基于PLC注塑机系统控制设计

1、前言前 言现代工业领域，尤其是机械制造业、电子信息产业、国防工业，以及食品制药等现代工业的智能化、无人化，都依赖于自动化生产线的日益灵活化智能化。随着机械制造业的精度、传感器精度与灵敏性的不断提高，再加上微型计算机等信息技术在机械制造业上的快速利用，逐渐形成一门新的交叉学科：机电一体化。自动化生产线的日渐智能化，其应用都离不开机电一体化。它通过自动化输送、加工、安装、储运等系统及其他辅助装置，使整个工作系统按设计的程序自动工作，稳定高效地制造出符合客户技术要求的产品。自动化生产线的发展方向，主要是围绕提高生产率和增大通用性、灵活性而展开。为适应多品种生产的需要，自动化生产线将发展成为能快速调整

2、的可调自动化生产线，更能满足生产者适时变化的生产要求。近年来，数控机床、工业机器人和电子计算机等相关领域的快速发展，以及成组技术的应用，提升了自动化生产线在生产过程中的灵活性，实现了多品种、中小批量生产的自动化。多品种可调自动化生产线技术的发展，降低了自动化生产线的平均成本，而且在机械制造业中的应用越来越广泛。更为可观的是已经向高度自动化的柔性制造系统发展。Error! No text of specified style in document.基于PLC注塑机控制系统设计1 绪论1.1 题目来源结合生产实习1.2 研究目的及意义早期的注塑机控制系统是采用继电接触器线路，特点为是占用空间，接

3、线繁琐，经常出现故障且不容易排查，以至于其发展空间受到很大的限制。随着微型计算机技术的不断发展，人们一直在寻找好的控制方法以提高注塑机控制系统的可靠性，降低生产成本。PLC的出现与应用，注塑机控制系统由PLC控制成为了现代工业设计的首选。特别是人机界面技术逐渐成熟，自动化程度的大大提高，很大的程度上降低工厂成本、提高生产线的集成化，有利于增加产品的产量、提高质量以及产品的竞争力。本课题致力于研究自动化控制的智能控制装置基于PLC注塑机控制系统，并与控制温度的装置结合，实现自动化操作。PLC在注塑机控制系统中的应用可分以下三方面讨论。1.2.1 提高自动化水平、树立产品形象随着科学技术不断发展，

4、智能化的产品越来越多，生产机械及自动化水平也直接影响企业的竞争力。注塑机的发展历程由继电接触器控制系统到PLC控制系统为主流。现代的控制系统绝大多数是由微控制器为核心，但控制系统程序优化情况不一样，设计构想不一等方面表现出来的自动化水平也不一致。一种操作简单、智能化程度高的控制系统是设备的重要组成成分，也是企业形象的重要的方面，所以此课题设计一套简单智能的控制系统可以树立良好的产品形象。1.2.2 加速资金周转、提高企业效益企业的重要保障之一是资金，在有限的额度内实现快速周转，促成良性发展。一个技术改造项目，选择研发周期短、成功率较高的项目能为改造带来较大的经济效益。注塑机控制系统的改造采用P

5、LC为核心技术进行技术改造升级，可以为企业带来较高的经济利益。1.2.3 减轻工人劳动强度、缩短培训时间智能化控制系统可以大幅度降低技术人员的工作难度及操作工人的劳动强度。之前的继电接触器控制线路接线方式较为复杂，如果出现故障很难排查困难。采用PLC控制系统线路接线方式后，操作简单，故障排查容易。1.3 论文组成结构第一章引言。主要介绍注塑机控制系统设计的研究背景、目的及意义。第二章相关的研究和技术。主要介绍注塑机控制系统的构造、发展情状及软件开发的相关技术等。第三章注塑机控制系统的需求分析。分析注塑机控制系统的设计要求，分析PLC控制系统的功能需求和非功能需求，说明具体的工作任务。第四章基于

6、PLC注塑机控制系统的液压系统与硬件设计。以需求分析为基础，对注塑机控制系统的液压系统进行分析设计，掌握注塑机控制系统任务需求。在此基础上研究液压系统的电气控制系统，主要完成PLC硬件设计，即PLC的I/O设备及接线。第五章基于PLC注塑机控制系统软件设计。先着手软件控制系统的总体设计，设计出相关的流程图，在流程图的基础上设计顺序功能图，利用步进指令推出梯形图程序。第六章总结与展望。致谢参考文献1.4 章小结本章是课题研究的注塑机发展、控制系统等背景资料，介绍课题研究对企业技术改造的重要意义、经济效益，课题的主要研究目标是设计一套具有自动化功能的“机-电-液”相结合的控制系统，介绍论文的主要框

7、架。2 相关研究和技术2.1 国内外发展现状与发展趋势2.1.1 国外发展现状注塑业作为轻工业的重要支柱产品，近几年的发展速度很快，精度控制的也越来越精密。控制系统针对不同行业塑料有不同的技术要求，既可以采用开环控制系统实现，也可以采用利用压力传感器、激光测量尺、伺服电动机等形成的闭环控制系统实现，形成智能化水平较高的控制系统。近几十年提出绿色制造概念并不断体现在产品设计中，国外研究发展中把这项理念当作重要的设计理念并有相应的技术要求。可以说注塑业向着环保、低噪声、节能的绿色制造方向迈入了坚实的步伐。控制系统功能的实现上采用顺序功能图的方法进行软件设计是解决设计任务的重要方法。尤其是对于此工作

