陶瓷注塑机控制系统的设计.docx
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陶瓷注塑机控制系统的设计
摘要
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。
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PLC自动控制技术技术参数
Abstract
Injectionmoldingmachineisthemainequipment,injectionmoldingmachinetechnicalparametersandperformanceandthenatureandplasticinjectionmoldingprocesshasacloserelationship.Injectionmoldingequipmentwillpromotethefurtherimprovementanddevelopmentofinjectionmoldingtechnologyforplasticproductstocreateconditionsforthedevelopmentandapplication.Inlargeinjectionmoldingtechnologydevelopment,withfullhydraulicclampingsystemorhydraulic-mechanical,namelycrankshaftconnectingrodtype,botharecompetitiveinthemarket.Butnomatterwhatformofinjection,anditsdirectionmustbemadetothelowpower,lownoise,easytocontroltheclampingforce,stable,safe,reliableandeasytorepairdirection.Inrecentyears,smallinjectionmoldingmachinetechnologyisdevelopingveryrapidly,theprocessparameters,theplasticizingcapacity,injectionpressurehasgreatlyimproved.
Astheinjectionprocessisanonstable,nonisothermalprocess,themold,injection,ortemperatureoftheproductionprocessparametersintheprocessofplasticproductswilldirectlyaffectthequalityoftheinjectionmoldingmachine,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:
injectionmoldingmachinePLCautomaticcontroltechnologytechnicalparameters.
引言
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。
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、木材并称为四大工业材料。
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，是一个有理论意义，又有很高应用价值的研究课题。
必将推动注塑机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。
第一章注塑机控制系统简介
注塑机控制系统简介
控制系统是注塑机控制系统的一个重要部分，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：
提高制品尺寸精度和稳定性
提高速度、缩短成型周期
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。
1.1.1本课题的主要内容
注塑机是一种能一次成型外型复杂、尺寸精确或带有金属嵌件的质地密致的塑料制品的塑料生产设备，它是将粒状或粉状塑料加入机筒内，并通过螺杆的旋转和机筒外壁加热使塑料成为熔融状态，然后机器进行合模和注射座前移，使喷嘴贴紧模具的浇口道，接着向注射缸通人压力油，使螺杆向前推进，从而以很高的压力和较快的速度将熔料注入温度较低的闭合模具内，经过一定时间和压力保持（又称保压）、冷却，使其固化成型，便可开模取出制品，从而得到所需的成品。
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，触摸屏画面及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。
第二章注塑机控制系统的分析
2.1注塑机的机械结构
注塑机主要由注射部分、合模部分、液压系统、控制系统等部分组成。
示意图如下；
图2-1注塑机的结构示意图
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。
2.1.4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。
2.2注塑机工作原理
注塑机的工作原理与打针用的注射器相似，它是借助螺杆（或柱塞）的推力，将已塑化好的熔融状态（即粘流态）的塑料注射入闭合好的模腔内，经固化定型后取得制品的工艺过程。
注塑成型是一个循环的过程，每一周期主要包括：
定量加料——熔融塑化——施压注射——充模冷却——启模取件。
取出塑件后又再闭模，进行下一个循环。
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→启模→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℃）。
第三章注塑机的PLC控制设计
3.1PLC机型选择的原则
PLC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0～55℃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47～53Hz，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。
3.2PLC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。
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。
3.2.1I/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24～240V（AC），直流I/O信号为0～10V（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。
以此为依据，本系统的设计选用三菱公司的FX2N系列（见表3-1）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。
型号
输入点数
输出点数
扩展模块
继电器输出
可控硅输出
晶体管输出
FX2N-16MR-001
FX2N-16MS
FX2N-16MT
8
8
24~32
FX2N-32MR-001
FX2N-32MS
FX2N-32MT
16
16
24~32
FX2N-48MR-001
FX2N-48MS
FX2N-48MT
24
24
48~64
FX2N-64MR-001
FX2N-64MS
FX2N-64MT
32
32
48~64
FX2N-80MR-001
FX2N-80MS
FX2N-80MT
40
40
48~64
表3-1FX2N系列基本单元
3.3确定I/O点及选择PLC
3.3.1可编程控制器控制系统I/O点数估计
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。
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
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