《基于PLC的自动成型机系统的设计》8800字（论文）

基于PLC的自动成型机系统的设计摘要本篇论文以日本三菱公司FX3U系列的PLC设计了液压系统驱动的自动成型机。对FX3U系列PLC和液压系统的各部分构成作了介绍，并对其基本组成回路进行了说明。设计了自动成型机的硬件方案和完成了软件的程序编写。并对该设计进行了实验和验证，证明了其有效性。本次设计中，电磁阀的型号为电磁阀型SY5140-5LZ-02；液压系统使用了型号为HS01·210L的活塞式液压缸，YYB1-AA6/9B-Y2型号的双联叶片泵以及BM2-125型号的低速大扭矩摆线式液压马达。关键词：自动成型机；PLC；液压系统目录TOC\o"1-3"\h\u第一章绪论 41.1课题研究的背景和意义 41.2课题发展状况 4第二章PLC简介 52.1PLC的由来 52.2PLC的特点 52.3plc的工作原理 7第三章液压传动系统 83.1液压系统的结构 83.2液压系统基本回路 9第四章自动成型机系统的设计 124.1成型机历史 134.2成型机原理 134.3控制系统要求 144.4自动成型机硬件设计 144.4.1PLC选择 144.4.2电磁阀 154.4.3液压系统 15第五章程序设计 165.1程序框图 165.2I/O地址表分配： 175.3梯形图 185.4程序设计与说明 18第六章仿真 206.1结论 21结束语 21参考文献 22第一章绪论1.1课题研究的背景和意义随着社会的进步，社会生产力在不断地提升，人力的速度渐渐跟不上生产的需求，这时，机械,自动化的需求就十分迫切了。PLC，在如今工业化发展过程中具有十分显著的作用，它的使用范围已经不再具体在某一方面，还应用在更广阔的方方面面。同时，在国内外，PLC各行各业都有了大范围的使用。现在，PLC主要的应用方面有运动方面，使用的过程中，网络连接方面，以及数据处理等等方向上。现在，PLC系统可以直接和电脑连接，或者一系列的转换，链接再与计算机进行链接，以实现系统信息的互通。同时，PLC的技术，随着时间的流逝，也在不断的扩展，他的领域也会不断地扩大，性价比也在不断的提升。为了能够更好的与各种工业环境相适应，PLC拥有不少优点：抗干扰能力强，方便程序编辑，以及操作方式简洁，通用能力好，适应能力强，功能广泛；占地面积小，功耗少，便于维护等等。因此，PLC系统也专门为了生产的需求进行了设计，通过学习相关方面的资料，知识，以此来解决实际的生产使用过程中会出现的种种问题，从而提升对PLC系统的使用和掌控能力。现在，我们以PLC系统为基础，对自动化成型机进行了更好的设计，使自动化生产的方向向更好的质量，更高的效率等方面发展。这样，不仅能够让自动成型机所生产的产品拥有更好的质量和更高的品质，也能让工人更加轻松，从而提升工作效率，让社会得到更好的发展。1.2课题发展状况在社会发展日新月异的今天，基于PLC的自动成型机也有了许多不同方面的应用。自动成型机的工作原理和注射器有一定的相似之处，它主要是通过压力，在封闭的模具内加注入已经融化的原料，等到它冷却后，再分开模具，取出已经固化的材料成品。注塑成型是一个不断往复的循环：定量加入原料，将材料融化，将材料注入模具，等待冷却，取出材料成品。待一个循环结束后，将模具封闭，再次进入下一个循环。现如今，基于PLC的自动成型机已经有了大范围，大规模的应用。例如纸盒成型机，砌块成型机，塑料成型机，钢筋成型机等等。现在很多的模型，手办几乎都是由自动成型机制作出来的。第二章PLC简介可编程序控制器是一种十分大众化的自动控制系统，而且，微型处理器是它的基础组成部分，并且综合了自动化控制，通信系统和计算机控制等技术。它具有一系列十分明显的优点：占地面积小，使用方便，容易学习和掌握，各种功能多等等。最主要的，它有十分广阔的使用范围，同时，它在各种恶劣的环境中都能很好地使用，因此在广大的从业者中有很高的人气。而且，它在机械，冶金等等行业中都起着十分重要的作用，所以，它也被认为是工业自动化进程中的一个重要部件。2.1PLC的由来1969年，美国数字设备公司成功研发出有史以来的第一个可编程控制器。后来，莫迪康公司成功推出了084控制器。1971年，日本率先引入dsc.8控制单元。