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基于压铸机的PLC控制系统
河北科技学院
学生毕业设计（论文）
题目：
基于压铸机的PLC控制系统
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目录
摘要Ⅲ
关键词Ⅲ
1概述1
1.1压铸的发展简史1
1.2压铸机的定义2
1.3压铸机的分类及特点2
1.4压铸机的应用3
1.5PLC的基本结构3
1.6PLC的应用领域4
2PLC与其他控制的比较5
2.1继电器控制方案5
2.2集散控制方案6
2.3PLC控制方案6
2.4方案比较6
2.4.1采用继电器控制系统6
3金属压铸机的工艺流程7
4PLC系统硬件设计9
4.1PLC的功能简介9
4.1.1主机系统9
4.1.2输入/输出扩展环节9
4.2.1I/O点数的估算9
4.2.2存储器的容量估算9
4.2.3I/O模块的选择10
4.3分配输入/输出点10
4.4安全回路设计11
5PLC系统软件设计12
5.1PLC软件设计内容12
6系统的调试14
6.1硬件调试14
6.2软件调试14
6.3系统联调15
7压铸机的安全操作规程15
总结16
参考文献17
致谢18
摘要
根据工业现场的需要和可编程控制器（PLC）自身特点，本设计为基于压铸机的PLC控制系统。
在这个设计中，本设计采用西门子公司PLCS7-300系列可编程控制器为例。
结合了书籍和资料，说明了PLC的工作原理、软件使用方法、PLC的硬件系统设计及PLC软件系统设计。
实现了对压铸机的液压系统的控制。
在该设计中，PLC作为主机，压铸机作为从机，构成基于压铸机的PLC的控制，完成对压铸机的整个工艺流程的控制，可反映压铸机在整个工作过程的工作状况。
关键词：
可编程控制器；压铸机；液压传动
Abstract
Accordingtothedemandofindustrythespotandprogrammablecontroller（PLC）oneselfcharacteristics,thisdesignforaccordingtodie-castingthePLCofmachinecontrolsystem.Inthisdesign,theseriesesprogrammablecontrollerofthecompanyPLCS7-300ofthisdesignadoptionSiemensisanexample.Combinedbookanddata,explaineddesignandthePLCsoftwaresystemdesignofthehardwaresystemofPLCworkprinciple,softwareoperationmethod,PLC.Carriedouttopressthecontrolofsystemtowardsdie-castingingmachineofliquid.
Inthatdesign,thePLCisahost,die-castingthemachineisfromthemachine,constituteaccordingtothecontrolofPLCofdie-castingthemachine,andthecompletioncanreflecttodie-castingmachineinthewholeworkconditionofworkprocesstothecontrolwhichdie-castingsthewholecraftprocessofmachine.
Keywords:
programmablecontroller;Die-castingmachine;Theliquidpressestospreadtomove
1概述
1.1压铸的发展简史
压铸的起源众说不一，但据文献报导，最初用于压铸铅字。
早在1822年，威廉姆·乔奇博士曾制造一台日产1.2～2万铅字的铸造机，已显示出这种工艺方法的生产潜力。
1849年斯图吉斯设计并制造成第一台手动活塞式热室压铸机，并在美国获得了专利权。
1885年默根瑟勒研究了以前的专利，发明了印字压铸机，开始只用于生产低熔点的铅、锡合金铸字，到19世纪60年代用于锌合金压铸零件生产。
压铸广泛用于工业生产还只是上世纪初，应用于现金出纳机、留声机和自行车的产品生产中。
1904年英国的法兰克林公司开始用压铸方法生产汽车的连杆轴承，开创了压铸零件在汽车工业中应用的先例。
1905年多勒研制成功用于工业生产的压铸机、压铸锌、锡、铜合金铸件。
随后瓦格纳（Wagner）设计了鹅颈式气压压铸机，用于生产铝合金铸件。
1927年捷克工程师约瑟夫·波拉克设计了冷压室压铸机，由于贮存熔融合金的坩锅与压射室分离，可显著地提高压射力，使之更适合工业生产的要求，克服了气压热压室压铸机的不足之处，从而使压铸技术向前推进了一大步。
铝、镁、铜等合金均可采用压铸生产。
由于整个压铸过程都是在压铸机上完成，因此，随着对压铸件的质量、产量和扩大应用的需求，已对压铸设备不断提出新的更高的要求，而新型压铸机的出现以及新工艺、新技术的采用，又促进压铸生产更加迅速地发展。
20世纪50年代，我国自行设计制造出全液压的50型卧式冷室压铸机，锁模力有500kN和1000kN两种规格。
及至20世纪80年代，有关单位继续完成了锁模力16000kN以下的卧式冷室压铸机系列产品的开发；立式冷室压铸机也形成了锁模力2500kN以下的系列产品；1986年试制出国内第一台J1163A型自动压铸机组；1990年开发出国内第一台柔性压铸单元，锁模力为4000kN；其后的几年里，又将辅助装置和参数检测装置加以定型并形成产品。
