基于环形转盘发泡生产线的控制系统设计大学学位论文

毕业设计设计题目：基于环形转盘发泡生产线控制系统设计
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2015年5月27日
基于环形转盘发泡生产线控制系统设计
摘要
作为汽车的重要组成部分，汽车内饰件质量的高低直接关系到乘坐人员的舒适性及汽车的整体性能。

由于汽车内饰件的工艺复杂，目前我国大多数生产企业技术装备落后，自动化程度低，产品质量不稳定。

如何提高汽车内饰件的生产技术是一个刻不容缓的研究课题。

通过分析内饰件成型生产线的机械结构、主要组成部分、生产工艺流程，提出了生产线控制系统的要求。

利用STEP7 软件对生产线PLC 控制系统进行模块化程序设计。

另外为了控制和反应系统的工作状态及运行状态，设计中还使用TIA portal软件为该控制系统制作了人机交互界面。

TP1200型触摸屏的应用可以使控制系统的运行过程得到直观监控,提高了控制状态的可监测性。

环形转盘发泡生产线控制系统采用分级结构。

第一级为可编程逻辑控制器(PLC)，系统选用SIEMENS S7-200，与现场行程开关和仪表连接，主要完成对现场数字信号进行采集和处理以及对执行元件进行实时控制的功能。

第二级为工业控制计算机(IPC)，主要完成控制软件的界面和控制过程数据的监视、管理和记录的功能。

关键词：汽车内饰件控制系统生产工艺流程PLC
The Design on Control System for The
Rotating Foam Production Line
Abstract
As an important part of the automobile., the quality of Automobile interior parts is directly related to the comfortable sensation of the passengersand the overall performance of the automobile.Because of the complex technology of the Automobile interior parts production, there are many drawbacks, Such as behindhand technical equipments, rare application of automation, instable product quality, etc. How to improve the production technology of interior parts becomes an urgent research project.
By analyzing the physical construction, main composing and production process of interior parts’ molding production line in this paper. And requirements are also presented. The device hardware of the production line PLC control system is carried out by using STEP7 software. In addition to control and response system working state and running state, the design also uses the software of TIA portal for the control system produced a man-machine interface. The using of the TP1200 type touch screen while the application of the control system can also be visually monitored during operation and improve the control of the state can be monitored.
The Rotating foam production line control system adopts a classification structure. The first class for the programmable logic controller (PLC), this system adopts SIEMENS S7-200. It connects with the scene travel switch and meters, mainly to complete on-site digital signal acquisition and processing components and the implementation of real-time control functions. The second class for industrial control computer (IPC) mainly complete control of the main software interface and control process data monitoring, management and recording functions.
Key words: Automobile interior parts; control system; production process; PLC
目录
1 引言 (1)
2 概述 (2)
2.1本课题的现实意义 (2)
2.2本课题研究的主要内容 (2)
3 系统总体设计 (4)
3.1 聚氨酯发泡生产过程分析 (4)
3.1.1 聚氨酯发泡过程 (4)
3.1.2 生产线工艺流程 (4)
3.2 生产线的组成 (6)
3.2.1 高压发泡机 (7)
3.2.2 模具小车系统 (8)
3.2.3 机器人系统 (9)
3.2.4 机械结构介绍 (10)
3.3 生产线的控制要求 (12)
3.3.1设备的工作方式 (12)
3.3.2 手动工作方式下的操作 (12)
3.3.3 自动工作方式下的操作 (12)
3.3.4 设备的启动 (12)
3.3.5设备的停止 (13)
3.3.6 设备的紧急停止 (13)
3.3.7设备的故障复位 (13)
3.3.8 主操作面板上指示灯显示 (13)
3.4 总体方案 (13)
3.5 控制系统硬件组成 (14)
3.6 控制系统软件设计分析 (15)
4 控制系统的硬件选择及设计 (16)
4.1 下位机（PLC）的选择 (16)
4.1.1 可编程控制器（PLC）选择的简介 (16)
4.1.2本系统中可编程序控制器的选取及其特点 (16)
4.2变频器的选择 (17)
4.2.1变频器的介绍 (17)
4.2.2变频器的调速原理及历史 (17)
4.2.3变频器的选型 (17)
4.3数字量扩展模块 (18)
5 控制系统的软件设计 (20)
5.1 I/O点配置 (20)
5.2 PLC程序设计 (27)
5.2.1电气原理图 (27)
5.2.2 程序框图 (27)
5.2.3 梯形图设计 (28)
6 触摸屏界面设计 (38)
6.1 触摸屏简介 (38)
6.3 触摸屏编程软件的选择 (38)
6.4 触摸屏的设计 (38)
6.4 触摸屏程序的介绍 (38)
7 结论 (43)
谢辞 (44)
参考文献 (45)
附件程序梯形图 (46)
1 引言
聚氨酯(简称PU)是由多异氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元醇或/及小分子多元醇、多元胺或水等扩链剂或交联剂等原料制成的聚合物。

