塑料注射成型机PLC控制系统设计

摘要注塑机控制系统是注塑机整机的一个重要组成局部，其性能优劣对整机至关重要。本论文首先确定了注塑机控制系统的设计方案及思路，经过与单片机控制、微机控制、继电接触器控制等控制系统相比拟，决定采用PLC来实现对注塑机各动作的控制。确定了PLC输入和输出接口的属性，将注塑机的所有检测开关、限位开关、手动操作开关和主令开关等，进行确切地分类和编号，从而确定了I/O口的数量。根据输入输出的数量、类型确定PLC的型号为FX2N-MR。完成了注塑机主电路和控制电路等硬件电路的设计。软件设计方面，根据注塑机各个动作制出注塑机的工艺流程图。根据此工艺流程图，设计出注塑机的动作流程图，根据动作流程图写出注塑机的状态转移图，并依据状态转移图写出步进梯形图。关键词：注塑机，控制系统，状态转移图，步进梯形图目录TOC\o"1-2"\h\z\u摘要II第一章绪论11.1塑料机械行业概述11.2国内外注塑机的研究现状11.3注塑机的开展趋势3第二章注塑机系统概述52.1注塑机的组成52.2注塑机的分类6注塑机控制系统的抗干扰措施7第三章注塑机控制系统的设计方案和思路103.1注塑机控制系统设计的主要内容和工艺分析103.2设计的思路和方案11第四章注塑机的PLC控制系统硬件和软件设计144.1输入输出点的继电器属性144.2PLC机型的选择154.3输入输出地址分配表164.4主电路的设计184.5控制电路的设计194.6注塑机的动作流程204.7程序设计24第五章总结与展望34结论34展望35致谢36参考文献37第一章绪论1.1塑料机械行业概述从20世纪50年代技术创新推出了螺杆式塑料注射成型机至今已有50多年的历史。目前在工程塑料业中，80%的塑料制品采用了注射成型。近年来汽车、建筑、家用电器、食品、医药等行业对注塑制品日益增长的需要，更推动了注射成型技术水平的开展和提高。我国塑料机械自2005年起已跃居世界第一的位置，2006年我国塑料机械工业总产值首次突破200亿元人民币，2023年我国塑料机械制造工业总产值达421.06亿元，同比增长63%，2023年行业工业总产值首次突破500亿元，国产塑机占国内塑机市场份额提升至77%。与全国23个主要机械行业横向比照，2023年我国塑料机械规模以上企业平均主营业务收入利润率已跃至首位。1.2国内外注塑机的研究现状从注塑机问世起，锁模力在1000-5000kN、注射量在50-2000g的中小型注塑机占绝大多数。到了20世纪70年代后期，由于工程塑料的开展，特别是在汽车、船舶、宇航、机械以及大型家用电器方面的广泛应用，使大型注塑机得到了迅速开展。其中以美国最为明显，在1980年全美国约有140台10000kN以上锁模力的大型注塑机投入市场，到1985年增至500多台。日本名机注塑机公司成功地制造了当今世界最大的注塑机，其锁模力到达120000kN，注射量到达92000g[1]。20世纪80年代以来，CAD/CAE/CAPP/CAM计算机应用技术在注塑机制造业的广泛应用，促进了中国注塑机研发和制造水平的高速开展。中国一批国家级高新技术企业都相继引进美国EDS公司的UGS软件和PTC公司的计算机辅助设计和分析等软件，实现了三维立体参数化建模，机构运动仿真，对关键零件分析，对高应力区的应力分布、应力峰值、危险区域等进行准备的分析计算，帮助设计人员迅速地了解、评估和修改设计方案，保证了重要零件的结构合理性和可靠性；实施了CIMS工程，实现了生产方案、物料、本钱等计算机集成管理；引进IMAN系统，实现了产品技术数据的创立和跟踪，产品结构和版本，产品属性和关联数据的查询以及信息传递等计算机集成管理。目前，国外注塑机控制系统系透过多个微处理器分工，融合先进的硬件及软件技术而成。控制系统的设计，特别注重机器与操作者的沟通，使操作者更容易掌握及发挥机器的各项功能。多种语言显示功能，突破了语言障碍。此外，还配置了许多高级的控制功能。例如，塑料注射模腔过程专家系统、智能识别模腔塑料注射保压点切换、自动设定注射压力参数和注射速度参数、智能调校锁模参数等。例如，美国一家著名的注塑机公司CincinnatiMilacron，百余年来不管在机械制造技术、设计开发、研究开展方面，都走在世界前列，该公司制造的VISTA系列注塑机应用了航天工业的特殊技术材料、尖端控制系统及液压技术。又例如美国穆格公司研制的PC28注塑机控制系统和MOOG2000注塑机电脑控制系统，具有工业控制机的所有功能，全套注塑机输入输出驱动和检测控制接口及注塑机控制程序软件。香港华大机械设备生产的C2系列注塑机，在日本厂商配合下开发了CIMtrol电脑控制系统，该控制系统有较全面的注塑机电脑控制功能，使操作者能表达现代化注射成型工艺控制的优越性能。与兴旺国家相比，中国的精密注塑机控制系统开发研究显得微乎其微。在技术研究上投入的人力、物力较小，而这方面的技术研究涉及面广，牵涉机械设计、液压传动系统、计算机控制技术水平以及化工高分子塑料等学科的综合性研究。