PLC在注塑机控制系统中的应用毕业设计论文.docx

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PLC在注塑机控制系统中的应用毕业设计论文

毕业设计论文

PLC在注塑机控制系统中的应用

摘要

注射成型（注塑）是加工塑料制品的主要方法之一，这种方法能制得外形复杂、尺寸精确和带有金属嵌件的制品，对各种聚合物加工的适应性强，易于实现全自动化生产，因此在塑料机械中占有很大比重。

因此，开展基于PLC的注塑机的控制研究。

必将推动注塑生产的长足进步和繁荣发展，不仅为社会提供高质量产品，还可排除安全隐患、保障生命和财产、节约资源、保护环境，提供更加重要的无形的社会财富。

本设计在分析注塑机的工艺流程的基础上，首先确定了总体设计方案，采用西门子S7-200中的CPU226PLC对注塑机的控制系统进行设计。

接着，在硬件设计中，统计并分配了I/O点，绘制出I/O接线图，设计了主电路和液压回路。

最后，在软件设计中，通过学习使用西门子STEP7编程软件进行编程和调试。

通过使用PLC对注塑机控制系统的改造，不仅能够达到原有的控制功能，而且还提高了控制系统的精度，方便维修。

关键词：

注塑机，西门子S7-200，控制系统，仿真

Applicationofthejinjectionmoldingmachine

controlsystemofPLC

ABSTRACT

Injectionmoldingprocessingplasticproducts（injection）isoneofthemainmethods,thismethodcanmaketheshapeofcomplex,ruler.Inchpreciselyandwithembeddedmetalpartsproducts,foravarietyofpolymerprocessingadaptability,easytorealizeautomaticproduction,sointheplasticmachineryoccupiesalargeproportionof.Therefore,tocarryouttheinjectionmoldingmachinebasedonPLCcontrolresearch.Willpromotetheinjectionmoldingofthegreatprogressandprosperity,notonlyforthecommunitytoprovidehighqualityproducts,alsocaneliminatethehiddendangerofsafety,protectlifeandproperty,tosaveresources,protectenvironment,offermoreimportanttheincorporealwealthofsociety.Thedesignintheanalysisofinjectionmoldingmachineonthebasisoftechnologicalprocess,firsttodeterminetheoveralldesignplan,adoptsSiemensS7-200CPU226PLCoftheinjectionmoldingmachinecontrolsystemtransformation.Then,inthehardwaredesign,statisticsandthedistributionofI/O,I/Owiringdiagramdrawing,designofthemaincircuitandthehydrauliccircuit.Finally,inthesoftwaredesign,throughthestudyoftheuseofSiemensSTEP7programmingsoftwareprogramminganddebugging.PLCthroughtheuseofinjectionmoldingmachinecontrolsystem,cannotonlyachievetheoriginalcontrolfunctions,butalsoimprovestheprecisionofcontrolsystem,convenientrepair.

KEYWORDS:

injectionmoldingmachine,SiemensS7-200,controlsystem,simulation

目　录

前　言

自从二十世纪五十年代工业技术的改革，塑料注射成型机（简称注塑机）已经发展了五十多年了。

注塑机是一个集机、电、液于一体的典型系统,因具有一次能够成型复杂制品、后加工量少、加工的塑料种类多等特点,问世以来,发展极为迅速,目前己成为塑料成型加工的主要设备。

迄今为止，用这种方法生产出来的产品覆盖了几乎40%的日常生活中塑料制品。

注塑机的工作原理与打针用的注射器相似，一般螺杆式注塑机的成型工艺过程是：

首先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持（又称保压）、冷却，使其固化成型，便可开模取出制品（保压的目的是防止模腔中熔料的反流、向模腔内补充物料，以及保证制品具有一定的密度和尺寸公差）。

