基于PLC和組態(tài)的注塑機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏靜敏

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 學(xué)報(bào)編輯部，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

注塑機(jī)全稱為塑料注射成型器，具有一次性成型外型復(fù)雜、尺寸精確質(zhì)地密致的塑料制品能力，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、機(jī)電、汽車、交通運(yùn)輸、建材、包裝、農(nóng)業(yè)、文教衛(wèi)生，充斥著人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域。電氣控制系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)合理配合，可實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的工藝過(guò)程要求。

注塑機(jī)的工作過(guò)程，一般由合模、整進(jìn)、注射、預(yù)塑、整退、開模、頂出等基本工序組成。根據(jù)其工藝流程及工作控制要求，設(shè)計(jì)了以PLC為核心控制器，運(yùn)用組態(tài)軟件監(jiān)控整個(gè)控制系統(tǒng)，兩者互相通信工作，完成了注塑機(jī)控制的全過(guò)程。在實(shí)踐過(guò)程中，該控制系統(tǒng)以穩(wěn)定、快速、高效、安全、可靠等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了注塑機(jī)注塑的全自動(dòng)控制。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求

注塑機(jī)利用了塑料的熱物理性質(zhì)，把物料從物料口加入到料筒中，料筒由加熱圈加熱促使物料熔化，在料桶內(nèi)有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的螺桿，物料在螺桿的作用下，沿著螺槽向前運(yùn)送并且壓實(shí)，物料在加熱和螺桿剪切的雙重作用下逐漸熔融、塑化。隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)，熔融狀態(tài)下的物料通過(guò)螺槽的摩擦力，被推到了螺桿頭部。此時(shí)，螺桿受到反作用力而后退，螺桿頭部就成為了儲(chǔ)料空間。在注射油缸的推力下，將儲(chǔ)料處內(nèi)的熔融物料以高壓、高速通過(guò)噴嘴注射到了模具之后，模具腔中的物料經(jīng)過(guò)保壓、冷卻、固化后，模具在合模部件的作用下，開啟模具，最后被頂出裝置從模具中頂出。臥式注塑機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)周期包括以下幾個(gè)步驟：加料——熔融塑化——加壓注射——保壓冷卻——開模頂出。

2 硬件系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行硬件的方案設(shè)計(jì)，按照注塑機(jī)系統(tǒng)的流程和外部環(huán)境，對(duì)硬件的選擇起到了很重要的因素，注塑機(jī)在正常工作時(shí)，要求平穩(wěn)精確地工作。所以，選擇硬件要求壽命長(zhǎng)，體積小，易于更換維修等特點(diǎn)。

圖1 臥式注塑機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 硬件方案設(shè)計(jì)

注塑機(jī)控制系統(tǒng)的硬件控制部分主要由PLC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓油泵、接觸器、電動(dòng)機(jī)、溫度傳感器、行程開關(guān)、按鈕開關(guān)等組成。

根據(jù)注塑機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際需求，該控制系統(tǒng)采用380 V的三相交流電源。此注塑機(jī)系統(tǒng)由一個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)控制，拖動(dòng)液壓油泵。液壓油進(jìn)入不同的油缸驅(qū)動(dòng)合閉模，整進(jìn)退等工序。該系統(tǒng)電機(jī)采用星角降壓?jiǎn)?dòng)，它的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)設(shè)備成本低、方法簡(jiǎn)單、容易操作，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有原額定轉(zhuǎn)矩的1/3。FU1～FU4熔斷器起保護(hù)電機(jī)和控制電路，防止短路等作用。FR1～FR3熱繼電器起過(guò)載保護(hù)作用。KM1～KM4是交流接觸器的常開觸頭，其中KM1～KM3為控制電機(jī)星角啟動(dòng)的接觸器主觸點(diǎn)，KM4為控制注射電機(jī)的接觸器主觸點(diǎn)。注塑機(jī)系統(tǒng)的主電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主電路