1973年，欧洲各国已经成功研究出相关的可编程器件。与此同时，1974年，我国也开始对相关技术开始进行研究工作。plc的发展与现代数字技术、控制技术、电子技术、通讯网络技术等有着紧密的联系。与此同时，新兴的科学技术又促使可编程控制器不断地进化。同时，它的进化又对新出现的高自动化技术提出了更加严格，更加先进的要求，同时也使他们发展。2.2PLC的特点①PLC结构简单，不需要大量复杂的电子元件和活动元件，因此，其相互之间的连线也大量地减少。所以，需要进行维护的时间也大大减少，维护的方式也变得简单，同时又提高了系统的稳定，可靠性。②PLC采用了类似于冗余设计，掉电保护，信息保护以及恢复等一系列的针对于稳定性和可靠性的设计，提升了其的性能。③PLC的编程简单，操作使用方便，同时，它又便于维护。因此，这些特点都降低了使用人员的操作门槛，让跟多的从业人员能够学习和使用，并且大大的减少了它的错误率。PLC的可靠性提高，并且和普遍的计算机系统进行比较，其原因有：①PLC一种专业的控制系统，特别为控制工业的生产过程所设计的。因此，与其他的，普遍的计算机系统相比，它具有更加简便的编程语言和更加稳定，有效的硬件。由于使用了简单的编程语言，因此，编程中所出现的错误率大大减少，而专业设计的硬件则的稳定性和可靠性也大大提升。所以，PLC往往具有比普通计算机系统更好的可靠性。②PLC在它的相关硬件的设计中，使用了许多方法来提升其可靠性。例如，使用可靠性高的电子元件；隔离和屏蔽干扰源，并且为系统内存提供内容保护以及断电保护。同时采用一系列自诊断措施，使其便于进行维护。③在PLC相关软件设计中，提出了一系列的方案来提升系统的可靠性。比如对软件使用过滤，进行编程语言的简化，对运行信息进行显示等。有相关的调查显示，用户使用PLC的原因是因为其可靠性高。与此同时，PLC还具有易操作性，灵活性等特点。易操作性：PLC的易操作性主要表现在以下的几个方面:①操作简单。主要表现在两方面：一种是程序更改，另一种是程序输入。大部分的PLC操作系统使用的是编程器，用它来进行数据输入亦或是程序的更改。但如果是大型或是中型的PLC，那显示使用的则是CRT屏幕，它能直接显示所需要的结果。同时，它可以直接根据提供的信息，以及数据地址等信息，寻找到所需要修改的地方，然后直接进行修改。同时，CRT屏幕可以直接显示修改后的信息。②编程简单。PLC自带许多种类的编程语言。对于电子相关专业的从业工人来说，梯形图可以很好的被理解和使用。而这，对于PLC的学习和使用，都有很大的助益。另一方面，因为布尔助记符本身符号所包含的便捷性，所以对于程序员来说，使用它进行编程是很有帮助的。而其他的，类似于功能图、功能模块图等等编程的方法虽然虽然没有被多数人大经常使用，但由于其功能简洁，容易被掌握，依旧是被很多的技术人员来使用。③便于维护。当相关的专业人员需要进行维修时，PLC的自动诊断功能使维护所需要的要求变得更低。当系统发生故障时，它的软件硬件则会进行自动检测。并且，根据它故障灯的显示和错误代码的提示，抑或是根据CRT屏幕的显示，维修人员便可以使用很少的时间来找到故障并开始进行维修。为了便于进行系统出现意外时的维修，还有专业的设备可供使用，并且还提供了各种维修数据，以及插件板等等。而且，在设计时，PLC有关于维修的方面也进行了能使其维修更加方便的特殊处理。比如，信号的显示灯在比较容易进行观察的区域，而接线端是当出现故障时，便于进行更换的类型。这些特别的设计都让维修变得更加简单方便，减少了维修时间。而且，标准化的设计和生产线都让零件更加标准，使维修更加方便。灵活性:PLC的灵活性主要的表现在以下的几个方面:①编程的灵活性。PLC系统本身便具有使用多种编程语言的功能。而且，只需要能够理解和掌握其中一种，就可以非常流畅的使用它了。因为其中的连接方式是软连接，所以如果需要进行更换，可以十分方便的进行改变，不用将PLC的硬件进行改变，只需要对程序进行一定的改变，就能够满足需求。而且这是继电器系统怎么也无法做到的程度。因此，PLC控制系统可以很大限度的取代继电器系统，变成现代工业领域上的重要的一部分，重要的控制设备。②灵活地进行扩展。PLC有一个非常重要的特点，就是它能够灵活地进行扩展。