基于S7-300-PLC注塑机控制系统硬件设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上厦门的大学本科生毕业设计（论文）题 目：基于S7-300 PLC注塑机控制系统硬件设计姓 名： 帅帅 学 号： 系 别： 电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2080级 指导教师： 酷酷 2080 年 2 月 30 日专心-专注-专业PLC在注塑机控制系统中的应用摘要塑料制品在现代生活中的使用是越来越广泛了，人们对塑料的品质要求越来越高，塑料制品的优越的地方有很多，质地轻、可塑性强、隔电、隔液体，所以对注塑过程和控制的要求精度也越来越高。现今的设计开发软件种类繁多，本文主要的内容是通过西门子S7-300对注塑机控制进行硬件设计。PLC控制的优点有很多，

2、耗能低、噪音小、操作灵活、控制方便、运行安全稳定、方便维修等。首先任务是对注塑机控制系统的工作进行分析，研究其流程、动作，通过西门子S7-300编程进行控制，学习使用西门子S7-300进行编写程序，学会地址分配，然后通过组态软件仿真。通过使用PLC对注塑机控制系统的设计，不仅能够达到原有的控制功能，而且还提高了控制系统的精度，而且还方便维修。关键词：注塑机，西门子S7-300，组态仿真Application of the injection molding machinecontrol system of PLCABSTRACTPlastics used in modern life is b

3、ecoming more widely, people are increasingly demanding high-quality plastic, a lot of the advantages of plastic products, light texture, plasticity, every electricity, water, etc., so the injection molding process and control accuracy requirements are also increasing. Today's wide variety of sof

4、tware design and development, the main content of this article is performed by the hardware design of the injection molding machine control Siemens S7-300. There are many advantages of PLC control, low energy consumption, low noise, flexible operation, easy to control, safe and stable operation, eas

5、y maintenance and so on. First task is the work of the injection molding machine control system is analyzed to study their processes, actions, controlled by Siemens S7-300 Programming, learning to use the Siemens S7-300 programming carried out, learn address assignment, then the simulation through t

6、he configuration software. By using the injection molding machine PLC control system design, not only to achieve the original control functions, but also improve the accuracy of the control system, but also easy maintenance.KEY WORDS: injection molding machine, Siemens S7-300, configuration simulati

7、on目 录第1章 绪论1.1 研究课题的意义随着社会的不断发展，塑料作为一种新型复合材料，混凝土，钢材，木材并称为四大辅助材料。塑料具有许多优良的特性，比如质量轻便、防水、隔电、耐化学腐蚀、可塑性高，塑料制品具有外形美观，方便加工和安装，具有优异的电气性能和化学稳定性，优异的吸收震动和噪音隔离效果的优势，可以很好的和金属、玻璃、木材多种材料相互胶结，这是因为塑料具有的许多优点，普遍使用在日常生活的各个领域。近年来，跟着大批国际新式注塑机投入中国市场，中国用户对外资注塑机的机能有更深的了解。个人觉得，研究基于PLC注塑机的控制发展，是一个重要的理论意义，而且还是具有非常高价值的研究课题。1.2

8、国内外研究现状第一个可以被称为注塑机是从1921年H,Buchhol制成的，推动塑料加工机械的辉煌是在1956年用螺杆塑化和利用可产生注塑压力的零件。到了20世纪80年代，在CAD / CAE / CAPP / CAM计算机应用技术在注塑机行业的普遍使用，增进了注塑机的高速发展和制造程度。通过20世纪80年代后的迅速发展，它不再是单一的活动控制，而且是包含熔体温度、注射压力、注射速度、保压时间，冷却进程和液压回路等参数的综合控制。在过去，注塑机主要使用开环控制，如今正在朝着闭环控制目标发展。在我国近几年的注塑机企业发展较快，尤其是小型、中型通用式注塑机正在逐步增加，显而易见的提高了制造技术，产

