自动泡沫成型机控制系统设计.doc

自动泡沫成型机控制系统设计研发摘 要 可发性聚苯乙烯（Expandable Polystyrene，EPS），化学名称为聚苯乙烯和苯乙烯系共聚物，它一种是由树脂、物理发泡剂以及其他添加剂以一定比例混合而成的物质。其被大量应用于如建筑领域的屋面隔热、墙体保温、EPS夹芯板、简易活动板房等方面。类似的泡沫塑料制品主要由EPS成型机加工制造而成，EPS颗粒原料在其内部经过预发机发泡，再经干燥、熟化等相关处理后被送入成型模腔内，后续还要通入蒸汽加热并维持模腔内蒸汽压力以使加热工程顺利完成，再经过发泡与保温熔结过程，此时的EPS泡沫已经初步成型，再经过排污冷却定型后即可制成相应的板材制品1。 关键字：EPS 应用 成型机 Automatic Foam Molding Machine Control System Design and DevelopmentABSTRACT Polystyrene (Expandable Polystyrene, EPS), its chemical name is Polystyrene and styrene copolymer, it is a kind of material mixed by the resin, the physical foaming agent and other additives to mixed with certain proportion.It is widely applied in roof insulation, wall, such as the construction sector EPS sandwich panel, simple prefabricated houses, etc.Similar foam plastics is mainly composed of EPS molding machine processing and manufacturing, EPS foam raw particles within it through pretest, then after drying, curing and other related treatment are fed into the forming mould cavity, the follow-up to pass into the steam heating and maintain the steam pressure in the cavity to make the heating engineering is completed, after foam insulation with sinter process, EPS foam has preliminarily forming, at this time again after sewage cooling to finalize the design,it can be made into the corresponding plate products1. Keywords：EPS Application Molding Machine目 录摘要IAbstractII目录III第一章 绪 论11.1 引言11.2 国内外研究现状及发展趋势2第二章 自动泡沫成型机控制系统组成及主要功能确定32.1 自动泡沫成型机的工艺流程简介32.2 自动泡沫成型机控制系统组成及工作原理32.2.1 自动泡沫成型机控制系统集成方案选择32.2.2 自动泡沫成型机控制系统组成42.2.3 自动泡沫成型机控制系统工作原理42.3 自动泡沫成型机各部分的动作流程52.3.1 预热52.3.2 开模/合模62.3.3 入料72.3.4 加热72.3.5 冷却72.4 本章小结7第三章 自动泡沫成型机硬件组成83.1控制系统基本配置83.1.1 可编程控制器（PLC）的选择83.1.2 触摸屏的选择103.1.3 各类传感器123.1.4 AD模块133.2 各执行系统143.2.1 模腔结构143.2.2 加料系统143.2.3 加热系统与冷却系统153.2.4 液压系统163.2.5 气动系统173.2.6 安全保护系统173.3 控制系统外部接线图183.4 本章小结18第四章 控制系统人机界面设计194.1 人机界面的简单介绍194.1.1 关于人机界面194.1.2 人机界面的设计204.2 操作面板界面设计214.2.1 主操作界面214.2.2 用户操作界面224.2.3 信息显示界面244.2.4 其他界面264.3 本章小结27第五章 部分控制系统软件及执行机构硬件设计285.1 部分主程序结构295.1.1 “启动”动作梯形图295.1.2 “关模”、“入料”动作梯形图295.1.3 “开模”、“脱模”动作梯形图305.1.4 “停止”动作梯形图315.1.5 “报警系统”梯形图325.2 部分硬件参数计算及选型335.2.1 气液增压缸的计算与选型335.2.2 合模机构的参数及尺寸计算345.3 本章小结35第六章 结 论36参考文献38致 谢39附录一 电气原理图与基板布局图附录二 自动泡沫成型机程序框图第1章 绪论1.1 引言 可发性聚苯乙烯（Expandable Polystyrene，EPS2），化学名称为聚苯乙烯和苯乙烯系共聚物，它一种是由树脂、物理发泡剂以及其他添加剂以一定比例混合而成的物质。