通过改变原料种类及组成，可以大幅度地改变产品形态及其性能，得到从柔软到坚硬的最终产品。

聚氨酯制品形态有软质、半硬质及硬质泡沫塑料、弹性体（聚氨酯弹性体简称为TPU）、油漆涂料、胶粘剂、密封胶、合成革涂层树脂、弹性纤维等.广泛应用于汽车制造、冰箱制造、交通运输、土木建筑、鞋类、合成革、织物、机电、石油化工、矿山机械、航空、医疗、农业等许多领域。

我国聚氨酯工业起步于20世纪50年代末，现已广泛应用于日常生活中,如服装运动用品(滑雪衫、游泳衣作滑雪板、冲浪板运动鞋的鞋底) 、生活用品(电冰箱等的隔热材净水器的密封材、尿布及生理用品) 建筑土木、电子等。

2014年中国汽车产销分别为2372万辆和2349万辆，同比增长7.3%和6.9%，连续六年排名全球第一。

汽车的舒适性、安全性及节能等要求都离不开聚氨酯。

汽车上应用的聚氨酯制品，主要包括：车顶材、汽车座垫、仪表盘、车门、安全气囊、座椅靠背、挡泥板、减冲吸收剂、油封、车底材料、密封材料、不爆轮胎及涂料。

近十几年汽车工业飞快发展，聚氨酯的产品需求量越来越大。

内饰件生产企业必须抓住这一机遇，自主创新通过研发成型新材料、成型新工艺和成型新装备，不断的提高自己的内饰件生产技术，提高生产效率，才能为企业赢得更大的利益。

2 概述
2.1本课题的现实意义
作为内饰件的需求大国，但我国的内饰件生产企业以中小型工厂为主，这些为数众多的中小型工厂都普遍存在以下问题：
（1）生产线自动化水平低，人工充注，效率低对操作工人的熟练程度要求高且安全性低；
（2）系统程序设计不是太合理，发生故障时不能有效的显示故障发生区，浪费大量的精力在故障检测阶段，限制了工作效率；
（3）.生产线的环境较差，影响操作者的身体健康；
（4）生产方式采用单一发泡模架，加工产品单一，一条生产线只能生产一种产品质量和精度较低。

因此，如何提高我国内饰件生产的综合实力，提高产品成型质量和精度，减少能耗积极参与国际市场竞争是一个刻不容缓的课题。

这个问题是由管理水平、生产工艺、原料质量等多方面原因导致的，但该领域的自动化水平是其中最主要的因素之一，因此我们必须不断的改进自己的生产技术。

2.2本课题研究的主要内容
本课题通过对聚氨酯生产过程的工艺及技术等关键问题的分析，从硬件、软件两个方面对内饰件生产过程中环形发泡生产线的自动控制系统进行设计。

本生产线36个模具小车放置在约40米长的椭圆形转盘线上，每个模具小车有固定的编号搭载着不同类型的模具。

近似椭圆形转盘上按位置依次划分分为打料工位，合模工位，保压工位，开模工位，取件工位，清洗工位。

基于以下结构和生产工艺的要求，对内饰件生产控制难点进行深入分析，提出控制系统的设计方法。

设计一个以PLC为核心的环形发泡生产线的控制系统，该控制系统具有以下几个功能：
1. 转盘线载有36辆模具小车在转盘电机的牵引下一直做顺时针运动，每辆小车依次出现在各个工位上，每个工位按顺序出现编排好的模具小车。

2. 在机械结构的配合下使处于在开模工位和合模工位的模具自动完成开模合模动作；在人工取件工位，使上模下模均能翻转至便于人工操作的角度；处在合模工位的模具，合模后自动进行保压，对模具进行锁紧，保证发泡成型的重量。

