺母把前后模板联接起来形成整体刚性框架。动模板装在前、后模板之间， 后模板上固定合模油缸；动模板在合模油缸的作用下以四根拉杆为导向做启闭 模运动。模具的动模装在动模板上而定模则装在前固定模板上。当模具闭合后， 在合模油缸压力作用下，产生额定合模力。锁紧模具，防止模具注入高压熔融 时模具的型腔张开。当合模时，模具拉杆和前、后模板形成力的封闭系统达到 平衡状态。注塑过程合模动作包括：关安全门、锁模、注射、保压、溶胶、冷 却、抽胶、开模、顶出制品等。 在动模板的后侧装有液压及机械顶出装置。动模板在开启模具时，可通过 模具中的顶出机构，从模腔中顶出制品。在动模板或定模板上还装有调模机构， 以便在一定的范围内调节模具厚度。在液压机械式合模机构中，还要通过调模 机构来调试合模里的大小，以防止超载。 合模框架的前后侧设有安全罩、安全门以及液压、机械安全保护装置。为 了确保安全，一般都用液压装置和电气限位开关同安全门双重连锁，当只有安 全门闭合时才能进行闭模动作。 2.1.3 注塑机注射系统、射台移动系统 注塑机注射系统的作用是使物料塑化和熔融，并在高压和高速下将熔体注 入模腔。注射系统主要由塑化装置、螺杆驱动装置、计量装置、注射动作装置、 注射座以及整体移动装置、行程限位装置以及加料斗装置等组成。塑化装置又 5 由螺杆和加热料筒组成，在螺杆头部装有防止熔体倒流的止逆环和各种剪切或 混炼元件；螺杆驱动装置主要由减速装置、轴承支架、主轴套和螺杆驱动电机 或液压马达组成。预塑化时，动力通过主轴套和轴承支架上的减速装置带动螺 杆旋转。 注射装置主要由注射油缸和活塞及喷嘴组成。在注射时，油缸产生注射推 力，通过主轴推动螺杆向头部熔体施加高压，使熔体通过喷嘴充入模腔。注射 座是一个可以在机身上移动的基座，塑化装置、注射装置以及计量装置和料斗 都固定在注射座上。注射座在油缸的作用下，可以做整体前进或后退，使喷嘴 与模具接触或离开。 2.1.4 注塑机电气控制系统 电气控制系统是注塑机的“中枢神经”，它控制着注塑机的各种程序及其 动作；对时间、位置、压力、速度和转速等进行控制。主要由计算机及接口电 路、各种检测元件及液压驱动放大电路组成闭环调节系统。 2.1.5 注塑机冷却系统 注塑机的冷却系统用来冷却液压油、料口以及模具。它是一个封闭的循环 系统，能将冷却水分配到几个独立的回路上去并能对其流量进行调节，通过检 测水的温度，实行闭环调节。 2.1.6 注塑机安全保护与监控系统 注塑机的安全装置主要用于保护人和机器的安全。由安全门、行程阀、限 位开关、光电检测元件等组成，实现电气、机械、液压的连锁保护。检测系统 主要对注塑机的油温、料温、系统超载以及工艺和设备故障进行监测，发现异 常情况即进行指示或报警。 2.2 注塑机的分类 近年来注塑机发展很快，类型日益增多，而分类方法很多。绝大多数的注 塑机都是由电动机驱动一个或一组液压泵，由液压泵及运行其中的压力油组成 一套驱动系统，动作的产生由驱动器所担任，通常直线往复运动是由压力油推 动油缸或活塞产生的，而旋转运动是由压力油推动液压马达所产生的。 2.2.1 按注射单元形式分类 按注射单元形式可分为柱塞式和螺杆式两大类，目前大部分的注塑机都是 螺杆式的。 （1）柱塞式注塑机。该类注塑机是通过柱塞把塑料推向料筒前端的塑化室， 依靠料筒外部的加热将塑料塑化成熔融状态，而后在柱塞的推挤作用下，注射 到模具型腔中去。 图 2.2 液压油路系统 6 （2）螺杆式注塑机。塑料的熔融塑化和注射全部是由螺杆来进行的，螺杆 式注塑机是目前应用最广泛的注塑机。 2.2.2 按注塑机的外形分类 按注塑机的外形分类，主要是按照注塑和合模装置的方式来分类。 （1）立式注塑机。立式注塑机的注塑系统和合模系统的轴线是竖直排列的。 其优点是：占地面积小，模具比较小，拆装方便，在模具内易于安放金属嵌件 实现嵌件注塑成型。其缺点是：机身高，注塑机稳定性差，制品顶出后无法自 动脱落，难实现自动化生产，一般用于半自动化生产。立式注塑机由专人操作， 适用于成型多嵌件的塑料制品。 （2）卧式注塑机。卧式注塑机的注塑系统和合模系统的轴线是水平排列的。 其优点是：机身低，注塑机稳定性好，制品顶出后可以自动脱落，容易实现自 动化生产。