PLC 注塑机 毕业设计 S7200.docx

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PLC注塑机毕业设计S7200

PLC在注塑机控制系统中的应用

摘要

由于注塑过程是一个非稳定、非恒温的过程，在合模、注射、升（降）温等各生产过程中的工艺参数将直接影响塑料制品的品质，因而对注塑机的控制系统提出了很高的要求。

随着电子技术的不断进步和发展，此传统控制方法的缺点越来越显著地表现出来，如维修量大，继电器寿命短，接线相当复杂。

采用有触点的开关动作，工作频率低，可靠性差，易出故障。

继电器动作慢，定时不准确，系统控制精度差等。

因而，对注塑机的控制系统进行改造很有研究必要。

文章对注塑机结构进行分析，并进对西门子S7-200PLC的编程方法以及使用的方法进行简单介绍。

通过组态软件的仿真配合，设计出一个完整的由PLC控制的注塑机系统，实现低能耗、低噪音、锁模力容易控制、运行平稳、安全可靠和便于维修的目标！

关键词：

注塑机，西门子S7-200，组态仿真

Applicationoftheinjectionmoldingmachine

controlsystemofPLC

ABSTRACT

Astheinjectionprocessisanonstable,nonisothermalprocess,themold,injection,or（descending）temperatureoftheproductionprocessparametersintheprocessofplasticproductswilldirectlyaffectthequalityoftheinjectionmoldingmachine,thecontrolsystemhasputforwardhigherrequest.Alongwiththeelectronictechnologycontinuestoprogressanddevelop,thetraditionalcontrolmethodhasbeenmoreandmoreobviouslyshown,suchasrepairalargequantity,relayforlifeisshort,thewiringisquitecomplex.Thecontactswitchesaction,lowworkingfrequency,poorreliability,easyfault.Relayactionslow,timingisnotaccurate,systemcontrolaccuracy.Thus,theinjectionmoldingmachinecontrolsystemreformationistheresearchnecessaryto,Theinjectionmoldingmachinestructureisanalyzed,andtheinletofSiemensS7-200PLCprogrammingmethodandtheuseofthemethodareintroducedinthispaper.Throughwiththeconfigurationsoftwareinthesimulation，designingofacompletecontrolbyPLCinjectionmoldingmachinesystem,andachievelowpowerconsumption,lownoise,easytocontroltheclampingforce,stablerunning,safeandreliableandisconvenienttorepairtarget!

KEYWORDS:

injectionmoldingmachine,SiemensS7-200,configurationsimulation

目　录

前　言

随着社会的不断发展，塑料作为新型合成材料，与混凝土、钢铁、木材并称为四大工亚材料。

塑料具有诸多优良特性，如质地轻巧、耐水、耐化学腐蚀，塑料制品外形美观、便于加工安装，具有优异的电气特性及化学稳定性、优良的吸震和消声隔离作用，能很好地与金属、玻璃、木材及其它材料相胶结等，正是由于塑料具有诸多优点，广泛应用于国民经济各部门和日常生活中。

塑料在材料结构中所占的比例正在逐年上升。

多年的实践也证明，增加塑料在整个材料结构中的比重，广泛采用高分子合成材料，可节省资源，降低能耗，大大提高社会总体经济效益，更合理的利用社会资金和自然资源。

正是由于企业生产和人们日常生活中对塑料制品的强烈需求，以及塑料制品其原材料的来源也很丰富、廉价，极大地促进了塑料工业特别是塑料机械工业的不断发展与进步，促进了塑料加工技术和工艺的不断完善。

注射成型是加工塑料制品的主要方法之一，这种方法能制得外形复杂、尺寸精确和带有金属嵌件的制品，对各种聚合物加工的适应性强，易于实现全自动化生产，因此在塑料机械中占有很大比重。

