注塑机的PLC控制

《电气控制技术》课程设计说明书注塑机的PLC控制系统设计
院、部：电气与信息工程学院
学生姓名：***
指导教师：罗雪莲职称教授
专业：自动化
班级：自本1103
完成时间：2014年6月
摘要
继电器和单片机的注塑机控制系统的接线复杂、控制精度低、维修不便且缺乏柔性,基于PLC技术的控制方式可大大提高整机的综合性能。

I/O选择上选择基本单元FX2N-48MR,该课题研究的是用于热塑料的成型加工的注塑机，将它的加工过程用PLC来控制。

用8个电磁阀来控制模子关闭、控制台前进、注塑、保压、预塑、射台后退、开模、顶针动作等多道工序，并且运用行程开关使其构成一个完整的循环过程。

并根据工艺流程图，设计出注塑机的动作流程图，再按照动作流程图写出注塑机的状态转移图，并依据状态转移图写出步进梯形图。

关键词：FX2N-48MR;注塑机；PLC自动控制技术
Abstract
Wiring injection molding machine control system relay and a single chip of the complex, low control accuracy, inconvenient repair and lack of flexibility, control mode based on PLC technology can greatly improve the overall performance of the machine. I/O on the basic unit of FX2N-48MR, the research is used in injection molding machine molding thermoplastic, will process it used to control PLC. 8 solenoid valve to control the mold closing, console forward, injection molding, pressure, plasticizing, injection table back, open mold, thimble action and other processes, and the use of a travel switch to form a complete cycle.According to the process flow diagram, design action flowchart of injection molding machine, then in accordance with the operation flow chart to write injection molding machine state transition diagram, and based on the state transition diagram to write step ladder.
Keywords: FX2N-48MR; injection molding machine; automatic control of PLC Technology
目录
1注塑机控制系统简介 (1)
1.1 注塑机控制系统简介 (1)
1.2 主要内容 (1)
2 注塑机控制系统的分析 (3)
2.1 注塑机的机械结构 (3)
2.2 注塑机工作原理 (3)
2.3 注塑机总电路 (4)
3 注塑机的PLC控制设计 (5)
3.1 PLC机型选择的原则 (5)
3.2 I/O模块的选择 (6)
3.3 可编程控制器控制系统I/O点数估计 (7)
3.4 PLC的I/O分配表 (8)
3.5注塑机控制系统的接线图 (10)
3.5.1注塑机控制系统的整体接线示意图 (10)
3.5.2 PLC的系统工艺流程图 (11)
3.5.3注塑机的步序控制 (12)
3.6 PLC控制系统程序梯形图 (16)
4 结论 (19)
参考文献 (20)
附录A (21)
1 注塑机控制系统简介
1.1 注塑机控制系统简介
控制系统是注塑机控制系统的一个重要部分，其性能的优劣对整机有着至关重要的影响，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC（可编程控制器）不仅用逻辑编程取代了硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理的功能，真正成为一种计算机工业控制装置。

PLC的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，所以在工业发达国家，PLC在其自动化设备中的比例占首位。

近年来，我国的PLC技术也从初期的引进、消化走向吸收和推广应用阶段，并且在许多工业领域取得了良好的经济效益和社会效益。

在以往国内的注塑机控制系统中，主要存在三种控制类型：
⑴继电器控制
⑵单片机控制
⑶ PLC控制
注塑机控制通常指的是电液控制，即由液压和电气控制部分组成。

注塑机的控制系统是保证注塑机按工艺过程规定的要求（压力、速度、温度、时间等）和动作程序，准确有效地工作的控制系统。

目前注塑机的发展主要集中在：
⑴提高制品尺寸精度和稳定性
⑵提高速度、缩短成型周期
⑶生产过程的自动化和省力
但所采用的技术手段，都离不开以计算机技术为基础的自控技术。

因此，注塑机的控制成为目前注塑机发展中一个很重要的内容，主要包括动作程序控制（如开闭模、注射、保压等）和过程程序控制（例如，注射过程的速度和压力程序控制等）两个方面。