其缺点是：占地面积较大，模具拆装麻烦，安放嵌件不方便，所以 如果大批量的嵌件注塑要根据每个不同的产品来改造注塑机，变成非标的专用 注塑机。卧式注塑机目前使用最广、产量最大，是国内外注塑机的最基本形式。 （3）角式注塑机。角式注塑机的注塑系统和合模系统的轴线是互相垂直排 列的。注塑时塑料从模具的分型面注入，适用于中心部位不允许留有浇口痕迹 的平面制品。同时，可以利用注射系统留下的空位置来进行嵌件的移动，实现 卧式注塑机的嵌件自动注塑。 （4）多工位注塑机。多工位注塑机是一种多模操作的特殊注塑机。 2.2.3 按注塑机加工能力分类 一台通用注塑机的加工能力主要由合模力和注塑量来决定。合模力是由合 模装置所产生的最大锁模力决定的，注射量是以注塑机最大理论注塑容量表示 的。根据注塑机的加工能力可以分为超小型、小型、中型、大型、超大型注塑 机。 2.3 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 7 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。 2.3.1 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。 2.3.2 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。 8 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。 9 第三章 注塑机控制系统的设计方案和思路 3.1 注塑机控制系统设计的主要内容和工艺分析 主要内容：本毕业设计以注塑机控制系统为设计背景，要求运用可编程控 制器技术、自动检测和自动控制技术等，设计基于 PLC 的注塑机自动控制系统。 注塑机主要动作分为 5 个部分：（1）闭模和合紧，注塑机的成型周期一般 从模具开始闭合时起，模具首先以低压力快速进行合模，当动模板与定模板接 近时，合模的动力系统应该切换成低压低速，在确定模腔内无异物存在时，再 切换成高压而将模具合紧。 （2）注射装置前移和注射，在确认模具达到所要求 的合紧力，注射装置前移，使喷嘴和模具贴合，当喷嘴与模具完成贴合后，便 可向注射缸接入压力油。与油缸活塞相接的螺杆，以高压高速将熔料注入模腔。 （3）压力保持，为了制得质量致密的制品，对注入模腔的熔料还需保持一定的 压力进行补缩。 （4）制品冷却和预塑化，当保压进行到熔料将浇口封闭时，可 去除压力使制品在模内冷却定型。此时，螺杆在液压电机的驱动下转动，将来 自料斗的粒状或粉状的胶料向前输送，并使其塑化。 （5）注射装置后退和开模 顶出制品，螺杆塑化后，需要喷嘴撤离模具，即注射装置后退，模腔内的熔料 经冷却定型后，合模装置即行开模，并自动顶出制品。 工艺分析：注塑成型过程是将热塑性塑料或热固性塑料在加热机筒内经过 加热、剪切、搅拌混合及挤压作用，使之均匀塑化（温度、组分均匀的熔融状 态） ，塑化好的熔融物料在小孔径或控制封闭的喷嘴的阻挡作用下，集中在料筒 的前端，然后借助于螺杆或柱塞施加的推力，经过喷嘴与模具的浇注系统进入 闭合好的低温模腔内。充满模腔的熔体在受压的作用下，经冷却(热塑性塑料) 或加热（热固性塑料）固化成型，打开模具取出制品，在操作上完成一个成型 周期，以后不断重复上述周期的生产过程。按照习惯，把一个注塑成型工作循 环称为注塑机的成型周期。按时间先后顺序可以绘制成注塑机的工作过程循环 图，又称注塑机工艺流程图。如图 3.1 所示。 10 图 3.1 注塑机工艺流程图 3.2 设计的思路和方案 3.2.1 传统注塑机控制系统设计 传统的注塑机一般采用简单的开环控制，它是按预先设定的成型条件，用 开路（无反馈回路）控制机器的动作。在生产过程中，预先按工艺要求设定各 个动作参数，例如合模压力、注射速度、循环时间、保压压力，温度等，由机 器在生产过程中加以保持。这种控制方式结构简单，价格低廉，但抗干扰能力 差，控制温度与精度也比较低。 3.2.2 目前注塑机常用的控制系统设计 目前，更多的注塑机采用的是半闭环控制或全闭环控制，即按照实时测量 值与设定值的偏差进行比较控制。