目前世界上80%的工程塑料制品采用注射成型加工技术进行生产。

由此可见，注塑成型在塑料工业中有其特殊的地位。

注塑机是注射成型的主要设备，它是塑料加工机械的典型代表。

以此为对象研究注塑成型的控制系统及过程监测，对改进加工手段，提高塑料制品质量、推动注塑工业的发展有着重要作用。

近年来，随着国外新型注塑机大量进入中国市场，中国用户对国外注塑机的性能（如作业可靠性、效率等）有了较深入的了解。

从而也认识到国产注塑机无论在制造质量、外观造型，还是在技术性能、可靠性、效率、油耗与污染、以及操作性和舒适性等方面，与国外注塑机相比存在很大差距。

不少用户为了追求高效率的作业以保证工期的按时完成，宁愿投入更多的资金来购买进口注塑机或者跟国产新注塑机价格相当但工作可靠性仍然较高的国外二手注塑机，近几年国外二手注塑机的进口和销售走红就是因为这个原因。

综上所述，开展基于PLC的注塑机的控制研究，是一个既有理论意义，又有很高应用价值的研究课题。

必将推动注塑生产的长足进步和繁荣发展，为社会提供高质量产品的同时，还可排除安全隐患、保障生命和财产、节约资源、保护环境，提供更加重要的无形的社会财富。

第1章总体设计方案

1.1注塑机的基本介绍

1.1.1注塑机的技术水平及发展趋势

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由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。

今年来，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2000年销售总额在70亿元人民币左右，以台数计约为8、5万台，其中40%左右是注射成型机。

从美国、日本、德国、意大利和加拿大灯主要生产国来看，注塑机的产量在逐年增加，在注塑机械中占的比重最大。

从注塑机问世起，锁模力在1000-5000kN、注射量在50-2000g的中小型注射剂占绝大多数。

到了20世纪70年代中后期，由于工程塑料的发展，特别是汽车、船舶、宇航、机械以及大型家用电器方面的广泛应用，使大型注射机得到了迅速发展。

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射机投入市场，到1985年增至500台。

日本名机注射机（Meiki）公司则成功地制造了当今世界上最大的注射机，其锁模力达到120000KN，注射量达到92000g。

从目前国际水平看，注射机的移模速度已从过去的20-30/min提高到40-50m/min，高的速度甚至达到了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射机达到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，厚度可达到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。

变频调速控制、伺服控制技术的注射机，其能耗进位传统机器的30%。

注射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。

高效注射机的开模和预塑一般都是同步完成，开模过程中同时完成抽芯和顶出。

日本展览会上最快的注射机，其工作周期只有0.63秒。

注射机的控制技术经历了继电器、接触器控制以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年代末美国费洛斯公司首先使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、保压时间、冷却过程及液压回路等多种参数的综合控制。

注射机过去大多数采用开环控制，而且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，通过锁模力、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%。

目前注射机发展的另一个重要方面，是各种专用注射机，如排气式注射机、发泡注射机、多色注射机等。

以加拿大HUSKY公司为代表的瓶坯机、包装机，集中体现了高新技术含量的特征。

该公司推出的低压注射成型技术，在锁模力只有传统技术的三分之一时，仍可高质量地保证制品成型，这使得机器的体积和质量都大幅度降低，在节能和制品成本控制方面都具有重大的意义。

1.1.2电动注塑机的技术水平和发展趋势

日本电动注射机具有集节能、高精准度、高速及稳定等优点于一身的电动注射技术。

日本四个品牌注塑机分别为东洋、住友、日精和东芝。

在注射机中采用电动机而不是液压系统，这为塑料加工者带来了能源需求降低、操作环境友好和低噪声的优点，更低的保养要求是采用电动注射机的又一个好处。

它具有更佳的控制精度和工艺稳定度。

在生产优质薄壁技术部件或连接时，具有巨大的优势。

电动传动技术，没有漏油现象，维修方面，缩短了生产周期。

液压传动技术的优势：

由于与传统相关的原因，液压传动系统也具备有电动机所没有的优势。

液压传动直接产生一种线性移动，不需要任何机械变化，而且力度和速度比值的范围很宽，相对于负载来说，液压传动系统过载能力强，存贮的能量也能够即刻使用。

而且，液压传动代表一种历史悠久的、经过了时间技术的验证。

对于大型机器和经过成本优化的中型机器来说这些优势就显得非常有价值。

基本上全电动注射机具备以下三大优点：

1.精密度高且具极佳之重复性。

2.生产周期短。

3.节省能源。

1.2注塑机的硬件结构及工作原理

注塑机根据注射成型工艺要求是一个机电一体化很强的机种，主要由注塑部件、锁模部件、机身、液压系统、加热系统、冷却系统、电气控制系统、加料装置等组成，如图1-1所示。