中国塑料机械行业在应用高新技术、提高技术水平以及在推广应用机电一体化等方面，虽然已经取得了较大进展，并有局部企业已经开始采用微电脑控制，并且能够应用闭环控制技术，但西方兴旺国家应用这种技术已相当普遍，而且能够采用开环与闭环并用的控制技术，并将一些高性能注塑机控制系统取代传统的旧式继电器控制，因而大大提高了产品的精度、质量、稳定性和可靠性。近年来中国的工程塑料应用开展得很快，而工程塑料制品的精度要求高于其他塑料制品。例如生产一个仪表上用的小模数聚碳酸酯齿轮，要求各节点重复精度到达0.05mm以上，制品收缩率控制在1%以下。因此除了对注塑机本身的加工精度要求苛刻外，精密可靠的控制系统、液压系统和精密元件也是精密注塑的关键所在。1995-2023年这15年间，中国的汽车工业、原材料工业、电子工业、交通运输业以及包装工业等将大力开展，因而对大型、超大型注塑机的需求日益增多。例如被列入中国支柱产业的汽车工业，不可能等到中国有了自行设计制造的高精度注塑机再进行汽车生产，故这些高精度注塑机只有依赖进口；再例如中国是一个木材资源相当贫乏的国家，建筑用的塑料门窗仅占门窗总量的1.2%左右，这和德国塑料窗已占其窗总量的50%左右相比，可以看出，中国塑料门窗的开发潜力是十分巨大的。综上所述，中国精密注塑机和控制系统研究要根据自身的客观条件，如技术力量、资金等，开发新产品，加强高新技术的应用和提高控制技术水平，逐步缩小中国与其他兴旺国家的差距。1.3注塑机的开展趋势中国塑机产品每次参加塑机展览会，不管在规模上还是在技术上，都有不同程度的进步，一些产品正在逐步缩短与兴旺国家的差距，各别产品〔如注塑机〕处于世界领先水平。因而在最近几届国际橡塑机械展览会上，受到国外友好客商的好评。从中国塑料机械工业总体水平看，不管是管理水平、技术水平、产品品种、应用高新技术以及产品档次等方面，都与兴旺国家差距较大。为缩小差距，防止将中国广阔的塑机市场拱手让给他人，以下几点应是中国塑料机械行业的长远开展方向。〔1〕配合塑料加工行业，加速高新技术的应用。〔2〕为提高中国塑料机械的控制水平和技术性能，应更加速应用微电脑技术和高精度元件。〔3〕在模具设计和加工技术方面，更加速推广应用CAD/CAM/CAE技术，使中国的模具制造水平在不长的时间内，进入世界先进行列。〔4〕塑机行业要进一步加强专业化分工。〔5〕加强塑料机械企业自身的技术改造。从目前的国际水平来看，注塑机的移模速度已从过去的20-30m/min提高到40-50m/min，高的甚至到达70m/min；注射速度从过去的100mm/s提高到现在的250mm/s，有的到达450mm/s。日本制钢所研制的电动型注塑机到达900mm/s。注射压力从过去的120-150Mpa提高到目前的180-250MPa。日本的SN120P机已到达460MPa，它生产的制品收缩率几乎为零，制品公差可保证在0.02-0.03mm，壁厚可到达0.1-0.2mm。节能方面，从过去的流量比例和压力比例控制开展到变量控制或定量控制。变频调速系统、伺服控制技术的注塑机，其能耗仅为传统机器的30%。注塑机的高效率主要表达在工作节拍快，制品周期短，普遍比过去提高24%以上。高效注塑机的开模与预塑一般都是同步完成，开模过程中同时完成了抽芯和顶出。日本展览会上最快的注塑机，其工作周期只有1s。注塑机的控制技术历经了继电器、接触器控制及可编程控制器控制和专用计算机控制的开展过程。自20世纪60年代末美国费洛思公司首先应用计算机控制技术开始，经过20世纪80年代以后的高速开展，它已经不再是简单的动作控制，而是包括熔体温度、注射压力、注射速度、保压时间、冷却过程及液压回路等各种参数的综合控制。注塑机过去大多数采用开环控制，目前正在向闭环控制方向开展。德国克劳斯马菲公司的PM控制系统，通过合模力、模腔压力和充模过程的控制，使制品质量的误差精确到0.15%。注塑机开展的重要特点是向精密化、低噪音、高效率、节能和高度自动化方向开展，在控制系统设计方面，采用全闭环伺服电机为驱动的伺服液压执行阀，配合压力传感器和激光测量尺，做到压力和速度全闭环。这就要求注塑机控制系统有较高的品质指标。综上所述，现代注塑机的开展正朝着以下几个方向开展。〔1〕采用数控和数显装置。借助电子技术的快速开展，利用微处理器控制技术，对注塑数据的输入、循环程序的编程可以在控制面板显示器上直接输入，同时对设备锁模、注射等的位置、动态过程、输出的不同压力、速度进行监控、反响，形成闭环控制。〔2〕节能方面采用节能的泵源电路〔功率匹配泵源电路、负载敏感回路等〕，采用高效节能的控制元件〔插装阀、叠加阀、多功能阀、比例阀、伺服阀、数字阀等〕，采用变频调速装置对液压马达进行调速。〔3〕低噪声，无污染〔全自动注塑机〕。〔4〕实现自动化、无人化、低本钱化。为实现注塑自动化，除了采用机械手、输送带等，出现了自动换模系统，它对注塑机的要求：①高性能的个人计算机〔PC〕系统；②具有模具注塑程序记忆系统；③稳定的机械结构；④简洁及明朗的机体；⑤足够的换模空间。〔5〕除了普通的注塑机外，另外注塑机正向着两极方向开展：①朝着高压、巨型注塑机方向开展。注射量达170kg，锁模力可达万吨以上。②[2]。