它具有以下化学特性：EPS的物理外形是直径在0.010.1in之间的小型颗粒状树脂。大多数这种颗粒是悬浮聚合生成的珠粒，而较大直径的颗粒也可通过切粒得到。因此，最终加工得到的泡沫制品的厚度完全取决于加工时采用的珠粒的尺寸，若想得到低密度凹模制品，则应选用较大的珠粒加工；若目标制品是均匀填充的，则选用尺寸较小的珠粒更理想1。 自产生至今，EPS经历了漫长的历程。1925年，EPS作为橡胶中间体首次开始在德国生产，这为日后EPS在全球范围内的生产打下了基础；40年代初，悬浮PS问世；1943年，美国DOW化学公司尝试将PS泡沫塑料投入实际生产，结果大获成功；19实际中叶，日本成功地开发挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS），并用于产品包装；而到了1952年，德国的塑料贸易交易会上，已经出现了相关的EPS制品的身影。可发性聚苯乙烯广泛地应用于建筑、屋面保湿、装修、地下隔潮防水、道路、包装等领域。建筑领域。EPS制品广泛地应用于建筑墙体和地基的保湿、倒置式屋面（就是将憎水性可发性聚苯乙烯保温材料设置在防水层上的屋面）、EPS夹芯彩板（就是将彩色图层钢板用高强度粘合剂，复合在阻燃性聚苯乙烯等轻质隔热材料的两面，经加压、修边、开槽、落料而形成的板材，具有质轻、绝热、防火、抗压、抗暴性好、坚固耐用和外观舒适等特点）、各类建筑模型、Anvik（Canada）建筑系统等方面。道路建设领域。EPS板材的隔热保温性，解决了川藏公路水冻层的技术难关。EPS也用来作为“填充”料或孔隙模，有助于解决桥梁、路堤、水坝、码头、港口中较差的地基带来的问题。保温和包装业领域。用于制作可储存各种冷热食物、饮料的容器；用于制作各种电器、家电产品、仪器仪表的包装；用于制作蔬菜保鲜箱等；以及在粮油储藏技术上的应用。近几年，EPS最重要和最新奇的建筑应用之一是制作绝热混凝土墙（ICF）。ICF的制造方法是，在两层EPS端墙的间隙内浇筑混凝土，这样既可以减少混凝土用量，减轻工作量，又可保证强度，使房屋建筑做到快捷、节能两不误3。这种EPS与典型的包装成型法一样，都是有模塑制成，但在模具内需插入一金属或塑料片。这样每块EPS型块都由两片平行相向的EPS板组成，两片之间的距离由插入片固定。型块可以很快地组合在一起，一旦加入混凝土，成品就具有特别好的强度和绝缘性，声音传播测试也表明这种墙壁的隔声性是普通墙壁的3倍。1.2 国内外研究现状及发展趋势近年来，中国EPS产业在全球市场中占据着越来越重要的地位。据数据显示，2013年全球EPS总产量为803万吨，其中中国的产量就达到了360万吨，占世界总产量的45%。换句话说，中国已成为全球EPS行业最大的生产基地。到2014年6月份为止，中国大陆地区EPS装置的总产量约为425万吨。而到2015年，我国EPS的年总产量已经在550万吨以上。有关市场研究机构调查显示，2015年我国EPS的表观需求量约为280万吨左右，因此国内产量过剩在一半以上，从这个方面来说，扩大出口是我国EPS产业发展的必然选择。目前，中国这一庞大的市场正在吸引EPS国际主要出口商从欧、美、日、韩等国转移，国内EPS企业应抓住这一机会作好合理规划，创造更大的产值4。 在全世界对EPS的研究逐渐深入的同时，科学家们对其许多方面的特性都掌握地越来越清晰，并且，将EPS用于湿软路基中作为填料以防止路基不规则塌陷；在桥梁中应用而避免桥头调车；在建筑物外墙中则可绝热或保温；用于高填方涵洞中用以减轻涵洞所受压力等经典的先例。但在相关方面的研究仍显不足，如EPS在工程作业的监测方面的探究；EPS轻质材料在实际使用场合中所受外力作用与其形变程度的线性关系等，使EPS材料厚度与填土高度、减荷工程效果有机结合起来，EPS用于建筑中时的表面改性的研究等等，另外，基于我国现今铁路、高速公路建设总长度的迅猛发展，EPS在山体隧道中的表现情况的研究的重要性也不言而喻，这将对我国未来的交通建设产生深远的影响。第2章 自动泡沫成型机控制系统组成及主要功能确定2.1 自动泡沫成型机的工艺流程简介EPS成型生产涉及原料选择、管道及模具设计等诸多因素，一般而言，EPS成型依次分为以下几个步骤：预发泡装模成型整理烘干包装入库5。