9、品规格也不断扩大，基本满足国内市场的需求。1.3 注塑机控制系统简介注塑机的控制系统是整个的一个重要组成部份，该机械的性能的长处和弊端不但在逻辑编程至关重要的影响。在我国的注塑机控制系统的控制系统中，主要有三种控制类型：（1）继电器控制（2）单片机控制（3）PLC控制在现代控制系统中，前面两种方法都不会采用，由于其本身的局限性的。然而，选用PLC控制系统，它是一种具备抗干扰能力，能在很多恶劣的情况下正常工作，有很强的可行性，并且工作时间长，故障少的工业控制机，而且可以和计算机网络操作联网运行。除此之外，PLC系统可以尽可能的缩短系统的设计，以加快工作进度。在这个设计中，我们采用了可编程控制系统

10、。目前，注塑机的发展主要集中在：（1）以提高产品的尺寸精度和稳定性（2）提高速度、缩短成型周期（3）生产过程的自动化和省力化的但所使用的技术手段，无法从基于计算机技术自动控制技术分离。所以，注塑机的控制已成为当前的注塑机发展中的一个非常重要的内容，主要包括动作程序控制（如闭模、开模、注射、保压）以及过程控制（例如，注射速度以及压力程序控制等）两个方面。1.4 本课题的主要内容注塑机是一种具有复杂的外形，精确的尺寸塑料生产设备。它在生产制造塑料制品的过程都会有一些工作流程，本课题的主要内容是研究注塑机在生产工艺的各个阶段，并且通过PLC去完成对注塑机控制系统各个阶段的硬件设计，最后通过仿真软件进

11、行仿真。第2章 注塑机介绍2.1 注塑机的工作原理 注塑机的全称为注塑成型机。图2-1 注塑机的整体构造注塑机的工作原理是将粒状或粉状塑料，从注塑机的物料斗送进已加热的具有一定温度的物料筒中，然后在电机的外力作用下，利用螺杆或者是螺塞的螺旋推动，物料会沿着螺杆的螺槽向前方输送，通过物料斗筒前端的喷嘴，将融化状态下的塑料注射到闭合的模具中，并紧紧压实，塑料熔料在受到压力的情况下保持定型，然后冷却以及固化，制成目标的塑料制品，最后再开启模具，通过顶出装置把冷却固化好的塑料制品给顶出来。以上为注塑机工作的一个周期。图2-2 注塑机的工艺流程图2.2 注塑机的组成注塑机注射系统合模系统加热、冷却系统液

12、压系统电气控制机身加料装置合模装置、调模装置、顶出装置液压马达、阀、泵、冷却器、储能器电器、电子元件、仪表、加热器、传感器等组成塑化装置、动力传动装置图2-3 注塑机的组成简图它主要由注射装置、合模装置、液压装置、电气控制装置四大部分组成1。2.2.1 注射装置部分注射装置的主要作用是将粒状或粉状塑料，在塑化部件中的螺杆经过外部的液压马达带动主轴旋转，以螺纹将质料向喷嘴侧运送，此间并通过向料筒加热加温，以及螺杆的旋转与质料发生的磨擦剪切所产生的热量，被原料吸收，从而使原料塑化成熔化状态，并且施加以一定的速度和压力，将一定量熔化状态下的塑料通过喷嘴注入到模具中。其中，注射装置重要的有塑化部件、料

13、斗、计量装置、螺杆传动装载以及注射液压缸和射移液压缸、传动装置构成。塑化部件有柱塞式和螺杆式两种，因为螺杆式比较经常使用，螺杆式塑化部件，主要有螺杆、料筒、喷嘴等组成，其作用是：在旋转推进的过程中，把熔融的物料实现均匀的塑化和定量注射。图2-4 螺杆式塑化部件的结构简图1-喷嘴；2-螺杆头；3-止逆环；4-料筒；5-螺杆；6-加热圈；7-冷却水圈 其工作的原理：预塑时，螺杆旋转，将从物料口中放入的物料连续的向前推动，加热圈在料筒外进行加热，固态的物料在外加热和螺杆旋转剪切的作用下，使物料达到塑化和熔融的形态，此时融料推开止逆环，经由螺杆头的周围的通道流入螺杆的前部，并产生反向的作用力注射时在油