第二章注塑机系统概述2.1注塑机的组成注塑机的具体组成局部有：液压油路系统，合模系统，射台移动系统，加热冷却系统，润滑系统，电气控制系统，平安保护、监测系统以及供料等辅助系统。2.1.1注塑机液压油路系统注塑机的液压油路系统由油泵、油泵电机、滤油器、油箱、油管、油温冷却器、比例压力阀、比例流量阀、开关阀、液压马达等各种液压元件组成，还包括一些辅助元件和密封件。注塑机系统设计采用了比例压力阀和比例流量阀，可实现压力和流量的多级控制，具有油路简单、效率高、系统稳定性良好、冲击少和噪声小等优点。2.1.2注塑机合模系统合模系统的作用是推动模具进行开合运动，使动模板作启闭模往返移动，锁紧模具的力要大于注射压力，使塑料制品没有飞边。合模系统主要由四根拉杆和螺母把前后模板联接起来形成整体刚性框架。动模板装在前、后模板之间，后模板上固定合模油缸；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。模具的动模装在动模板上而定模那么装在前固定模板上。当模具闭合后，在合模油缸压力作用下，产生额定合模力。锁紧模具，防止模具注入高压熔融时模具的型腔张开。当合模时，模具拉杆和前、后模板形成力的封闭系统到达平衡状态。注塑过程合模动作包括：关平安门、锁模、注射、保压、溶胶、冷却、抽胶、开模、顶出制品等。在动模板的后侧装有液压及机械顶出装置。动模板在开启模具时，可通过模具中的顶出机构，从模腔中顶出制品。在动模板或定模板上还装有调模机构，以便在一定的范围内调节模具厚度。在液压机械式合模机构中，还要通过调模机构来调试合模里的大小，以防止超载。合模框架的前后侧设有平安罩、平安门以及液压、机械平安保护装置。为了确保平安，一般都用液压装置和电气限位开关同平安门双重连锁，当只有平安门闭合时才能进行闭模动作。2.1.3注塑机注射系统、射台移动系统注塑机注射系统的作用是使物料塑化和熔融，并在高压和高速下将熔体注入模腔。注射系统主要由塑化装置、螺杆驱动装置、计量装置、注射动作装置、注射座以及整体移动装置、行程限位装置以及加料斗装置等组成。塑化装置又由螺杆和加热料筒组成，在螺杆头部装有防止熔体倒流的止逆环和各种剪切或混炼元件；螺杆驱动装置主要由减速装置、轴承支架、主轴套和螺杆驱动电机图2.2液压油路系统或液压马达组成。预塑化时，动力通过主轴套和轴承支架上的减速装置带动螺杆旋转。图2.2液压油路系统注射装置主要由注射油缸和活塞及喷嘴组成。在注射时，油缸产生注射推力，通过主轴推动螺杆向头部熔体施加高压，使熔体通过喷嘴充入模腔。注射座是一个可以在机身上移动的基座，塑化装置、注射装置以及计量装置和料斗都固定在注射座上。注射座在油缸的作用下，可以做整体前进或后退，使喷嘴与模具接触或离开。2.1.4注塑机电气控制系统电气控制系统是注塑机的“中枢神经〞，它控制着注塑机的各种程序及其动作；对时间、位置、压力、速度和转速等进行控制。主要由计算机及接口电路、各种检测元件及液压驱动放大电路组成闭环调节系统。2.1.5注塑机冷却系统注塑机的冷却系统用来冷却液压油、料口以及模具。它是一个封闭的循环系统，能将冷却水分配到几个独立的回路上去并能对其流量进行调节，通过检测水的温度，实行闭环调节。2.1.6注塑机平安保护与监控系统注塑机的平安装置主要用于保护人和机器的平安。由平安门、行程阀、限位开关、光电检测元件等组成，实现电气、机械、液压的连锁保护。检测系统主要对注塑机的油温、料温、系统超载以及工艺和设备故障进行监测，发现异常情况即进行指示或报警。2.2注塑机的分类近年来注塑机开展很快，类型日益增多，而分类方法很多。绝大多数的注塑机都是由电动机驱动一个或一组液压泵，由液压泵及运行其中的压力油组成一套驱动系统，动作的产生由驱动器所担任，通常直线往复运动是由压力油推动油缸或活塞产生的，而旋转运动是由压力油推动液压马达所产生的。2.2.1按注射单元形式分类按注射单元形式可分为柱塞式和螺杆式两大类，目前大局部的注塑机都是螺杆式的。〔1〕柱塞式注塑机。该类注塑机是通过柱塞把塑料推向料筒前端的塑化室，依靠料筒外部的加热将塑料塑化成熔融状态，而后在柱塞的推挤作用下，注射到模具型腔中去。〔2〕螺杆式注塑机。塑料的熔融塑化和注射全部是由螺杆来进行的，螺杆式注塑机是目前应用最广泛的注塑机。2.2.2按注塑机的外形分类按注塑机的外形分类，主要是按照注塑和合模装置的方式来分类。〔1〕立式注塑机。立式注塑机的注塑系统和合模系统的轴线是竖直排列的。其优点是：占地面积小，模具比拟小，拆装方便，在模具内易于安放金属嵌件实现嵌件注塑成型。其缺点是：机身高，注塑机稳定性差，制品顶出后无法自动脱落，难实现自动化生产，一般用于半自动化生产。立式注塑机由专人操作，适用于成型多嵌件的塑料制品。〔2〕卧式注塑机。卧式注塑机的注塑系统和合模系统的轴线是水平排列的。其优点是：机身低，注塑机稳定性好，制品顶出后可以自动脱落，容易实现自动化生产。其缺点是：占地面积较大，模具拆装麻烦，安放嵌件不方便，所以如果大批量的嵌件注塑要根据每个不同的产品来改造注塑机，变成非标的专用注塑机。卧式注塑机目前使用最广、产量最大，是国内外注塑机的最根本形式。〔3〕角式注塑机。角式注塑机的注塑系统和合模系统的轴线是互相垂直排列的。