注塑机的PLC控制系统设计.docx
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注塑机的PLC控制系统设计
注塑机的PLC控制系统
摘要
本论文主要阐述了XS-ZY-250A型注塑机的机电系统控制问题。
在可编程控制器实现注塑机自动控制的具体方法作了深入的研究,实现注塑机动作程序控制,将模糊控制等先进控制理论应用到注塑机料筒温度控制中,并在注塑机全电气化方面作了一些有益的尝试。
关键词:
注塑机;PLC;自动控制系统
ABSTRACT
Inthispaper,theTYPE-XS-ZY-250Aplasticinjection-mouldingmachineworksisexplainedandthefundamentalprincipleofitselectrohydraulicsystemisintroduced.
Themethodiscarefullystudiedthatcontrolplasticinjection-mouldingmachinethroughelectrohydraulicproportional-technology,D/Aandprogrammablecontroller.
Keywords:
plasticinjecton-mouldingmachine;proportional-technology;programmablecontroller.
6.2注塑机的工作过程…………………………………………………………17
6.4输出分配表………………………………………………………………..21
致谢………………………………………………………………………………….35
1引言
现代注塑机是一个集机电—液于一体的典型系统,由于一次能够成型复杂制品、后加工量少,再加上可采用注射成型加工的塑料种类非常多,以及注塑成型加工具有适应性强和效率高等特点,因而成为一种非常重要的塑料成型加工方法。
可编程序控制器(ProgrammableController,PLC)是一种介于计算机和简单顺序控制器之间的自动控制装置,在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的一种新型技术,得益于微电子和控制技术的发展与综合,在三十年时间内,迅速发展成为一种多功能、智能化的综合控制器系统。
PLC强大的网络通讯功能,使其应用领域从单机自动化、生产线自动化,扩大到车间及工厂生产综合自动化,最终建立计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS)、智能制造系统(IntelligentManufacturingSystem,IMS)。
同样,PLC在注塑机上得到了广泛而成功的应用,不仅继承了传统继电器控制系统的逻辑控制功能,而且借助各种智能模块已能够对预塑计量、料筒温度、注射压力等过程实现精确、实时控制。
例如,奥地利B&R公司的B&R2000系统可以精确地监视、控制注塑机多区域温度,实现能量最优化,还专门研制了针对注塑机的特殊模块。
针对注塑机全电气化控制发展要求,国外(日本、奥地利等)采用PLC研制成功了全电气化注塑机。
我国在这方面与国外相比还存在较大的差距,PLC在注塑机上的应用还仅仅停留在简单的逻辑控制上面,甚至大部分厂家还使用继电器作为控制器。
2PLC的简介
早期的PLC(60年代末—70年代中期)早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义,其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制,定时等。
它在硬件上以准计算机的形式出现,在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。
装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路,存储器采用磁芯存储器。
另外还采取了一些措施,以提高其抗干扰的能力。
在软件编程上,采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。
因此,早期的PLC的性能要优于继电器控制装置,其优点包括简单易懂,便于安装,体积小,能耗低,有故障指使,能重复使用等。
其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。
中期的PLC(70年代中期—80年代中,后期)在70年代,微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国,日本,德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。
这样,使PLC得功能大大增强。
在软件方面,除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。
在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量,使各种逻辑线圈的数量增加,还提供了一定数量的数据寄存器,使PLC得应用范围得以扩大。
近期的PLC(80年代中、后期至今)进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。
而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
2.1应用对象功能要求应用场合
替代继电器继电器触点输入/输出、逻辑线圈、定时器、计数器替代传统使用的继电器,完成条件控制和时序控制功能;数学运算,四则数学运算、开方、对数、函数计算、双倍精度的数学运算;设定值控制、流量计算;PID调节、定位控制和工程量单位换算;数据传送,寄存器与数据表的相互传送等数据库的生成、信息管理、BAT-CH(批量)控制、诊断和材料处理等;矩阵功能,逻辑与、逻辑或、异或、比较、置位(位修改)、移位和变反等,这些功能通常按“位”操作,一般用于设备诊断、状态监控、分类和报警处理等;高级功能,表与块间的传送、校验和、双倍精度运算、对数和反对数、平方根、PID调节等表与块间的传送、校验和、双倍精度运算、对数和反对数、平方根、PID调节等;通信速度和方式、与上位计算机的联网功能、调制解调器等;诊断功能,PLC的诊断功能有内诊断和外诊断两种。
内诊断是PLC内部各部件性能和功能的诊断,外诊断是中央处理机与I/O模块信息交换的诊断;串行接口(RS-232C),一般中型以上的PLC都提供一个或一个以上串行标准接口(RS-232C),以例连接打印机、CRT、上位计算机或另一台PLC8;通信功能,现在的PLC能够支持多种通信协议。