3. 打料机器人对处在打料工位的模具进行打料；清洗1号机器人对处在清洗1号工位的模具进行清洗；清洗2号机器人对处在清洗2号工位的模具进行清洗。

4. 操作者通过对触摸屏设置可以实现对确定编号的模具进行选择加工以生产出不同的产品。

控制系统可以自动对产品的生产量进行统计，省去人工记录的麻烦。

整个环形发泡生产线控制系统分为两部分。

第一选用SIEMENS S7-200作为可编程逻辑控制器，直接与现场行程开关、电磁阀、机器人和变频器连接。

通过编写梯形图程序完成对输入信号进行采集和处理以及对执行相应的工作步骤。

第二级为人机界面，在计算机上安装软件制作触摸屏程序，本设计使西门子TP1200触摸屏完成控制软件的界面和控制过程中各部分数据的监控、调试和控制的功能。

整个生产线结构图如下图2-1所示。

图2-1 生产线结构图
3 系统总体设计
3.1 聚氨酯发泡生产过程分析
3.1.1 聚氨酯发泡过程
聚氨酯发泡泡沫的形成需经历两个阶段，依次是发泡过程和熟化过程。

从A、B料混合到泡沫体积膨胀停止，这个过程可称为发泡过程。

配料过程中必须严格控制原液的配比和注射量，控制A料、B料和环戊烷的配比。

在总注射量为一定量的情况下，A料注射量过多则会出现空泡现象，B料注射量过多则会出现软泡现象。

若A料和B料注射量一定，环戊烷注射量高于正常值则出现涨泡现象，环戊烷注射量低于正常值则出现空泡现象。

聚氨酯发泡过程中，会放出一定量的反应热。

发泡过程中释放的反应热会使混合后原料汽化进入泡沫的每个泡孔内，驱使泡孔体积不断膨胀。

反应时每个泡孔都受到大气压力（即外压）和发泡剂膨胀产生的压力(即内压)两个力的作用。

开始时泡空内压大于外压时，发泡体的体积不断膨胀。

经过一段时间后，泡孔内外压力相等时，泡沫体不再膨胀。

泡沫停止膨胀后，体系内部的化学反应并未完全结束，而是在进行着速度较慢的交链反应，直至泡沫体达到最终强度，这个过程称为泡沫体的熟化过程。

泡沫体积膨胀停止标志着发泡过程的结束，熟化过程的开始。

在熟化过程中，泡沫体不再放出大量的反应热，温度慢慢降低（最终会降至环境温度）。

经历熟化过程后，聚氨酯发泡完成。

3.1.2 生产线工艺流程
本生产线采用的是预聚体法发泡工艺。

预聚体法发泡工艺是将（A料）和（B 料）先制成预聚体，然后在预聚体中加入水、催化剂、表面活性剂、其他添加剂等在高压发泡设备内高速搅拌混合，输入到混合头内，通过机器人将混合头内已混合好的原料浇注到指定位置的模具型腔内，进行发泡反应，固化后在一定温度下熟化即可。

内饰生产线生产工艺流程如图3-1所示
图3-1 内饰件生产工艺流程图
1. 原料储存及配料
为了保证两种原料良好的化学性能，必须满足以下两点：①A料和B料在发泡前应进行恒温处理，控制发泡反应时温度在19~24℃；②配料过程中必须严格控制原料的配比比例。

2. 调整模具温度
发泡反应受温度影响较大，温度太高时塑料内胆受热变形，泡液体系反应剧烈，容易出现箱体局部空泡现象；发泡模温度过低时，泡液体系不易流动，固化不完全，反应不彻底，出现大量空泡。