图1-1注塑机结构简化示意图

各种注塑机完成注塑成型的动作可能不完全相同，但其成型的基本过程还是相同的。

现在以螺杆式注塑机为例予以说明，它的注塑流程经历合模、注射、保压、塑化、顶出，完成一个周期，接着开始下一个周期，如图1-2所示。

a）合模b）注射c）保压d）塑化e）顶出f）开始下一个周期

图1-2注塑机工作原理图

从料斗落入螺杆筒中的物料，随着螺杆的转动沿着螺杆向前输送。

在此输送过程中，物料被逐渐压实，物料中的气体由加料口排出。

在螺杆筒外加热和螺杆剪切热的作用下，物料实现其物理状态的变化，最后成黏流态，并形成一定的压力。

当螺杆头部的融料压力达到能克服注射油缸活塞退回时的阻力（所谓背压）时，螺杆便后退，进行所谓计量过程。

与此同时螺杆筒前端和螺杆头部融料逐渐增多，当达到所需要的远射量时（即螺杆退回到一定位置时），计量控制装置开始起作用，螺杆停止转动和后退。

到此，预塑完毕。

同时，合模油缸中的压力油推动合模机构动作，移动模板使模具闭合。

继而，注塑座前移接通注射喷嘴与模具型腔的通道，注塑油缸充入压力油，使油缸活塞带动螺杆按要求的压力和速度将融料注入到模腔内。

当融料充满模腔后，螺杆仍对融料保持一定的压力（即所谓的保压），以防止模腔中融料的反流，并向模腔内补充因制品冷却收缩所需要的物料。

模腔中的融料经过冷却，由黏流态回复到玻璃态，从而定型，获得一定尺寸精度和表面光洁度的制品。

当完全冷却定型后，模具打开，在顶出机构的作用下，制件被顶出，从而完成一个注塑成型周期。

注塑机的自动循环时的工艺流程如图1-3所示。

图1-3注塑机自动循环状态工艺流程

1.3主要研究任务

1.实现手动和全自动两种操作模式，可随时切换操作模式。

2.分析注塑机的工艺流程，拟订控制系统的总体方案。

3.硬件部分设计，包括I/O定义分配，绘制I/O模块接线图,PLC外部接线图，设计主电路图和液压控制回路。

4.软件部分设计，即编写控制系统梯形图程序，语句表。

第2章硬件系统的设计

2.1PLC机型的选择

由于注塑机的控制过程是顺序控制，能够实现这个要求和控制功能的方法很多，如继电器、单片机、PLC等。

20世纪60年代采用继电器、接触器控制，大多数为开环方式，由行程开关和挡块进行动作程序的切换控制。

这种控制方式由于采用导线连接，仅适用于某一个固定的工艺过程，一旦过程有变化就得重新连接、安装，存在研制和调试时间长、修改不方便、寿命短、可靠性差、故障检查困难、控制精度低等不足，注塑机水平难以提高，也缺乏市场竞争力。

单片机控制是程序存储控制，在设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套。

PLC控制有如下的优点：

（1）抗干扰能力强和可靠性强。

（2）控制系统结构简单，通用性强。

（3）编程简单、使用方便。

（4）功能完善。

（5）体积小、重量轻、功耗低。

（6）具有很高的性价比。

通过上述综合比较，PLC控制不仅拥有以上两种控制方法的优点，还克服了它们的不足，所以，最终选择了用PLC来控制。

因此对控制系统硬件的选择主要是PLC的选择，包括PLC机型的选择、PLC容量的选择和模块的选择三个方面。

PLC机型的选择：

面对众多广家提出的多种系列、功能各异的PLC产品，其结构、性能、价格各不相同。

比如，三菱FX2N-128MR-001系列，价格是9920.00。

而FXlS-422-BD价格就是390.00，还不到400元。

因此，在选择机型的时候，应本着在满足控制功能原则的前提下，保证系统可靠、维护方便和最佳的性价比。

PLC容量的选择：

通常讲的PLC容量是指输入输出点I/0的点数和用户存储器的容量。

对于I/0点的选择原则是应保有适当的裕量，但是因为PLC的I/0点数与价格成正比，若留有太多的空余点，会使成本大大增加，因此在实际的应用过程中，一般是根据输入、输出信号的总点数，并考虑以后的扩充，选用10％～15％的备用量。