1.2 主要内容
注塑机是一种能一次成型外型复杂、尺寸精确或带有金属嵌件的质地密致的塑料制品的塑料生产设备，它是将粒状或粉状塑料加入机筒内，并通过螺杆的旋转和机筒外壁加热使塑料成为熔融状态，然后机器进行合模和注射座前移，使喷嘴贴紧模具的浇口道，接着向注射缸通人压力油，使螺杆向前推进，从而以很高的压力和较快的速度将熔料注入温度较低的闭合模具内，经过一定时间和压力保
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持（又称保压）、冷却，使其固化成型，便可开模取出制品，从而得到所需的成品。

该课题的主要内容是利用PLC完成注塑机控制系统的设计，对注塑机的时序动作、注射压力以及料筒温度进行准确控制,包括从进料到成品的形成的整个过程。

涉及注塑机的时序控制流程的分析，注塑机料筒的温度控制系统的设计，具体硬件配置的确定，触摸屏画面及程序的编制和整机硬件原理图、电气接线图、PLC程序的编制等。

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2 注塑机控制系统的分析
2.1 注塑机的机械结构
注塑机示意图如1所示，它主要由注射部分、合模部分、液压系统、控制系统等部分组成。

图1 注塑机的结构示意图
2.2 注塑机工作原理
注塑机的工作原理与打针用的注射器相似，它是借助螺杆（或柱塞）的推力，将已塑化好的熔融状态（即粘流态）的塑料注射入闭合好的模腔内，经固化定型后取得制品的工艺过程。

注塑成型是一个循环的过程，每一周期主要包括：定量加料——熔融塑化——施压注射——充模冷却——启模取件。

取出塑件后又再闭模，进行下一个循环。

注塑机一般分为手动、自动两种工作模式。

手动模式时按下相应的功能按钮时，能完成相应的操作，此模式一般为调试模具及维修时使用；自动模式时，只需按下启动按钮，注塑机就能按照调定的速度和压力将相应的动作进行到底，此模式一般多用在生产阶段，工作流程如下：起始位置→合模→整进→注射→保压延时→预塑→整退→启模→顶出→起始位置。

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2.3 总电路
图3 注塑机主电路
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3 注塑机的PLC控制设计
3.1 PLC机型选择的原则
PLC机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。

具体应考虑的因素如下所述：
⑴结构合理
对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选
用整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC。

⑵功能强、弱适当
对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用抵挡的PLC。

对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档机的PLC。

对于控制比较复杂、控制要求比较高的工程项目，如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂程度的程度，选用中档机或高档机。

其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。

当系统的各个控制对象分布在不同地域时，应根据各个部分的具体要求来选择PLC，以组成一个分布式的控制系统。

⑶机型统一
PLC的结构分为整体式和模块式两种。

整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。

但由于整体式结构的PLC功能有限，只适合于控制要求比较简单的系统。

一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。

⑷是否在线编程
PLC的特点之一是使用灵活。

当被控设备的工艺过程改变时，只
需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。

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⑸ PLC的环境适应性
由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。

尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。

一般PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：
温度工作温度0～55℃
储存温度 -40℃～+85℃
温度相对湿度5%～95%（无凝结霜）
振动和冲击满足国际电工委员会标准
电源交流220V，允许变化范围为-15%～+15%，频率为47～53Hz，瞬间停电保持10ms
环境周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体，对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。

3.2 I/O模块的选择
PLC是一种工业控制系统，他的控制对象是工业生产设备或工业生产过程他的工作环境是工业生产现场。

他与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。

通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为对被控对象进行控制的依据。

同时控制器又通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。

外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而PLC的CPU所处理信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。

PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。

为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。

根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。

标准的I/O模块用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。

典型的交流I/O 信号为24～240V（AC），直流I/O信号为0～10V（DC）。

I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便的对功能进行扩
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展。

对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O所用的点数就可能有所不同，现具体分析如下：
⑴开关量输入模块输入电压的选择
输入模块的输入电压一般为DC24V 和 AC220V。

直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。

交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

⑵开关量输出模块的选择
继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命有一定的限制。

如果系统的输出信号变化不是很频繁，选用继电器型。

选择时应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等，还应注意同一输出模块对电阻性负载、电感性负载和白炽灯的驱动能力的差异。