EPS成型工艺如图2.1所示，根据不同制品的规格、尺寸、厚薄等因素控制加热及水冷却时间的长短；一般成型过程中，水冷却时间占成型总循环时间的一半；如果有优质的相关原料的来源，EPS制品的脱模能力、成熟度、光滑性等参数将有明显提升，并且其加工时间也能大大缩短。凸模移动合模锁 模进 料加 热保 温冷 却开 模脱 模图2.1 EPS成型工艺的一般过程EPS自动泡沫成型机主要由合模装置、入料系统、加热系统、冷却系统、控制系统以及机架等组成。EPS自动泡沫成型机采用可编程控制器作为控制核心，控制EPS成型机的开模、合模、进料、加热、保温、冷却、脱模、制品顶出等自动循环程序，具有较高的生产率与适应不同工艺要求的能力。2.2 自动泡沫成型机控制系统组成及工作原理2.2.1 自动泡沫成型机控制系统集成方案选择对自动泡沫成型机控制系统集成方案的选择，主要是从PLC、工控机、单片机三者在控制系统中的作用分析，进而得出最适合用于本台自动泡沫成型机的控制元件。一下对三者作为工业设备中的控制原件的优缺点作简略的分析：PLC。优点：驱动输入/输出性能好，扩展能力强，价格易于接受，稳定性好，具备图形化开发界面，近年来常见于各类现代工业设备中。缺点：只能处理单一任务。工控机。优点：工控机基于windows或linux操作系统，拥有友好的人机界面，CPU处理速度较快，可以实现多线程处理各类任务，资源丰富，可以搭载不同的PCI卡，可以实时采集各类数据信息，抗干扰能力强，并能防电磁干扰。缺点：价格昂贵，体积大，能耗也大。单片机。优点：单片机的体积较小，功耗及成本均较低，多用于消费品。缺点：抗干扰能力较差，只能处理单一任务，运算速度较其他控制元件较慢。因此，单片机在工业设备中的应用已逐步被PLC取代。基于以上对三者的优缺点的分析，本文得出结论，应选择PLC作为本台自动泡沫成型机的控制元件。2.2.2 自动泡沫成型机控制系统组成整个控制系统组成包括：可编程控制器/PLC系统（Koyo光洋SN系列的SN64DR-A3型PLC）、触摸式图像操作终端机/人机界面（屏通系列PT-100-4型）、各类传感器（温度传感器、压力传感器、位置传感器）、AD模块以及加料机构、加热系统、液压系统、启动系统等执行机构/系统。PLC选用Koyo光洋SN系列PLC（型号：SN64DR-A3）,部分参数列举：DC输入32点，继电器输出32点，定时器128点，计数器128点，最多可带3个扩充模块和一个特殊功能选件板；扩展输入/输出模块（型号：Z-16CDR1），为8点24VDC汇点/源输入/8点继电器输出。 人机界面选用屏通触摸屏（型号：PT-100-4），所选用的这型触摸屏拥有1024600解析度，65536色TFT真彩液晶屏，4线电阻式触控面板，32位ARM926EJ-S中央处理器，3串口为COM1：RS232/422/485；COM2：RS422/485(A型）、RS232/485（B型）、RS232（C型）；COM3：RS232。综其优点，该型触摸屏较适合本台自动泡沫成型机中人机界面的应用。 2.2.3 自动泡沫成型机控制系统工作原理以下简述本次设计中自动泡沫成型机控制系统的工作原理：用户通过触摸屏输入相关指令，PLC接收并自动判断来自触摸屏的用户相关指令，若用户输入指令可能导致危险或系统故障，则PLC发送信号至报警系统，报警系统工作；否则阀控模块工作，继续发送信号，经管路系统和液压系统，至相应的执行机构（开模/合模装置、进料系统、加热系统、冷却系统、顶杆等），执行机构工作，并反馈信号，经压力传感器、过载装置信号调理及位置传感器返回至PLC，PLC再反馈相应信息作出相应调整，以期加工出符合用户要求的EPS产品。控制系统原理图如图2.2所示6。报警系统温度传感器执行机构PLC阀控模块液晶触摸屏管路系统液压系统压缩空气蒸汽排气引风关模加热压力传感器位置传感器图2.2 控制系统原理图2.3 自动泡沫成型机各部分的动作流程 EPS塑料泡沫的基本成型工艺大致可以分为：预热、开模/合模、加料、冷却、脱模。整体过程大致如下：合模并预热后，加料枪开始将EPS珠粒注入模腔内，气室壁上开有小孔可供蒸汽通过并进入模腔内加热，珠粒在模腔内被加热后膨胀，互相挤压并发生交联反应，最终熔结成为整体制品。成型后，撤去蒸汽，通入冷却剂冷却制品，冷却完成后，机器自动脱模顶出成品制品7。成型工艺原理图见图2.3。2.3.1 预热预热过程是在正式加热珠粒之前先通入蒸汽到空模腔中，使模腔温度上升的过程。若无预热过程，高温蒸汽在直接通入模腔的情况下，因遇到常温的金属模腔而发生冷凝现象，则模腔内出现液态水，这将会阻碍发泡珠粒的熔结，并破坏最终产品的质量，因此要尽量避免冷凝现象产生，在本课题中使用蒸汽吹洗法对模腔进行预热，预热温度控制范围为90110。预热时间由模腔内金属含量及最终产品的要求决定。金属量越高，预热时间就越久；同时，还会随着模腔内表面或者模型件数的增加而延长。