用户的存储量在满足基本的控制要求外，一般留有10％～25％的考虑裕量。

模块的选择：

I/O控口模块用来实现PLC对工业过程的控制。

在控制过程中，I/O控口模块检测控制现场的各种参数，以此作为PLC实现现场控制的依据，同时，它将PLC的处理结果传送到被控设备，驱动各种执行机构来实现PLC对设备的控制。

对于小的系统，如80点以内的系统，一般不需要扩展，当系统较大时，就要扩展。

不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制，当扩展不能满足要求时，可采用网络结构；同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时要注意。

当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，因此注意相关的技术手册。

扩展模块种类很多，如单输入模块、单输出模块，输入输出模块、温度模块，高速输入模块等。

PLC的这种模块化设计为用户的产品开发提供了方便。

本次设计的注塑机，通过计算，需要22个输入点、11个输出点，且均为数字量。

考虑到要留有适量的余量以做备用，因此，一般可以按实际需要的10%～15%选择。

根据上述几条，通过市场调查，发现注塑机中德国产的PLC在价格、售后服务和产品质量的综合评比中，稳居第一。

通过综合比较，选用西门子S7-200，CPU226。

2.2I/0定义

根据对注塑机的工艺过程和功能的分析，其输入信号有安全门开关SQ1、SQ2，行程开关SQ3、SQ4、SQ5、SQ6、SQ7，自动循环起动按钮SB1和停止按钮SB2，工作方式选择开关SA1-1、SA1-2，热继电器FR1，各工序手动按钮SB3～SB9，油泵电机起动按钮SB10和停止按钮SB11以及油泵电机过载消除按钮SB12。

输出信号有YV1～YV7共7个电磁阀，油泵电机运行接触器KM1和三个指示灯HL1～HL3。

对各个信号用I/0定义分配，得到的输入点、输出点分配如表2-1所示。

表2-1S7-200型PLCI/O定义号分配

输入

输出

前安全门SQ1

I0.0

锁模YV1

Q0.0

后安全门SQ2

I0.1

注射台前进YV2

Q0.1

自动锁模SQ3

I0.2

注射YV3

Q0.2

自动注射台前进SQ4

I0.3

保压YV4

Q0.3

自动解压SQ5

I0.4

解压YV5

Q0.4

自动注射台后退SQ6

I0.5

注射台后退YV6

Q0.5

自动开模SQ7

I0.6

开模YV7

Q0.6

自动运行起动SB1

I0.7

油泵电机运行接触KM1

Q0.7

自动运行停止SB2

I1.0

自动运行指示HL1

Q1.0

手动锁模SB3

I1.1

手动运行指示HL2

Q1.1

手动注射台前进SB4

I1.2

油泵电机过载指示HL3

Q1.2

手动注射SB5

I1.3

手动保压SB6

I1.4

手动解压SB7

I1.5

手动注射台后退SB8

I1.6

手动开模SB9

I1.7

油泵电机启动SB10

I2.0

油泵电机停止SB11

I2.1

油泵电机过载消除SB12

I2.2

油泵电机热继电器FR1

I2.3

工作方式选择：

自动SA1-1

I2.4

工作方式选择：

手动SA1-2

I2.5

2.3PLC外部接线图

根据上述I/O点分配，画出PLC的I/O点接线图，如图2-1所示。

图2-1I/O端子接线图

2.4主电路设计

在本次设计的主回路中，用交流接触器KM1控制油泵电动机M1，由继电器FR1实现过载保护，自动开关QF0为总电源开关，既可以完成主回路的短路保护又起到隔离三相交流电源的作用，使用和维修更便捷。