8、任务来看主要以逻辑量关系，非常适合选择用顺序功能图法。目前世界使用的PLC软件中都有各自的指令和编程思想，如德国的西门子公司采用的SCR、SCRE与SM0.0结合使用，实现步进功能，是较有特色的。而日本的三菱公司使用的步进指令是STL、SET等。国外注塑行业对注塑机控制系统的设计，大部分是基于单片机技术下完成，使用多个CPU控制系统形成总线控制，把硬件系统与程序相结合形成智能化控制装置。科技大国-美国在注塑机方面是世界一流，注塑机公司Cincinnati Milacron专注于注塑机的研究和开发，不断推出新产品，其生产的机器广泛应用于工业领域，也有用在航天航空工业中精密零部件加工生产中。这就要

9、求该控制系统有较高精密控制技术，控制程序的设计要求很高，检测手段精准。程序设计中要注重可靠性分析，程序编写需要有最先进的思想。2.1.2 国内发展现状（1）塑料行业发展传统的注塑机一般采用简单的继电器、接触器控制，控制方式多为开环控制，即按照预先的设定值进行控制(预先设定好各参数值，由机器在生产过程中加以保持)。这种控制方法结构简单，但抗干扰能力差，控制精度低。国家在倡导建立技术创新，许多领域都有很好的趋势，其中机电一体化技术也成为国家的领头羊，在高新技术运用方面也有一定的进步。注塑机控制系统主要由微处理器形成的总线技术及PLC控制为核心的技术为主，在设计上用灵敏性高的传感器作为检测装置构成了

10、智能化程度高的“光-机-电-液”一体化技术，真正的实现了闭环控制系统的设计。近些年以来中国在材料学研究上成果显著，塑料行业的工程塑料应用技术也得到迅速发展，对于塑料制品来说其制造的精度等级要求较高。所以对注塑机本身的加工精度要求很高，基于PLC的编程形成的控制系统、液压系统和精密元件也是注塑产品好坏的关键所在。（2）软件控制系统发展塑料行业的发展，使生产商对注塑机的研究与应用的研究成为重点，怎样提高智能化水平，使操作更加简单方便，除硬件要求外，软件技术也是关键。国内PLC的使用分类是以日本的三菱公司、欧姆笼公司、德国的西门子公司三家占据中小型产品主要市场份额，与之相对应的使用软件有GX-D软件

11、、CX-PRO软件和STEP7MicroWINV4.0等。在工业使用较为广泛，在高等院校中均以中小型机为主。近些年的软件中增加了许多功能，以STEP7MicroWINV4.0软件为例，可以直接在软件界面中画顺序功能图，然后转化为梯形图。这样设计可以使整个控制系统从接受任务到应用于实际生产，缩短了研发周期，为智能化的控制系统提供了可靠的软件支持。本课题研究选用西门子STEP7MicroWINV4.0，以顺序功能图为设计思想。以此为基础进行研究，跟据资料表明此软件应用范围较广泛，研发成功率高。2.2 注塑机概述2.2.1 注塑机结构（1）注塑系统注射系统的作用：注塑机最主要的组成部分之一是注射系统

12、，一般有螺杆式、柱塞式、螺杆预塑柱塞注射式3种主要形式。目前应用最广泛的是螺杆式。其作用是在注塑过程的一个循环中，能在规定的时间内将一定数量的原料加热塑化，在一定的压力和速度下，通过螺杆将熔融塑料注入模具型腔中。注射结束后，对注射到模具腔中熔化后的原料定型。注射系统的组成：注射系统由动力传递装置和塑化装置组成。螺杆式注塑机塑化装置主要由加料装置、料筒、螺杆和射咀等部分组成。动力传递装置由注射油缸、注射座移动油缸和螺杆驱动装置构成。（2）合模系统合模系统的作用：合模系统的作用是保证模具开启、闭合及顶出制品动作的完整性。同时，在模具完全闭合后，给予模具足够的锁模力，以平衡熔融塑料进入模具腔产生的模

13、腔压力，防止模具开缝，使产品制作出来不合格。合模系统的组成：合模系统主要由合模装置、调模机构、顶出机构、移动模板、前后固定模板、合模油缸和安全保护机构组成。（3）液压系统液压传动系统的作用：注塑机按工艺过程所要求的各种动作提供原动力，并提供注塑机各系统所需压力、温度、速度等。它主要由各自种液压元件和液压辅助元件所构成，本课题正是研究基于此系统条件下，以PLC编程为主要研究内容 。PLC程序控制各种电磁阀元件的得失电以达到注射成型工艺各项要求。（4）电气控制系统电气控制系统与液压系统的合理配合，可实现注射机的工艺过程要求和各种程序动作。其控制系统主要由电器、电子元件、仪表、加热器和传感器等组成。

14、一般有三种控制方式，手动、半自动、全自动。但本课题主要研究的是液压控制系统为基础，基于PLC控制系统设计，所以不会涉及到很多电气控制方面。主要涉及动力线路与PLC外部接线、加热/冷却装置控制等任务、控制电磁阀梯形图程序。（5）加热/冷却系统加热系统是用来加热注塑机的料筒及注射喷嘴的，注塑机料筒是用电热圈作为加热装置，安装在料筒的外，并用热电偶分段检测。通过筒壁的导热为原料塑化提供热量；冷却系统主要是用来冷却油温，油温不宜过高，过高会引起多种故障，所以油温必须加以控制。（6）润滑系统润滑系统是注塑机的动模板、调模装置、连杆机构等有相对运动的地方提供润滑条件的系统，可减少能耗和提高零件使用寿命。（