蒸汽室蒸汽室蒸汽阀图2.3 EPS制品成型工艺原理图 2.3.2 开模/合模 开模。开启模具，同时，排空阀、排泄阀工作。顶杆从顶出状态缩进模腔内部，并保持状态短暂时间（如图2.4）。合模。合模过程中，为了避免发生碰撞，通常会通过形成开关控制油路的转换来促使合模过程有一个速度渐变过程。空气阀排泄阀顶杆图2.4 开模动作结构图 2.3.3 入料加料。加料分间隙式加料、无间歇式加料等方式，本课题使用的是无间隙式加料。在加料过程中，需保持真空阀开启，排气阀和排泄阀关闭。 回料。加料过程中，有可能发生加料过量的情况，此时就需要从加料管、料斗吹出压缩空气，将料管内所剩的余料吹回料斗，防止加热过程中余料亦熔结而发生堵塞。 加料过程完成，加料枪关闭。2.3.4 加热这是EPS成型过程中关键性的一步，加热过程是否顺利（是否均匀加热整个模腔）关系到能否获得充分熔合的制品成品，对于本课题中模腔壁厚在2mm左右的制件，可以使用蒸汽洗吹法。加热过程大致可概括为：模腔壁上事先设有供蒸汽通过的小孔，高温蒸汽从模腔后方的气室进入模腔内并加热珠粒，在此过程中，模腔内气压需始终维持在0.080.15MPa，并且需要在珠粒完全熔融时达到最大值。加热完成之后，随着蒸汽停止通入和排气过程开始，模内压力逐渐变小。压力控制得过高，反而会出现表面过热而使制品出现过度收缩等缺陷。2.3.5 冷却常用的冷却方法有水冷、常压冷却和真空冷却。水冷时间长，模具逐渐变冷，冷却水不能蒸发，达不到干燥成型、节省能源的目的。经过水冷方式成型的制品，可提高整体舒适度，并且产品的强度也会随之提升。真空冷却时间一般较短，有的甚至只需23s即可。本课题选用水冷作为模具的冷却方式。2.4 本章小结本章主要分为以下几部分进行叙述：自动泡沫成型机的工艺流程概述，各工艺动作详述，控制系统工作原理以及相应的硬件选型，等。自动泡沫成型机主要工艺流程可分为开模（预热）-进料-合模-加热-保温-冷却-脱模（开模）。整个控制系统主要可分为PLC、人机界面、蒸汽管路系统、压缩空气管路系统及液压系统等若干部分。其中PLC选用Koyo光洋SN64DR-A3型PLC，人机界面选用屏通PT-100-4型触摸屏。第3章 自动泡沫成型机硬件组成3.1 控制系统基本配置 3.1.1 可编程控制器（PLC）的选择 当今市场上，有许多PLC设计及制造方面的知名品牌，如三菱、施耐德、GE-Fanuc、欧姆龙、西门子、光洋等，PLC的型号也数不胜数，但是各类PLC都具有其自身的优缺点。下面，我仅结合我自身对PLC的了解对PLC的功能特点作简略阐述：PLC作为一种通过数字运算的电子化操作系统，是随着工业环境的需要应运而生的。通过可编程储存器，使得PLC可以直接储存执行逻辑运算、定时、计数以及算术运算等相关操作指令。再附以AD/DA模块，PLC还可借由数字量、模拟量的输入与输出来完成控制类种类型的机械或生产过程。以下对行业内统一的PLC的设计原则作简要说明，PLC及相关设备的设计，都应遵循易于与工业控制系统形成一个整体，易于拓展功能的原则设计。按照组成结构的差异区分，PLC可分成整体式和组合式（模块式）两类。顾名思义，整体式PLC是一个不可拆卸重组的完整元件，其内部包含的部件有CPU、I/O模块、显示界面、内存条、电源供应等。模块式PLC在整体式的基础上增加了底板或机架，而去除了显示界面，用户可按照一定规则自由组装这些部件8。前面也介绍过，PLC相较于单片机或则工控机，有其独特的优势，具体如下9:抗干扰能力强，可靠性高。作为精密电器控制单元，最重要的性能之一就是高可靠性。PLC之所以具有其他系统所不及的可靠性，是因为其采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。因此，使用PLC作为控制单元将极大地提高整个设备或系统的可靠性。配套齐全、功能完善、实用性强。时至今日，PLC已经发展出了各种规模的系列产品，可以应用于各种工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。易学易用。PLC是面向工矿企业的控制设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，即使不熟悉电工电子电路，不了解计算机汇编语言的工作人员也可以快速学习与操作。起初，我想选用西门子系列的PLC来应用于该台泡沫成型机，因其性能优越、功能强大、配置灵活方便，但是，我也发现其有一个严重的缺点，就是价格相对较高，要应用在该课题中难度较高；同时，我也发现光洋系列PLC功能丰富、可靠性比较稳定，而且编程容易，价格也易于接受，可以较好地替代西门子，作为该台泡沫成型机的控制元件。本次设计中，需要16各输入点，24个输出点，共40点，基本单元保留余量20点，且要求性能稳定，通信速度相对较快。PLC的I/O接线图如图3.1所示10。