因此必须严格控制发泡模具温度环境温度。

在模具上下模分别加入水循环装置即在模具镶入水管，与模具外部加设的模温机装置相连接。

通过模温机加热水，对模具进行预热处理。

3. 浇注原料
在特定温度下，原料混合后，然后以一定的速度灌注在需要成型的空间，这个过程称为浇注原料。

人工浇注情况下，当混合后的原料流动性差或模具的型腔空间不适宜液体流动时，不太容易按照工艺的要求到达在合适的浇注位置。

这种情况下，发泡后的产品会出现厚度不均匀和空泡现象。

本工艺采用打料机器人将混合好的原料浇注到模具内。

为了避免灌注的不均匀性，每个型腔类型需要有相符合的移动速度和移动轨迹。

控制系统只需将模具类型传输给打料机器人，打料机器人根据模具类型的不同，执行相对应的打料程序，。

每个打料程序都是根据不同类型模具的型腔形状编写的。

这种打料方式使原料准确到达反应位置，使反应更加均匀、快速、彻底，降低了聚氨酯产品不够均匀的可能性，提高了产品质量。

另外，必须控制注射量的多少。

注射量根据工艺的对不同类型模具的需求确定，过多或过少都达不到理想的发泡效果。

注射量的多少可以在发泡机上设置，发泡机可以根据不同模具选择相对的注射量。

4. 发泡保压
发泡过程中，两种原料在模具内发生复杂的化学反应，聚氨酯发泡机体系放出大量的反应热（1mol活泼氢和1mol异氰酸酯根反应可放热约109kJ），反应热使发泡剂汽化进入泡沫体的每个泡孔，驱使泡孔体积不断膨胀。

反应热会使模具升温，影响产品的质量。

因此，必须控制该阶段的模具温度，保证产品高质量、高精度和良好的力学性能。

5. 取出成品，当模具中的产品完全熟化后，模具打开到适合人工取件的位置，操作者从模具型腔内取出产品。

6. 后续加工，人工脱模后对产品进行加工处理，一般包含裁边开孔、打磨、检查产品的精度和质量、成品包装。

3.2 生产线的组成
根据生产工艺单个产品的的加工流程为图3-2：
图3-2单个产品加工流程图
为了满足加工要求，生产设备应主要有高压发泡机、模具小车系统和机器人系统。

发泡机安装在二层平台有利于与打料机器人的连接。

模具小车和机器人系统放置一层。

生产线的整体布置图如3-3所示，其中开模工位、取件工位、清理工位、铺膜工位、喷脱模剂工位、晒干工位和打料合模工位都在一层平台。

图3-3生产线整体布置图
3.2.1 高压发泡机
高压发泡机是发泡生产线的必用设备。

只要将聚氨酯的组份原料即A料和B 料加入到料灌中，通过高压发泡机高压、混合，计量注射到模具中，经熟化后就能生产出高质量的泡沫制品。

本生产线高压发泡机采用的是常州良腾聚氨酯有限公司的LT-G40型高压发泡机,如图3-4所示
图3-4 LT-G40型高压发泡机
该发泡机采用模块化整体结构,使安装和运输更方便。

此外还具有以下特点：（1）采用高规格自洁式混合头，重量轻，结构特殊，经久耐用，可定量注射，免清洗。

每次完成混合与定量注射后，能自行清除混合腔内残余混合物，不须溶剂清洗，节省了大量的人力物力。

（2）选用PLC作为控制系统，程序设有自动清洗功能和计时功能，使用更方便。

（3）计量精度高。

高压发泡机的计量系统采用高精度计量泵，经就耐用。

（4）料罐采用三层式结构，更安全。

内胆为不锈钢材质，料罐有效容积有60L，100L，250L，350L，600L等规格。

（5）可根据发泡产品的需要来选择具有合适吐出量的机型。

根据机型和规格不同高压发泡机吐出量最小为0.5L/min，最大为320L/min。

（6）产量多。

相同等条件下，每吨原料经高压发泡所得的发泡制品比低压发泡多得到3－4㎥。

发泡机的操作界面如图3-5所示。

双屏显示，下屏安装在一层平台的主控制柜上，便于操作员操作。

下屏如图3-6所示。

图3-5发泡机操作界面
图3-6发泡机下屏
3.2.2 模具小车系统
模具小车系统由模具车模架和模具构成。

模具车模架作为支撑结构，可以在上面放置一套大模具或两套小模具，自己设计加工，保证模具车与模具可以很好地固定安装。

模具小车下半部分贴着地面做圆周运动，上半部分向外伸出的支撑轴部分随着导向部分的轨道运动，逐渐升起，与模具小车的下半部分形成一定的角度。

每个模具车上都装有两个行程开关、两个大气缸和两个小气缸。

大气缸安装在模具车的上方如图3-11已标出，小气缸安装在模具小车的底部。

模具车行走到转盘线的取件工位时，行程开关闭合，大气缸向前顶起，使上模处在一个便于人工取件的位
置；当模具车行走至保压工位时，保压行程开关闭合，小气缸下模顶起，对模具进行加固。