14、缸的作用下，螺杆迅速的前行，将物料室中的熔体通过喷嘴注入到模具。2.2.2 合模装置部分合模装置是保证成型模具能够安全可靠地闭合和达到模具的打开、闭合动作，并顶出成型的塑料制品。因为在注射的时候，注射进入模具中的熔化状态的塑料还是会具有一定的压力，这时，模合装置就会供给模具以足够的锁模力，以防止在熔化状态下的塑料进入模腔产生的模腔压力，在模腔的压力下，使模具被打开或是开缝，从而造成塑料制品溢边或使制品精度下降的不良现状。合模主要是动办与定版闭合，动模板在合模油缸的作用下以四根拉杆为导向做启闭模运动。模具的动模板装在动模板上，而定模板装在前模板上，当模具紧闭后在合模油缸的作用下，产生额定的和模力

15、来锁紧模具，避免模具注入高压熔融的物料时，模具的型腔张开2。其它的还包括调模机构（用来调整模具的厚度）、顶出机构（用来将产品顶出）、安全门（用来保证操作人员的安全）。2.2.3 液压系统注射成型机是由塑料熔融、模子闭合、注射入模、压力保持、制品固化、闭模取出主品等工序所组成的连续生产过程，液压和电气主要是为注塑机实现各种动作提供动力，满足注塑机各部分所需压力、速度、温度等的要求，准确无误的进行工作而设置的动力和控制系统3。油泵是注塑机的动力来源，传动媒介为液压油，执行机构为各类油缸、液压马达，通过比例压力阀（控制压力变化）、比例流量阀（控制速度变化）、方向阀等控制阀来控制油压和流量，辅助装置有

16、油箱、管路、冷却器、蓄能器。2.2.4 电气控制系统电气控制是注塑机的“大脑”，它控制着注塑周期的顺序及维持进程温度、时间、压力及速度于设定值。电气部分主要由动力、动作程序和加热等控制所组成。主要由计算机及接口电路、和很多的检测元件所组成的闭环调节系统。第3章 PLC介绍3.1 PLC的发展 世界上第一台可编程控制器生产与1969年的美国，至今为止，已经发展到了第四代了，与第一代相比，无论是大小，精确度还是速度都有了很大的提升。 第一代PLC：基本上是使用一位机开发，采用的是磁芯存储器保存，只具备简单的逻辑控制功能，机形简单，没有构成系列化。 第二代PLC:选取8位处理器，增添了数学的运算、传

17、送、比较等功能，可以达成模拟量的控制，开始具有自诊断的功能，初步的构成了系列化。 第三代PLC：随着高性能的未处理器及位片式CPU在PLC中的大批利用，PLC的处理的速度上有很大提升，因此促使它向多功能及联网通讯目标发展，增加了多种特殊的功能。 第四代PLC：不单全面的选用了16位与32位的高性能位片式处理器，处理速度更加的快，并且具有逻辑运算能力，数据处理功能，联网通讯功能。3.2 PLC的特点可编程控制器的发展是基于生产控制的必要，是面向工业控制的专用的设置，具备以下几个特征。 (1)可靠性强，抗干扰的能力强。 (2)灵活性强，具有良好的控制柔性。 (3)编程简单，方便使用。 (4)控制系

18、统易于实现，开发工作量少，周期短。 (5)维护方便。 (6)体积小，能耗低。(7)功能强，性价比高。3.3 PLC的分类PLC 的分类形势有很多种，这里重点介绍以下几种分类方式，这也是最普遍的几种分类方式。(1) 按点数分（点对PLC来说是所有的输入和输出点的总和）。大型：点数大于2048。中型PLC：点数在256和2048之间。小型PLC：点数在256点以下。微型PLC：点数在几十点。(2) 按结构分整体式：CPU 内存 I/O 电源放在一个模块中。模块式：CPU 内存 I/O 电源放在多个模块中。按厂家分：西门子、欧姆龙、三菱、LG、ABB。3.4 PLC的基本结构以西门子S7-300为例