图3.1 成型机PLC的I/O接线图因此，在比较了多种PLC与传感器之间的通信速度之后，并结合上述的各项要求，我选择了Koyo光洋公司的PLC产品。在确定具体型号时，我主要根据本课题中所需的输入/输出点数要求，经过反复地对比，最终选择了SN64DR-A3型号的PLC，该型PLC有DC输入32点/继电器输出32点的最大I/O构成。表3.2 SN系列PLC参数11项目规格I/O传送方式存储程序、循环执行成批传送编程语言梯形图、级式共用指令种类、控制方式逻辑控制指令43种、程序控制指令15种数据处理指令82种、特殊功能指令6种处理速度逻辑控制指令0.45微秒数据处理指令1.3微秒程序容量用户程序7.5K语+系统参数0.5K语输入线圈（I）/输出线圈（O）256点/256点中间线圈（M）640点级（S）512点定时器（T）128点计数器（C）128点特殊线圈（SP）128点定时器经过值寄存器（R）128字计数器经过值寄存器（R）5120字数据寄存器（R）128字特殊寄存器（R）768字累加器（ACC）32Bit1个数据堆栈32Bit1个3.1.2 触摸屏的选择在本课题的自动泡沫成型机控制系统设计研发中，人际界面是必不可少的，它是用户向系统发送指令的工具，沟通用户和系统的桥梁，本课题采用触摸屏来实现这一功能。关于触摸屏的详细介绍如下：触摸屏是一种最新的电脑出入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。为了增加操作上的方便，在工业控制设备中，人们多使用触摸屏来代替鼠标和键盘作为输入设备。工作时，首先用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸屏检测部件安装在显示器屏幕前，用于检测用户触摸位置，接收后输送到触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用，是从触摸点来检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再传输给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行12，13。在本次设计中，我选择使用屏通系列的PT-100-4型触摸屏。该系列产品实现了图像、运算、通讯全方位的高速化。减少了画面操作的重复；更具丰富的表现力，高清晰、高视角LCD液晶屏；该触摸屏的优点有：高速显像。可清晰地设定出复杂且重叠的不同的部件画面与照片数据；高速运算。内置数据处理器，内置的数据处理器实现了高速运算功能，使其操作更为快捷简便。无论是连接三菱、西门子PLC，还是其他厂商的PLC都可实现高速通讯。表3.3 屏通PT-100-4触摸屏参数型号PT-100-4解析度1025600液晶屏TFT真彩，65536色背光寿命20000小时液晶屏亮度（cd/m2）250触控面板4线电阻式中央处理器ARM926EJ-S 32位图形加速器2D引擎图形加速器程序闪存8MB程序扩充闪存128MBUSB1主（后置USB2.0),1客（后置USB2.0）串口COM1：RS232/422/485；COM2：RS422/485(A型）、RS232/485（B型）、RS232（C型）；COM3：RS232（接表3.3）输入电压24VDC10%开机功率20W面板尺寸（宽高，mm）270.1212.1开孔尺寸（宽高，mm）259.5201.5 3.1.3 各类传感器该自动泡沫成型机的各项数据，包括预热、加热环节时所需的温度；进料时模腔内所受压力所反映的进料量；脱模时顶杆是否成功将成型件顶出等参数，都需要各类传感器收集数据，然后再通过AD模块把模拟量转变为数字量传递给PLC处理。温度传感器。在本次设计中，需要实时监测在预热、加热环节中模腔内的温度，因此必不可少的需要用到温度变送器来采集温度模拟量，并通过AD模块转变为数字量，传送到PLC进行分析。若在正常范围内，则系统正常运行；若超出正常范围，则PLC发送信号至报警系统，提醒工作人员注意安全并及时维修。温度采集处理单元由温度传感器、热电阻全隔离信号调理器等组成。温度传感器采用铂热电阻Pt100。因此我选择了SBWR/Z系列温度变送器。SBWR（热电偶）/Z（热电阻）系列温度变送器有一下显著优点：1、具有高精度冷端补偿电路，全温度范围绝对误差在0.5之内；2、拥有先进的非线性校正电路，输出信号与被测温度呈线性关系；3、附有特殊的控热机构，有效地控制热传导作用；4、应用面广，既可与热电偶、热电阻形成一体化现场安装机构，也可作为功能模块安装在监测设备中。具体参数如下：基本误差：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS；环境稳温度变化影响：0.2级：0.02%FS/；0.5级：0.02%FS/；输出信号：420mA，电源、输出二线制传输；负载电阻：0600；供电电源：1236VDC；工作环境：（1）环境温度：-2585（普通型温度变送器） -30120（高温环境温度变送器） -2060（防爆型温度变送器） （2）相对湿度：595%RH，无冷凝。