模具车模架结构如图3-7 所示。

图3-7模具车模架
此外模具小车系统还包括空气压缩机和模温机。

其作用分别如下：
空气压缩机：储存通过打气装置压入的气，为气缸提供气压，排气气压0.7MPa。

模温机：加热水，然后通过水循环装置，为原料在模具内发泡提供热量，使模具稳定在一个温度范围。

3.2.3 机器人系统
机器人系统需要完成打料和清洗模具的动作，共由三个机器人组成，分别为打料机器人、清洗1号机器人和清洗2号机器人。

根据环形发泡生产线的工作要求，机器人选用现代重工工业机器人HS165。

HS165为现代重工开发的165kg级多用途工业机器人，目前已经发展到第五代，主要应用于点焊和搬运、机床上下料和过程自动化，它在韩国的工业机器人市场上占有绝对领先的市场份额。

其主要特点如表3-1所示：
表3-1 HS165机器人主要特点
有效载荷体重自由度达到重复性环境温度功能特色
165公斤1250公斤62666mm±0.06ms0~45℃高速度、高精度、大的工作包络高、可靠性灵活性
3.2.4 机械结构介绍
在转盘电机的牵引下，搭载模具的模具小车做顺时针动作。

当运动到开模工位时，在机械结构的导向部分的导向下模具小车上下两部分分开，模具小车上下两部分成60度夹角，便于人工取件。

取件完成后在导向部分的导向下，模具小车继续张开，当到达清洗工位时，模具小车停止张开，此时模具小车上下两部分约成90度角，便于机器人工作。

机械结构是整个生产线的基础，有两层平台，一层为产品生产区域，二层为产品质量检测区域。

下面主要介绍一层产品生产区域。

一层平台的机械部分主要包括：涨紧电机部分、转盘电机部分、模具小车的轨道部分、导向部分。

一层平台整体布置如图3-8所示，在图右侧半圆的中间小圆为转盘电机，左侧半圆的中间小圆为涨紧电机，图中红色部分为导向部分，对应的导向部分的工位从左向右依次为开模工位、取件工位、清洗工位、打料工位和合模工位。

图3-8一层平台整体布置图
（1）转盘电机系统：通过链条和齿轮传动，为整个转盘的运动提供动力，如图3-9所示；为链条上的储气罐提供打气，打气装置的安装如图3-10所示。

图3-9打气装置
图3-10转盘电机系统图
（2）涨紧电机系统：通过涨紧电机和涨紧电磁阀，使整个转盘线的涨紧度保持在一个合理的水平。

涨紧电机转动提供油压，涨紧电磁阀涨紧，如图3-11所示。

图3-11涨紧电机图
（3）轨道部分：固定小车的运动轨迹，使小车在转盘电机的牵引下顺时针运动，如图3-12为轨道部分。

图3-12轨道部分
（4）导向部分：使小车上的上下模在做圆周运动时自行完成开模合模的动作，如图3-13红色部分所示。

图3-13导向部分
3.3 生产线的控制要求
3.3.1设备的工作方式
根据生产工艺的要求，生产线需要有两种工作方式，自动工作方式和手动工作方式。

要求分别如下，
自动状态：系统正常工作时，将工作方式选择为自动状态；若生产线某一部分有故障，则不能切换到自动状态。

此状态用于正常生产。

手动状态：此状态下，生产线的某一部分可以单独进行工作和停止，用于系统的调试和维修。

3.3.2 手动工作方式下的操作
只有所有的运行部件都处于不动状态下，当能将工作方式选择为手动状态。

设备的所有运行部件都处于停止状态，在确定人员和设备安全的情况后，只能通过各个手动操作台上的按钮和触摸屏手动调试。

3.3.3 自动工作方式下的操作
只有所有的运行部件都处于不动状态下，才能将工作方式选择为自动工作状态，设备的所有运行部件都处于自动工作状态。

3.3.4 设备的启动
启动的条件：必须满足以下条件，才能启动设备。

在系统没有发出故障报警，或者发生故障后确认故障复位解除的情况下，并且本系统中有信号交互的其他设备都处于自动工作方式下；同时本系统内的各设备状
态都处于初始位置，即以下几点：
(1)主操作面板上急停按钮处于拔起状态，方式选择开关处于“自动”档位。