15、7）安全保护与监测系统注塑机的安全保护装置主要是保护人、机安全。主要由安全门、液压阀、光电检测元件、限位开关等组成，实现电气机械液压共同保护。监测系统主要对注塑机的油温、料温、超载、工艺过程和设备故障进行监测，发现异常情况发出指示或报警。2.2.2 注塑机工作过程合模预塑倒缩喷嘴前进注射保压喷嘴后退冷却开模顶出开门取工件关门合模。2.2.3 PLC控制系统基于PLC为核心的控制系统是现代电气设计的首选方案之一，具有工作稳定、研发周期短、成功率高等优点。在注塑机液压控制系统中由PLC控制系统控制其注射、合模等工序，电磁阀得失电采用24V电源供电，通过PLC编程控制使其工作顺序及时间简便而高效。基

16、于PLC为核心研发注塑机硬件组成系统与软件组成系统，基于对注塑机的控制要求的分析，其适合用单序列结构的顺序功能图进行研发。这样可以简化设计过程中的接线与阅读/修改程序。2.3 控制系统开发的相关技术2.3.1 液压控制系统技术在现代工业发展过程中液压控制系统有很重要的作用，机床中许多控制系统采用液压控制技术，因为其具有元器件不受严格的空间限制，安装较为灵活，传递平稳，易实现快速运动，反复换向等优点。根据注塑机的控制任务要求，由液压控制系统来实现注塑机的控制任务。在设计中要求用到各类液压元件，如电磁阀、泵、缸等；由各类液压元件构成基本回路，如速度控制回路、载荷与卸荷回路等，从而构成液压控制系统。

17、2.3.2 电气线路设计技术液压控制系统中各控制回路功能的实现，前期一般采用继电接触器控制线路，其特点是电工掌握的技能需要较强，熟悉各种电气线路，设计的控制线路要满足控制任务要求。电气线路设计主要以技术员的实际工作经验为主要的经验设计法，对于较为复杂的控制系统主要采用逻辑设计法来实现功能。本课题基本PLC为核心的控制系统设计，还是需要设计者较为熟悉得掌握电气线路设计方法，才能使控制系统实现各种要求。硬件系统中很多地方都需要电气线路方面的知识。2.3.3 PLC编程技术在机电一体化技术中，PLC控制技术是最为重要技术的之一，工业自动化的三大支柱产业是PLC控制技术、CAD/CAM和机器人技术。P

18、LC控制技术在自动化系统设计中占据重要位置。利用PLC进行编程的基本规则： （1）触点在左母线这边，右边是线圈，且线圈只能并联，不能串联。 （2）触点只能水平放置，不能垂直放置。 （3）输入、输出元件用八进制数表示，其它用十进制表示。 （4）同一段程序中不要出现相同的线圈名，否则输出只会默认最后一行结果。 （5）一般触点多的放左边，有利于节约存放空间。 （6）梯形图中的交叉线是连接线，不是电路图的串并联。 （7）线圈只能并联，不能串联，线圈不能直接接入左母线。PLC控制系统设计中包括硬件设计与软件设计。软件设计中一般以计算机程序设计类似，根据工作任务分析，设计出控制系统的工作流程图，在满足控制

19、任务要求后转入程序设计。一般程序设计中采用步进指令设计较为简单，对于功能不太复杂的工作任务可采用经验设计法。对此本课题涉及的注塑机控制系统设计中梯形图设计采用流程图画出控制任务要求后，利用步进指令转为梯形图的设计方法较为简单。2.4 本章小结本章主要介绍了注塑机的国内外发展状况与未来发展趋势，注塑机的主要组成和工作过程。及注塑机控制系统中涉及到的液压控制系统、电气控制系统和PLC编程技术的一些基本设计方法，这些理论分析为接下来的研究奠定了一定的基础。第39页（共38页）3 注塑机控制系统的需求分析设计一个控制系统需要满足客户的需求和市场需求、产品的成本和设备保养维修。让客户体验到该系统在实用时

20、的方便快捷的同时又可以买到价格合适的产品。本课题设计主要以注塑机的控制系统设计为例，介绍基于PLC技术下的控制系统的设计思想，设计出符合要求的控制系统，以掌握控制系统设计的全过程，这样能让自己的个人能力有一个质的飞跃。3.1 注塑机控制系统的设计目标从分析注塑机控制系统功能需求着手，研究基于西门子S7-200系列PLC的控制系统来实现注塑机的控制功能。该设计主要实现注塑机控制系统的控制程序、电气控制、硬件选型的设计。根据注塑机的生产工艺，采用PLC控制注塑机运动，应用上位机对注塑系统进行监控，显示该动作的运行情况，实现注塑的全过程。本研究课题以卧式注塑机为研究基础，对该注塑机的硬件进行了系统的

21、全面的论述，并在老师的指导和自己的努力之下，加深对注塑机控制系统的理解。对该系统充分分析之后，进行编程，使系统有良好的理论运行效果，从而模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程。学习、研究的过程中，很自然地就将理论应用到了实际中。注塑机工作流程：合模预塑倒缩喷嘴前进注射保压喷嘴后退冷却开模顶出工件开门取工件关门合模。 主要工作内容如下：（1）熟悉卧式注塑机液压传动和电气控制系统；（2）完成卧式注塑机PLC控制系统的设计；（3）掌握卧式注塑机的控制系统。3.2 基于PLC注塑机控制系统的设计需求分析注塑机在生产阶段一般按照如下动作顺序进行工作：原点（起始位置）合模整进注射保压延时预塑整