压力传感器。在本次设计中，亦需通过压力传感器来监测模腔内部所受压力，进而反映出模腔内的进料量。随着进料量逐渐增加，模腔内部所受压力也相应变大，通过压力传感器传递到PLC，当达到规定值时，PLC控制进料系统停止进料，并进行后续动作。在参阅了众多压力变送器说明书和结合本课题实际需求之后，我选择了Rosemount3051-T型智能压力变送器。它由传感器和电子线路板两部分组成，传感器部分包括：敏感元件、直接数字电容电路、温度传感器和特征化EEPROM等组成；电子线路板部分包括：微处理器、数/模信号转换器、数字通信和存储器EEPROM等几部分组成，完成压力信号到420mA DC的转换。其特点是：1、采用了微处理器从而使灵活性增大、功能增强；2、零点和量程调整互不影响；3、传感器内带非易失性存贮器；4、稳定性能好、精度高、阻尼可调、抗单向过载能力强；5、数字式集成电路设计减少了零件数与机械互连件，因为改善了性能的可靠性。具体参数如下：输出信号：420mA输出叠加HART协议数字信号（两线制）；电源：外部供电：24VDC，（电源范围12V45V）；相对湿度：0100%；阻尼：时间常数在0.216s之间可调；过程接口：法兰连接螺纹1/4-18NPT（锥管螺纹） 接头连接螺纹1/2-14NPT（锥管螺纹）或M201.5平行螺纹；电气接口：用1/2-14NPT带螺纹端导线管及接线端子和配套的试验片；启动接口：3s，无需加热。位置传感器。除了以上两种传感器之外，本次设计中也要用到位移传感器来监测脱模时顶杆是否成功将成品件顶出模腔，因此，位置传感器也在考虑范围之内。制品成型之后，模腔打开，顶杆开始将成品件顶出，该过程中压力传感器实时监测顶杆位移距离，并通过AD模块转换后传送至PLC，PLC分析后控制顶杆继续顶出或缩回，并进行下一轮动作。在上网搜索了位置传感器的相关信息之后，我选择了上海极典电子有点公司生产的GD19通用型直流LVDT位移传感器。其特点：1、内置放大器的一体化结构，抗干扰能力强；2、无滑动触点，可靠性高，使用寿命长；3、分辨率高，响应频率高，重复性好。该型位移传感器具体参数如下：外径：国际通用19mm（0.75inch）；量程：02.5mm至0500mm；输出信号：420mA，05V/1030VDC，010V/1530VDC，0.54.5V/5VDC；工作温度：-4085；最大负载电阻：800，30VDC（电流输出型）；3.1.4 AD模块模/数转换（A/D）模块的功能是将现场仪表输出的（标准）模拟量信号0-10mA、4-20mA、1-5VDC等转化为计算机可以处理的数字信号。AD模块通过传感器接收到的模拟量传给PLC，然后经过PLC的分析做出准确的指令。在本次设计中一共用到了压力传感器、温度传感器和位置传感器三个传感器，其中压力传感器自带模/数信号转换器，因而可以直接输出数字量信号至PLC，而温度传感器和位置传感器则不具有模/数信号转换器，输出的是模拟量信号，因而需要AD模块来实现传感器和PLC的对接。在Koyo的SN系列PLC的特殊模块中，正好有F2-04AD这一模块。F2-04AD为4通道12位A/D转换模块，根据外部连接方法及PLC指令，可选择电压输入或电流输入。V1/I1COM V2/I2F2-04AD温度传感器位置传感器图3.4 F2-04AD与传感器接线图3.2 各执行系统 本次设计中，除了PLC、人机界面、传感器等控制系统硬件之外，还需一系列执行机构/系统来执行相应的动作，下面分别对本台自动泡沫成型机的其他硬件参数及工作原理作详细阐述。3.2.1 模腔结构模腔的整体结构为长方体形，由上下板、前后板、左右板围成，内衬为不锈钢板，上面开有小孔和通气槽，模腔内部还有可以将产品顶出的顶杆，用于在加工完成时将产品顶出。模板采用焊接结构，焊后进行时效处理。气室的深度一般为2530mm。模腔利用液压缸从前侧面打开，板材横向推出，模腔只开一面，且为双道密封胶条密封，减少了蒸汽泄漏，利于产品成型，从而加大了设备的安全系数。此时，模腔内部的顶杆将成品制件从模腔内顶出。3.2.2 加料系统本课题的加料系统主要是指自动加料枪，加料方式采用负压加料，如图3.5所示。因为加料枪根据“伯努利原理”将料吸入模具，所以为了保证进料过程顺利，不出现堵料情况，加料枪的进气管需选择合适的口径，并尽量使进气管内的气流流速增大；另一方面也要根据产品的厚薄、大小来具体选择14。1-气缸；2-三通；3-夹板；4-铜套；5-O型圈；6-活塞；7-聚四氟乙烯圈；8-锁紧螺母；9-螺栓；10-锁紧螺母；11-接管；12-气管接头；13-气缸杆图3.5 EPS自动成型机加料系统（加料枪） 该加料枪的加料工作过程主要如下：当活塞6退到三通2的后部时，进气孔开始进压缩空气，在其前面一段料道中形成负压区，并且在此过程中引风机也对板机的模腔抽负压，促使EPS原料便以很快的速度进入模腔，同时在后续加热过程中所需的空气也一并进入到模腔中。