而且，随着应用的规模的扩大，它也可以随之而不断的扩展。它可以通过增加控制单元来进行增加点数，而且，扩展的功能可以由单元的扩展来取得，又或者是与多个相同系统进行连接，相互通信来进行扩展。这些功能又给用户提供了许多便捷。③灵活地进行操作。操作的灵活性可以有效地减少设计方面的工作量，同时又能让编程变得更加简单，操作更加方便。而且与继电器控制系统相比，一些相关方面的操作也会变得更加简单高效。同时，一些不通过的生产过程也可以由相同的控制台进行。2.3plc的工作原理当PLC控制器在进入运行状态后，会经历三个工作阶段，而每三个阶段为一个扫描周期。以下是这三个阶段的介绍1、输入采样阶段在采样阶段中，PLC会按照上下顺序，对所有的数据进行扫描，并且将扫描得到的数据存入I/O区中。在结束采样后，会进入程序执行阶段。2、用户程序执行阶段在执行阶段，PLC会按照先后顺序，进行扫描并执行程序的内容。扫描结束后，进入下一阶段，输出刷新阶段。3、输出刷新阶段在输出阶段，CPU会以I/O区中所读入的数据来刷新所有的锁存电路，并且输出至相连接的外设。第三章液压传动系统液压系统，通常被简称为液压传动系统，是由液压能、控制元件、执行元件等相关原件组成的能够完成一系列固定动作的系统。在现在的各式各样的设备中，也都广泛的应用到了液压传动系统。这些液压传动的系统的结构有可能十分复杂，但是组成他们的都是一些基本回路。普遍来说，复杂的液压系统的各种行动可以如此进行：（1）明了液压系统需要的各项工艺要求；（2）纵观整个系统，需要了解系统的组成，其中包含有哪种组件，同时，将每一个执行组件成为中心，并且将系统分解，变成若干个子系统；（3）分析每一个子系统，理解其中的基本电路，根据执行要求和循环动作来对子系统进行更深的理解；（4）根据液压设备各执行机构之间的联锁、同步和抗干扰要求，分析了各子系统之间的关系在全面认识该制度的基础上，总结出整个制度的特点，以加深对该制度的认识。3.1液压系统的结构（1）动力元件，又被称为液压泵。它的作用是把运动产生的机械能转换成为液压系统所需要的液压能，同时它也为系统提供液压油。（2）执行元件，又被称为液压缸，它的作用是把转换而来的液压能再次转换为机械能，使液压缸有足够的洞里来使机械进行往复直线运动。（3）控制元件，通常是指各式类型的，进行控制液压系统中的液压，流向等参数的阀门。以此使液压元件能依照预期设计中的需求进行工作。（4）辅助元件，通常包含有油箱、管路和压力表等。它们是使系统能够正常工作的必要元件。（5）工作介质，又被称为液压油。它能够使液压系统进行相互之间的动力传输。同时，液压油又可以为元件提供润滑。3.2液压系统基本回路所有的机械设备的液压系统都是由基础的回路构成的。而一系列相关的基本元件组成了基本回路，它能够完成一系列设计好的动作。下面则是一些常见的基本电路。压力控制回路整个系统的压力由压力控制阀控制。根据不同的系统功能，可以将压力控制、压力转换、压力释放、压力稳定分为四个不同的电路和整体的压力控制电路。①调压电路：在该电路中，通过溢流阀设定系统的最大压力。溢流阀是发挥这个作用的关键。当系统的压力超过由溢流阀设定的压力时，溢流阀的开口部增加，为了维持系统的压力，油压系统的输出压力减少。②变压回路：通过此回路改变系统局部范围内的压力。如果将减压阀连接在回路中，则回路后的压力可以降低；相反，如果连接了增压器，回路后面的压力会增加。③卸压回路：当系统所需的压力为低压时，则可以通过泄压回路来降低系统内的压降，以此满足需求。④稳压回路：通过减小系统中所产生的压力波动，来使系统内的压力保持稳定状态。相关的装置有蓄能器等等。速度控制回路通过控制液压介质的流量，从而控制执行元件的速度。根据功能的不同可分为调速电路和同步电路。①调速回路：可通过节流阀控制系统内单个组件的运动速度。节流阀可以通过控制液压泵的流动来改变液压缸的速度。通常，这种形状会缩小速度限制。在调整了油压泵的输出流量的情况下，称为容积调速。②同步回路：通过控制两个或者以上的执行元件，并且使他们同步运行。比如对两个执行元件进行刚性连接；又或是串联液压缸，使流入的流量相等；亦或是通过节流阀，调节执行元件的流量。方向控制回路在液压系统中,对执行元件的运动，换向等进行控制的回路。