22、退启模顶出起始位置，依此顺序进行工作循环，其分析流程图如图3-1所示。图3-1 注塑机控制系统设计需求分析3.2.1 挤塑料进模框模块（1）运动分析注塑成型机的原料一般为颗粒状材料，需要进过加热融化成液态，打开模具腔，在螺杆的作用下把材料压进入模具腔。（2）软元件程序中用到得软元件有：输入续电器I、输出续电器O、状态续电器（3）流程描述首先是将颗粒状的原料倒入料斗，经过固定小口进入螺杆区域，在螺杆运动下加熔化料、边挤入模具腔内。此时要求模具腔是打开状态，熔化的原料才能进入模具腔。3.2.2 保压与冷却模块（1）需求描述加工中熔化的塑料在模具腔中进行成型时，必须使产品紧贴各壁面材料分布均匀，产品

23、在凝固收缩中使熔化的原料不断补充进入模具腔中，保持一定的压力，以至于降低产品成型的废品率。所以加工时必须把熔化成液态的材料进行保压处理，使进入模具腔的原料均匀成型，成型后的工件也不能立即开模取出，需要进行冷却以确保成型后的工件在开模过程中不会受到拉力而产生不合格品。（2）软元件程序开发中需用到的软元件：辅助继电器、定时器、状态继电器S元件、输出继电器。（3）流程描述塑料挤入模具腔后进行保压处理，一段时间后再冷却处理，冷却后注射座整体后退至初始位置。3.2.3 开模与产品顶出模块（1）需求分析工件成型后注射座整体后退到初始位置后，要把在模具腔内的产品顶出，即卸工件。设计中需要将模具进行开模，再将

24、工件顶出的工序。（2）软元件程序中要用到的元件：状态继电器、输出继电器。（3）流程描述开模过程要求按照慢速快速慢速的过程进行，得到较好产品质量。顶出产品时速度要求较均匀。3.3 统的非功能需求系统的非功能需求主要是指在计算机软件开发过程中减去必须的功能需求外的其他功能需求。比如系统使用环境、硬件条件等要求。这些需求都会影响到系统的设计。该控制系统的非功能性需求主要考虑的因素是实用性、执行性和安全性。3.3.1 实用性需求分析实用性需求是设计时需要考虑的十分重要的非功能需求。系统界面是厂家与开发部门之间进行信息沟通的方法，机器与操作工人进行人机对话的渠道，现代PLC控制系统中大部分采用了人机界面

25、的方法来提升操作的智能化。3.3.2 执行性需求分析执行需求是指在一定的时间和规定精度下，设计新产品对任务的执行情况。是该控制系统设计考虑的第二个十分重要的非功能需求，其中包括以下因素：前后两次故障间的时间间隔、任务的资源使用效率、执行速度、容量、结果的精确度等内容。3.3.3 安全性需求分析安全性需求也是该控制系统设计时需要考虑的非常重要非功能需求。安全性指的是设计的系统没有潜在风险和可承受风险的能力。注塑机控制系统的安全性设计主要考虑程序设计出来后非专业人员或者专业人士在操作中不小心使程序丢失或丢失部分程序使系统不能正常工作或出现故障等问题，一般程序拷入控制系统后会设置密码。在硬件设计中也

26、需要考虑超限位停止和急停等保护机器的功能，可以有效地保护机器不受损失。3.4 本章小结本章中主要通过分析注塑机控制系统各部件的需求分析，基于PLC控制系统分析及系统非功能需求分析。对注塑机的控制功能分为挤料入模腔模块、保压与冷却模块、开模与顶出产品模块进行分析。基本确定了之后软件开发时的步骤与目标。4 注塑机的液压系统设计与硬件设计4.1 控制系统的总体设计4.1.1 总体设计思路控制系统的总体设计应该遵循经济实用性、自动化与标准化、安全性与高效性等相结合的设计要求。4.1.2 研究路线本研究的主要设计路线是注塑机控制系统的液压系统设计，再是基于PLC控制系统的硬件系统设计，最后是PLC控制系

27、统的软件系统设计，共三大步骤。在设计液压系统时，主要以本课题研究有关的研究为主，以液压卸荷回路、方向控制回路、远程压力控制回路、多个电磁阀组成的快速回路等组成整体液压控制系统图，以实现研究要求。PLC硬件系统设计时主要以起动开关、功能切换开关、行程开关等作为输入端，电动机及各类电磁阀构成输出端，用电气线路组成主要控制回路，总的连接在一起组成硬件控制系统。PLC控制系统的软件设计时主要以设计流程图为主要任务，根据控制任务的要求，逐步分解各个功能模块，最终组合成控制系统的梯形图。设计时需要有总体框架设计图、自动控制流程图、半自动控制流程图、手动控制流程图，每个流程图都应该有相应的梯形图程序。综上所

28、述，可形成如图4-1所示研究路线图。4-1 控制系统研究路线图4.1.3 总的设计框架注塑机控制系统的设计应该先设计液压控制系统，实现控制任务要求的各项工序。PLC控制系统中主要组成部分是硬件与软件。系统总体架构图如图4-2所示。图4-2 注塑机控制系统总设计4.2 液压控制系统设计液压系统设计图如4-3所示。分别完成慢速保模、快速合模、慢速合模、低压慢速合模、高压慢速合模、注射座前进、慢速注射、快速注射、保压、预塑、防流涎、注射台后退、慢速开模、快速开模、慢速开模、产品顶出、顶出缸复位等工序。（1）五大合模步骤慢速合模步骤第一步关安全门，将行程阀23下位连接到控制系统。第二步按启动按钮，使得