用自动进料枪作进料机构的优点是，这样可以使得充料缝隙均匀，且自动化程度较高，工人劳动强度降低，生产文明。3.2.3 加热系统与冷却系统本次设计的EPS自动泡沫成型机的整个管路系统主要就是由加热系统和冷却系统构成。冷却方式可分为常压冷却、真空冷却和水冷等几种方式。考虑到成本问题以及冷却效率问题，本次设计采用水冷方式作为冷却方式。在成型原理上采用EPS穿透加热成型工艺，分三次加热和保温，用这种加热方式具有穿透能力强、粘接性好、成型速度快、用蒸汽量少、板材表面平整、节省能源，加热工艺可随时通过阀门来改变管路而调整等优点。加热蒸汽管路系统及压缩空气管路系统的工作原理图见图3.6所示。图3.6 加热蒸汽管路系统及压缩空气管路系统工作原理图3.2.4 液压系统EPS自动成型机中的液压系统的主要作用是控制模板的开合、插销的开关以及成型板材的顶出等动作。液压系统由油缸、油管、液压泵、液压电磁阀等部件组成。图3.7为本次设计中EPS成型机的液压系统工作原理图。图3.7 液压系统工作原理图3.2.5 气动系统气动系统主要完成一下几项功能：控制阀门的关闭、自动进料枪的开关、脱模、吸料等功能，换句话说，该EPS自动成型机从加料、加热直至最终成型都离开气动系统。但是气动系统与液压系统相比具有稳定性差、冲击力大、锁模力小等缺点，因此，为保障设备的可靠性和安全性，本课题中采用液压系统进行锁模与开/关模工作，启动系统只控制自动加料枪的开关、吸料等工作。3.2.6 安全保护系统电接点压力表控制的安全装置本次设计电压点压力表共有六块，其中电控箱上有三块分别控制加热I、加热II、加热III，当压力达到指定值时，指针触电接触，进气阀门关闭，进行下一个动作。板机上有两块电压点压力表起限压保护作用，分别限制左右型腔及周边型腔的压力，将其内压力控制在0.10.11MPa以内。当任意型腔超过0.11MPa时，板机所有进气阀关闭，排气阀及空冷阀全部打开，板机型腔内气压降低，确保模腔内压力不超过最高限值。安全阀控制的机械式安全装置在本次设计中，我打算在成型机的主进气管道上安装全启式安全阀，设置其开启压力为0.12MPa，在板机型腔超压，电接点压力表失灵的情况下，可以起到保护作用，使压力短时间内维持稳定，从而提供操作者以足够的时间来紧急关闭蒸汽主阀。安全阀必须定期到有关部门检验，检验周期定为每季度一次，为进一步确保安全，在设备停机超过15天时，在运转之前必须安全校检。电气控制的安全装置电气装置的其中一个作用就是在加热之前必须使模腔处于锁紧状态，并且加热I、加热II、加热III各个过程时间都有PLC程序控制，一旦达到加热时间，进气阀立即关闭，从而确保在前两项保护措施失效的情况下仍不至于造成重大安全事故。3.3 控制系统外部接线图本次设计的系统硬件组成除了PLC、触摸屏、传感器等基本配置和加料系统、液压系统、气动系统、安全保护系统等执行系统之外，还包括必要的控制系统外部接线图。接线图是根据电气设备和电器元件的实际位置和安装情况绘制的，用来表示电气设备和电器元件的位置、配线方式和接线方式，其所描绘的成套装置、设备或装置的电路连接关系15。本次课题中所用到的外部接线图（电气原理图、基板布局图）详见附录一。3.4 本章小结 本章主要介绍了PLC、触摸屏、传感器等控制系统硬件的选型以及进料系统、加热系统、冷却系统、安全保护系统等执行系统的硬件组成及主要功能，并在3.3节中给出了本次设计中的EPS自动泡沫成型机的电气原理图与基板布局图。第4章 控制系统人机界面设计4.1 人机界面的简单介绍 人机界面（Human-Machine Interface),是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入与输出。好的人机界面美观易懂、操作简单且具有引导功能，使用户感觉愉快、增强兴趣，从而提高使用效率。4.1.1 关于人机界面计算机系统是由计算机硬件、软件和人共同构成的人机系统，人与硬件、软件结合而构成了人机界面，如图4.1所示。其工作过程是：人-机界面为用户提供观感形象（look and feel），支持用户应用知识、经验、感知和思维等获取界面信息，并使用交互设备完成人-机交互，如向系统输入命令、参数等，计算机将处理所接受的信息，通过人-机界面向用户回送相应信息或运行结果。人机界面人硬件软件图4.1 人-计算机系统的组成示意图随着信息社会的发展，人们生活水平的提高以及审美情趣的变化，各种器具和技术日益涌现，对人机界面设计也提出了越来越高的要求。就当今趋势而言，人机界面设计的可能发展方向可分为以下几点。高科技化信息技术的革命，带来了计算机业的巨大变革。