伺服控制方式选择处于“自动”档位，参数写入按钮按下。

(2)打料机器人处于自动工作状态。

(3)清洗1号机器人处于自动工作状态。

(4)清洗2号机器人处于自动工作状态。

(5)高压发泡机处于自动工作状态。

(6)各按钮盒上的急停按钮都处于拔起状态。

(7)触摸屏上的小车和模具信息都设置正确。

这时按下主操作面板上的“启动”按钮，设备进入到自动连续运行的工作状态。

3.3.5设备的停止
在设备自动连续运行时，通过按下主操作面板上的“停止”按钮，设备进入到自动停止状态，这时设备各个设备逐步的到达初始状态后，设备自动停止运行。

如果要手动操作或者进行设备维修，在所以设备都停止运行后，可以将运行方式选择开关打到“手动”方式。

进行其他操作。

3.3.6 设备的紧急停止
在自动连续运行状态下，按下主操作面板上的“紧急停止”、人工取料操作盒面板上的“紧急停止”。

所有的设备都将立刻停止运行，完成修复或者在确认安全的情况下，按照箭头旋转“紧急停止”按钮，解除紧急停止状态。

3.3.7设备的故障复位
设备处于自动连续运行状态下，设备发生故障，并且手动解除了故障；或是在按下了主操作台上的“紧急停止”按钮以后，又拔起“紧急停止”按钮。

在以上的两种情况下，对出现故障的部位进行故障复位。

（喷脱模剂机器人、发泡机、发泡机器人都处于正常状态时，才能进入自动程序。

）
3.3.8 主操作面板上指示灯显示
主操作面板上必须有三个运行方式的指示灯，分别是“自动”状态指示灯和各个故障的报警指示，以及系统上电指示灯。

3.4 总体方案
在该系统中通过变频器控制转盘电机转动，为保证转盘的正常运转，生产线设有自动涨紧装置。

自动涨紧装置由压力表检测涨紧度传输给PLC，PLC处理后控制
涨紧电机涨紧电磁阀执行相应的动作。

为了使整个生产线多工位同时工作，在转盘的各个工位上按有行程开关，当控制系统检测到行程开关的信号时，发泡机或机器人信号的输入时，控制系统会完成相应的动作。

操作者通过对触摸屏设置更改小车上的模具型号数据的储存可以实现对确定编号的模具进行选择加工以生产出不同的产品。

软件共分为两大部分PLC控制部分和触摸屏部分。

PLC控制部分主要包括：主程序、打料机器人部分、清洗机器人1号部分、清洗机器人2号部分、发泡机部分、计数部分、自动涨紧链条部分。

触摸屏部分主要包括监控画面、参数画面、输入画面、输出画面、报警画面、调试画面。

3.5 控制系统硬件组成
环形发泡生产线控制系统包含以下几部分：
（1）涨紧电机系统：涨紧电磁阀、涨紧电机、压力表；
（2）系统指示灯：包括三色指示灯和前后运行警示灯；
（3）机器人系统：打料机器人、清洗1号机器人和清洗2号机器；
（4）转盘电机系统：开模检测到位开关、收回气缸检测到位开关、计数开关；
（5）模温机部分：浮球式液位开关的信号自动检测加水；
（6）急停按钮：生产操作者生产过程中紧急停止；
（7）外部按钮盒：电源启动、自动状态、手动状态、手动/自动切换按钮和运行停止；
（8）高压发泡机系统：高压发泡机。

根据环形转盘发泡生产线控制系统的要求，该生产线需要可编程控制器做为控制系统，确定系统所需的输入/输出设备有打料机器人、发泡机、清洗机器人１号、清洗机器人２号、涨紧劲电机、转盘电机，所以选用西门子S7-200CPU226（继电器输出,24输入/16输出），模块扩展选用3个EM223(32入24VDC/32出继电器)，多余的点留出以做备用。

变频器为转盘电机提供电流和实现调速的功能，根据转盘需要的最大功率，变频器采用台达C200系列VFD185C43A。

控制系统的控制框图如图3-14所示：。