在压铸机的设计工作方面，20世纪80年代，设计的压铸机压射性能已接近当时的国外水平；合模机构全部采用液压驱动、曲肘机械扩力结构取代了全液压。
从世界范围和我国情况来看，铝合金压铸件应用的范围日益广泛。
由于压铸工艺和技术的发展，又使压铸件在有色金属铸件生产中所占的比例日益增多。
图1-1-1压铸铅活字的压铸机示意图图1-1-2压铸机示意图
1.操作杆2.冲头3.上压室4.喷嘴切断阀5.喷口拉杆
6.金属熔埚7.喷嘴8.内通道9.施压压室
1.2压铸机的定义
压铸机是用锌、铝合金、铜等金属为原料，在压力作用下把熔融金属液压射到模具中冷却成型，开模后得到固体金属铸件的一种工业机械。
1.3压铸机的分类及特点
分类：
压铸机一般分为热室压铸机和冷室压铸机两大类型。
冷室压铸机按其压室所处的位置又可为分卧式压铸机和立式压铸机。
热室压铸机的特点：
1、压室埋入坩埚内与熔融合金相通，不需单独给料，操作程序简单，生产效率高，容易实现自动化；2、金属消耗少，工艺稳定，压入模具型腔的液体金属干净、无氧化夹杂，铸件质量好；3、坩埚可密封，可通入保护气体保护合金液面，对镁合金液防氧化、防燃烧有特殊意义。
冷室压铸机的特点：
1、与卧式压铸机相比，机器占用面积较小；2、适于生产带有镶入件的压铸件；3、生产的铸件气孔显著地较普通压铸少且可减少缩松；4、既可生产厚壁铸件，又可生产薄壁铸件；5、生产的铸件可进行热处理，焊接加工。
卧式压铸机其特点如下：
1、金属液进入模具型腔的转折少，有利于发挥增压的作用；2、压射位置一般设计为偏心和中心两种，浇注位置有多种选择，适合压铸工艺的需要；3、便于操作、维修，易实现自动化；4、熔融金属液在入料筒内与空气接触面积大，压射速度选择不当，容易卷入空气和氧化夹渣。
图1-3-1压铸机的分类
1.4压铸机的应用
冷室机主要用来生产熔点较高的铜、铝及镁（厚壁）等合金的压铸件，热室机用来生产熔点较低的锌、锡、铅及镁（薄壁）等合金的压铸件。
冷室机相比，与由于热室机的压射室直接浸在合金溶液中工作，可省去浇注操作，因此工作循环周期短，工作效率高。
1.5PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
a、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
b.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
c、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
d、输入输出接口电路
1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
e、功能模块
如计数、定位等功能模块
f、通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等
1.6PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）数据处理
现代PLC具有数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（5）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
总之，PLC在工业控制中应用极为广泛，可以说是无处不在。
2PLC与其他控制的比较
2.1继电器控制方案
几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业领域中被大量应用。
继电器控制柜是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，一旦生产工艺过程发生改变，则控制柜必须重新设计、重新装配。
图2-1-1继电器控制压铸机的示意图
2.2集散控制方案
集散控制系统又称分散控制系统，它是专门为工业过程控制设计的过程控制装置。
它的应用场合是连续量的控制，集散控制系统是按用户的程序指令工作的。
在集散控制系统中，根据被检测对象的特性采用不同的采样速度，例如，对流量点的采样周期是1s，对温度点的采样周期是20s等。
此外，在集散控制系统中，可有多级优先集中断的设置。
2.3PLC控制方案
PLC由于应用了微电子技术好计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的，因此只要改变程序并改变少量的接线端子，就可适应工艺的改变。
从适应性、可靠性、方便性及设计、安装、维护等各方面进行比较，PLC都有显著的优势。
因此在用微电子技术改造传统产业的过程中，传统的继电器控制系统大多数将被PLC取代。
2.4方案比较
2.4.1采用继电器控制系统
1、逻辑工作量大，接线多
2、受机械触电影响，寿命限制
3、环境差，会降低可靠性和寿命
4、更换继电器维护费用高
2.4.2采用集散控制系统
1、不适于用于开关量的逻辑控制
2、不能按扫描方式工作
3、采样速度不均，运算速度较低
4、集散控制所需存储量较大
5、集散控制不够方便、灵活
2.4.3采用PLC控制系统
PLC能如此迅速的的选择发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多的优点。
1、编程方法简单易学
2、功能强，性能价格高