计算机越来越趋向于平面化、超薄型化；输入方式已经由单一的键盘、鼠标输入，朝着多通道输入发展。追踪球、触摸屏、光笔、语音输入等竞相登场；蓝牙等技术的出现，改变了接口方式；多媒体技术、虚拟现实及强有力的视觉工作站提供了真实、动态的影像和刺激灵感的用户界面。在计算机系统中，各种技术各显其能，使产品的造型设计更加丰富多彩，变化纷呈。自然化早期的人机界面很简单，人机对话使用的都是机器语言。由于硬件技术的发展以及计算机图形学、软件工程、人工只能、窗口系统等软件技术的进步，图形用户界面（Graphic User Interface)/直接控制（Direct Manipulation）、“所见即所得”（What you see is what you get）等交互原理和方法相继产生并得到了广泛应用，取代了旧有“键入命令”式的操作方式，推动人机界面自然化向前迈进了一大步。然而，人们不仅仅满足于通过屏幕显示或打印输出信息，还进一步要求能够通过视觉、听觉、嗅觉、触觉以及形体、手势或口令，更自然地“进入”到工作空间中去，形成人机“直接对话”，从而取得“身临其境”的体验。人性化现代设计已经从功能主义逐步走向了多元化和人性化。今天的消费者纷纷要求表现自我意识、个人风格和审美情趣，反映在设计上亦使产品越来越丰富、细化，体现一种人情味和个性。它一方面要求产品功能齐全、高效，适于人的操作使用，另一方面又要满足人们的审美和认知的精神需要。20世纪最伟大的10中人机界面装置：扩音器、按键式电话、方向盘、磁卡、交通指挥灯、遥控器、阴极射线管、液晶显示屏、鼠标/图形用户界面和条形码扫描器16。4.1.2 人机界面的设计人机界面的设计必须考虑到很多方面，一个好的人机界面必然是兼顾认知心理学、人机工程学、艺术设计、色彩设计等多个方面的。了解并遵循认知心理学的原理是进行人机界面设计的基础。人机界面设计，主要用理论来指导设计，一方面防止出错，另一方面用以提高工作效率。为了提高人机界面设计的水平，增强用户与计算机之间的友好程度，必须对用户，即使用计算机的人，有一个较为清晰的认识，也就是说对人的心理基础要有所了解。既要了解人的感觉器官（视觉、听觉、触觉）是如何接受信息的，也要了解人是怎样理解、处理信息的，以及学习记忆有哪些过程，人又是如何进行推理的等。由此，尽量使自己的设计适应于人的自然特性，以使设计的系统满足用户的要求。与认知心理学相比，人机工程学（Ergonomics）更多地从人本身和系统的角度出发，研究人机关系。它是人机界面学的初期发展阶段的主要研究内容，并对人机界面学以后的发展产生了重大的影响。从这个意义上说，它与用户认知心理学起着异曲同工的作用。人机工程不同的命名充分体现了该学科是“人体科学”与“工程技术”的结合。实际上，这一学科就是人体科学、环境科学不断向工程科学渗透和交叉的产物，它是以人体科学为“一肢”；以环境科学为“另一肢”，而以技术科学为“躯干”，形象地构成了本学科的体系。从人机工程学的构成体系来看，它是一门综合性的边缘学科，其研究领域是多方面的。艺术设计是一种特殊的审美活动，包括艺术设计创作、艺术设计作品和艺术设计欣赏的整个过程。艺术设计学研究这个过程的一些主要环节，如艺术设计构思、艺术设计构思的物质体现，以及作为艺术设计主题的设计师在设计中的作用等。此外，还要研究设计风格的内涵、表现形式和发展等。艺术设计创作过程“消融”在艺术设计作品中，反映在界面上，主要体现为硬件界面和软件界面。这些作品的使用价值体现在用户的消费和使用之中，它的文化价值也只有在使用、欣赏过程中才能实现。色彩对人的心理和生理作用，是客观物质世界对人的主观反映。色彩给人以刺激，引起一定的生理变化，伴随着会产生一定的心理活动；同样，一定的心理活动，也会产生一定的生理变化。科学家的实验证明，和谐美丽的色彩，会使人分泌一种有益生理健康的物质，可以协调人的血液流量和神经通络，使人生机勃勃，精神愉快17。4.2 操作面板界面设计 人机界面的设计部分，可以通过触摸屏来实现。第三章中已经通过比较选择出了PT-100-4型触摸屏作为本课题的人机界面，所以选用的触摸屏编程软件也是屏通公司的PM Designer软件，该软件出了具有市面上常用人机界面编辑软件的大部分功能外，还增加了很多特有的新功能方便设计者使用，可充分发挥使用者的想象力，是一款多数设计者都给予好评的人机设计软件。4.2.1 主操作界面图4.2 PM Designer人机界面主操作界面如图4.2所示，人机界面主操作面板大致由三部分组成，位于屏幕中间的是一个往复移动的浙江科技学院Logo；第二部分是居于屏幕左侧及下方的表格，分别显示了时间、泡沫成型机的工作时间、产量和该台成型机的PLC型号、触摸屏型号等相关信息；第三部分是位于屏幕顶端的一系列画面按钮，分别是“首页面（主操作界面）”、“流程”、“手动”、“工艺”、“设定”、“中间”、“故障”、“保存”、“监控”和“说明”。其中，“首页面”按钮底色