闭环控制系统采用了负反馈回路，当注射速 度、注射压力、模腔温度、模腔压力、熔体温度和液压油压力等在生产过程中 因干扰出现偏差，机器则通过自适应控制系统对干扰引起的偏差进行自动补偿 修正，这种控制方法抗干扰能力强，控制精度高。 3.2.3 常用的注塑机控制系统设计的比较及确定 可以对注塑机实现控制的有 PLC、单片机、继电接触器和微型计算机等。 PLC 作为一种面向工业生产的应用型技术，与 CAD/CAM、NC 技术并成 为现代工业的三大支柱技术，被越来越多的人所熟悉和应用。PLC 专为在工业 现场应用而设计，采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、 顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字或模拟的输入、输出 接口控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是微处理技术与传统的继电接触控 制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可 靠性低、功耗高、通用性和灵活性差等缺点，充分利用了微处理器的优点，又 照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是 PLC 的程序编程，不需要 专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指 令形式，使程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。用户在 购买到所需的 PLC 后，只需按说明书的提示做少量的接线和简易的用户程序编 制工作，就可以灵活方便地将 PLC 应用于生产实践3。 与单片机控制相比较，PLC 控制的优点在于：PLC 采用的梯形图类似于继 电器线路图，编程简单易学，易于为广大电气工程技术人员所接受；PLC 更加 适合于工业恶劣环境下使用，性能比较稳定，而单片机的工作环境要求更高一 些。 采用 PLC 的控制系统较之继电接触器控制系统提高了一大步，其主要优点 11 有以下几点： (1）逻辑控制。继电接触器控制是利用各电器件机械触电的串、并联组合 成逻辑控制。采用硬线连接，连线多而复杂，对今后的逻辑修改、增加功能很 困难。而 PLC 中逻辑控制是以程序的方式存储在内存当中，改变程序，便可改 变逻辑。连线少、体积小、方便可靠。 (2）控制速度。继电接触器依靠机械触电的吸合动作来完成控制，其工作 频率低，工作速度慢。而 PLC 由于采用程序指令来实现控制功能，稳定可靠， 使运行速度大大提高。 (3）顺序控制。继电接触器是利用时间继电器的滞后动作来完成时间上的 顺序控制。时间继电器内部的机械结构易受环境温度和湿度变化的影响，造成 定时的精度不高。在 PLC 内部是由半导体电路组成的定时器以及由晶体振荡器 产生的时钟脉冲计时，定时精度高。使用者根据需要，定时值在程序中便可设 置，灵活性大，定时时间不受环境影响。 (4）灵活性与可扩展性。继电接触器系统安装后，受电器设备触点数目的 有限性和连线复杂等原因的影响，系统在今后的灵活性、扩展性很差。而 PLC 具有专用的输入输出模块，理论上连接可以无穷多，灵活性与可扩展性都比较 好。 (5）计数功能。继电接触器控制可实现逻辑功能，但不具备计数的功能。 PLC 内部有特定的计数器，可实现对生产设备的步进控制。 (6）可靠性和可维护性。继电接触器控制使用大量的机械触点，触点在开 闭时会产生电弧，容易对人造成损伤并伴有机械磨损，使用寿命短，运行可靠 性差，不易维护。而 PLC 采用微电子技术，内部的开关动作均由无触点的半导 体电路来完成。体积小，使用寿命长，可靠性高，并且能够随时显示给操作人 员，及时监视控制程序的执行状况，为现场调试和维护提供便利。 与微型计算机相比较，PLC 控制系统的优势在于： (1）PLC 输入输出接口较多，中大型 PLC 输入输出接口更多，便于多路多 点控制。 (2）PLC 编程简便，因为 PLC 是采用易于用户理解、接受和使用的梯形图 编程语言，指令又不太多，而计算机使用汇编语言或其它高级语言编程，比 PLC 编程复杂。 (3）PLC 可靠性高，因为 PLC 是为工作环境条件比较恶劣的工业控制设计 的，设计与制造 PLC 时已采用了多种有效的抗干扰和提高可靠性措施。 (4）PLC 技术较容易掌握，使用维护方便，对使用者的技术水平要求比使 用计算机时低。 12 (5）PLC 采用扫描方式进行工作，加之其它一些原因，所以 PLC 输入输出 响应比计算机慢。 (6）此外 PLC 体积较小，调试周期短4。 基于以上 PLC 控制分别与单片机控制、继电接触器控制以及微型计算机控 制的比较，本论文采用 PLC 控制系统实现对注塑机的控制。注塑机电控装置由 输入、输出装置、PLC 和液压比例阀、开关阀的驱动电路组成。把编好的用户 程序通过微机或手编器输入 PLC 基本单元，PLC 基本单元将用户程序解读为微 处理器芯片 CPU 认识的目标码，即把梯形图或汇编语句表解读为目标代码。中 央处理单元以扫描的形式将注塑机状态信号采样输入到存储器中，再按用户程 序变成内部逻辑关系得到所需要的输出状态，通过输出装置控制注塑机动作。 编程器是对注塑机进行编程用的。编程器的语言有指令方式（语句表），也有 助记符号方式、逻辑图及梯形图符号，还有继电器电路方式，其中控制系统的 梯形图方式和指令形式（语句表）使用最为常见。 3.2.4 设计内容 (1）根据注塑机控制系统的内容和要求，可作出注塑机的工艺流程图，确 定 PLC 输入和输出接口的属性，将注塑机的所有检测开关、限位开关、手动操 作开关和主令开关等，进行确切地分类和编号，以此来确定 I/O 口的数量。根 据注塑机输入输出的数量、类型确定选用的 PLC 型号。 (2）主电路部分的设计。主电路部分是由电动机拖动液压泵，产生高压工 作动力油。本论文中采用星-三角降压启动方式，据此可设计出注塑机主电路图。 (3）控制电路部分的设计。控制电路设计中，根据输入输出的地址分配可 得到 PLC 外部接线图。 (4）根据注塑机的工艺流程图，先将注塑机的各个动作流程分为四个部分， 分别根据工艺流程图制出各个部分的动作流程图，最后再将各个部分的动作流 程图整合到一起，从而制定出注塑机的整个动作流程图。 (5）根据输入输出接口的地址分配表以及注塑机的动作流程图，分为四个 部分分别设计出注塑机的状态转移图，最后整合得到整体的状态转移图。根据 各部分状态转移图分别制出对应的步进梯形图，最后整合得到完整的步进梯形 图。 13 第四章 注塑机的 PLC 控制系统硬件和软件设计 4.1 输入输出点的继电器属性 第三章中介绍了注塑机的主要动作和工艺流程，据此可作出 PLC 输入输出 继电器属性表。下表为输入点继电器属性表。 表 4.1 输入点继电器属性表 序号名称属性代号 1抽芯出位置开关SQ1 2抽芯入位置开关SQ2 3快开模位置开关SQ3 4慢开模位置开关SQ4 5开模止位置开关SQ5 6关安全门位置开关SQ6 7低压锁模位置开关SQ7 8高压锁模位置开关SQ8 9锁模终止位置开关SQ9 10一级射胶位置开关SQ10 11二级射胶位置开关SQ11 12三级射胶位置开关SQ12 13溶胶终止位置开关SQ13 14顶针终止位置开关SQ14 15退针终止位置开关SQ15 16倒索终止位置开关SQ16 17溶胶手动按钮SB1 18射台前进手动按钮SB2 19射台后退手动按钮SB3 20顶针手动按钮SB4 21退针手动按扭SB5 22倒索手动按钮SB6 23射胶手动按钮SB7 24锁模手动按钮SB8 25开模手动按钮SB9 26特快手动按钮SB10 27调模向前手动按钮SB11 28调模向后手动按钮SB12 下表为输出点继电器属性表。 