注塑时塑料从模具的分型面注入，适用于中心部位不允许留有浇口痕迹的平面制品。同时，可以利用注射系统留下的空位置来进行嵌件的移动，实现卧式注塑机的嵌件自动注塑。〔4〕多工位注塑机。多工位注塑机是一种多模操作的特殊注塑机。2.2.3按注塑机加工能力分类一台通用注塑机的加工能力主要由合模力和注塑量来决定。合模力是由合模装置所产生的最大锁模力决定的，注射量是以注塑机最大理论注塑容量表示的。根据注塑机的加工能力可以分为超小型、小型、中型、大型、超大型注塑机。控制系统的抗干扰措施可编程序控制器是专门为工业环境设计的控制装置，一般不需要采用什么特殊措施，就可以在工业环境使用。但是，如果环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都不能保证系统的正常平安运行，干扰可能使可编程序控制器接受到错误的信号，造成误动作，或是可编程序控制器内部的数据丧失，严重时甚至会使系统失控。在系统设计时，应采取相应的可靠性措施，以取消或减少干扰的影响，保证系统正常运行。在设计本系统过程中，难免会遇到一些干扰。为了减少干扰对本系统的影响，必须采取一些有效的抗干扰措施。.1抗干扰措施外部干扰来源(1)控制系统供电电源的波动以及电源电压中高次谐波产生的干扰。(2)其他设备或空中强电场通过分布电容和耦合窜入控制系统的干扰。(3)临近的大容量电气设备起动和停止时，因电磁感应引起的干扰。(4)相邻信号线绝缘降低，通过导线绝缘电阻引起的干扰。硬件措施分为以下几个方面：(1)信号隔离(2)接地屏蔽(3)采用两路电源分别供电(4)电缆选择与敷设(5)其中消除干扰的主要方法是阻断干扰侵入的途径和降低系统对干扰的敏感性，提高系统自身的抗干扰能力。实践说明，系统中可编程序控制器之外的局部的故障率，往往比可编程序控制器本身的故障率高的多，因此在设计时应采取相应的措施，如用靠可靠性的接近开关代替机械限位开关，才能保证整个系统的可靠性[9][10]。.2软件设计抗干扰的软件措施不能完全消除干扰的影响，必须采用软件措施加以配合。可用如下的软件措施：〔1〕对于开关量输入，可以采用软件延时20ms，对同一信号做两次以上读如，结果一致才确认输入有效。〔2〕某些干扰是可以预知的，如可编程序控制器的输出命令使执行机构〔如大功率电动机、电磁铁〕动作，常常会伴随产生火花、电弧等干扰信号，他们产生的干扰信号可能是可编程序控制器接受错误的信息。容易产生这些干扰的时间内，可用软件封锁可编程序控制器的某些输入信号，在干扰易发期过去后，再取消封锁。〔3〕故障的监测与诊断可编程序控制器的可靠性很高，本身有很完善的自诊断功能，可编程序控制器如出现故障，借助自诊断程序可以方便得找到故障的部位与部件，跟换后就可以恢复正常工作。大量的工程实践说明，可编程序控制器外部的输入、输出元件、如限位开关、电磁阀、接触器等的故障率远远高于可编程序控制其本身的故障率，而这些元件出现故障后，可编程序控制器一般不能发觉出来，不会自动停机，可能是故障扩大，直至强电保护装置动作后停机，有时甚至会造成设备和人身事故。停机后，查找故障也要花费很多时间。为了及时发现故障，在没有酿成事故之前使可编程序控制器自动停机和报警，也为了方便查找故障，提高维修效率，可用梯形图程序实现故障的自诊断和自处理。第三章注塑机控制系统的设计方案和思路3.1注塑机控制系统设计的主要内容和工艺分析主要内容：本毕业设计以注塑机控制系统为设计背景，要求运用可编程控制器技术、自动检测和自动控制技术等，设计基于PLC的注塑机自动控制系统。注塑机主要动作分为5个局部：〔1〕闭模和合紧，注塑机的成型周期一般从模具开始闭合时起，模具首先以低压力快速进行合模，当动模板与定模板接近时，合模的动力系统应该切换成低压低速，在确定模腔内无异物存在时，再切换成高压而将模具合紧。〔2〕注射装置前移和注射，在确认模具到达所要求的合紧力，注射装置前移，使喷嘴和模具贴合，当喷嘴与模具完成贴合后，便可向注射缸接入压力油。与油缸活塞相接的螺杆，以高压高速将熔料注入模腔。〔3〕压力保持，为了制得质量致密的制品，对注入模腔的熔料还需保持一定的压力进行补缩。〔4〕制品冷却和预塑化，当保压进行到熔料将浇口封闭时，可去除压力使制品在模内冷却定型。此时，螺杆在液压电机的驱动下转动，将来自料斗的粒状或粉状的胶料向前输送，并使其塑化。〔5〕注射装置后退和开模顶出制品，螺杆塑化后，需要喷嘴撤离模具，即注射装置后退，模腔内的熔料经冷却定型后，合模装置即行开模，并自动顶出制品。工艺分析：注塑成型过程是将热塑性塑料或热固性塑料在加热机筒内经过加热、剪切、搅拌混合及挤压作用，使之均匀塑化〔温度、组分均匀的熔融状态〕，塑化好的熔融物料在小孔径或控制封闭的喷嘴的阻挡作用下，集中在料筒的前端，然后借助于螺杆或柱塞施加的推力，经过喷嘴与模具的浇注系统进入闭合好的低温模腔内。充满模腔的熔体在受压的作用下，经冷却(热塑性塑料)或加热〔热固性塑料〕固化成型，翻开模具取出制品，在操作上完成一个成型周期，以后不断重复上述周期的生产过程。按照习惯，把一个注塑成型工作循环称为注塑机的成型周期。