输出模块的输出电流额定值应大于负载电流的最大值。

该系统设计中根据实际选用的是AC220V开关量输入模块和继电器型输出模块。

以此为依据，该系统的设计选用三菱公司的FX2N系列（见表1）可编程序控制器。

FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器，完全符合此设计的要求。

表1 FX2N系列基本单元
3.3 可编程控制器控制系统I/O点数估计
输入设备——用以产生输入控制信号（如按钮、指令开关、限位开关、接近开关、传感器等）。

该系统中包括双向选择开关4个，按钮开关5个，光栅开关2个和接近开关5个。

输出设备——由PLC的输出信号驱动的执行元件，如继电器、接触器、电磁阀、指示灯等。

该系统中有中间继电器5个，接触器2个，电磁阀5个，指示灯1个。

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该系统中实际需要输入点17点，输出点8点，根据输入输出点数，以及考虑到今后对系统的维护和扩充使用，要保留一定的裕量，因此选用的PLC型号为三系列，其选择如下：
菱公司的FX
2N
-48MR（输入点24点，输出点24点）
基本单元：FX
2N
功能模块：FX2N－4AD-TC模块1个、FX2N－4DA模块1个、FX2N-422-BD通信口1个。

3.4 PLC的I/O分配表
在确定了控制对象的控制任务和选择好PLC的机型后，即可安排输入、输出的配置，并对输入、输出进行地址编号。

分配I/O地址时要注意以下问题：
⑴设备I/O地址尽可能连续；
⑵相邻设备I/O地址尽可能连续；
⑶输入/输出I/O地址分开；
⑷每一框架I/O地址不要全部占满，要留有一定的余量，便于系统扩展和工艺流程的改，但不宜保留太多，否则会增加系统成本；
⑸充分考虑控制柜与控制柜之间、框架与框架之间、模块与模块之间的信号联系，合理地安排I/O地址，减少它们之间的内部连线。

表2 PLC的I/O分配表
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3.5注塑机控制系统的接线图
3.5.1 PLC的I/O系统配置图
图4 PLC的I/O系统配置图
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3.5.2 PLC的系统工艺流程图
注塑机的工作过程为：按下电源开关液压油泵启动，系统进入准备状态，此时可选择手动或自动操作模式。

当选择自动模式时，按下启动按钮，当确认合模安全时合模电磁阀动作，合模/开模油缸在油压力的作用下驱动导杠动作，使动模板向上面与定模板快速地闭合。

合模完毕后，合模到接近开关动作，整进/整退气缸在油压力的作用下驱动拉杆动作,使射台向前移动。

射台整进到后，接近开关动作，射胶电磁阀得电，螺杠在液压力的推动下完成射胶并保压一段时间。

当射胶时间到达设定值时，射胶电磁阀断电自复位，预塑电磁阀得电，预塑液压马达完成预塑的同时，螺杠退回原来的位置。

预塑完后接近开关工作，整进电磁阀断电自复位，射台在液压的作用下退回。

射台退回后，射台退到位接近开关动作，合模电磁阀断电自复位，完成启模动作。

启模完后，顶出油缸动作将品顶出，落下的制品使计件光栅动作，产品计数，便完成一个生产周期。

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图5 注塑机控制系统工艺流程图
当选择手动操作时，分别打开各个转换开关，即可使各个电磁阀得电工作或断电自复位，使油缸在液压力的作用下驱动导杆分别进行合模/开模、整进/整退，射胶，预塑，顶出等动作，完成调机工作。

3.5.3注塑机的步序控制
注塑机有手动和自动两种工作模式。

手动模式下，按下相应的功能按钮时，便能完成相应的操作；自动模式下，只需按下启动按钮，注塑机就能按照调定的动作进行到底,工作流程如下：起始位置→合模→整进→注射→保压延时→预塑→整退→启模→顶出→起始位置。

根据注塑机的控制流程图、I/O配置图及分配表得出该机的各个工作过程：在各输入信号及各时间控制的先后作用下，按照各自工况运行的顺序，各执行机
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构自动有序地依次工作。

如按照该机的中间继电器的控制线路来编制PLC控制梯形图，既繁琐复杂，又给PLC的程序编制带来一定的难度，所以对该机PLC控制系统选用SFC（顺序功能图）的程序设计方法，可以很容易编制程序，达到合理安全的控制目的。

在查阅《图形操作终端GOT-F940操作手册》时发现： T、C可以选择当前值、设定值，数据寄存器只能选则现在值。

故在编制PLC程序时，选用D作为T、C的间接数据寄存器，该机PLC顺序控制系统图，状态转移的描述文字如下：
当PLC通电后在初始脉冲的作用下系统进入准备状态S0等待进一步的操作
⑴当按下油泵电机启动按钮信号转移到S20（即STL S20）时，需要处理的相关信号有：首先油泵电机启动接触器Y0得电，使油泵电机按星-三角降压启动的方式启动。