比如现在比较流行的工业以太网等,对通信有特殊要求的用户。
2.2PLC系统组成及各部分的功能
2.2.1CPU运算和控制中心
当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中,然后CPU根据系统所赋予的功能(系统程序存储器的解释编译程序),把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。
横:
输入状态和输入信息从输入接口输进,CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。
然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。
把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中,然后输出到输出接口、控制外部驱动器。
组成:
CPU由控制器、运算器和寄存器组成。
这些电路集成在一个芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。
2.2.2存储器
具有记忆功能的半导体电路。
分为系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用以存放系统程序,包括管理程序,监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的,内容不可更改,断电不消失。
用户存储器:
分为用户程序存储区和工作数据存储区。
由随机存取存储器(RAM)组成。
用户使用的。
断电内容消失。
常用高效的锂电池作为后备电源,寿命一般为3~5年。
2.2.3输入/输出接口
(1)输入接口:
光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二级管:
在光电耦合器的输入端加上变化的电信号,发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三级管:
在光信号的照射下导通,导通程度与光信号的强弱有关。
在光电耦合器的线性工作区内,输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程:
当开关合上,二极管发光,然后三极管在光的照射下导通,向内部电路输入信号。
当开关断开,二极管不发光,三极管不导通。
向内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
(2)PLC的继电器输出接口电路:
工作过程:
当内部电路输出数字信号1,有电流流过,继电器线圈有电流,然后常开触点闭合,提供负载导通的电流和电压。
当内部电路输出数字信号0,则没有电流流过,继电器线圈没有电流,然后常开触点断开,断开负载的电流或电压。
也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。
2.2.4编程器
编程器分为两种:
一种是手持编程器,方便。
我们实验室使用的就是手持编程器。
二种是通过PLC的RS232口。
与计算机相连。
然后敲击键盘。
通过NSTP-GR软件(或WINDOWS下软件)向PLC内部输入程序。
2.3PLC的特点
2.3.1可靠性高
由于可靠性是用户首选依据,应此每个PLC厂商都将可靠性作为第一指标,以单片机为核心在硬件和软件上采取大量抗干扰措施,提升PLC平均无故障时间。
一般达30万小时以上。
2.3.2控制功能强
PLC具有逻辑判断,定时,步进,跳转,移位,记忆四则运算和数据传送等功能。
2.3.3编程方便易于使用和推广
PLC采用与继电器电路相类似的梯形图编程比较直观易懂。
采用积木式模块或结构具有较大的灵活性和扩展性,可根据生产工艺要求或运行情况随时对程序进行再线修改不用改硬线。
2.4PLC机型选择的基本原则
在功能满足要求的前提下,选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型;在工艺过程比较固定、环境条件较好(维修量较小)的场合,建议选用整体式结构的PLC;其它情况则最好选用模块式结构的PLC;对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中,一般其控制速度无须考虑,因此,选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求;而在控制比较复杂,控制功能要求比较高的工程项目中(如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等),可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。
其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。
根据不同的应用对象,表1列出了PLC的几种功能选择。
2.5PLC的工作过程
2.5.1自监视扫描阶段
为了保证工作的可靠性,PLC内部具有自监视或自诊断功能,自监视功能是由监视定时器(WDT,watchdogtimer)完成的,WDT是一个硬件时钟,自监视过程主要是检查及复位WDT,如果在复位前扫描时间已经超过WDT的设定值,CPU将停止运行,IO复位,给出报警信号,这种故障称为WDT故障。
WDT故障可能由CPU硬件引起,也可能用户程序执行时间太长,使扫描时间超过WDT时间而引起的,用编程器可以消除故障。
WDT的设定一般是150-200ms,一般系统的时间都小于50-60ms。
在大中型PLC中一般可以对WDT进行修改。
2.5.2与编程器交换信息阶段
用户使用编程器(计算集中的编程软件)对PLC进行用户程序的上传、下载或者使用上位机中的SCADA系统对PLC进行监视控制时,PLC的CPU交出控制权,处于被动状态,上述工作完成或达到信心交换的规定时间后,CPU重新得到总线权,恢复主动状态。
2.5.3与网络进行通讯的阶段
目前的大中型PLC都是用现场总线协议进行大量数据的交换,比如,controllogix使用controlnet,quantum使用MODBUS。
PLUS,在这一段十进之中,PLC和网络进行数据的交换。
2.5.4用户程序扫描阶段
PLC处于运行状态时,一个扫描周期中就包含了用户程序的扫描阶段。
