成型注塑控制软件设计.docx
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成型注塑控制软件设计
成型注塑控制软件
V1.0
设计说明书
目录
1引言3
1.1开发背景3
1.2软件整体介绍3
1.2.1可编程序控制器的概述4
1.2.2温度传感器简介5
1.2.3调功器的简介5
2软件系统硬件实现及设计原理5
2.1设计基本原理5
模具的开启与闭合6
注射座的整进与整退6
注料杆的射进6
预塑液压马达的动作6
2.2PLC控制器设计7
2.3PLC容量需求分析10
3软件设计原理12
3.1软件工艺流程设计12
3.1.1软件的温度控制设计14
3.1.2注塑机的步序控制14
3.2软件自检功能设计16
3.2软件功能及触摸屏界面设计17
4参考资料19
1引言
1.1开发背景
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，有利于提高的产量、质量以及的竞争力。
成型注塑控制软件V1.0（简称注塑软件）正是基于此基础上设计的一套实用的PLC注塑机控制软件，结合交流调功温度控制技术，并通过触摸屏的显示画面来监控生产过程中各种情况。
PLC在注塑机控制系统中的应用的意义在于：
1）提高质量。
2）减轻工人劳动强度，适当降低操作技术水平。
3）提高劳动生产率，减少在制品数量，加速资金周转。
4）缩减生产面积，节约能源消耗，降低成本。
1.2软件整体介绍
本软件是整机的一个重要部分，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
在现代控制系统中，前两种方法因其自身的局限性，多不采用。
而多是采用PLC控制系统，这是一种工业控制机，具有抗干扰能力强，工作可行性高，平均无故障时间长，可在恶劣环境下正常工作，并可与计算机联网运行。
此外，PLC系统还可大大缩短系统的设计，加快工作进度。
在本软件设计中我们采用了可编程控制系统。
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：
（1）提高制品尺寸精度和稳定性
（2）提高速度、缩短成型周期
（3）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。
1.2.1可编程序控制器的概述
可编程控制器的英文为:
ProgrammableLogicController，简称PLC，是1种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
是在20世纪60年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。
它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，取代各种类型的机械或生产过程的继电器控制系统。
可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。
1.2.2温度传感器简介
传感器技术是一项正在迅速发展的高新技术，它与通信技术，计算机技术一起构成了当代信息产业的三大支柱。
温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。
在半导体技术的支持下，已相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。
本软件将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。
1.2.3调功器的简介
调功器是应用晶闸管（又称可控硅）及其触发控制电路用于调整负载功率的盘装功率调整单元。
在电子设备中起重要作用的晶闸管（也称可控硅，英文缩写SCR）被广泛用于各类生产部门，正在成为自动化、高效化不可缺少的装置。
在最新的温度控制中晶闸管调功器的利用明显的普及起来。
主要用与工业电炉的加热控制、大型风机水泵软启动节能运行控制等。
负载类型可以是三相阻性负载、三相感性负载及三相变压器负载；三相负载可以是中心接地负载、中心不接地负载、内三角形负载及外三角形负载。
本软件将采用交流调功器对温度进行精确控制。
2软件系统硬件实现及设计原理
2.1设计基本原理
本软件的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下图所示。
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。
，各项操作说明如下：
Ø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。
Ø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
Ø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。
Ø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。
Ø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顶出。
Ø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。
由于的大小和原材料的性质的不同，不同的保模时间有所不同，这就要求保模时间长短可以调整。
Ø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和原材料的不同，可以对温度作出调整（一般不超过400℃）。
设备整体构成图如下：
2.2PLC控制器设计
本软件的设计选用FX2N系列可编程序控制器。
FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器，完全符合软件的要求。
基本单位信息表如下：
型号
输入
点数
输出
点数
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
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
控制器设计线路图如下：
控制器特性分析说明
FX2N系列可以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：
Ø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。
Ø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。
Ø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。
Ø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。
ØPLC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。
2.3PLC容量需求分析
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。
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。
具体分析如下：
Ø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。
Ø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。
PLC的I/O分配表如下
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
SB3
X3
手动模式选择
