注塑机 毕业设计 S7200.docx

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注塑机毕业设计S7200

江阴职业技术学院

毕业论文

课题：

180T注塑机PLC改造

专业电气自动化

学生姓名郁园园

班组09自动化

（2）

学号2009030202

指导教师陆斌

完成日期2011-12-5

摘要

本文通过应用PLC技术，成功实现了对一台二手注塑机的电气系统的改造，验证了注塑机改造的可行性。

本文主要基于西门子S7-200系列进行改造，对注塑机的发展历史和未来发展趋势做了简单的介绍，对注塑机PLC型号的选型方案进行了论证。

此外，概述了PLC的基本组成、特点以及工作原理，对基于西门子S7-200系列PLC构成的注塑机系统整体设计过程进行较为细致的论述。

论文成功运用了MCGS软件，不但验证了程序的正确性和稳定度，还通过对组态软件数据库的构建、动画的连接及与PLC的网络通讯设置，利用结合组态软件进行模拟仿真。

使注塑过程生动形象，便于对注塑工艺不太熟悉的读者理解程序。

改装后的注塑机，故障率明显下降，自动化程度更高，能源特别是电能消耗大大减少。

目前国内（特别是不发达的地区），还在大量使用早期的注塑机，注塑机的改造注定会成为一个巨大的经济市场。

关键词：

注塑机；改造；PLC；MCGS；仿真设计

Abstract

Inthispaper,throughtheapplicationofPLCtechnology,thesuccessfulimplementationofasecond-handinjectionmoldingmachineelectricalsystemreform,verifiedthefeasibilityofreconstructionofinjectionmoldingmachine.ThisarticleismainlybasedonSiemensS7-200seriesofinjectionmoldingmachine,thehistoricaldevelopmentandfuturedevelopmenttrendshavedoneasimpleintroductionoftheinjectionmoldingmachine,thePLCmodelselectionschemeisdiscussed.Inaddition,anoverviewofPLCbasiccomposition,characteristicsandworkingprinciple,basedonSiemensS7-200seriesofPLCinjectionmoldingmachinesystemoveralldesignprocessinmoredetail.

ThepaperusedMCGSsoftware,notonlyverifiesthecorrectnessoftheprogramandstability,alsobasedontheconfigurationsoftwaredatabaseconstruction,animationandPLCconnectedwiththenetworkcommunicationsettings,usingacombinationofconfigurationsoftwareforsimulation.Theinjectionmoldingprocessofvividimage,convenienttoinjectionprocessreaderslessfamiliarwithunderstandingprogram.

Themodifiedinjectionmoldingmachine,thefailureratedecreasedsignificantly,higherdegreeofautomation,thesourcesofenergyespeciallytheelectricenergyconsumptionisgreatlyreduced.Atpresentthedomestic（especiallyinundevelopedareas）,isstillalargenumberofearlyuseofinjectionmoldingmachine,injectionmoldingmachineisdestinedtobecomeahugeeconomicmarket.

Keywords:

injectionmoldingmachine;transformation;PLC;MCGS;simulationdesign

绪论

1.1前言

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要设备，注塑机的技术参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，其发展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），使注塑制品的收缩率几乎为零，可注塑0．1—0．2姗厚的薄件制品。

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0．001--0．0001mm，低噪音是指注塑机能在平稳无撞击和无振动下工作，在距离机器lm左右的地方发出的噪音应低于70分贝。

高级自动化是指注塑机能远距离操作或无人化操作，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。

近年来，可编程序控制器（简称PLC）以其高可靠性、高性能的特点，在注塑机的控制系统中得到了广泛的应用。

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注塑机改造的主要内容

1、此注塑机可实现手动和全自动两种操作模式，可随时切换操作模式

2、如果注塑机低压锁模或脱模超时，可实现报警功能，并自动脱模

3、此注塑机可以自动加料，并计量熔胶

1.3注塑机改造的基本思路

本次设计的题目是注塑机系统设计与仿真，主要是应用西门子S7-200型PLC的梯形图来设计控制程序，并简单介绍相关的知识，如：

PLC的定义、PLC的编程语言、PLC的硬件组成等。

根据设计内容和控制要求画出顺序功能图和梯形图，再根据PLC的相关知识设计出它的外部接线图，结合梯形图和外部接线图分析说明该设计的控制原理过程。

第二章注塑机改造方案的设计

2.1注塑机的基本介绍

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。

（一）注塑机的技术水平及发展趋势

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。

（二）电动注射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。

液压传统技术的优势：

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。

2.2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。

如下图2-1所示。

螺杆

料筒

塑化装置螺杆头

喷嘴

注射座

注塑部件注射油缸

螺杆驱动装置

注射座油缸

合模装置

合模部件调模装置

注塑机制品顶出装置

机身

泵、油马达、阀

液压系统蓄能器、冷却器、过滤装置

管路、压力表

冷却系统——入料口冷却、模具冷却

润滑系统——润滑装置、分配器

动作控制程序；料筒温度控制；泵电机控制

电气控制系统

安全保护；故障监测、报警；显示系统

加料装置

机械手

注塑机组成示意图

图2-1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。

见下图2-2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2-2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。

