基于PLC的注塑机控制系统设计论文Word文档下载推荐.docx
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最初的注射成型机是借助金属压铸机的原理设计的，主要用来加工纤维硝酸酯和蜡酸纤维一类的塑料。
直到1932年，德国佛兰兹·
布劳恩工厂生产出自动柱塞式卧式注塑机。
1948年，注射机塑化装置开始使用螺杆至1959年第一台往复螺杆式注射成型机问世。
这是注塑成型工艺技术上的一次突破，推动了注射成型加工的广泛应用。
据统计，全世界塑料产量的30%用于注射成型。
注塑机的年产量占整个塑料成型机械产量达50%，个别国家70%-80%。
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塑机，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。
1.2注塑机的研究意义
注射成型的特点如下：
可一次成型外形复杂，尺寸精确，表面光洁的塑料制作；
能成型带有金属嵌件，使之有良好的装配性能和互换性，有利于塑料的应用，标准化，系统化；
注塑成型的模具可快速更换，以便制造适应市场需求的产品；
特别适宜工程塑料及特种塑料的成型，获得有特殊性能，特殊用途的制品；
自动化程度较高，正产率高，智慧化程度高，可实现“无人化”管理。
目前在国民经济带各个部门中都广泛使用着各式各样的塑料制品。
特别是办公机器、照相机、汽车、仪表仪器、机器制造、交通、通信、轻工、建筑业产品、日用品以及家用电器行业中的电视机、收录机、洗衣机、电冰箱和手表的壳体等零件，都已向塑料化发展。
近几年来，由于工程塑料硬件的强度和精度等得到很大的提高，因而各种工程塑料零件的使用范围在不断扩大。
预计今后随着微型电子计算机的普及和汽车的轻型化，塑料硬件的使用范围将会越来越广，塑料工业电生产量也将迅速增长，塑料的应用将覆盖国民经济所有部门，尤其在国防和尖端科学技术领域中有越来越重要的地位。
1.3论文的研究内容
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，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。
第2章总体设计方案
2.1注塑机的机械结构
注塑机的结构示意图如下：
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
注塑机是由塑料熔融、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塑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及维持过程温度、时间、压力及速度等于设定值。
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→开模→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℃）。
2.4注塑机控制系统的硬件设计
2.4.1PLC选型的方法及原则
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。
应考虑的因素如下：
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，一般选用低档的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。
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，要根据具体的情况进行合理的选择。
6、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）。
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。
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。
以此为依据，本系统的设计选用三菱公司的FX2N系列（见表2-1）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2-1FX2N系列基本单元
型号
输入
点数
输出
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
24～32
FX2N-32MR-001
FX2N-32MS
FX2N-32MT
16
FX2N-48MR-001
FX2N-48MS
FX2N-48MT
24
48～64
FX2N-64MR-001
FX2N-64MS
FX2N-64MT
32
FX2N-80MR-001
FX2N-80MS
FX2N-80MT
40
2.4.2确定I/O点及分配
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，I/O的分配见（表2-2）。
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
SA1
选择开关
X3
手动模式选择
SA2
手动/自动双向选择开关
X4
自动模式选择
X5
手动开/合模
SA3
开模/合模双向选择开关
X6
手动射台进/退
SA4
射进/射退选择开关
X7
手动注射
SB3
手动注射按钮
X10
手动预塑
SB4
手动预塑按钮
X11
手动顶出
SA5
手动顶出按钮
X12
模间安全光栅
SQ1
光栅
X13
合模到接近开关
SQ2
接近开关
X14
射台进接近开关
SQ3
X15
射台退接近开关
SQ4
X16
预塑完接近开关
SQ5
X17
开模到接近开关
SQ6
X20
产品计件光栅
SQ7
出
Y0
电机开
KM1
接触器
Y1
电机停
KM2
Y2
开/合模
KA1
中间继电器
Y3
射台进/退
KA2
Y4
注射
KA3
Y5
预塑
KA4
Y6
顶出
KA5
表2-2PLC的I/O分配表
2.4.3注塑机控制系统的接线图
图2-5注塑机控制系统的整体接线图
2.5温度传感器
本课题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。
而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。
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。
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。
由于热电偶的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。
热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。
因此需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
冷端温度补偿器的型号应与热电偶的型号相符,并在规定温度范围内使用;
冷端温度补偿器与热电偶连接时极性不能接错。
根据说明，本课题将采用安徽天康生产的K型热电偶传感器RNG-430，测温范围0-800℃，适合高温高压场所的温度测量与控制。
第3章控制系统的软件设计
3.1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。
其工艺流程见（图3-1）。
图3-1注塑机控制系统工艺流程
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，完成开模动作。
开模完后，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。
3.2系统的程序设计
3.2.1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3－2所示。
图3－2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FX2N-4AD-TC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FX2N-4AD-TC输入到PLC中的数字量的范围应为0~+4000。
从触摸屏设定到PLC的实际温度值应该转换为对应的数字量才能使系统正常的工作，具体的转换方法是：
PLC内的数字量=温度实际设定值*10
而将PLC中的数字量换算为实际温度在触摸屏上加以显示也必须经过相应的转化，具体的转换方法是：
实际温度值=PLC内的数字量/10
FX2N-4DA采用DC+4~+20mA电流输出是对应的数字量为0~+1000，所PLC的PID运算时采用上限为1000，下限为0，使PID的运算结果能真实的反映到对交流调功器的输入功率的调整上。
3.2.2注塑机的步序控制
根据注塑机的工艺流程图、I/O配置图及分配表得出该机的各个工作过程：
在各输入信号及各时间控制的先后作用下，按照各自工况运行的顺序，各执行机构自动有序地依次工作。
对该机PLC控制系统选用SFC（顺序功能图）的程序设计方法，可以很
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