【正文】 基于 PLC的塑料注塑成型機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 引言 隨著經(jīng)濟(jì)全球化的蔓延，中國市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境越來越好。中國塑料工業(yè)經(jīng)過長期的發(fā)展 ,已形成門類較多、品種齊全的工業(yè)體系 ,同鋼材、水泥、木材等產(chǎn)業(yè)并駕齊驅(qū)成為基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè) 。 21世紀(jì)以來，塑料作為一種新型材料，中國塑料工業(yè)在很多領(lǐng)域取得了令世人矚目的成就，實(shí)現(xiàn)了歷史性的跨越。作為輕工行業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一的塑料行業(yè)，近幾年增長速度一直保持在 10%以上，在保持較快發(fā)展速度的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益也有新的提高。塑料制品行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)產(chǎn)值總額在輕工 19 個(gè)主要行業(yè)中位居第三，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品銷售率 %，高于輕工行業(yè)平均水平。從合成樹脂、塑料機(jī)械和塑料 制品生產(chǎn)來看，都顯示了中國塑料工業(yè)強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。 注塑機(jī)是注塑成型的主設(shè)備，注塑機(jī)的技術(shù)參 數(shù) 和性能與塑料性質(zhì)和注塑成型工藝有著密切的關(guān)系。注塑成型 設(shè)備的進(jìn)一步完善和發(fā)展必將推動(dòng)注塑成型技術(shù)的進(jìn)步，為注塑制品的開發(fā)和應(yīng)用創(chuàng)造條件。在大型注塑的技術(shù)發(fā)展方面，合模系統(tǒng)采用全液壓式或液壓 機(jī)械式，即曲軸連桿型式，兩者在市場上均有競爭能力。但不論哪種形式的注，其發(fā)方向都必須向低能耗、低噪音、鎖模力容易控制、運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠和便于維修方向發(fā)展。近年來，中小型注塑機(jī)的技術(shù)發(fā)展非常迅速，就工藝參數(shù)而言，塑化能力、注射壓力等都有很大提高。有的發(fā)展成超高系列，其注射壓力已 451Mpa（ 4600kgf/cm），在這種設(shè)備上模腔壓力可到 98Mpa(1000kgf/cm)， 使注塑制品的 次品 率幾乎為零，可注塑 － 厚的薄件制品。 90 年代的注塑機(jī)正向節(jié)能、精密成型、超精密成型、低噪音和高級(jí)自動(dòng)化方向發(fā)展。所謂節(jié)能是指注塑機(jī)要節(jié)省泵的動(dòng)力，節(jié)約電力。精密成型是指生產(chǎn)制品尺寸精度的范圍在 － ，超精密成型是在 － ，低噪音是指注機(jī)能在平穩(wěn)無撞擊和無振動(dòng)下工作，按 規(guī)定 在距離機(jī)器 1m 左右的地方揮發(fā)油的噪音應(yīng)低于 70 分貝。高級(jí)自動(dòng)化是指注塑機(jī)能遠(yuǎn)距離操作或無 線操 作，保證制品的精度、注塑工藝條件的穩(wěn)定性。另外，微處理機(jī)在注塑機(jī)上的是注塑機(jī)的 自動(dòng)控制方面最重要的發(fā)展。注射成型工藝對(duì)各種塑料的加工具有良好的適應(yīng)性，生產(chǎn)能力較高，并易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在塑料工業(yè)迅速發(fā)展的今天，注塑機(jī)不論在數(shù)量上或品種上都占有重要地位，其生產(chǎn)總數(shù)占整個(gè)塑料成型設(shè)備的 20%－ 30%，從而成為目前塑料機(jī)械中增長最快，生產(chǎn)數(shù)量最多的機(jī)種之一 [1]。 課題研究的目的和意義 早期的注塑機(jī)由于當(dāng)時(shí)的條件或成本限制多用繼電器電路控制，其故障率高、維修周期短、設(shè)備工作效率低。隨著工業(yè)控制技術(shù)的飛速發(fā)展和產(chǎn)品檔次的提高，現(xiàn)今注塑基于 PLC的塑料注塑成型機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 機(jī)多采用 PLC（或?qū)Ｓ每刂破鳎┘尤藱C(jī)界面的控制系統(tǒng)， 生產(chǎn)自動(dòng)化程度的大為提高，有利于降低工廠成本、促進(jìn)生產(chǎn)線的柔性化和集成化，有利于提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及產(chǎn)品的競爭力。 本課題致力于設(shè)計(jì)一套實(shí)用的 PLC 注塑機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)合交流調(diào)功溫度控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程。 PLC 在注塑機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 的意義在于： (1) 提高產(chǎn)品質(zhì)量。 (2) 減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，適當(dāng)降低操作技術(shù)水平。 (3) 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少在制品數(shù)量，加速資金周轉(zhuǎn)。 (4) 縮減生產(chǎn)面積，節(jié)約能源消耗，降低產(chǎn)品成本。 PLC 在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 這幾年來，我國塑機(jī)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步十分顯著，尤 其是注塑機(jī)的技術(shù)水平與國外 名牌產(chǎn)品 的差距大大縮小，在控制水平、產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量和外觀造型等方面均取得顯著改觀。