29、电磁铁2YA、3YA、16YA得电。此时电磁阀1右位，大泵P1卸荷；电磁阀5右位，小泵P2为系统供油。在合模缸系统中，先导电磁换向阀24左位接控制系统，电磁阀27上位接控制系统，压力油进入合模缸左腔中，合模缸右腔里的油回流进入油箱，合模缸内的活塞向右移动，动模板向右移动，达到合模动作。快速合模步骤当行程开关SQ1被动模板上的挡块触到时，电磁铁1YA，17YA得电（电磁铁2YA、3YA、16YA保持原来的得电状态）。此时电磁阀1换为左位，大泵P1与P2共同为合模缸供油；电磁阀28换为上位，节流阀29不再为主油路提供通道，所以合模缸快速合模。由于P1、P2泵并联，液压系统的工作压力由溢流阀2限置压

30、力的大小。.慢速合模步骤当动模板上的挡块触到行程开关SQ2时，电磁铁1YA、17YA失电（电磁铁2YA、3YA、16YA继续保持得电状态），子系统完全恢复到慢速合模状态，此时，大泵P1卸荷，节流阀29接入控制系统，实现慢速合模动作。.低压慢速合模步骤当动模板上的挡块触到行程开关SQ3时，电磁铁15YA得电（电磁铁2YA、3YA、16YA仍保持的电状态），小泵P2为系统供油。电磁阀9换为左位，远程调压阀6接入系统，使系统变为低压，合模缸实现低压慢速合模。可以防止两模板接近时，中间夹杂着硬质异物使模具受到损坏。有效地保护了模具。.慢速高压锁模步骤当动模板上的挡块触到行程开关SQ4时，15YA失电，

31、液压系统恢复到慢速高压合模状态，图4-3 注塑机液压控制系统图其油路与慢速合模步骤完全相同。此时，合模缸中的活塞杆慢速前进，并带动双连杆增力机构将模具锁紧，完成锁模步骤。（2）注射座前进合模缸锁紧后触到终点行程开关SQ5，使电磁铁2YA、8YA得电（电磁铁3YA、16YA失电、电磁阀24换为中位，电磁阀27换为下位）。此时，小泵P2为系统供油，电磁阀4调整系统压力；电磁换向阀18右位接入液压系统，压力油经液控单向阀19进入注射座的液压缸右腔，缸的左腔开始回油，注射座整体向左移动，至注射喷嘴与浇口顶接时停止。液控单向阀19的作用是在注射座缸前进到位时将注射座锁紧，以防注射喷嘴与浇口接触的地方松开

32、，影响注塑产品质量。此时阀24均换为中位、阀25也换为中位，合模缸两腔油路都封闭在锁紧位置处。（3）两大注射步骤.慢速注射步骤当注射座缸将注射座整体移动到注射位置时，动模板上的挡块触及开关SQ6时，使电磁铁11YA、13YA得电（电磁铁2YA、8YA保持得电状态），电磁阀12左位接控制系统，电磁阀10换成右位，由小泵P2为系统供油，由远程调压阀8为系统调压。此时，压力油经电磁阀12、节流阀14进入注射缸右腔，电磁阀17为注射缸左腔回油，注射缸中的活塞带动螺杆前进实现慢速注射步骤。.快速注射步骤当动模板上的挡块触及行程开关SQ7时，使电磁铁1YA、9YA得电，大泵P1、小泵P2同时为系统供油，注

33、射缸中的活塞带动螺杆前进实现快速左移注射步骤。（4）保压当动模板上的挡块触及行程开关SQ8时，使1YA、9YA、13YA、14YA得电，同时时间继电器开始延时计时。由P2泵为系统供油，电磁阀9换为右位，远程调压阀7负责为系统调压。电磁阀17恢复中位、电磁阀12左位，压力油可经节流阀14进入注射缸右腔，为注射缸右腔补充泄漏的油完成注射缸保压步骤。（5）预塑当时间继电器计时时间到时，保压步骤完成，时间继电器发出信号使电磁铁1YA、12YA得电，电磁铁11YA、14YA失电（慢速注射步骤时的电磁铁2YA、8YA保持得电状态）。此时大泵P1、小泵P2同时为系统供油，电磁阀12右位接入系统，远程调压阀2

34、负责为系统调压。压力油被送入预塑液压马达，让预塑液压马达旋转，并带动螺杆转动，将送料斗中的颗粒原料送人料筒中，并被不断推至前端加热预塑。旁油路调速阀15调节螺杆转动速度。（6）防流涎螺杆退至预定位置，动模板上的挡块触及行程开关SQ9时，使电磁铁10YA得电（慢速注射步骤时的电磁铁2YA、8YA保持得电状态），电磁铁1YA、12YA失电，这时小泵P2为系统供油，远程调压阀4为系统调压，电磁阀17换为右位，注射缸右腔回油，左腔进压力油，使螺杆后退。此时注射座缸仍在左端，且由液控单向阀19锁紧，以防喷嘴流涎，影响最后产品质量。（7）注射座缸后退当动模板上的挡块触及行程开关SQ10时，电磁铁7YA得电

35、、电磁铁8YA、10YA失电(电磁铁2YA继续保持得电状态），压力油经电磁阀18左位进入注射座缸左腔并打开液控单向阀19，使注射座缸右腔油经液控单向阀19及电磁阀18左位回油，此时，注射座整体后退。小泵P2为系统供油，远程调压阀4为系统调压。（8）三大开模步骤.慢速开模步骤当动模板上的挡块触及行程开关SQ11时，使电磁铁2YA、4YA、17YA得电，小泵P2为系统供油，远程调压阀4为系统调压。电磁阀24右位，使电磁阀25变为左位，电磁阀28上位。这时压力油经节流阀26进入合模缸右腔，合模缸左腔回油，完成慢速开模步骤，由溢流阀26调节开模速度。.快速开模步骤当动模板上的挡块触及行程开关SQ12时