14 表 4.2 输出点继电器属性表 序号名称属性代号 1快速锁模电磁阀电磁阀KA1 2开模电磁阀电磁阀KA2 3射台前进电磁阀电磁阀KA3 4射台后退电磁阀电磁阀KA4 5射胶电磁阀电磁阀KA5 6二级射胶电磁阀电磁阀KA6 7三级射胶电磁阀电磁阀KA7 8溶胶电磁阀电磁阀KA8 9顶针电磁阀电磁阀KA9 10退针电磁阀电磁阀KA10 11特快电磁阀电磁阀KA11 12倒索电磁阀电磁阀KA12 13高压锁模电磁阀电磁阀KA13 14低压锁模电磁阀电磁阀KA14 15抽芯出电磁阀电磁阀KA15 16抽芯入电磁阀电磁阀KA16 17快速开模电磁阀电磁阀KA17 18慢速开模电磁阀电磁阀KA18 19调模向前电磁阀电磁阀KA19 20调模向后电磁阀电磁阀KA20 21报警灯灯泡HL 4.2 PLC 机型的选择 随着 PLC 控制的普及与应用，PLC 产品的种类和型号越来越多，而且功 能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国家引进的 PLC 产品及国内厂 家组装或自行开发的产品已有几十个系列。其中三菱公司 FX 系列 PLC 聚集了 整体式和模块式 PLC 的优点，其基本单元、扩展单元和扩展模块的高度与宽度 相同，它们的相互连接不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整 齐的长方体。其体积小，很适于在机电一体化产品中使用。 FX2N系列的 PLC 为目前市场上的主流产品，能完成绝大多数工业控制要求。 上市多年之后，价格有所下降，性价比较高。 FX2N系列 PLC 有以下技术特点： (1)FX2N系列 PLC 采用一体化箱体结构，其基本单元将 CPU、存储器、输 入/输出接口及电源等都集成在一个模块内，结构紧凑，体积小巧，成本低，安 装方便。 15 (2)FX2N系列 PLC 是 FX 系列中功能最强、运行速度最快的 PLC，基本指 令执行时间高达 0.08us，超过了许多大、中型 PLC。 (3)FX2N的用户存储器容量可扩展到 16KB，其 I/O 点数最大可扩展到 256 点。 (4)FX2N有多种特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、 脉冲输出模块、位置控制模块、RS-232C/RS-422/RS-485 串行通信模块或功能 扩展板、模拟定时器扩展板等。 (5)FX2N有 3000 多点辅助继电器、1000 点状态继电器、200 多点定时器、 200 点 16 位加计数器、35 点 32 位加/减计数器、8000 多点 16 位数据寄存器、 128 点跳步指针及 15 点中断指针。 (6)FX2N有 128 种功能指令，具有中断输入处理、修改输入滤波器常数、 数学运算、浮点数运算、数据检索、数据排序、PID 运算、开平方、三角函数 运算、脉冲输出、脉宽调制、串行数据传送、校验码及比较触电等功能指令。 (7)FX2N还有矩阵输入、十键输入、十六键输入、数字开关、方向开关及 7 段显示器扫描显示等指令5。 基于以上优点，本论文采用 FX2N系列的 PLC。 根据注塑机对 PLC 控制系统的要求，确定了系统所需的输入、输出设备， 统计出所需的输入信号的点数为 28 个，输出信号的点数为 21 个。故选择输入 点为 32、输出点为 32 的型号为 FX2N-64MR 的 PLC。 4.3 输入输出地址分配表 确定了 PLC 的型号后，便可分配 PLC 的输入/输出点的地址分配。其中输 入点地址分配如表 4.3 所示，输出点地址分配如表 4.4 所示。 表 4.3 输入点地址分配 序号输入端点设备名称功能说明 1X0SQ1抽芯出行程开关 2X1SQ2抽芯入行程开关 3X2SQ3快开模行程开关 4X3SQ4慢开模行程开关 5X4SQ5开模止行程开关 6X5SQ6关安全门行程开关 7X6SQ7低压锁模行程开关 8X7SQ8高压锁模行程开关 9X10SQ9锁模终止行程开关 10X11SQ10一级射胶行程开关 16 11X12SQ11二级射胶行程开关 12X13SQ12三级射胶行程开关 13X14SQ13溶胶终止行程开关 14X15SQ14顶针终止行程开关 15X16SQ15退针终止行程开关 16X17SQ16倒索终止行程开关 17X20SB1溶胶按钮 18X21SB2射台前进按钮 19X22SB3射台后退按钮 20X23SB4顶针按钮 21X24SB5退针按钮 22X25SB6倒索按钮 23X26SB7射胶按钮 24X27SB8锁模按钮 25X30SB9开模按钮 26X31SB10特快按钮 27X32SB11调模向前按钮 28X33SB12调模向后按钮 