19、，可编程控制器主要包括导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理器模块(CPU)、接口模块(IM)、输入输出模块(SM)。各个模块的功能分别是：1.导轨导轨是放置可编程控制器各种模块的机架，可根据实际需要采取。2.电源模块电源模块对于PLC内部电路供电。3.CPU模块CPU模块有多种型号，它是可编程控制器的运算控制核心。他按照系统流程的要求实现如下指令：接收并存储用户程序和数据，接受现场输入设备的状态和数据，诊断PLC里面的电路工作状态和编程过程中的语法不对，实现用户程序规定的运算任务，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制或数据通信等功能。4.输入输出模块输入输出模块是C

20、PU模块与现场输入原件或配置连接的桥梁，用户可根据现场输入/输出原件选择各种用处的I/O模块。一般PLC都有配置I/O的电平转换装置以及电气隔离装置：输入电压转换是用来输入端不同电压或电流信号，转换成微处理器所能接收的低电平信号，输出电平转换是用来将微处理器控制的低电平信号，转换为控制设备所需的电压或电流信号。电气隔离是在微处理器与I/O回路之间采用的防干扰设施，输入输出模块既可以与CPU模版放置在一起，又可远程安装。3.5 PLC的工作原理PLC实现控制的过程一般是可分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。PLCCPU输入外设输入模块输出模块输出映像区用户程序输入映像区输出外设输入采样程序

21、执行输出刷新图3-1 PLC工作流程1.输入采样阶段PLC在输入采样阶段，开始，要扫描全部输入的端点，并将各个输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器会刷新。而后，进入程序执行阶段和输出刷新阶段，在这个阶段输入映像寄存器与外界隔离，不管输入情况如何变化，其内容保持和原来一样，直到下一个扫描周期的输人采样阶段，才重新写入输入端的新内容4。所以通常来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，不然极有可能造成信号的损失。2.程序执行阶段按照PLC梯形图程序扫描的原则，正常来讲，PLC的工作都是按从左到右、从上到下的步骤顺序执行程序。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存

22、器中“读入”采集到的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”相应元件的当前状态。继而，开始对应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来讲，每个元件的状态会随着程序执行过程而变化。3.输出刷新阶段在全部指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态(接通断开)在输出刷新阶段都会转存到输出锁存器中，经过输出端子和外部电源，驱动外部负载。第4章 注塑机方案设计4.1 系统工艺流程设计系统的总体工艺流程图如图4-1所示。 图4-1 注塑机控制系统工艺流程图按下启动开关，注塑机开始工作，先确认准备工作，确认安全后，开始下料，下料工作结束后开始加热备料，确认加热完成后，开始闭模工

23、作，当确认闭模完成后，注射台开始移动，注射台到位后螺杆启动，开始加料，同时开启液压加压。当加料工作完成后，液压使制品通过定时器保压一段时间，到达设定的时间后，注射台开始退回，注射台退回后，模具开始打开，开模到位后，开始制品顶出工作，顶出完成后落下制品，顶针退回，便实现一个注塑生产周期。4.2 注塑机的控制要求模具、注射台等的动作必须平稳，准确，以保障塑料制品的精度，以防溢边或是注射泄漏。熔体的温度误差不能大于5。制品顶出速度要平稳，以保证成品制品不受损。保压及压力可调当熔融塑料依次经过机筒、注射嘴、模具浇口和模具型腔完成注射后，需要对注射在模具中的塑料保压一段时间，以保证塑料紧贴模腔而获得精确