36、，使电磁铁1YA、2YA、4YA、16YA、17YA得电，大泵P1小泵P2同时为系统供油，远程调压阀2为系统调压；电磁阀27上位，压力油经节流阀27进入合模缸，不再经过节流阀26，从而完成快速开模步骤。.慢速开模步骤由动模板上的挡块触及行程开关SQ13时，完成的步骤与第一步完全相同。（9）顶出制品.顶出制品：当动模板上的挡块触及行程开关SQ14时，让电磁铁2YA、5YA得电，小泵P2为系统供油，远程调压阀4为系统调压。顶出缸左腔经电磁阀20左位及节流阀21进压力油，右腔回油。顶出杆向右移动顶出制作好的产品，由节流阀21调节其移动速度。.顶出缸退回当顶出杆到位将工件顶出后，动模板上的挡块触及行程

37、开关SQ15，使电磁铁2YA、6YA得电，电磁铁5YA失电，电磁阀20换为右位，小泵P2为系统供油，远程调压阀4为系统调节压力。顶出缸右腔进压力油，左腔经单向阀22回油，顶出缸的活塞退回初始位置。动模板上的挡块触及终点开关SQ16时，可将电磁铁2YA、6YA失电停止工作；也可将电磁铁2YA、3YA、16YA同时得电，开始下一次工作循环。4.3 电气控制系统硬件设计4.3.1 PLC硬件的选择（1）选择机型硬件选择一般需要考虑的因素主要有结构、功能及机型在线编程难易程度等。（2）选择PLC容量PLC的容量包括用户程序存储器的容量和I/O点数的容量。I/O点数是选择PLC机型的基础。PLC程序存储

38、器一般用步或字为单位，通常按经验公式进行预算。通常输入点数为实际点数乘10，输出点数为实际点数乘8，定时计数器为实际点数乘以2。一般情况下，一条逻辑指令占存储器一个字。计数、计时、移位、数据传输等指令占存储器两个字，其它的指令可查相关附表得到。（3）选择I/O模块PLC控制系统是一种工业控制系统，它主要控制的是工业生产设备。它与工业生产的联系是通过I/O接口来实现。PLC按控制要求其I/O表如表4-1所示表4-1 PLC的I/O分配表（输入）序号名称元件符号备注输入I0.0电机启动SB1启动按钮I0.1电机停止SB2停止按钮I0.2慢速合模到接近行程开关SQ1快速合模I0.3快速合模到接近行程

39、开关SQ2慢速合模I0.4慢速合模到接近行程开关SQ3低压慢速合模I0.5低压慢速到接近行程开关SQ4高压慢速合模I0.6高压慢速到接近行程开关SQ5注射座前进I0.7注射座到接近行程开关SQ6慢速注射I1.0单步SA1单步/连续选择开关I1.1连续I1.2模式选择SA2模式选择开关I1.3慢速注射到接近行程开关SQ7快速注射I1.4快速注射到接近行程开关SQ8保压I1.5保压到接近行程开关SQ9防流涎I1.6防流涎到接近行程开关SQ10注射座缸后退I1.7注射后退到接近行程开关SQ11慢速开模I2.0慢速开模到接近行程开关SQ12快速开模I2.1快速开模到接近行程开关SQ13慢速开模I2.2

40、慢速开模到接近行程开关SQ14顶出制品I2.3顶出制品到接近行程开关SQ15顶出缸退回I2.4活塞退回原始位置SQ16慢速注射I2.5手动合模SB5I2.6手动整进SB6I2.7手动注射SB7I3.0手动预塑SB8I3.1手动顶出SB9表4-2 PLC的I/O分配表(输出)序号名称元件符号备注输出Q0.0电机KM1接触器Q0.1电机KM2接触器Q0.2电磁阀YA1YA1Q0.3电磁阀YA2YA2Q0.4电磁阀YA3YA3Q0.5电磁阀YA3YA4Q0.6电磁阀YA4YA5Q0.7电磁阀YA5YA6Q1.0电磁阀YA6YA7Q1.1电磁阀YA7YA8Q1.2电磁阀YA8YA9Q1.3电磁阀YA9

41、YA10Q1.4电磁阀YA10YA10Q1.5电磁阀YA11YA11Q1.6电磁阀YA12YA12Q1.7电磁阀YA13YA13Q2.0电磁阀YA14YA14Q2.1电磁阀YA15YA15Q2.2电磁阀YA16YA16Q2.3降压启动KM综合上述所列，考虑选择STEP7MicroWINV4.0型号的PLC主机。用22V为交流接触器供电。用24V直流电为电磁阀供电。行程开关的选择要根据实验条件进行选择。4.3.2 PLC硬件接线（1）油泵电机线路液压系统中油泵用三相异步电动机驱动，是液压系统的动力元件，为整个注塑机提供动力。电动机的选择主要从功率、种类、型式、工作电压及其保护电器方面考虑。经查阅

42、资料，这里选用Y160L-4，其主要参数：额定电压U=380V，电流I=30A，额定功率P=15kW，额定转速n=1480r/min。电机的启动方式采用星三角起动，降低启动时电流对电网的冲击，使电机平稳启动。油泵电机启动的主电路如图4-4所示。三相电源经火线进入QS刀开关，再经保险丝FU，交流接触器主触头KM，进入电动机绕组。星形进行降压起动是KM与KM2同时得电，待电动机转速达到规定转速后变成三角形运行，此时KM与KM1同时得电。图4-4 油泵电机主电路图（2）PLC外部线路的表示液压系统控制过程中各动作间切换、各种操作、工作方式的转换等信号， 将在如下图4-5所示的PLC相关I/O接线中表