该阶段中,根据用户程序中的指令,PLC从输入状态暂存区和其他软元件的暂存区中将有关状态读出,从第一条指令开始顺序执行,每一步的执行结果存入输出状态暂存区。
2.5.5IO服务扫描阶段
CPU在内存中设置两个暂存区,一个是输入暂存区(输入映象寄存器),一个是输出暂存区(输出映象寄存器),执行用户程序时,用到的输入值从输入暂存区中取得,结果放在输出暂存区。
在输入服务(输入采阳及刷新)中,CPU将实际的输入端的状态读入到输入暂存区;在输出服务(输出刷新与锁存)中,CPU将输出暂存区的值同时传送到输出状态锁存器。
输入暂存区的数据取决于输入服务阶段各实际输入点的状态,在用户程序执行阶段,输入暂存区的数据不在随输入端的变化而变化,该阶段中,输出暂存区根据执行结果的不同而变化,但输出锁存器内容不变。
2.6PLC机型的选择步骤与原则
随着PLC技术的发展,PLC产品的种类也越来越多。
不同型号的PLC,其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同,适用的场合也各有侧重。
因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。
选择时主要考虑以下几点:
2.6.1合理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中;而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。
2.6.2安装方式的选择
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式:
集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,系统反应快、成本低;远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广。
远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源;多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。
2.6.3相应的功能要求
一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。
对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。
对于控制较复杂,要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高档PLC。
但是中、高档PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
2.6.4响应速度要求
10.5系统可靠性的要求对于一般系统PLC的可靠性均能满足。
对可靠性要求很高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。
PLC对外输出时负载类型也很重要,感性负载和容性负载会引起浪涌电流。
如果浪涌电流太大就要选带吸收浪涌电流的PLC。
10.6机型尽量统一,一个企业,应尽量做到PLC的机型统一。
主要考虑到以下三方面问题:
机型统一,其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理。
其功能和使用方法类似,有利于技术力量的培训和技术水平的提高。
其外部设备通用,资源可共享,易于联网通信,配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。
2.7PLC容量的选择步骤与原则
2.7.1I/O点数的选择
PLC平均的I/O点的价格还比较高,因此应该合理选用PLC的I/O点的数量,在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少,但必须留有一定的裕量。
通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要,再加上10%~15%的裕量来确定。
2.7.2存储容量的选择
用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关,而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。
一个有经验的程序员和一个初学者,在完成同一复杂功能时,其程序量可能相差25%之多,所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。
PLC的I/O点数的多少,在很大程序上反映了PLC系统的功能要求,因此可在I/O点数确定的基础上,按下式估算存储容量后,再加20%~30%的裕量。
存储容量(字节)=开关量I/O点数×10+模拟量I/O通道数×100另外,在存储容量选择的同时,注意对存储器的类型的选择。
市场上PLC种类及特点如下:
欧姆龙、西门子、三菱PLC、施耐德、AB西门子系列、LOGO!
S5、S7-200、S7-300、S7-400
用STEP7编程
(1)SIMATICS7-200PLC,S7-200PLC是超小型化的PLC,它适用于各行各业,各种场合中的自动检测、监测及控制等。
S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行,或连成网络都能实现复杂的控制功能。
S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。
(2)SIMATICS7-300PLC;S7-300是模块化小型PLC系统,能满足中等性能要求的应用,价格高。
各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。
与S7-200PLC比较,S7-300PLC采用模块化结构,具备高速(0.6~0.1μs)的指令运算速度;用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算;一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值;方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内,人机对话的编程要求大大减少。
SIMATIC人机界面(HMI)从S7-300中取得数据,S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。