24、的形状，另外在制品冷却凝固而收缩过程中，熔化塑料可不断充入模腔，防止产生充料不足的废品。保压的压力也要求根据不同情况可以调整。要有手动/自动两种模式。第5章 硬件设计因为我设计的注塑机程序有14个数字量输入口，10个数字量输出口，所以我需要放置1个16位的数字量输入模块，1个16位的数字量输出模块，再放置一个模拟量输入模块和一个模拟量输出模块。注塑机控制系统S7-300模块间连接图，如图5-1所示。图5-1 S7-300模块间连接图注塑机控制系统数字量输入模块接线图，如图5-2所示。图5-2 数字量输入模块接线图注塑机控制系统数字量输出模块接线图，如图5-3所示。图5-3 数字量输出模块接线图

25、第6章 软件设计6.1 S7-300硬件组态6.1.1 使用向导创建项目创建新项目最简单的方法就是使用“新建项目”向导。创建步骤如下：双击打开“SIMATICManager”，在“文件”菜单下点击“新建项目向导”，如图6-1所示。勾选“在启动SIMATICManager时显示向导”选项，则每次启动SIMATIC管理器时将自动显示“新建项目”向导；点击“预览”按钮可在项目向导下方预览项目结构。图6-1 “新建项目”向导点击“下一个”进入CPU选择对话框，如图6-2所示。每个CPU都有各自的特性，所选择的CPU必须满足自动化系统的需要，并配置MPI地址。本文选择CPU315-2DP，设置MPI的地

26、址为2，CPU的名称为：CPU315-2DP,如图6-2所示。图6-2 选择CPU的型号点击“下一步”按钮，进入组织块和编程语言的选择对话框，如图6-3所示。如图6-3 选择组织块和编程语言点击“下一个”按钮，进入最后一步。在“项目名称”输入“zhusuji1”，如图6-4。点击“完成”按钮完成新项目的创建，并回到SIMATIC管理器。所建项目如图6-5所示。图6-4 项目名称如图6-5 利用向导所所建的项目6.1.2硬件组态在刚建立好的项目中点击"SIMATIC300站点",在右侧的窗口中双击“硬件”。如图6-6所示图6-6硬件配置1. 插入电源模块在图中选中槽号1，然后

27、在硬件目录中展开PS-300子目录，双击“PS3075A”图标则插入了电源模块，如图6-7所示。图6-7插入电源模块2. CPU模块参数的修改在向导中已选择CPU315-2DP,在这里不需要进行选择，双击CPU315-2DP,可打开CPU属性窗口，如图6-8所示。图6-8CPU模块名称的修改点击“属性”按钮可打开CPU接口属性对话框，如图6-9所示。图6-9 选择子网可在“属性”按钮打开MPI属性对话框，在“网络设置”选项卡中设置传输率。如图6-10。图6-10设置传输率3. 插入数字量输入模块选中槽4，在SM-300子目录下的DI-300子目录，双击SM321DI16*DC24V图标,插入数

28、字量输入模块，如图6-11。图6-11插入数字量输入模块4. 插入数字量输出模块选中槽5，在SM-300子目录下的DO-300子目录，双击SM322DO16*DC24V/0.5A图标,插入数字量输入模块。如图6-13所示。图6-13插入数字量输出模块5. 模拟量输入模块选中槽6，在SM-300子目录下的AI-300子目录，双击SM331AI8*12Bit图标,插入模拟量输入模块。如图6-14所示。图6-14 插入模拟量输入模块双击修改输入参数，如图6-15所示。图6-15 模拟量输入模块参数修改选中槽6，在SM-300子目录下的AI-300子目录，双击SM332AO4*12Bit图标,插入模拟