2.2 硬件選擇

2.2.1 PLC選型

1)I/O點(diǎn)數(shù)的估算

首先根據(jù)注塑機(jī)系統(tǒng)的控制要求算出需要的I/O點(diǎn)數(shù)，在此基礎(chǔ)上保留適當(dāng)?shù)挠嗔考纯伞Ｒ话愀鶕?jù)統(tǒng)計(jì)的I/O點(diǎn)數(shù)，再增加10%～20%的可擴(kuò)展量即可。

2)存儲(chǔ)器容量的估算

存儲(chǔ)器是可編程序控制器的一個(gè)重要組成部分，在設(shè)計(jì)選型時(shí)為了能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。

3)功能的選擇

PLC控制功能的選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。

根據(jù)上述注塑機(jī)系統(tǒng)的控制要求及PLC選型的方法，最終選用OMRON CP1H系列的PLC，具體型號(hào)為CP1H-XA40DR-A。在該系統(tǒng)中主要通過(guò)PLC程序?qū)崿F(xiàn)注塑機(jī)控制系統(tǒng)中的合模、整進(jìn)、注射、預(yù)塑、整退、開模、頂出等功能。

2.2.2 控制原理圖

注塑機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖3所示。在圖3中，輸入端SB1、SB2分別為啟動(dòng)與停止按鈕，SB3～ SB9為手動(dòng)操作按鈕，SQ1～ SQ 5為各個(gè)工序的行程開關(guān)，SB6為產(chǎn)品光柵動(dòng)作，SB10～SB12為模式選擇按鈕；輸出端YV1～YV6為電磁閥，KM4為控制注射電機(jī)的接觸器線圈。

圖3 PLC外部接線

2.3 I/O地址分配

注塑機(jī)控制系統(tǒng)輸入/輸出地址分配如表1所示。實(shí)際需要輸入點(diǎn)為18個(gè)，輸出點(diǎn)7個(gè)。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)流程圖

注塑機(jī)控制系統(tǒng)流程如圖4所示。

注塑機(jī)的工藝流程：按下電源，液壓油泵啟動(dòng)，此時(shí)可以選擇手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)操作模式。

1) 手動(dòng)模式

表1 注塑機(jī)控制系統(tǒng)I/O地址分配表

分別按住各個(gè)工序按鈕，可使各個(gè)電磁鐵通電工作，松開則自復(fù)位。液壓油在油泵的作用下進(jìn)入各個(gè)油缸，驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)完成合模、整進(jìn)、注射、預(yù)塑、整退、開模、頂出等動(dòng)作。需要注意的是，當(dāng)整進(jìn)到觸發(fā)整進(jìn)行程開關(guān)后無(wú)法再整進(jìn)，整退亦是如此。在未整進(jìn)完全的狀態(tài)下，無(wú)法進(jìn)行注射動(dòng)作。

2)自動(dòng)模式

選擇完自動(dòng)模式，注塑機(jī)按照工序流程開始連續(xù)運(yùn)行。合模電磁鐵通電，油泵輸出油流入合模缸下部，推動(dòng)活塞上升，模具關(guān)閉。合模完畢后，合模行程開關(guān)被觸發(fā)，整進(jìn)電磁鐵通電，合模缸內(nèi)油液回流到油箱中后再進(jìn)入到整進(jìn)油缸右部，推動(dòng)活塞，帶動(dòng)注射座前移。整進(jìn)完畢后，觸發(fā)整進(jìn)行程開關(guān)，注射電磁鐵通電，整進(jìn)缸內(nèi)油液回流到油箱中后再進(jìn)入到注射缸右部，注射活塞前進(jìn)，推動(dòng)螺桿向前運(yùn)動(dòng)。螺桿在油壓的作用下完成注射并保壓一段時(shí)間后，注射電磁鐵斷電復(fù)位。預(yù)塑電磁鐵通電，注射缸內(nèi)油液回流到油箱，油泵輸出壓力油進(jìn)入預(yù)塑液壓缸右部，帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，使物料向前輸送，螺桿后退至計(jì)量預(yù)定位置，觸發(fā)行程開關(guān)，預(yù)塑電磁鐵斷電，預(yù)塑結(jié)束。整退電磁鐵通電，預(yù)塑缸內(nèi)油液回流到油箱中，油泵輸出壓力油進(jìn)入注射座移動(dòng)液壓缸左部，推動(dòng)活塞，帶動(dòng)注射座后退。觸發(fā)行程開關(guān)，整退電磁鐵斷電，整退結(jié)束。開模電磁鐵通電，整退缸油液回流到油箱中，油泵輸出壓力油進(jìn)入合模液壓缸上部，推動(dòng)活塞下降，模具打開。觸發(fā)開模行程開關(guān)，頂出電磁鐵通電，開模缸內(nèi)油液回流到油箱中，油泵輸出壓力油進(jìn)入頂出液壓缸，頂杠頂出。制品落下，觸發(fā)光柵，頂桿收回，便完成了一個(gè)生產(chǎn)周期。