QF1和QF2分别为PLC和DC的开关。

由FU1实现对各过载回路的短路保护作用。

G1中包括电磁阀的直流电源、整流过滤电源、开关电源和稳压源。

注塑机系统主电路图如图2-2所示。

图2-2注塑机系统主电路图

2.5注塑机的液压控制回路

根据本设计要求，采用的系统液压控制回路电路图如图2-3所示。

图2-3液压原理图

本系统采用三个液压缸作为执行机构，分别执行锁模，注射台移动和注射的动作。

考虑到整个工作流程中所需油量都不大，从提高系统的效率，节省能源的角度考虑，采用了限压式变量叶片泵作为油源。

减压回路的选择：

因为系统中各工序所需要的压力不相同，所以需要在油路中设置减压阀。

锁模所需压力比较大，可不用，因此，在注射台移动和注射以及保压油路的进油路上设计三个减压阀。

锁紧回路的选择：

锁紧回路的功用是使液压缸能够在任意位置上停留，且停留后不会因外力作用而移动位置的回路。

本系统采用液控单向阀来锁紧（如图）。

当换向阀8处在左位时，压力油经单向阀3进入液压缸左腔，同时压力油也进入单向阀2的控制油口k，打开单向阀2，使液压缸右腔的回油可经阀2及换向阀流回油箱，活塞向右运动，到了需要停留的位置，只要使换向阀处于中位。

由于换向阀的H型中位机能，所以单向阀2和3均关闭，使活塞双向锁紧。

保压回路的选择：

保压回路是指液压执行机关在其行程终止是使之能够保持一定压力的回路。

本系统有两个保压回路，首先，换向阀10处于中位时，可以通过液控单向阀12保压；其次，换向阀11处于右位时，可以继续往液压缸15的右腔进油，补充减少的压力。

调节减压阀7可以改变进油压力。

各液压元件的选择：

液压缸的尺寸，各个电磁阀以及其他压力阀的规格需要依据具体的注塑机参数和需要注塑的产品要求计算。

各液压元件名称如表2-2所示。

表2-2液压元件明细表

1

油泵

9

三位四通电磁换向阀

2

液控单向阀

10

三位四通电磁换向阀

3

液控单向阀

11

二位二通电磁换向阀

4

溢流阀

12

液控单向阀

5

减压阀

13

锁模液压缸

6

减压阀

14

注射台移动液压缸

7

减压阀

15

注射液压缸

8

三位四通电磁换向阀

电磁铁得电顺序如表2-3所示。

表2-3电磁铁得电顺序表

锁摸

注射台前进

注射

保压

解压

注射台后退

开模

YA1

+

-

-

-

-

-

-

YA2

-

+

-

-

-

-

-

YA3

-

-

+

-

-

-

-

YA4

-

-

-

+

-

-

-

YA5

-

-

-

-

+

-

-

YA6

-

-

-

-

-

+

-

YA7

-

-

-

-

-

-

+

第3章软件的设计

3.1动作流程图的绘制

动作控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让它们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步的编程元件去控制PLC的各输出位。

使用动作控制设计法设计梯形图，首先需要绘制出动作流程图，动作流程图是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，是设计PLC的有力工具。

它并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的直观的技术语言，很容易画出。

首先，选择一些辅助继电器代表控制中的各个步序，从“原位”至“开模”的各个工步（“开模结束”和“顶出产品”时电磁阀不动作，不当成工步）选用M12.0-M12.7。

因为是代表自动循环时用的，移位指令通常要求在连续的存储单元中移动数据，这8个辅助继电器必须是连续的。

考虑到注塑机还有手动控制要求，用M10.0、M10.1、M10.2代表注塑机的初始化状态、自动状态和手动状态，并选用M13.1至M13.7辅助继电器代表手动时的各个步序。

代表手动状态及初始化等工步的辅助继电器的选用不一定连续。

注塑机的流程图分为两大部分，左边为手动部分，右边为自动部分。

在自动部分流程图中，M12.0～M12.7紧密相连代表自动操作一个周期的工作过程。

M12.0代表原位，M12.1代表闭模，M12.2代表注射台前进，M12.3代表注射，M12.4代表保压，M12.5解压M12.6，注射台后退M12.7开模。

各个工步间有竖线相连表示工步间的关系，表达工步关系的竖线上又有短横线用来表示工步间转换的条件，如原位与闭模间的转换条件是SQ1、SQ2（I0.0、I0.1）置1。

此外代表工步的辅助继电器电器框外还绘有此工步时PLC应有的输出，如闭模工步时，电磁阀YV1（Q0.0）置1。

对于初始化、手动自动选择以及各个手动工步的安排也是一样的，包括各个工步间的联系、各工步间转换的条件，各个工步要完成的任务。

动作流程图如图3-1所示。

图3-1动作流程