S7-300操作系统自动地处理数据的传送;CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如:
超时,模块更换,等等);多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密,防止未经允许的复制和修改;S7-300PLC设有操作方式选择开关,操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出,当钥匙拔出时,就不能改变操作方式,这样就可防止非法删除或改写用户程序。
具备强大的通信功能,S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能,这使得组态非常容易、简单。
S7-300PLC具有多种不同的通信接口,并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统;串行通信处理器用来连接点到点的通信系统;多点接口(MPI)集成在CPU中,用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。
(3)SIMATICS7-400PLC,S7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。
S7-400PLC采用模块化无风扇的设计,可靠耐用,同时可以选用多种级别(功能逐步升级)的CPU,并配有多种通用功能的模板,这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。
当控制系统规模扩大或升级时,只要适当地增加一些模板,便能使系统升级和充分满足需要。
综合以上原则我们选择西门子S7-200-226型PLC。
3塑料模简介
3.1塑料模具分类
3.1.1按照塑料制品成型方法分类
(1)压塑模:
塑料装在受热的型腔或加料室内,然后加压。
在压制时直接对型腔内的塑料施加压力。
这类模具的加料室一般于型腔是一体的。
(2)传递模:
塑料在加料室内受热成为粘流状态,在柱塞压力作用下使熔料经过注射系统进入充满闭合的型腔。
(3)注射模:
塑料在注射机上装有螺杆搅拌的料筒内受热进行塑化,达到半熔融状态时,在压力作用下熔料通过模具的注射系统进入到有一定温度的型腔内固化成塑料制品。
工艺成型周期短,生产效率高,这种模具在热固性塑料注射机上使用。
4注射机的使用
注射机的使用包括注射机的操作、注射机的工艺条件的调整、开车前的准备和终了时的结束工作等。
开车前的准备和终了时的结束工作。
开车前应做好:
检查各运动部位(拉杆、导轨、导杆、油缸等)表面是否清洁,对运动部件进行润滑,检查紧固件是否松动,电路、油路、水管是否连接可靠,加热装置是否连接可靠,热电偶与料斗接触是否良好,检查液压装置的油量,打开冷却系统。
每次加工终了后,首先应关闭料斗落料口的插板。
采用“手动”的操作模式,在注射座退回后,反复进行预塑和对空注射,将料筒内的余料尽量排干净。
其次,采用“调整”模式,使模具闭于自由状态,然后切断加热电源,关闭油泵电机、总电源和冷却水。
4.1注射机的操作及维护
4.1.1操作安全
每次操作前检查注射机的安全门是否可靠。
机器运转过程中不可将手伸入合模机构中。
取制品时,必须打开安全门。
在手未完全撤离安全范围时决不可关闭安全门。
在运转过程中,手不得伸入喷嘴和模具浇口之间或注射机有相对运动的部位。
修理模具时,如果维修人员在合模机构中工作,必须关闭油泵电机。
4.1.2注射机塑化装置的操作
(1)螺杆启动。
注射机料筒从室温加热到工作温度大约需要30分钟左右,大型机还要长些。
如果料筒中有剩余冷料。
则需再保温15分钟左右,才能启动螺杆。
(2)螺杆空转。
预塑加料初期,在螺杆和料筒尚未加料时,不宜采用高的螺杆转速,一般空转转速在50转/分以下。
(3)塑化部位的装拆。
在装拆料筒和螺杆时,首先将料筒(注射座)与原来的位置偏转一个角度,使料筒避开模板。
如果料筒内有剩料,应先加热到塑化温度,方能拆除喷嘴。
在拆卸螺杆头时,应注意螺纹的旋向,一般为左旋。
4.2.3注塑机的维护
首先使用上要注意上面提到的问题。
如果加工的物料有腐蚀性,且停机后需要一定时间才开机,则要及时对料筒、螺杆进行清洗。
清洗工作应在料筒加热情况下进行,一般用聚苯乙烯作为清洗料。
在清洗结束后,立即关闭加热开关,并做终了结束工作。
检查工作分每天检查和定期检查,每天检查:
加热圈装置是否工作正常,热电偶接触是否良好;温度控制仪是否在0位;各电气开关,特别是安全门和紧急停车开关情况;模具安装固定螺栓情况;冷却水循环的供应情况;检测仪表,如压力表、功率表、转速表等;油箱内的油量;运动部件的润滑。
定期检查:
工作油液的质量;螺杆、料筒的磨损情况;电气元件的工作状况,接地是否可靠;吸油、滤油装置;油冷却器;油泵、电机、油马达等。
4.3注塑机的分类及其型号规格的表示方法
4.3.1按外形分为
立式注射成型机;卧式注射成型机;角式注射成型机;多模注射成型机。
4.3.2按注射功能分
合模力/KN
注射量/cm3
超小型
〈200~400
〈30
小型
400~3000
60~500
中型
3000~6000
500~2000
大型
8000~20000
〉2000
举型
〉20000
5注塑机的发展趋势
5.1减少损耗,充分利用能量
液压技术在将机械能转换成压力能及反转换过程中,总存在能量损耗。
为减少能量的损失,必须解决下面几个问题:
减少元件和系统的内部压力损失,以减少功率损失;减少或消除系统的节流损失,尽量减少非安全需要的溢流量;采用静压技术和新型密封材料,减少摩擦损失;改善液压系统性能,采用负荷传感系统、二次调节系统和采用蓄能器回路。
5.2泄漏控制
泄漏控制包括:
防止液体泄漏到外部造成环境污染和外部环境对系统的侵害两个方面。
今后,将发展无泄漏元件和系统,如发展集成化和复合化的元件和系统,实现无管连接,研制新型密封和无泄漏管接头,电机油泵组合装置等。
无泄漏将是世界液压界今后努力的重要方向之一污染控制。
过去,液压界主要致力于控制固体颗粒的污染,而对水、空气等的污染控制往往不够重视。
今后应重视解决:
严格控制产品生产过程中的污染,发展封闭式系统,防止外部污染物侵入系统;应改进元件和系统设计,使之具有更大的耐污染能力。
同时开发耐污染能力强的高效滤材和过滤器。
研究对污染的在线测量;开发油水分离净化装置和排湿元件,以及开发能清除油中的气体、水分、化学物质和微
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