43、示出来。图中的输入信号（I）主要是各类按钮，例如：油泵电动机的开与关、工作方式选择按钮SA1与SA2、按工序工作至指定位置后行程开关信号等都是输入信号。输出信号主要是电动机的星型-三角型启动方式的线路，各个阀线圈。其中电动机的启动中用到了机-电一体化中的硬件互锁保护原料，用220V电压给线圈供电，用直流24V电压给电磁阀供电。考虑电动机的线圈工作中有可能会产生火花，在每个线圈都加上续流二极管，可以起到保护作用，以延长线圈使用寿命。图4-5 PLC主机外部接线图4.4 本章小结本章的内容是以PLC作为主要硬件设计，其设计步骤是必须先设计液压控制系统再设计电气控制系统。这样才能合理的设计电气系统。

44、本章主要内容是注塑机控制系统设计的总体设计思想介绍，设计由液压控制基本回路组成的液压控制系统图，设计了PLC控制系统之外与之相关的设备及I/O接线图，在最后对油泵电动机主电路的启动方式进行介绍并分析了工作原理。还设计了PLC主机的外围连接图。5 注塑机控制系统的软件设计注塑机控制系统的软件设计是本课题的重点内容，按课题要求，综合上面设计出的液压控制系统图设计注塑机控制系统的软件设计来实现控制注塑机完成预期目标。5.1 软件设计的整体思路系统软件设计是系统开发的核心，其开发过程就是将系统需求分析中的目标系统的构思转变为实际。根据课题的要求，设计过程分成：手动操作、半自动操作、全自动操作，如下图5

45、-1所示。以全自动操作为例可以将其分成：挤料入模腔、保压与冷却、开模与顶出三个子模块。 图5-1 软件设计整体思路图5.1.1 设计控制流程图根据计算机技术的思想编写出流程图，用方式选择开关实现手动与自动的切换，若选择手动环节则实现手动操作或调整操作；若选择自动控制则需要再次用方式选择开关实现半自动控制与全自动控制操作的选择。从而实现各种操作方式的控制。依照此想法按流程图的画法，方框为执行操作，棱形为条件判断，箭头代表变化方向，可画出图5-2所示流程图【3】。图5-2 注塑机PLC控制系统软件设计5.1.2 实现功能转换的方法梯形图设计的总体思路是：方式选择开关I1.0=1 时，手动操作方式被

46、执行； I1.1=1 时，自动操作方式被执行，可用控制指令CJ 来实现，形成如图5-3所示的程序结构图。梯形图的编程方式好几种，下面简单的介绍几种：用“起-保-停”的方法编写程序，即按条件起动然后保持该动作，下一个动作开始时阻断上一个动作；使用置位（S）和复位（R）来完成；比较常用的是STL步进梯形图。 图中的自动程序部分是利用切换开关的方式选择半自动方式还是全自动控制方式，与第四章的I/O 接线表中的I1.0（半自动）与I1.1（全自动）切换开关相一致。图5-3 注塑机的两种工作方式5.2 各个工作方式对应的功能5.2.1 全自动工作方式的功能全自动工作方式是指当操作人员选择了该工作方式后注

47、塑机按给定路线进行工作，实现全自动化生产，它的工作过程如图5-4的右边所示。操作中首先选择方式选择开关，即操作方式是手动操作还是自动操作。如果选择了自动操作则还需要在自动操作模式下选择全自动操作还是半自动操作。（1）顺序功能图顺序功能图的简称是SFC图，它是一种状态编程思想，是把工艺线路中需要被执行的动作作为一个状态点，需要有与之对应的执行动作。状态用状态继电器S表示，其中S0-S9表示初始状态，用双线框表示，有向线段表示状态变化方向；两个状态间的横线表示转换需要具备的条件，即构成顺序功能图的三要素。可用步进指令或“起-保-停”等方式将顺序功能图转化成梯形图。根据课题给出的控制任务功能分析与液

48、压系统图设计任务，控制任务完成动作对应的顺序功能图如图5-5所示。从上电开始进入初始状态，按启动按钮后，液压泵电动机星型-三角型启动，启动后可以进行手动操作完成部分操作。而自动控制操作部分则要完成以下动作：慢速合模快速合模慢速合模低压慢速合模慢速高压锁模注射座前进慢速注射快速注保压预塑防流涎注射座后退慢速开模快速开模慢速开模顶出产品顶出缸退回至初始位置。（2）梯形图顺序功能图转化为梯形图比较简单，有三种方法转换，本课题采用步进指令的方式将顺序功能图转换成梯形图。步进指令：STL表士步进指令开始，RET表士步进指令结束。每一个STL指令都有一个与之对应的动作，如S20状态表示电动机的油泵启动。结

49、束指令在所有状态都执行完成后使用。图5-4 注塑机控制系统路线图图5-5 注塑机的自动工作梯形图图 5-5 注塑机的自动工作梯形图（续表）依照顺序功能图中每个状态所示，其工作过程可做如下简述：1）油泵启动：状态为S20，这时大小油泵都供油。2）慢速合模：状态为S21，这时小泵供油、大泵卸荷。按下启动按钮，使电磁铁2YA、3YA、16YA得电。此时压力油进入合模缸左腔，合模缸右腔油流回进入油箱中，合模缸右腔中的活塞右移，带动动模板右移做合模动作。3）快速合模：状态为S22，这时大、小泵同时向系统供油。使得电磁铁1YA，17YA得电（慢速合模时的电磁铁2YA、3YA、16YA保持原来得电状态）。4