3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
4、可靠性高，抗干扰能力强
5、系统的设计、安装、调试工作量少
6、维修工作量小，维修方便
7、体积小、能耗低
由此可见，PLC控制比继电器控制更能较好的解决了工业控制领域中的普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
我们在设计过程中应采用PLC控制。
然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和发展，传统的继电器控制系统被PLC所取代已是必然趋势。
3金属压铸机的工艺流程
原位：
模板在开模确认位置，开模确认限位开关闭合；洗模嘴上升归位，喷嘴归位限位开关闭合。
关模：
有启动信号按下后，关模电磁阀通电，模板右移。
射出：
当模板右移到位，射出确认限位开关闭合，射出电磁阀通电，射出活塞向左移，将金属推进模内。
冷却：
射出活塞自动归位，射出确认限位开关闭合，冷却水电磁阀通电，利用冷却水成型。
开模：
延时5S待工件冷却后，开模电磁阀通电，模板左移，工件自动顶出。
洗模：
模板左移到位，开模确认限位开关闭合，喷嘴下移，洗模液电磁阀均通电，喷嘴下移并洗模液。
复位：
喷嘴下移到位，喷嘴下限限位开关闭合，喷嘴上移电磁阀通电，喷嘴上升回到原位。
金属压铸机的工艺流程如下图所示。
图3—1压铸机控制系统逻辑流程图
图3—2
4PLC系统硬件设计
4.1PLC的功能简介
PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。
4.1.1主机系统
PLC的主机系统由微处理器单元、存储器、输入单元、输出单元、IO扩展接口，外设IO接口以及电源等部分组成。
各部分之间通过内部系统总线进行连接。
4.1.2输入/输出扩展环节
PLC的外部设备主要是编程器、彩色图形显示器、打印机等。
编程器：
它是编制、调试PLC用户程序的外部设备，是人机交互的窗口。
彩色图形显示器：
大中型PLC通常配接彩色图形显示器，用以显示模拟生产过程的流程图、实时过程参数、趋势参数及报警参数等过程信息，使得现场情况一目了然。
打印机：
PLC也可以配接打印机等外部设备，用以打印记录过程参数、系统参数以及报警事故记录表等。
PLC还可以配置其他外部设备，例如，配置存储器卡、合式磁带机或磁盘驱动器，用于存储用户的应用程序和数据；配置EPROM写入器，用于将程序写入到EPROM中。
4.2PLC的容量估算
PLC容量包括两个方面：
一是I/O点数，二是用户存储器的容量。
4.2.1I/O点数的估算
根据功能说明书，可统计出PLC系统的开关量I/O点数及模拟量I/O通道数，以及开关和模拟量的信号类型。
考虑到在前面的设计中I/O点数可能有疏漏，并考虑到I/O端的分组情况以及隔离于接地要求，应在统计后得出I/O总点数的基础上，增加10%～15%的裕量。
考虑裕量后得出I/O总点数估算值，该估算值是PLC选型的主要技术依据。
考虑到今后的调整和扩充，选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估算值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有30%左右的量。
4.2.2存储器的容量估算
用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理器、程序结构等。
因此在程序设计之前只能粗略的估算。
根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用是内存大致如下：
开关量输入所需存储器字数=输入点数×10；开关量输出所需存储器字数=输出点数×8；定时器/计数器所需存储器字数=定时器/计数器数量×2；模拟量所需存储器字数=模拟量通道数×100；通信接口所需存储器字数=接口个数×300；存储器的总字数再加上一个备用量即为存储器容量。
4.2.3I/O模块的选择
1、开关量输入模块的选择
PLC的输入模块用来检测来自现场（如按钮、行程开关、温控开关、压力开关等）电平信号，并将其转换为PLC内部的低电平信号。
选择输入模块主要考虑以下两点：
（1）根据现场输入信号（如按钮、行程开关）与PLC输入模块距离的远近来选择电压的高低。
一般，24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。
（2）高密度的输入模块，如32输入模块，允许同时接通的点数取决于电压和环境温度。
一般，同时接通的点数不得超过总数入点数的60%。
2、开关量输入模块的选择
输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号转换为外部所需电平的输出信号，驱动外部负载。
输出模块有三种输出方式：
继电器输出、双向可控硅输出和晶体管输出。
3、输出方式的选择
继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通降压小，曾受瞬间电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。
但继电器有触电，寿命较短。
且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交/直流负载。
当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1HZ.