表 4.4 输出点地址分配 序号输出端点设备名称功能说明 1Y0KA1快速锁模电磁阀 2Y1KA2开模电磁阀 3Y2KA3射台前进电磁阀 4Y3KA4射台后退电磁阀 5Y4KA5射胶电磁阀 6Y5KA6二级射胶电磁阀 7Y6KA7三级射胶电磁阀 8Y7KA8溶胶电磁阀 9Y10KA9顶针电磁阀 10Y11KA10退针电磁阀 11Y12KA11特快电磁阀 12Y13KA12倒索电磁阀 13Y14KA13高压锁模电磁阀 14Y15KA14低压锁模电磁阀 15Y16KA15抽芯出电磁阀 16Y17KA16抽芯入电磁阀 17 17Y20KA17快速开模电磁阀 18Y21KA18慢速开模电磁阀 19Y22KA19调模向前电磁阀 20Y23KA20调模向后电磁阀 21Y24HL报警灯 4.4 主电路的设计 4.4.1 电动机的启动控制 电动机启动一般为直接启动或减压启动，对小容量电动机可直接启动，但 对于注塑机中应用的容量较大的电动机来说，由于启动电流大，会引起较大的 电网压降，所以本论文采用减压启动的方法，以限制启动电流。减压启动的方 法有很多，如定子绕组串电阻启动、自耦变压器减压启动、星-三角减压启动、 延边三角形启动等。 本论文采用星-三角减压启动方式。启动时将电动机定子绕组联结成星形， 加在电动机每相绕组上的电压为额定电压的 1/1.732，从而减小了启动电流。待 启动后按预先整定的时间把电动机换成三角形联结，使电动机在额定电压下运 行。注塑机的主电路如图 4.1 所示。 图 4.1 注塑机主电路图 18 4.5 控制电路的设计 PLC 的外部接线如图 4.2 所示。 图 4.2 PLC 外部接线图 19 4.6 注塑机的动作流程 根据第三章确定的注塑机工艺流程图制定出注塑机的动作流程图。可将动 作流程图分为四个部分。在第一部分中，首先关安全门，之后进行低压锁模， 如果低压锁模出现故障，则注塑机开模并且报警，待故障排除后，动作返回到 关安全门；如果低压锁模没有故障，则进行高压锁模，高压锁模完成后，进行 锁模终止。动作流程如图 4.3 所示。 图 4.3 关安全门、低压锁模、高压锁模控制流程图 锁模终止后，射台前进到位，射胶时间启动，同时开始进行一级注射、二 级注射、三级注射。如果射胶时间未到，则继续射胶；如果射胶时间到，则射 台后退。动作流程如图 4.4 所示。 20 图 4.4 射台前进、一级注射、二级注射、三级注射控制流程图 如果射台后退成功则进行溶胶、倒索，直到射台后退终止，之后进行延时 冷却；如果射台后退没有成功，则进行延时冷却。冷却时间到，则分别进行慢 开模、快开模；冷却时间未到，则继续冷却。动作流程如图 4.5 所示。 图 4.5 射台后退、溶胶、倒索、冷却控制流程图 开模动作完成后，顶针动作执行并计数，然后退针。顶针次数完成后，则 进行时间延时，时间到则动作返回到关安全门；顶针次数没有完成，则继续顶 针计数。动作流程如图 4.6 所示。 21 图 4.6 开模、顶针、退针、关安全门控制流程图 由以上四个子流程图组合起来，便得到注塑机整体的工艺流程图。如图 4.7 所示。 22 图 4.7 注塑机动作流程图 23 4.7 程序设计 在实际工业控制系统中，会遇到系统输入/输出点数较多，各工序之间关系 复杂的情况，这时采用基本指令进行设计较为困难。但如果可以将生产过程的 控制要求按工序划分成若干段，每一个工序完成一定的功能，在满足转移条件 后，从当前工序转移到下道工序，那么实现控制就容易多了，这种控制通常称 为顺序控制。为了方便地进行顺序控制设计，许多可编程程序控制器设置了专 门用于顺序控制的指令。FX2NPLC 在基本逻辑指令之外增加了两条步进指令， 同时辅之以大量的状态继电器 S，结合状态转移图就很容易编出复杂的顺序控 制程序。本论文中通过设计出的状态转移图，设计出注塑机的步进梯形图。 4.7.1 步进指令的简单介绍 三菱 FX PLC 步进指令虽然只有两条，但与其他指令配合后编程功能较为 强大，可以实现复杂的顺序控制程序设计。步进梯形图指令功能如表 4.8 所示。 表 4.8 步进梯形图指令 指令符名称指令意义 STL步进接点指令在顺序控制程序上面进行工序步进型控制的指令 RET步进复位