50、）慢速合模：状态为S23，这时大泵P1卸荷，使电磁铁1YA、17YA失电（慢速合模时的电磁铁2YA、3YA、16YA仍然保持得电状态），实现慢速合模动作。5）低压慢速合模：状态为S24，这时小泵P2向系统供油。使电磁铁15YA得电（慢速合模时的电磁铁2YA、3YA、16YA继续保持得电状态）。6）慢速高压锁模：状态为S25，使电磁铁2YA、3YA、16YA得电，小泵P2向系统供油。7）注射座前进：状态为S26，使电磁铁2YA、8YA得电，使电磁铁3YA、16YA断电，小泵P2继续向系统供油。8）慢速注射：状态为S27，使电磁铁11YA、13YA得电（使电磁铁2YA、8YA保持得电状态），活塞带

51、动螺杆前进进行慢速注射动作。9）快速注射：状态为S28，使电磁铁1YA、9YA得电，大小泵同时供油（电磁铁2YA、8YA保持得电状态），活塞带动螺杆快速左移进行快速注射动作。10）保压：状态为S29，使电磁铁1YA、9YA、13YA失电，电磁铁14YA得电，并将时间继电器开始延时计时，由小泵P2给系统供油。11）预塑：状态为S30，时间继电器时间到后发出信号使电磁铁1YA、12YA得电，使电磁铁11YA、14YA失电（电磁铁2YA、8YA保持的电状态），此时大小泵P1、P2同时给系统供油。12）防流涎：状态为S30，使电磁铁2YA、8YA、10YA得电，电磁铁1YA、12YA失电，此时小泵P2

52、给系统供油。13）注射座缸后退：状态为S31，使电磁铁2YA、7YA得电、电磁铁8YA、10YA失电，此时小泵P2给系统供油。14）慢速开模：状态为S32，使电磁铁2YA、4YA、17YA得电，此时小泵P2给系统供油。15）快速开模：状态为S33，使电磁铁1YA、2YA、4YA、16YA、17YA得电，此时大小泵P1、P2同时给系统供油，实现快速开模动作。16）慢速开模：状态为S34，使电磁铁2YA、3YA、16YA得电，小泵P2给系统供油。17）顶出制品：状态为S35，使电磁铁2YA、5YA得电，小泵P2给系统供油。18）顶出缸退回：状态为S36，使电磁铁2YA、6YA得电，电磁铁5YA失电

53、。顶出缸压到终点开关时可使电磁铁2YA、6YA失电停止工作，也可使电磁铁2YA、3YA、16YA同时得电，一个完整的工作流程完成，开启下一次工作循环。5.2.2 半自动工作方式的功能工作方式切换开关SA1控制半自动工作方式，当开关SA1接到上方时（即I1.0接通时）为全自动控制方式，当I1.1接到上方时为半自动控制方式。见图中最后I1.0、I1.1处程序流向。图 5-6 注塑机半工作流程图半自动程序设计的流程图中与全自动程序设计的流程图相比差别是在顶出产品后的动作，顶出缸后退至初始位置，这时如果返回到启动处，则表明是半自动工作方式，如图所示。如果返回的是合模处则为全自动工作方式。由于顺序功能图

54、与梯形图的设计和全自动控制方式十分相似，所以这里就不详细说明。5.2.3 手动工作方式的功能手动工作方式就是用按钮逐个操作实现各个步骤的移动，其主要用在调整安装时，便于注塑机控制系统的调整与安装。如果注塑机一开始没有在初始位置时，可以利用手动操作将其恢复到原始位置。输入端的方式选择开关选择SA2端点，即选择手动工作方式。注塑机的手动合模、手动注射台座前进、手动注射、手动预塑、手动顶出的手动动作分别由I2.5到I3.1对应的按钮控制。手动工作方式对应的手动操作程序如图所示。详细的介绍了手动操作过程。5.3 章小结本章主要内容是对PLC软件控制系统进行设计，开始介绍了软件设计的总体思路，并画出了清

55、晰的设计流程图，以便于软件设计的方便。之后以全自动工作方式为例列出了全自动工作方式各个工作步骤，之前第四章设计的液压控制系统图为基础，设计了控制系统工艺过程，画出对应的顺序功能图、梯形图程序。以全自动控制过程为例，半自动控制过程只是在终点返回时的方式开关选择不同，工作方式也就不同。按工艺还要求设计了手动控制部分得工作方式。6 总结本课题的研究方向是将计算机技术与塑料机械设备结合的自动化控制技术，通过对本课题的研究让自己达到对工程项目设计及应用能力的培养。本论文的选题的要素为 “机械设备-液压控制-PLC控制”共同形成自动化控制设备。本课题的研究问题是基于PLC注塑机控制系统设计，即可看做是注塑

56、机控制系统设计的核心技术PLC控制技术。随着机械行业的迅速发展，及自动化行业PLC的强抗干扰能力强等优点设计的一套“机械设备-液动控制- PLC控制”的注塑机自动化控制系统。设计的控制系统与早先研发的继电-接触器控制系统比具有较高的优点。例如控制精度更高，可靠性更强，安全性能更好，操作更方便，故障率更低等。在实际操作中作业人员操作发生错误的的概述也降低了许多。该系统即可以提高工作效率，也可以为企业带来更多的经济效益，是一款十分经济适用的自动控制系统。基于PLC注塑机控制系统设计首先要求在液压控制系统的条件下进行，液压控制系统具有传动平稳、传动力较大等众多优点。注塑机控制工艺要按其固定工艺来实现，其固定步骤如下：慢速保模、快速合模、慢速合模、低压慢速合模、高压慢速合模、注射座前进、慢速注射、快速注射、保压、预塑、防流涎、注射