4、输出电流的选择
模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动，则应增加中间放大环节。
对于点荣性负载、热敏电阻负载，考虑到接通是有冲击电流，故要留有足够的裕量。
4.3分配输入/输出点
一般输出点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的。
分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号。
1、明确I/O通道范围
不同信号的PLC，其输入输出通道的范围是不一样的，应根据所选PLC型号。
查阅相应的技术手册，弄清相应的I/O点地址的分配。
2、内部辅助继电器
内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其它继电器、定时器，计数器作为数据存储器或数据处理用。
从功能上讲，内部辅助继电器相当于传统电控柜中的中间继电器。
3、分配定时器/计数器
对用到定时器和计数器的控制系统，注意定时器和计数器的编号不能相同。
若扫描式时间较长，则要使用高速定时器以保证计时准确。
4、数据存储器
在数据存储、数据转换以及数据运算等场合，经常需要处理以通道为单位的数据，此时应用数据存储器是很方便的。
数据存储器中的内容，即使在PLC断电、运行开始或停止时也能保持不变。
数据存储器也应根据程序设计的需要来合理安排，以避免重复使用。
图4.3PLC外部接线图
4.4安全回路设计
安全回路起保护人身安全和设备的作用，它应能独立于PLC工作，并采用非半导体的机电元件以便接线方式构成。
确保系统安全的硬件线逻辑回路，在以下几种情况下将安全保护作用：
1、PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时；
2、PLC失控时；
3、操作人员需要紧急干预时。
安全回路的典型设计，是将每个执行器均连接到一特别紧急停止（E-stop）区构成矩阵结构，该矩阵即为设计硬件回路的基础。
设计安全回路的任务包括以下内容：
1、确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系；
2、设计硬件回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段；
3、确定其它与安全和完善运行有关的要求；
4、为PLC定义故障形式和重新启动特性。
5PLC系统软件设计
5.1PLC软件设计内容
从应用角度来看，运用PLC技术进行PLC应用系统的软件设计与开发，不外乎需要两个方面的知识和技能，第一是学会PLC硬件系统的配置，第二是掌握编写程序技术。
在熟悉PLC的指令系统后，就可以进行简单的PLC编程，但这还很不够，对于一个较为复杂的控制系统，设计者还需具备一定的软件设计知识，这样才能开发出有实际应用价值的PLC应用系统。
为此在熟悉PLC指令的基础上，对PLC应用软件的设计内容、方法、步骤以及编程工具软件进行比较全面的介绍。
PLC应用软件的设计是一项十分复杂的工作，它要求设计人员既要有PLC、计算机程序设计基础，又要有制动控制的技术，还要有一定的现场实习经验。
首先，设计人员必须深入现场，了解并熟悉被控对象（机电设备或生产过程）的控制要求，明确PLC必须具备的的功能，为应用软件的编制提出明确的要求和技术指标，并形成软件需求说明书。
在此基础上进行总体设计，将整个软件根据功能的要求分成若干个相对独立的部分，分析它们在逻辑上、时间上的相互关系，使设计出的软件在总体上结构清晰、简洁、流程合理，保证后继的各个开发阶段及其软件设计规格说明书的完整性和一致性。
然后在软件规格说明书的基础上，选择适当的编辑语言进行程序设计。
所以，一个适用的PLC软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的内容：
（1）PLC软件功能的分析与设计；
（2）I/O信号及数据结构分析与设计；
（3）程序结构的分析与设计；
（4）程序设计规格说明书编制；
（5）用编程语言、PLC指令进行程序设计；
（6）软件测试；
（7）程序使用书编制
5.2PLC系统的软件设计步骤
根据可编程控制器系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的基础上，用相应编程语言指令，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是应用系统软件设计。
1）.制定设备运行方案
制定方案就是根据生产工艺的要求分析各输入输出与各种操作的逻辑关系，确定需要检测的量和控制方法，并设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序。
据此可得流程图。
2）.画出控制流程图
对于复杂的应用系统，需要绘制控制流程图，用以清晰的表明动作的顺序和条件。
对于简单的控制系统，可省去这一步。
3）.制定系统的抗干扰措施
根据现场工作环境、干扰源的性质等因素，综合制定系统的硬件和软件抗干扰措施，如硬件上的电源隔离、信号滤波、软件上的平均值滤波等。
4）.I/O地址分配
将8个输入信号9
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