方向控制回路可以分为换向回路和锁紧回路。图一图1所示的电路是通过手动控制反转阀而产生的反旋转路径。在该电路中，辅助泵2用于供给低压的控制油，先频阀3手动进行控制换向阀4的动作，能够实现主油电路的逆转。通过将阀门3向右侧转动，工作油流入阀4的左侧，右端的工作油向油箱逆流，活塞下降。将阀门3向左,即进行相反的操作，使活塞向上移动。通过转动阀3使其位于中间位置时,通过弹簧的作用,使阀4的阀芯回复，泵1重力撤销。而这种回路，通常被用在大型的压机上。如果让工作部件能够停留在任意的位置上，或者是在工作停止阶段，使其不会在受到外力的情况下进行移动，则可以使用锁紧回路。图2图2是使用\t"/item/%E6%B6%B2%E5%8E%8B%E4%BC%A0%E5%8A%A8%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"液控单向阀进行锁紧的锁紧回路。通过将油压锁串联连接到油压缸的油压入口和回油口，活塞在移动过程中可以锁定在任何位置。由于用于锁定该元件的电路的精度仅受油压缸内少量泄漏的影响，所以其精度非常高。当锁定电路使用油压锁定时，当换向阀处于中间位置时，电路释放油压工作油的压力，活塞可以立即停止。使用O型功能时，如果换向阀处于中间位置，则控制腔关闭，因此不能立即关闭液控单向阀。

3.2液压系统的工作原理液压泵通过\t"/item/%E6%B6%B2%E5%8E%8B%E4%BC%A0%E5%8A%A8%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"电动机的，将油从油箱内吸出，同时，把电动机所产生的机械能转换为系统所需要的液压能。在本图中，介质流过管道，通过\t"/item/%E6%B6%B2%E5%8E%8B%E4%BC%A0%E5%8A%A8%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"节流阀和换向阀进入液压缸左侧腔室内，从而推动活塞使工作台向右移动，而液压缸右侧腔室内所排出的介质则通过换向阀流回油箱。换向阀如果改变方向，介质则流入液压缸右腔，使工作台向相反方向移动。如果改变节流阀，其开口可以调节运动速度。而溢流阀则可以调节液压系统的压力。第四章自动成型机系统的设计自动成型机有许多的类型，本篇论文研究的是其中的注塑成型机。而它的主要作用是通过压力使原料转化成另一种形状，形式的物体。同时，我们需要研究一种合适的工艺技术，在原料的各项性质与成型技术之间取得一个平衡，从而制作出高品质的成品。注塑机，也可以被称为注射成型机，它是将塑料原料进行加热，在半融化状态注入模具，施加一定的压力，经过冷却，使其成为拥有固定形状，尺寸的塑料成品的重要的设备。4.1成型机历史注塑机的发展离不开相关塑料工业产业。最开始，注塑机依照和参考了金属压铸机的原理。1932年，德国的布莱恩公司发明出了第一台自动注塑机。同时，注塑机的相关工艺设计也随着时代在不停的进步。1948年起，注塑机的结构形式也从驻塞式渐渐进化成螺杆式。而第一台螺杆式自动注塑机则在1959年被发明。从此，塑料工业史上又有了一大进步，使塑料产业，注塑工艺得到了极大的发展。4.2成型机原理工作台，液压系统，指示灯等组成了一台自动成型机。它的系统之间的能量传递是由液压油来实现的。从而使材料发生形变，以满足塑料生产工艺的加工需求。本次论文所研究的成型机是使用PLC系统控制液压系统中的各个液压缸的电磁阀，使其打开和关闭，从而对液压缸中活塞的运动进行控制。并且带动部件运动，使原料有足够的压力来使其成型。4.3控制系统要求1)将原料放入成型机的模具内，此时，系统中处于初始状态：S1=S3=S5=OFF,S2=S6=ON,Y1=Y2=Y4=OFF，Y3=ON。2)按下启动按钮，使系统开始工作，此时Y2=ON，液压缸B的活塞开始运动，S4=OFF。3)当B的终止运动时，S3=ON。液压缸A和C活塞开始运动，Y1=Y4=ON，Y3=0FF，S2=S6=OFF。4)当液压缸A和C的活塞都终止运动时，S1=S5=ON。原料加工完成。液压缸活塞开始返回。Y1=Y4=OFF，Y3=ON，S1=S5=OFF。