A.当按下X3时，进入手动模式，此时可通过对X5、X6、X7、X10、X11分别对注塑机的手动调整进行控制。

若选择手动合模转换开关X5为“1”时，动模板向上合模，X5为“0”时，即断电后动模板向下开模；若选择手动整进转换开关当X6为“1”时，注射座向前整进，X6为“0”时，即断电后注射座后退；若手动射胶转换开关X7为“1”时，Y4为“1”得电后向前射胶， X7为“0”时；则Y4为“0”断电后射胶结束。

若手动预塑开关X10，Y5为“1”得电后预塑液压马达向后预塑，X10为“0”时；则Y5为“0”断电后预塑结束。

若选择手动顶出X11为“1”时，则Y6为“1”得电将产品顶出，X11为“0”时，顶杠复位。

B. 当选择自动模式时，则X4为“1”；X3就断开为“0”，当按动启动按扭时（注：启动按扭时与X4串联输入到PLC），S21自锁得电。

C.模式选择开关（X3、X4）上串联有常闭的复位开关X2，当X2为“0”时，系统不复位，X2为“1”时，注塑机回到初始状态（Y2、Y3、Y4、Y5、Y6分别为“0”，）。

⑵当信号转移到S21（即STL S21）时，需要处理的相关信号有：确定合模安全时（安全光栅X12）为“0”，合模Y2并自锁；复位开关X2为“0”，合模到位接近开关为“1”，信号转移到S22；当复位开关X2为“1”，信号转移到S26。

⑶当信号转移到S22（即STL S22）时，需要处理的相关信号有：Y3得电自锁；复位开关X2为“0”，射到位接近开关为“1”，信号转移到S23；当复位开关X2为“1”，信号转移到S25。

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⑷当信号转移到S23（即STL S23）时，需要处理的相关信号有：Y4得电自锁，同时T0开始计时；T0计时时间到后，如果复位开关X2为“0”，信号转移到S24；当复位开关X2为“1”，信号转移到S25。

⑸当信号转移到S24（即STL S24）时，需要处理的相关信号有：Y4断电复位，同时Y5得电自锁；预塑完接近开关为“1”，信号转移到S25。

⑹当信号转移到S25（即STL S25）时，需要处理的相关信号有：Y5断电复位，同时Y3断电复位；射台后到位接近开关为“1”，信号转移到S26。

⑺当信号转移到S26（即STL S26）时，需要处理的相关信号有：Y2断电复位；开模到位接近开关为“1”，信号转移到S27。

⑻当信号转移到S27（即STL S27）时，需要处理的相关信号有：Y6得电自锁；当顶下的产品使计件光栅X20得电工作，产品总数寄存器D200加一，同时Y6复位。

自动启动开关X4为“1”，信号转移到S0，顺序控制程序完成，返回（RET）主程序，完成一个工作周期。

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图6 PLC注塑机顺序控制系统图
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3.6 PLC
控制系统程序梯形图
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4 设计总结
塑料行业是现代工业发展不可缺少的重要组成部分，塑料工业发展水平也代表着一个国家总体发展水平。

目前，中国塑料产品生产总量在世界占有重要地位，但是，从原材料到模具制作，再到塑料设备和塑料生产工艺与西方发达国家还有着很大差距。

尤其是高端材料和设备方面，现在还是主要依靠进口，作为行业有责任的企业和专家需要加倍努力。

为中国塑料行业发展并赶上世界先进水平尽职尽责。

注塑机正在向高速、高效、节能方向发展，一些新的电气控制设备以及先进的控制思想在注塑机上的应用，将极为有效地帮助注塑机达到这个目的。

例如，使用模糊控制将有效地解决料筒温度控制中强祸合、大惯量等问题。

电液比例系统在目前是注塑机最理想的液压控制系统，但注塑机的全电气化已经成为国际上的研究热点。

该机唯一的缺陷是：没有顶针装置及稍厚一点的模具不能在上面安装使用。

若增加上顶针装置，就可以减轻些工人的劳动强度；若再适当地修改一下定模板的高度，无疑会扩展该机的使有范围，稍厚一点的模具也能在上面安装使用。

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参考文献
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