29、量输入模块。如图6-16所示。图6-16 插入模拟量输出模块6. 编译硬件组态可在“站点”下点击“一致性检查”可检查是否存在组态错误。若果没有错误点击工具完成保存与编译。成功后会生成一个“S7程序(1)”文件夹。如图6-17所示图6-17 编译硬件组态7. 添加模块在站点的S7程序下点击“块”，在空白处点击右键，可以添加所需要的块，如图6-18所示。图6-18 添加模块然后再相应的块上编写相应的程序。详细程序见附录。6.26.2.1 模拟调试由于客观条件的限制，只能对部分系统进行模拟调试。仿真调试时，按信号装置的运行条件，依次设置输入信号，并观察输出正确与否，同时可通过组态监控工作状态，在组态

30、界面中的电动阀动作界面上观察指示灯的状态，启动完全靠手动来控制。连接设备打开WinCC工程管理器 变量管理右键，添加新的驱动程序，如图6-19所示，选择SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE。图6-19 添加西门子S7-300驱动在其下的MPI下右键，选择新驱动程序的链接，选择属性。然后根据自己的step中硬件组态将机架号（设置0）和插槽号(设置0)，如图6-20。设置好（顺序：2，0，0，0），确定；再从MPI右键选择系统参数，单元，然后选择逻辑设备名称选择MPI的选项，如图6-21。图6-20 驱动设置图6-21 MPI参数设定将程序的变量建立或粘贴到MPI驱动方式的下面，如图

31、6-22所示。图6-22 变量表的插入将winCC启动项里面的变量记录，图形编辑器等有用项选上，将wincc运行，点击工程管理器中的工具，“驱动程序连接状态”里面是否为“正常”，如图6-23所示，如正常则证明winCC与仿真plc 已建立通讯，但前提是你的仿真plc必须运行且打在run 或run-p状。图6-23 查看通讯状态6.2.2 应用部分1.根据本设计的内容要求在组态软件中绘制工作界面：在WinCC的“图形编辑器”中新建一个画面。如图6-24所示：图6-24 新建画面2.进入编辑器后，根据所需要的功能以及注塑机的基本结构，添加右侧的对象，对画面进行设计，完成本设计的初期工作。如图6-2

32、5所示。图6-25 注塑机的主画面设计第7章 控制系统的调试与仿真7.1 程序调试1、选择合适的CPU外电路，根据信号系统要求以及I/O资源配置进行模拟连接，输出端组态模拟即可；2、使用编程软件进行编程。本系统仿真的主要示意图：1.注塑机控制系统初始状态示意图如图7-1所示：按下启动开关，在程序中调用热启动模块OB100,将参数初始化，为转换的实现提前作好准备。图7-1 注塑机控制系统初始状态2.设定完液压的压力值和料筒的温度，料筒的实际温度低于料筒温度的设置值，开始对料筒外部进行加热，如图7-2所示。图7-2 注塑机正在对料筒加热3.当温度达到设定值后，开始合模工作，如图7-3所示。图7-3

33、 注塑机合模动作仿真4.合模阶段达到指定位置后，开始注射台推进动作，如图7-4所示。图7-4 注塑机注射台推进动作仿真5.推进注射台完成后，开始执行注射动作，如图7-5所示。图7-5 注塑机注射动作仿真6.当注塑机的所有预塑动作完成后，并且完成注射器退回、开模动作后，开始顶出动作，如图7-6所示，完成顶出动作后，顶针返回，完成一个工作周期，控制程序基本满足本设计要求。图7-6 注塑机顶出动作仿真结论通过这次的毕业设计，使我学习了如何正确完整的使用西门子S7-300这个编程软件，学会设计，学会编程，使我不再仅限于老师讲的书本上的知识或是表面理论上的只是，使我知道了如何学以致用，如何将理论的知识运用与实际当中，知道自己懂得什么只是，也知道自己欠缺什么。通过这次设计，也提高了我自身的问题解决能力，遇到困难、问题的时候，会通过询问老师、找同学或是查阅有关的书籍文库等。这不仅仅是提升了自身的知识层面，还提高了自身的问题处理能力和动手能力，学会了吃苦耐劳，学会了耐心，同时我的细心程度、发现问题能力也有了很大的提升。或许，完