按时间先后顺序可以绘制成注塑机的工作过程循环图，又称注塑机工艺流程图。如图3.1所示。图3.1注塑机工艺流程图3.2设计的思路和方案3.2.1传统注塑机控制系统设计传统的注塑机一般采用简单的开环控制，它是按预先设定的成型条件，用开路〔无反响回路〕控制机器的动作。在生产过程中，预先按工艺要求设定各个动作参数，例如合模压力、注射速度、循环时间、保压压力，温度等，由机器在生产过程中加以保持。这种控制方式结构简单，价格低廉，但抗干扰能力差，控制温度与精度也比拟低。3.2.2目前注塑机常用的控制系统设计目前，更多的注塑机采用的是半闭环控制或全闭环控制，即按照实时测量值与设定值的偏差进行比拟控制。闭环控制系统采用了负反响回路，当注射速度、注射压力、模腔温度、模腔压力、熔体温度和液压油压力等在生产过程中因干扰出现偏差，机器那么通过自适应控制系统对干扰引起的偏差进行自动补偿修正，这种控制方法抗干扰能力强，控制精度高。3.2.3常用的注塑机控制系统设计的比拟及确定可以对注塑机实现控制的有PLC、单片机、继电接触器和微型计算机等。PLC作为一种面向工业生产的应用型技术，与CAD/CAM、NC技术并成为现代工业的三大支柱技术，被越来越多的人所熟悉和应用。PLC专为在工业现场应用而设计，采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字或模拟的输入、输出接口控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微处理技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差等缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编程，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为根底的简单指令形式，使程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。用户在购置到所需的PLC后，只需按说明书的提示做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可以灵活方便地将PLC应用于生产实践[3]。与单片机控制相比拟，PLC控制的优点在于：PLC采用的梯形图类似于继电器线路图，编程简单易学，易于为广阔电气工程技术人员所接受；PLC更加适合于工业恶劣环境下使用，性能比拟稳定，而单片机的工作环境要求更高一些。采用PLC的控制系统较之继电接触器控制系统提高了一大步，其主要优点有以下几点：(1〕逻辑控制。继电接触器控制是利用各电器件机械触电的串、并联组合成逻辑控制。采用硬线连接，连线多而复杂，对今后的逻辑修改、增加功能很困难。而PLC中逻辑控制是以程序的方式存储在内存当中，改变程序，便可改变逻辑。连线少、体积小、方便可靠。(2〕控制速度。继电接触器依靠机械触电的吸合动作来完成控制，其工作频率低，工作速度慢。而PLC由于采用程序指令来实现控制功能，稳定可靠，使运行速度大大提高。(3〕顺序控制。继电接触器是利用时间继电器的滞后动作来完成时间上的顺序控制。时间继电器内部的机械结构易受环境温度和湿度变化的影响，造成定时的精度不高。在PLC内部是由半导体电路组成的定时器以及由晶体振荡器产生的时钟脉冲计时，定时精度高。使用者根据需要，定时值在程序中便可设置，灵活性大，定时时间不受环境影响。(4〕灵活性与可扩展性。继电接触器系统安装后，受电器设备触点数目的有限性和连线复杂等原因的影响，系统在今后的灵活性、扩展性很差。而PLC具有专用的输入输出模块，理论上连接可以无穷多，灵活性与可扩展性都比拟好。(5〕计数功能。继电接触器控制可实现逻辑功能，但不具备计数的功能。PLC内部有特定的计数器，可实现对生产设备的步进控制。(6〕可靠性和可维护性。继电接触器控制使用大量的机械触点，触点在开闭时会产生电弧，容易对人造成损伤并伴有机械磨损，使用寿命短，运行可靠性差，不易维护。而PLC采用微电子技术，内部的开关动作均由无触点的半导体电路来完成。体积小，使用寿命长，可靠性高，并且能够随时显示给操作人员，及时监视控制程序的执行状况，为现场调试和维护提供便利。与微型计算机相比拟，PLC控制系统的优势在于：(1〕PLC输入输出接口较多，中大型PLC输入输出接口更多，便于多路多点控制。(2〕PLC编程简便，因为PLC是采用易于用户理解、接受和使用的梯形图编程语言，指令又不太多，而计算机使用汇编语言或其它高级语言编程，比PLC编程复杂。(3〕PLC可靠性高，因为PLC是为工作环境条件比拟恶劣的工业控制设计的，设计与制造PLC时已采用了多种有效的抗干扰和提高可靠性措施。(4〕PLC技术较容易掌握，使用维护方便，对使用者的技术水平要求比使用计算机时低。(5〕PLC采用扫描方式进行工作，加之其它一些原因，所以PLC输入输出响应比计算机慢。(6〕此外PLC体积较小，调试周期短[4]。基于以上PLC控制分别与单片机控制、继电接触器控制以及微型计算机控制的比拟，本论文采用PLC控制系统实现对注塑机的控制。