選擇國產(chǎn)設(shè)備，以較小的投入，同樣也能生產(chǎn)出與進(jìn)口設(shè)備質(zhì)量相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品。這些為企業(yè)的技術(shù)改造創(chuàng)造了條件。 目前 中國 生產(chǎn)注塑機(jī)的廠家較多，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)已超過 60 家。注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有立式和臥式兩種。按 生產(chǎn)出的制品可分為普通型和精密型注塑機(jī)。一次注射量4551000g；鎖模力 20036000kN；加工原料有 熱固性塑料 、熱塑性塑料和 橡膠 三種。熱塑性塑料包括聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、 尼龍 、聚氨酯、 聚碳酸酯、有機(jī)玻璃、聚砜及 (丙烯腈 /丁二烯 /苯乙烯 )共聚物 (ABS)等。從加工出的制品來看，有單色、雙色的一般和精密塑料制品。上述產(chǎn)品的主要生產(chǎn)廠家都有自己的系列，各有自己的特點(diǎn)。如廣東震德塑料機(jī)械廠有限公司生產(chǎn)的捷霸 CJ 系列注塑機(jī)每一種規(guī)格均有數(shù)控和電腦控制兩種形式。又如浙江省寧波海天機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 HTF80XHFT3600X型系列注塑機(jī)，可用于生產(chǎn)各種高精密的熱性塑料制品，機(jī)器采用線型移動(dòng)傳感器控制注射、合模、頂出，采用多重 CPU 電控系統(tǒng)、大幅面彩色 LED 顯示、全電腦自動(dòng)控制。普通 臥式注塑機(jī) 仍是注塑機(jī)發(fā)展的主導(dǎo)方向，其基本結(jié)構(gòu)幾乎沒有大的變化，除了繼續(xù)提高其控制及自動(dòng)化水平、降低能耗外，生產(chǎn)廠家根據(jù)市場的變化正在向組合系列化方向發(fā)展，如同一型號(hào)的注塑機(jī)配置大、中、小三種注射裝置，組合成標(biāo)準(zhǔn)型和組合型，增加了靈活性，擴(kuò)大了使用范圍，提高了經(jīng)濟(jì)效益。 世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國家的注塑機(jī)生產(chǎn)廠家都在不斷提高普通注塑機(jī)的功能、質(zhì)量、 輔助設(shè)備 的配套能力，以及自動(dòng)化水平。同時(shí)大力開發(fā)、發(fā)展大型注塑機(jī)、專用注塑機(jī)、反應(yīng)注塑機(jī)和精密注塑機(jī)，以滿足生產(chǎn) 塑料合金 、磁性塑料、帶嵌件的塑料制品的需求。注塑機(jī)是目前中國塑料機(jī)械中發(fā)展速度最快、水平與工業(yè)發(fā)達(dá)國家差距較小的塑機(jī)品種基于 PLC的塑料注塑成型機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 之一。但主要指普通型注塑機(jī)，在特大型、各種特殊、專用、精密注塑機(jī)的多數(shù)品種方面，有的產(chǎn)品尚屬空白，這是與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的主要差距 [2]。 本課題的主要內(nèi)容 本課題介紹了用 S7200 控制器改進(jìn)中央信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法塑料注塑成型機(jī)是塑料加工行業(yè)的主要設(shè)備，它能加工各種熱塑性或熱固性塑料，通常由閉模和注塑兩大部分組成。顆粒狀原料經(jīng)過柱塞或螺桿壓入料筒，加熱熔化后，在一定的注射速和壓力下，注射到模具內(nèi)，經(jīng)保壓后很快凝固成所需要的塑料制品。塑料注塑成型生產(chǎn)工藝一般要經(jīng)過閉模、閘板閉合、穩(wěn)壓、注射座前進(jìn)、高壓注射、保壓、預(yù)塑、卸壓、閘板開啟、啟模、頂出產(chǎn)品等階段。 注塑成型控制系統(tǒng)操作要求： (1) 塑料注塑 成型機(jī)是塑料加工行業(yè)的主要設(shè)備，它能加工各種熱塑性或熱固性塑料，通常由閉模和注塑兩大部分組成。 (2) 顆粒狀原料經(jīng)過柱塞或螺桿壓入料筒，加熱熔化后，在一定的注射速度和壓力下，注射到模具內(nèi)，經(jīng)保壓后很快凝固成所需要的塑料制品。 (3) 塑料注塑成型生產(chǎn)工藝一般要經(jīng)過閉模、閘板閉合、穩(wěn)壓、注射座前進(jìn)、高壓注射、保壓、預(yù)塑、卸壓、閘板開啟、啟模、頂出產(chǎn)品等階段。 (4) 操作方式有手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)三種形式。 (5) 各階段都是由行程開關(guān)控制電磁閥來進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。 2 注塑機(jī)控制系統(tǒng)的分析 相關(guān)技術(shù) 組成 注塑機(jī)控制系統(tǒng) 注塑機(jī)控制系統(tǒng)是整機(jī)的一個(gè)重要部分，其性能的優(yōu)劣對(duì)整機(jī)有著至關(guān)重要的影響， 隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展， PLC（可編程控制器）不僅用邏輯編程取代了硬接線邏輯，還增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和處理的功能，真正成為一種計(jì)算機(jī)工業(yè)控制裝置。 PLC 的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制、順序控制的范圍，所以在工業(yè)發(fā)達(dá)國家， PLC在其自動(dòng)化設(shè)備中的比例占首位。