3)半自動(dòng)模式

選擇完半自動(dòng)模式，注塑機(jī)按照自動(dòng)模式的流程，運(yùn)行一個(gè)周期后便停止。

圖4 系統(tǒng)流程

3.2 注塑機(jī)系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

整個(gè)程序可以分為手動(dòng)程序、自動(dòng)程序兩部分，用跳轉(zhuǎn)指令控制手動(dòng)程序和自動(dòng)程序的切換。利用順序控制設(shè)計(jì)法編寫注塑機(jī)控制系統(tǒng)程序，如圖5所示。

圖5 順序控制

3.3 組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)

MCGS是北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。

1)組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

注塑機(jī)組態(tài)畫面分為上下兩個(gè)部分，第一個(gè)部分為注塑機(jī)動(dòng)畫部分，第二個(gè)部分為注塑機(jī)操作面板部分。動(dòng)畫部分由模具、注射座、溫度表等構(gòu)成，操作面板由按鈕與指示燈構(gòu)成。

2)組態(tài)變量設(shè)計(jì)

點(diǎn)擊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，新增對(duì)象，點(diǎn)擊對(duì)象屬性，改為所需要數(shù)據(jù)的名稱與數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)最大值和最小值等等，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)屬性設(shè)置

3)組態(tài)動(dòng)畫連接

注塑機(jī)控制系統(tǒng)動(dòng)畫連接部分主要通過(guò)軟件功能控件和組態(tài)語(yǔ)言共同來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙擊用戶窗口中的部件，為其添加所需的按鈕與相關(guān)動(dòng)畫，并將動(dòng)畫與數(shù)據(jù)建立連接。打開用戶窗口屬性，在腳本編輯器中進(jìn)行編程，如圖7所示。

圖7 腳本編程

4)組態(tài)運(yùn)行

在自動(dòng)模式下運(yùn)行組態(tài)程序，監(jiān)控系統(tǒng)按照注塑機(jī)的工藝流程完成其任務(wù)。按下自動(dòng)按鈕，然后按下電機(jī)啟動(dòng)按鈕，注塑機(jī)開始工作，按照合模-整進(jìn)-注射-預(yù)塑-整退-開模-頂出的順序開始運(yùn)行，如圖8所示。

圖8 自動(dòng)模式注射動(dòng)作

3.4 注塑機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)通信

要實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)與PLC的通信，需要選擇對(duì)應(yīng)的通信端口、協(xié)議、PLC型號(hào)，設(shè)置相同的串口參數(shù)等。設(shè)置過(guò)程如圖9所示。

圖9 組態(tài)通信參數(shù)設(shè)置

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于PLC的注塑機(jī)控制，完成

了手動(dòng)、自動(dòng)、半自動(dòng)三種模式的控制，實(shí)現(xiàn)了合模、整進(jìn)、注射、預(yù)塑、整退、開模、頂出等功能，運(yùn)用組態(tài)軟件監(jiān)控了整個(gè)注塑機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程。