注塑机电控装置由输入、输出装置、PLC和液压比例阀、开关阀的驱动电路组成。把编好的用户程序通过微机或手编器输入PLC根本单元，PLC根本单元将用户程序解读为微处理器芯片CPU认识的目标码，即把梯形图或汇编语句表解读为目标代码。中央处理单元以扫描的形式将注塑机状态信号采样输入到存储器中，再按用户程序变成内部逻辑关系得到所需要的输出状态，通过输出装置控制注塑机动作。编程器是对注塑机进行编程用的。编程器的语言有指令方式〔语句表〕，也有助记符号方式、逻辑图及梯形图符号，还有继电器电路方式，其中控制系统的梯形图方式和指令形式〔语句表〕使用最为常见。3.2.4设计内容(1〕根据注塑机控制系统的内容和要求，可作出注塑机的工艺流程图，确定PLC输入和输出接口的属性，将注塑机的所有检测开关、限位开关、手动操作开关和主令开关等，进行确切地分类和编号，以此来确定I/O口的数量。根据注塑机输入输出的数量、类型确定选用的PLC型号。(2〕主电路局部的设计。主电路局部是由电动机拖动液压泵，产生高压工作动力油。本论文中采用星-三角降压启动方式，据此可设计出注塑机主电路图。(3〕控制电路局部的设计。控制电路设计中，根据输入输出的地址分配可得到PLC外部接线图。(4〕根据注塑机的工艺流程图，先将注塑机的各个动作流程分为四个局部，分别根据工艺流程图制出各个局部的动作流程图，最后再将各个局部的动作流程图整合到一起，从而制定出注塑机的整个动作流程图。(5〕根据输入输出接口的地址分配表以及注塑机的动作流程图，分为四个局部分别设计出注塑机的状态转移图，最后整合得到整体的状态转移图。根据各局部状态转移图分别制出对应的步进梯形图，最后整合得到完整的步进梯形图。第四章注塑机的PLC控制系统硬件和软件设计4.1输入输出点的继电器属性第三章中介绍了注塑机的主要动作和工艺流程，据此可作出PLC输入输出继电器属性表。下表为输入点继电器属性表。表4.1输入点继电器属性表序号名称属性代号1抽芯出位置开关SQ12抽芯入位置开关SQ23快开模位置开关SQ34慢开模位置开关SQ45开模止位置开关SQ56关平安门位置开关SQ67低压锁模位置开关SQ78高压锁模位置开关SQ89锁模终止位置开关SQ910一级射胶位置开关SQ1011二级射胶位置开关SQ1112三级射胶位置开关SQ1213溶胶终止位置开关SQ1314顶针终止位置开关SQ1415退针终止位置开关SQ1516倒索终止位置开关SQ1617溶胶手动按钮SB118射台前进手动按钮SB219射台后退手动按钮SB320顶针手动按钮SB421退针手动按扭SB522倒索手动按钮SB623射胶手动按钮SB724锁模手动按钮SB825开模手动按钮SB926特快手动按钮SB1027调模向前手动按钮SB1128调模向后手动按钮SB12下表为输出点继电器属性表。表4.2输出点继电器属性表序号名称属性代号1快速锁模电磁阀电磁阀KA12开模电磁阀电磁阀KA23射台前进电磁阀电磁阀KA34射台后退电磁阀电磁阀KA45射胶电磁阀电磁阀KA56二级射胶电磁阀电磁阀KA67三级射胶电磁阀电磁阀KA78溶胶电磁阀电磁阀KA89顶针电磁阀电磁阀KA910退针电磁阀电磁阀KA1011特快电磁阀电磁阀KA1112倒索电磁阀电磁阀KA1213高压锁模电磁阀电磁阀KA1314低压锁模电磁阀电磁阀KA1415抽芯出电磁阀电磁阀KA1516抽芯入电磁阀电磁阀KA1617快速开模电磁阀电磁阀KA1718慢速开模电磁阀电磁阀KA1819调模向前电磁阀电磁阀KA1920调模向后电磁阀电磁阀KA2021报警灯灯泡HL4.2PLC机型的选择随着PLC控制的普及与应用，PLC产品的种类和型号越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国家引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列。其中三菱公司FX系列PLC聚集了整体式和模块式PLC的优点，其根本单元、扩展单元和扩展模块的高度与宽度相同，它们的相互连接不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。其体积小，很适于在机电一体化产品中使用。FX2N系列的PLC为目前市场上的主流产品，能完成绝大多数工业控制要求。上市多年之后，价格有所下降，性价比拟高。FX2N系列PLC有以下技术特点：(1)FX2N系列PLC采用一体化箱体结构，其根本单元将CPU、存储器、输入/输出接口及电源等都集成在一个模块内，结构紧凑，体积小巧，本钱低，安装方便。(2)FX2N系列PLC是FX系列中功能最强、运行速度最快的PLC，根本指令执行时间高达0.08us，超过了许多大、中型PLC。(3)FX2N的用户存储器容量可扩展到16KB，其I/O点数最大可扩展到256点。(4)FX2N有多种特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、位置控制模块、RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板、模拟定时器扩展板等。