SA1
手动/自动双向选择开关
X4
自动模式选择
X5
手动开/合模
SA2
开模/合模双向选择开关
X6
手动射台进/退
SA3
射进/射退选择开关
X7
手动注射
SB4
X10
手动预塑
SB5
X11
手动顶出
SA4
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
计件光栅
SQ7
光栅
输
出
Y0
电机开
KM1
接触器
Y1
电机停
KM2
接触器
Y2
开/合模
KA1
中间继电器
Y3
射台进/退
KA2
中间继电器
Y4
注射
KA3
中间继电器
Y5
预塑
KA4
中间继电器
Y6
顶出
KA5
中间继电器
说明如下：
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。
本软件中实际需要输入点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、模块与模块之间的信号联系，合理地安排I/O地址，减少它们之间的内部连线。
3软件设计原理
3.1软件工艺流程设计
本软件的工作过程为：
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。
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，
完成启模动作。
启模完后，顶出油缸动作将制品顶出，落下的制品使计件光栅动作，计数，便完成一个生产周期。
，流程图如下：
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。
3.1.1软件的温度控制设计
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所示。
3.1.2注塑机的步序控制
注塑机有手动和自动两种工作模式。
手动模式下，按下相应的功能按钮时，便能完成相应的操作；自动模式下，只需按下启动按钮，注塑机就能按照调定的动作进行到底,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。
根据注塑机的控制流程图、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。
如按照该机的中间继电器的控制线路来编制PLC控制梯形图，既繁琐复杂，又给PLC的程序编制带来一定的难度，所以对该机PLC控制系统选用SFC（顺序功能图）的程序设计方法，可以很容易编制程序，达到合理安全的控制目的。
当PLC通电后在初始脉冲的作用下系统进入准备状态S0等待进一步的操作
①当按下油泵电机启动按钮信号转移到S20（即STLS20）时，需要处理的相关信号有：
首先油泵电机启动接触器Y0得电，使油泵电机按星-三角降压启动的方式启动。
A.当按下X3时，进入手动模式，此时可通过对X5、X6、X7、X10、X11分别对注塑机的手动调整进行控制。
若选择手动合模转换开关X5为“1”时，动模板向上合模，X5为“0”时，即断电后动模板向下开模；若选择手动整进转换开关当X6为“1”时，注射座向前整进，X6为“0”时，即断电后注射座后退；若手动射胶转换开关X7为“1”时，Y4为“1”得电后向前射胶，X7为“0”时；则Y4为“0”断电后射胶结束。
若手动预塑开关X10，Y5为“1”得电后预塑液压马达向后预塑，X10为“0”时；则Y5为“0”断电后预塑结束。
若选择手动顶出X11为“1”时，则Y6为“1”得电将顶出，X11为“0”时，顶杠复位。
B.当选择自动模式时，则X4为“1”；X3就断开为“0”，当按动启动按扭时（注：
启动按扭时与X4串联输入到PLC），S21自锁得电。
C.模式选择开关（X3、X4）上串联有常闭的复位开关X2，当X2为“0”时，系统不复位，X2为“1”时，注塑机回到初始状态（Y2、Y3、Y4、Y5、Y6分别为“0”，）。
②当信号转移到S21（即STLS21）时，需要处理的相关信号有：
确定合模安全时（安全光栅X12）为“0”，合模Y2并自锁；复位开关X2为“0”，合模到位接近开关为“1”，信号转移到S22；当复位开关X2为“1”，信号转移到S26。
③当信号转移到S22（即STLS22）时，需要处理的相关信号有：
Y3得电自锁；复位开关X2为“0”，射到位接近开关为“1”，信号转移到S23；当复位开关X2为“1”，信号转移到S25。
④当信号转移到S23（即STLS23）时，需要处理的相关信号有：
Y4得电自锁，同时T0开始计时；T0计时时间到后，如果复位开关X2为“0”，信号转移到S24；当复位开关X2为“1”，信号转移到S25。
本
软件顺序控制系统图
⑤当信号转移到S24（即STLS24）时，需要处理的相关信号有：
Y4断电复位，同时Y5得电自锁；预塑完接近开关为“1”，信号转移到S25。
⑥当信号转移到S25（即STLS25）时，需要处理的相关信号有：
Y5断电复位，同时Y3断电复位；射台后到位接近开关为“1”，信号转移到S26。
⑦当信号转移到S26（即STLS26）时，需要处理的相关信号有：
Y2断电复位；开模到位接近开关为“1”，信号转移到S27。
⑧当信号转移到S26（即STLS26）时，需要处理的相关信号有：
Y6得电自锁；当顶下的使计件光栅X20得电工作，总数寄存器D200加一，同时Y6复位。
自动启动开关X4为“1”，信号转移到S0，顺序控制程序完成，返回（RET）主程序，完成一个工作周期。
3.2软件自检功能设计
控制器是软件的控制核心。
系统联机工作前,对控制器进行全面的功能自检可以及时发现和排除故障,消除事故隐患。
为了能够方便、准确和全面地实现控制器的功能自检,设计了自检程序完成自检过程,如下图：
（1）指示灯测试:
进入控制器自检状态后,首先调用指示灯测试子程序。
通过此项测试,可以检查PC软件的启动、运行是否正常,同时判断各指示灯及其输出通路是否存在故障。
（2）控制开关测试:
指示灯测试通过后,自检程序转入控制开关测试子程序。
此时,操作人员依次按下或接通控制面板上各按钮开关,测试子程序对各按钮开关及输入通路是否正常进行判断。
（3）反馈信号通路测试:
完成控制面板功能测试后,通过输入输出等效器,由自检程序进行反馈信号通路测试。
（4）控制信号通路测试:
进入控制信号通路测试子程序后,PLC为各输出端口输出相应的信号,对控制信号输出通路进行测试。
（5）控制程序测试:
在各输入输出元件和通路测试完成后,自检程序调用实际的控制程序,在不进行实际输出的情况下,验证控制程序的正确性。
3.2软件功能及触摸屏界面设计
本软件的软元件功能表如下：
元件地址
功能及作用
数
据
寄
存
器
D100
注塑杠的保压时间
D200
注塑机生产总数
D500
料筒温度的设定值（数字量）
D502
料筒温度的测量值（数字量）
D508
PID运算结果
D510
PID参数（采样时间）
D511
PID参数（动作方向）
D512
PID参数（输入滤波常数）
D513
PID参数（比例增益）
D514
PID参数（积分时间）
D515
PID参数（微分增益）
D516
PID参数（微分时间）
D532
PID参数（输出上限设定值）
D533
PID参数（输出下限设定值）
D600
触摸屏温度设置寄存器
D601
触摸屏温度显示寄存器
辅
助
继
电
器
M0
开放PID自调谐
M1
PID自调谐动作
M2
PID自调谐结束
M3
进入PID指令
M5
总数清零
M6
总数加一
M10
自调谐动作确认
M14
自调谐动作标志
定时器
T0
保压时间
因考虑到操作人员有时不小心会误操作的现象，为了人机安全，本设计未把一些所有的操作按钮都加入到触摸屏当中去，因此画面比较简洁
GOT-F940触摸屏显示的界面中包括：
温度设定D600、保压时间设定D100、实时
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