近年來，我國的 PLC 技術(shù)也從初期的引進(jìn)、消化走向吸收和推廣應(yīng)用階段，并且在許多工業(yè)領(lǐng)域取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 在以往國內(nèi)的注塑機(jī)控制系統(tǒng)中 ，主要存在三種控制類型： (1) 繼電器控制 基于 PLC的塑料注塑成型機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 (2) 單片機(jī)控制 (3) PLC 控制 在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，前兩種方法因其自身的局限性，多不采用。而多是采用 PLC 控制系統(tǒng)，這是一種工業(yè)控制機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)，工作可行性高，平均無故障時(shí)間長，可在惡劣環(huán)境下正常工作，并可與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。此外， PLC 系統(tǒng)還可大大縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，加快工作進(jìn)度。在本次設(shè)計(jì)中我們采用了可編程控制系統(tǒng)。 注塑機(jī)控制通常指的是電液控制，即由液壓和電氣控制部分組成。注塑機(jī)的控制系統(tǒng)是保證注塑機(jī)按工藝過程規(guī)定的要求（壓力、速度、溫度、時(shí)間等 ）和動(dòng)作程序，準(zhǔn)確有效地工作的控制系統(tǒng)。目前注塑機(jī)的發(fā)展主要集中在： (1) 提高制品尺寸精度和穩(wěn)定性 (2) 提高速度、縮短成型周期 (3) 生產(chǎn)過程的自動(dòng)化和省力 但所采用的技術(shù)手段，都離不開以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的自控技術(shù)。因此，注塑機(jī)的控制成為目前注塑機(jī)發(fā)展中一個(gè)很重要的內(nèi)容，主要包括動(dòng)作程序控制（如開閉模、注射、保壓等）和過程程序控制（例如，注射過程的速度和壓力程序控制等）兩個(gè)方面。 可編程序控制器 可編程控制器的英文為 :Programmable Logic Controller，簡稱 PLC，是 1 種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。是在 20世紀(jì) 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，取代各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程的繼電器控制系統(tǒng)。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)的。 PLC（可編程序控制器）技術(shù)是研究自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛使用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)設(shè)備的原理、功能、編程和使用方法，是自動(dòng)化專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的一 門專業(yè)性質(zhì)較強(qiáng)且與生產(chǎn)實(shí)踐緊密相聯(lián)的技術(shù) [3]。 溫度傳感器 傳感器技術(shù)是一項(xiàng)正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，它與通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)一起構(gòu)成了當(dāng)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。 溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下， 已 相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、 PN 結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。 本課題將用到可精確測量溫度傳感器，通過溫度傳感器準(zhǔn)確測量溫度并實(shí)施控制。 熱電偶 溫度傳感器 屬于接觸式溫度測量儀表是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的溫度檢測儀表之一。其特點(diǎn)為測量精度高。因熱電偶直接與被測對(duì)象接觸，不受中間介 質(zhì)的影響 ， 測基于 PLC的塑料注塑成型機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 量范圍廣。常用的熱電偶從 50 至 +1600℃ 均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到269℃ （如金鐵鎳鉻），最高可達(dá) +2800℃ （如鎢 錸） 。 構(gòu)造簡單，使用方便。 熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。熱電偶是一種感溫元件 , 它能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)信號(hào) , 通過與電氣測量儀表的配合 , 就能測量出被測的溫度。熱電偶測溫的基本原理是熱電效應(yīng)。在由兩種不同材料的導(dǎo)體 A 和 B 所組成的閉合回路中 , 當(dāng) A 和 B 的兩個(gè)接點(diǎn)處于不同溫度 T 和 To 時(shí) , 在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。導(dǎo)體 A 和 B 稱為熱電極。溫度較高的一端叫工作端 ( 通常焊接在一起 )；溫度較低的一端叫自由端 ( 通常處于某個(gè)恒定的溫度下 )。根據(jù)熱電勢(shì)與溫度函數(shù)關(guān)系。可制成熱電偶分度表。分度表是在自由端溫度 To=0℃ 的條件下得到的。不同的熱電偶具有不同的分度表 [4]。 調(diào)功器 調(diào)功器是應(yīng)用晶閘管（又稱可控硅）及其觸發(fā)控制電路用于調(diào)整負(fù)載功率的盤裝功率調(diào)整單元。在電子設(shè)備中起重要作用的晶閘管（也稱可控硅，英文縮寫 SCR）被廣泛用于各類生 產(chǎn)部門，正在成為自動(dòng)化、高效化不可缺少的裝置。 晶閘管交流調(diào)功器的主電路由