5)液压缸A和C的活塞回到原点，S2=S6=ON，液压缸B的活塞开始返回。Y2=OFF，使S3=OFF。6)当液压缸B的活塞回到原点时，S4=ON，系统回到初始状态。将成品取出，并且放入原材料。进入下一个工作循环。4.4自动成型机硬件设计4.4.1PLC选择PLC是一种因工业而诞生的专业的操作系统。它能够在系统内部进行顺序执行，逻辑运算，计数等等一系列的操作。同时还可以使用不同的方式进行输出，以此来操控各个类型的机械设备。而且其相关的配套设备都按照PLC的相关特性进行了设计。PLC对于程序的编写是通过对软件的控制来实现的，同时还能够进性测试和修改。因此，相较于传统的电气系统，它的各项工作量都大幅减少；设计和调试所需要的时间周期也相应缩短。同时，由于PLC的设计，它对故障有很高的抗性，就算出现故障，也能够依照提示迅速的对故障点进行维修。在本次设计中，共有8个输入端以及4个输出端。考虑到系统的设计以及扩展性，所以本次设计采用日本三菱公司FX3U系列的PLC来进行控制。4.4.2电磁阀电磁阀是执行器件，通常被用于机械设备。它能够对液体的流动方向进行控制，从而控制阀门的开关。同时，电磁阀的腔带有多方向的通孔，且中间有阀门，通过两面的电磁铁，对阀门进行控制。让液压油能够进入液压缸中，并且通过缸中的压力，使活塞进行运动。以此进行一系列的机械联动，从而使电磁阀能够控制设备的运动状态。在本次设计中，所采用的电磁阀型号为SY5140-5LZ-02。4.4.3液压系统液压缸液压缸是执行单位。是能够将液压油所产生的压力能转换为活塞所需要的机械能的转换部件。同时，在液压系统中，因其结构简单，可靠性高，从而液压缸得到了大范围的使用。本次设计所使用的液压缸类型是单杆活塞式，其型号为HS01·210L，与其他液压缸进行对比，它拥有很轻的质量以及紧凑的的结构。且易于拆装，维修方便。液压油泵液压油泵是系统中特别重要的一部分。在设计时，系统压力以及介质流量都对液压泵有一定的设计需求。同时，为了使油泵能够长期的使用，还需要对其的质量，可靠性等有足够的研究。液压泵对于不同的种类有不同的特性。通常情况下我们使用的多是叶片泵，柱塞泵和齿轮泵。本篇论文中所使用的液压泵为叶片泵中的双联叶片泵。型号为YYB1-AA6/9B-Y2。它的噪音较小，压力大，效率高，多用于机床，注塑机，液压机等液压系统。液压马达液压马达是系统中执行指令的器件。它能够将转化来的液压能转变为系统所需要的机械能。而传递这种能量所需要的就是液压油。它主要的应用场所是注塑机械，矿山机械，石油化工、港口机械等设备上。本篇论文中所使用的液压马达是型号为BM2-125的低速大扭矩摆线式液压马达。适用于塑料机械等设备。在本篇论文中所使用的是低速大扭矩摆线液压马达。它的优点有：1.相较于其他液压马达，它的体积小，重量轻。2.成本低，安装方便，可以无级调速。3.可以在液压系统中串联或者并联。第五章程序设计5.1程序框图5.2I/O地址表分配：按照论文给出的要求进行程序的设计，启动和停止按钮的开关为SB1和SB2，行程开关设计为六个分别是S1-S6，从而链接PLC的八个输入端口。而电磁阀则连接PLC的四个输出端口。下表是它的地址。5.3梯形图5.4程序设计与说明（1）系统未开始运行时，所有状态均是初始状态。开始工作时，按下启动按钮，程序开始运行。液压缸B的活塞开始运动。当活塞终止运动时，两边的液压缸A和C的活塞开始向中心运动。当A和C的活塞终止运行时，模具已经合拢，材料已经成型。然后，各个活塞开始回到原点。首先是液压缸A和C的活塞开始返回。当A和C的活塞回到起点后，液压缸B的活塞也开始返回。在B回到原点后，系统也回到了初始状态。此时，可以将成品取出，并且放入原材料。进入下一个工作循环。第六章仿真1.程序开始仿真，按下启动按钮。此时X0开始工作，停止按钮X7断开。缸B电磁阀打开，活塞开始工作。同时，B的开限位X4未打开。2.当B运动到它的关限位X3打开后，控制液压缸A和C的电磁阀Y1,Y4开始工作，其活塞开始运动。同时，A和C的开限位X2和X6关闭。3.当活塞终止运动后，液压缸A和C关限位X1和X5开始工作。此时，原材料的加工已经完成。A的电磁阀Y1和C的关电磁阀Y4停止工作，同时，C的开电磁阀Y