(5)FX2N有3000多点辅助继电器、1000点状态继电器、200多点定时器、200点16位加计数器、35点32位加/减计数器、8000多点16位数据存放器、128点跳步指针及15点中断指针。(6)FX2N有128种功能指令，具有中断输入处理、修改输入滤波器常数、数学运算、浮点数运算、数据检索、数据排序、PID运算、开平方、三角函数运算、脉冲输出、脉宽调制、串行数据传送、校验码及比拟触电等功能指令。(7)FX2N还有矩阵输入、十键输入、十六键输入、数字开关、方向开关及7段显示器扫描显示等指令[5]。基于以上优点，本论文采用FX2N系列的PLC。根据注塑机对PLC控制系统的要求，确定了系统所需的输入、输出设备，统计出所需的输入信号的点数为28个，输出信号的点数为21个。应选择输入点为32、输出点为32的型号为FX2N-64MR的PLC。4.3输入输出地址分配表确定了PLC的型号后，便可分配PLC的输入/输出点的地址分配。其中输入点地址分配如表4.3所示，输出点地址分配如表4.4所示。表4.3输入点地址分配序号输入端点设备名称功能说明1X0SQ1抽芯出行程开关2X1SQ2抽芯入行程开关3X2SQ3快开模行程开关4X3SQ4慢开模行程开关5X4SQ5开模止行程开关6X5SQ6关平安门行程开关7X6SQ7低压锁模行程开关8X7SQ8高压锁模行程开关9X10SQ9锁模终止行程开关10X11SQ10一级射胶行程开关11X12SQ11二级射胶行程开关12X13SQ12三级射胶行程开关13X14SQ13溶胶终止行程开关14X15SQ14顶针终止行程开关15X16SQ15退针终止行程开关16X17SQ16倒索终止行程开关17X20SB1溶胶按钮18X21SB2射台前进按钮19X22SB3射台后退按钮20X23SB4顶针按钮21X24SB5退针按钮22X25SB6倒索按钮23X26SB7射胶按钮24X27SB8锁模按钮25X30SB9开模按钮26X31SB10特快按钮27X32SB11调模向前按钮28X33SB12调模向后按钮表4.4输出点地址分配序号输出端点设备名称功能说明1Y0KA1快速锁模电磁阀2Y1KA2开模电磁阀3Y2KA3射台前进电磁阀4Y3KA4射台后退电磁阀5Y4KA5射胶电磁阀6Y5KA6二级射胶电磁阀7Y6KA7三级射胶电磁阀8Y7KA8溶胶电磁阀9Y10KA9顶针电磁阀10Y11KA10退针电磁阀11Y12KA11特快电磁阀12Y13KA12倒索电磁阀13Y14KA13高压锁模电磁阀14Y15KA14低压锁模电磁阀15Y16KA15抽芯出电磁阀16Y17KA16抽芯入电磁阀17Y20KA17快速开模电磁阀18Y21KA18慢速开模电磁阀19Y22KA19调模向前电磁阀20Y23KA20调模向后电磁阀21Y24HL报警灯4.4主电路的设计4.4.1电动机的启动控制电动机启动一般为直接启动或减压启动，对小容量电动机可直接启动，但对于注塑机中应用的容量较大的电动机来说，由于启动电流大，会引起较大的电网压降，所以本论文采用减压启动的方法，以限制启动电流。减压启动的方法有很多，如定子绕组串电阻启动、自耦变压器减压启动、星-三角减压启动、延边三角形启动等。本论文采用星-三角减压启动方式。启动时将电动机定子绕组联结成星形，加在电动机每相绕组上的电压为额定电压的1/1.732，从而减小了启动电流。待启动后按预先整定的时间把电动机换成三角形联结，使电动机在额定电压下运行。注塑机的主电路如图4.1所示。图4.1注塑机主电路图4.5控制电路的设计PLC的外部接线如图4.2所示。 图4.2PLC外部接线图注塑机的动作流程根据第三章确定的注塑机工艺流程图制定出注塑机的动作流程图。可将动作流程图分为四个局部。在第一局部中，首先关平安门，之后进行低压锁模，如果低压锁模出现故障，那么注塑机开模并且报警，待故障排除后，动作返回到关平安门；如果低压锁模没有故障，那么进行高压锁模，高压锁模完成后，进行锁模终止。动作流程如下图。图关平安门、低压锁模、高压锁模控制流程图锁模终止后，射台前进到位，射胶时间启动，同时开始进行一级注射、二级注射、三级注射。如果射胶时间未到，那么继续射胶；如果射胶时间到，那么射台后退。动作流程如下图。图射台前进、一级注射、二级注射、三级注射控制流程图如果射台后退成功那么进行溶胶、倒索，直到射台后退终止，之后进行延时冷却；如果射台后退没有成功，那么进行延时冷却。冷却时间到，那么分别进行慢开模、快开模；冷却时间未到，那么继续冷却。动作流程如下图。图射台后退、溶胶、倒索、冷却控制流程图开模动作完成后，顶针动作执行并计数，然后退针。顶针次数完成后，那么进行时间延时，时间到那么动作返回到关平安门；顶针次数没有完成，那么继续顶针计数。动作流程如下图。图开模、顶针、退针、关平安门控制流程图由以上四个子流程图组合起来，便得到注塑机整体的工艺流程图。如下图。图注塑机动作流程图程序设计在实际工业控制系统中，会遇到系统输入/输出点数较多，各工序之间关系复杂的情况，这时采用根本指令进行设计较为困难。