注塑工艺过程

2.3PLC控制系统的组成

2.3.1PLC可编过程控制器基础知识

PLC可编程控制器，PLC英文简称ProgrammableLogicController,英文全称为可编程逻辑控制器，这是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存贮器，用于其内部存贮程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算数操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC具有通用性强、使用方便、适用面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

2.3.2PLC控制系统的组成

PLC系统主要由硬件系统和软件系统组成。

PLC系统的硬件主要由中央处理器（CPU）、存贮器、输入、输出模块、I/O接口、I/O扩展机、电源模块及各种外围设备等组成。

图2-3是PLC的硬件结构简化框图。

图2-3PLC硬件结构简化框图

PLC的软件主要包括以下两个部分：

1）固化的监控程序这部分程序固化于ROM中，主要完成对应用程序的监控执行与编程器的接口以及自诊断等功能。

2）应用程序它由用户编写、通过它实现对过程的控制，一般存放在RAM中，也可以固化在EPROM中。

2.3.3PLC的特点

（1）抗干扰能力强，可靠性好

I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。

（2）控制系统结构简单，通用性强

PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。

（3）编程方便，易于使用

PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

（4）

在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。

（5）设计、施工、调试、的周期短

PLC采用模块化积木式结构，故仅需按性能、容量等选用组装，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。

（6）体积小，维护操作方便

PLC体积小，质量轻，便于安装。

（7）易于实现网络化

PLC可连成功能很强的网络系统。

（8）可实现三电一体化

PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体。

2.3.4PLC可编程控制器型号的选择

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。

（1）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。

（2）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。

（3）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。

扩展模块种类根多，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

本次改造的注塑机，通过计算，需要24个输入点，15个输出点，4至5个定时器，各个厂家生产的PLC型号基本都能满足要求。

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。

第三章基于PLC对注塑机系统的改造

3.1注塑机控制系统改造的I/O分配图

输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。

PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。

本次注塑机改造I/O点的分配如表3-1所示。

输入信号

手动输入选择开关

I0.0

输出信号

马达线圈

Q0.0

全自动输入选择开关

I0.1

熔胶线圈（加热）

Q0.1

急停选择按钮

I0.2

低压锁模线圈

Q0.2

光电感应常开触点

I0.3

锁模保护线圈

Q0.3

锁模旋钮开关

I0.4

锁模超时故障指示灯

Q0.4

射台前进旋钮开关

I0.5

高压锁模线圈

Q0.5

射胶旋钮开关

I0.6

射台前进线圈

Q0.6

射台后退旋钮开关

I0.7

射胶电磁阀线圈

Q0.7

顶针前进选择开关

I1.0

开模电磁阀线圈

Q1.0

开模旋钮开关

I1.1

顶针前进电磁阀

Q1.1

顶针后退选择开关

I1.2

顶针后退电磁阀

Q1.2

锁模故障排除开关1

I1.3

脱模故障指示灯

Q1.3

开模故障排除开关2

11.4

射台后退线圈

Q1.4

熔胶限位开关

11.5

蜂鸣器电磁阀线圈

Q1.5

低压锁模限位开关

I1.6

送原料线圈

Q1.6

高压锁模限位开关

I1.7

锁模终止限位开关

I2.0

射台前进限位开关

I2.1

射胶限位开关

I2.2

射台后退限位开关

I2.3

倒索限位开关

I2.4

顶针前进限位开关

I2.5

开模终止限位开关

I2.6

顶针后退限位开关

I2.7

表3-1注塑机控制系统改造的I/O分配图

3.2注塑机控制系统的硬件接线图

图3-1是CPU226AC/DC/继电器输入、输出单元的接线图。

24个数字量输入点分成2组。

第一组由输入端子I0.0-I0.7、I1.0-I1.4共13个输入点组成，每个外部输入开关信号均由各输入端子接出，经一个直流电源终至公共端1M；第二组由由输入端子I1.5-I1.7、I2.0-I2.7更11个输入点组成，每个外部输入信号由各输入端子接出，经一个直流电源至公共端2M。

由于是直流输入模块，所以采用直流电源作为检测各输入接点状态的电源。

M、L+两个端子提供DC24V/400MA传感器电源，可以作为传感器的电源输出，也可以作为输入端的检测电源使用。

16个数字量输出点分成3组。

第一组由输出端子Q0.0-Q0.3共4个输出点与1L组成；第二组由输出端子Q0.4-Q0.7、Q1.0共5个输出点与公共端2L组成；第三组由输出端子Q1.1-Q1.7共7个输出点与公共端3L组成。

每个负载的一端与输出点相连，另一端经电源与公共端相连。

由于是继电器输出方式，所以既可带直流负载，又可带交流负载。

负载的激励源由负载性质确定。

输出端子的右端N、L1端子是提供电源AC120V/240V.该电源电压允许范围为AC85-264V.

图3-1注塑机控制系统的硬件接线图

3.3注塑机控制系统的软件设计

3.3.1注塑机控制系统流程图

3.3.2注塑机梯形图的设计

梯形图是用的最多的PLC图形编程语言。

梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。

它与电器控制线路图相似，如图下图所示。

继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。

因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言。

传统继电器控制线路图和PLC梯形图a传统继电器控制线路图bPLC梯形图

以开模和锁模故障为例。

刚开始设计程序的时候，在锁模故障和正常开模的指令中，都有开模线圈输出。

载入程序运