但如果可以将生产过程的控制要求按工序划分成假设干段，每一个工序完成一定的功能，在满足转移条件后，从当前工序转移到下道工序，那么实现控制就容易多了，这种控制通常称为顺序控制。为了方便地进行顺序控制设计，许多可编程程序控制器设置了专门用于顺序控制的指令。FX2NPLC在根本逻辑指令之外增加了两条步进指令，同时辅之以大量的状态继电器S，结合状态转移图就很容易编出复杂的顺序控制程序。本论文中通过设计出的状态转移图，设计出注塑机的步进梯形图。.1步进指令的简单介绍三菱FXPLC步进指令虽然只有两条，但与其他指令配合后编程功能较为强大，可以实现复杂的顺序控制程序设计。步进梯形图指令功能如表所示。表步进梯形图指令指令符名称指令意义STL步进接点指令在顺序控制程序上面进行工序步进型控制的指令RET步进复位指令表示状态流程的结束，返回主程序〔母线〕的指令步进指令虽然只有两条，但是功能比拟强大。每个状态继电器都有3个功能：驱动有关负载、指定转移目标元件和指定转移条件。.2状态转移图的设计状态转移图又叫顺序功能图〔SFC〕，它是用状态元件描述工步状态的工艺流程图，通常由初始状态、一系列一般状态、转移线和转移条件组成。其中的每个状态都提供了驱动有关负载、指定转移条件和指定转移目标三个功能。本论文依据动作流程图设计了状态转移图，并将其分为四个局部依次表示出来。根据图的动作流程图制出注塑机的低压锁模、高压锁模的状态转移图，如下图。图注塑机的低压锁模、高压锁模·初始状态为S0，开关X5动作后将平安门关上。·合上低压锁模开关X6，控制低压锁模电磁阀Y15动作。·如果低压锁模成功，那么流程继续，动作运行到S2状态。如果低压锁模没有成功，系统开模电磁阀Y1动作，并且报警灯Y24亮，之后合上X5开关，关上平安门，重新回到S1状态。·低压锁模成功后，按下高压锁模开关X7，控制高压锁模电磁阀Y14动作。·按下锁模终止开关X10，动作运行到S3状态。根据图的动作流程图制出注塑机的射台前进以及一级射胶、二级射胶、三级射胶的状态转移图，如下图。图注塑机的射台前进、射胶·按下射台前进开关X21，射台前进电磁阀Y2动作。·按下一级射胶开关X11，控制一级射胶电磁阀Y4动作，同时射胶时间计时器T0动作，开始计时。·按下二级射胶开关X12，控制二级射胶电磁阀Y5动作；X13控制三级射胶电磁阀Y6的动作。·如果射胶时间到，动作运行到S9状态。·如果射胶时间未到，那么动作返回到S7状态，继续射胶动作的进行。根据图的动作流程图制出注塑机的射台后退、溶胶、冷却状态转移图，如下图。图注塑机的射台后退、溶胶、冷却·按下射台后退开关X22，控制注塑机射台后退电磁阀Y3动作。·如果射台后退动作没有成功，那么动作运行到S12状态；如果射台后退动作成功，那么执行溶胶开关X20，控制溶胶电磁阀Y7动作。·按下倒索开关X25，执行倒索电磁阀Y13动作。动作运行到S12状态。·倒索结束后，冷却时间继电器T1动作，开始冷却计时。·如果冷却时间到，那么动作运行到S13状态；如果冷却时间未到，那么动作返回到S12状态。根据图的动作流程图制出注塑机的开模、顶针、退针、复位状态转移图，如下图。图注塑机的开模、顶针、退针、复位·按下X3慢开模开关，控制注塑机慢开模Y21动作执行。·按下X2快开模开关，控制注塑机快开模Y20动作执行。·按下开模停止开关X4，使注塑机停止开模动作执行。按下顶针开关X23，注塑机顶针电磁阀Y10执行，同时计数器C0动作，对顶针次数进行计数。·按下退针开关X24，注塑机退针电磁阀Y11执行。·如果顶针次数未到，那么动作返回到S15状态，继续顶针动作；如果顶针次数到，那么动作运行到S17，开始延时计时，时间到后，返回到初始状态S0。最后，将各个局部组合到一起，便得到完整的注塑机状态转移图。如下图。图注塑机完整的状态转移图步进梯形图的设计步进梯形图是根据状态转移图设计出来的。根据上一步设计出的状态转移图分别作出相应的步进梯形图，根据图的状态转移图可得到相应步进梯形图，如下图。图注塑机锁模梯形图根据图的状态转移图，设计出相应的步进梯形图，如下图。图注塑机射台前进、射胶步进梯形图根据图的状态转移图，设计出相应的步进梯形图，如下图。图注塑机射台后退、溶胶、冷却步进梯形图

根据图的状态转移图，设计出相应的步进梯形图，如下图。图注塑机开模、顶针、退针步进梯形图第五章总结与展望结论经过3个多月的努力，我搜集了塑料机械行业的开展、注塑机系统的详细工作原理、各种PLC型号和功能等材料和文献，完成了注塑机主电路和控制电路的设计，并用步进指令完成状态转移图的设计，通过状态转移图设计出步进梯形图。通过本次设计，我明白了用可编程序控制器设计的注塑机控制系统价格相对廉价，易于扩展，对操作人员的要求比拟低，适用性很强，抗干扰能力强，可靠性非常高。但是，基于PLC的注塑机控制系统的输入输出响应要比微机控制系统和单片机控制系统慢一些。同时，本文只是主要针对注塑机的注射局部和射台移动局部进行了设计，其余诸如加热冷却系统、润滑系统、平安保护系统、监测系统以及供料等辅助系统根本没有给予充分的考虑，有待于进一步去完善。随着计算机和工业技术的飞速开展，现代社会需要制造业对市场需求做出迅速