由于注塑过程是一个非稳定、非恒温的过程,在合模、注射、升（降）温等各生产过程中的工艺参数将直接影响塑料制品的品质,因而对注塑机的控制系统提出了很高的要求。

目前，许多国产注塑机的动作控制系统仍然采用继电器来完成开关量的逻辑运算以实现系统控制。

随着电子技术的不断进步和发展，此传统控制方法的缺点越来越显著地表现出来，如维修量大，继电器寿命短，接线相当复杂。

采用有触点的开关动作，工作频率低，可靠性差，易出故障。

继电器动作慢，定时不准确，系统控制精度差等。

因而，对注塑机的控制系统进行设计改造很有研究必要。

第1章课题总体设计方案

1.1注塑机构成

一般注塑机包括注射装置、合模装置、液压系统和电气控制系统等。

注射装置：

它的主要作用是使塑料均匀地塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将熔料注射入模具中。

它主要由塑化部件（机筒、螺杆或柱塞、喷嘴等）、料斗、螺杆传动装置（油马达等）、注射油缸、注射座移动油缸等组成。

合模装置：

它是保证成型模具可靠的闭合和实现启闭模动作以及取出制品的部件。

由于熔料以很高的压力注入模腔中，为了锁紧模具而不致使制品产生飞边或影响制品质量，就要对模具施加足够的锁紧力（即合模力）。

合模装置主要包括固定模板、移动模板、后墙板、连接前后模板用的拉杆、合模油缸、顶出油缸、调模装置等组成。

液压系统和电气控制系统：

它是保证注塑机按工艺过程预定的要求（如压力、速度、温度、时间等）和动作程序准确有效的进行工作而设置的动力和控制系统。

1.2主要研究任务

1.分析注塑机的工艺流程，拟订控制系统的总体方案。

2.硬件部分设计。

包括统计I/O点，选择PLC机型，进行I/O定义号分配，绘制I/O模块接线图，设计主电路图和液压控制回路。

3.软件部分设计。

即编写控制系统梯形图程序。

1.3注塑机工作流程

注塑机生产一个产品一般要经过闭模、注射台前进、注射、保压、解压、注射台后退、开模等工序。

这些动作的完成均由电磁阀控制液压回路来完成。

注塑机的工作方式有手动和自动循环两种形式。

其自动循环时的工艺流程如图1-1所示。

图1-1注塑机自动循环状态工艺流程

从图1-1中可以看出，注塑机的控制过程是顺序控制。

能够实现这个要求和控制功能的方法很多，如继电器、PLC、单片机等。

传统的继电器控制价格低廉，它是针对一定的生产机械，固定的生产工艺而设计，采用硬件接线方式安装而成，为接线程序控制，只能进行开关量的控制，接线多，可靠性差，修改不容易，维修不方便。

单片机控制是程序存储控制，在设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套。

PLC控制有如下的优点：

（1）抗干扰能力强和可靠性强。

（2）采用模块化组合式结构，使系统构成十分灵活、可根据需要任意组合、易于维修、易于实现分散式、异地控制。

（3）编程简单、使用方便。

（4）扩充方便、组合灵活。

（5）体积小、重量轻、功耗低。

（6）具有很高的性能价格比。

通过上述综合比较，继电器控制虽然价格最低，但是它修改不容易，维修不方便；单片机控制虽然能够满足要求，但是它设计复杂，抗干扰性差，在软硬件开发时对人员的技术水平要求较高，一般应具有一定的计算机专业知识，不通用；PLC控制不仅综合了以上两种控制方法的优点，还克服了它们的不足，所以，最终我选择了用PLC来控制。

第2章硬件设计

2.1PLC机型的选择

机型选择时要考虑功能要求、I/O点数和内存等几项内容。

1.注塑机的功能确定

注塑机生产一个产品一般要经过闭模、注射台前进、注射、保压、解压、注射台后退、开模等工序。

这些动作的完成均由电磁阀控制液压回路来完成。

本设计中的液压油泵电机由交流接触器完成开、停控制。

油泵电机接触器、各液压阀上的电磁铁得电和时间继电器动作与否均由PLC控制。

工作方式要求除了自动工作方式外，为了便于设备的调整及单件产品生产，注塑机还设有手动工作方式。

即注塑机的每一个工步都设有一个按钮。

当选择“自动”工作方式时，按下起动按钮后，注塑过程自动完成；选择“手动”时，当某个按钮按下时，机器就执行该按钮对应的动作。

2.I/O点数的确定

根据对注塑机的工艺过程和功能的分析，其输入信号有安全门开关SQ1、SQ2，行程开关SQ3、SQ4、SQ5、SQ6、SQ7，自动循环起动按钮SB1和停止按钮SB2，工作方式选择开关SA1-1、SA1-2，热继电器FR1，各工序手动按钮SB3～SB9，油泵电机起动按钮SB10和停止按钮SB11以及油泵电机过载消除按钮SB12。

输出信号有YV1～YV7共7个电磁阀，油泵电机运行接触器KM1和三个指示灯HL1～HL3。

I/O点数大概为22点输入、11点输出，且均为数字量。

根据输入输出点数可选择功能适合的PLC。

3.内存估计

大多数情况下，PLC 的内存均能满足用户的需要。

由于本课题所设计的要求的I/O点数不是很多，可选用小型机即可满足要求。

根据以上分析，初步估计小型机即可满足要求。

通过在小型机市场上一些调查了解，SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

适合我国的国情，特别适合用于小型企业。

S7-200PLC系统是紧凑型可编程序控制器。

系统的硬件构架由成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。

它能够满足各种设备的自动化控制需求。

S7-200除具有PLC基本的控制功能外，其性能更在如下方面有其独到之处：

1.功能强大的指令集

指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、PID指令、字符串指令、时钟指令、通讯指令，以及和智能模块配合的专用指令等一系列的逻辑指令。

2.编程软件的易用性

STEP-7Micro/WIN32编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程环境。

全中文的界面、中文的在线帮助信息、Windows的界面风格以及丰富的编程向导，能使用户快速进入状态，得心应手。

S7-200将一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量I/O点接在一个紧凑的封装中，组成一个功能强大的PLC。

西门子提供多种类型的CPU以适应各种应用要求。

不同类型的CPU具有不同的CPU目前提供的S7-200CPU有：

CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU226XM。

对于每个型号，西门子提供DC（24V）和AC（120V～220V）两种电源供电的CPU类型。

S7-200CPU为了扩展I/O点和执行特殊的功能，可以连接扩展模块（CPU221除外）。

主要有数字量I/O模块、模拟量I/O模块、通讯模块和特殊功能模块。

每种模块中又有很多类型，足够满足不同类型用户的需求。

根据对本课题的了解，本课题的I/O点数大概为22点输入、11点输出，且均为数字量。

考虑到要留有适量的余量以做备用，因此，一般可以按实际需要的10%～15%选择。

根据上述几条，CPU224（14入/10出）加两个扩展模块或者CPU226都能满足要求。

但是考虑到若使用CPU224，输出模块中只用到一个输出点，也不大经济。

在定义号分配时也必须根据模块上的点进行分配，比较麻烦。

使用CPU226，输入输出点都恰好满足需要并留有一定的余量，分配定义号时也比较方便。

因此，我选择了 S7-200CPU226DC/DC/DC。

它的I/O点数为24/16,可以满足需要。

CPU226的主要技术参数如表2-1所示。

表2-1CPU226主要技术参数

CPU226技术数据

描述

CPU226DC/DC/DC

物理特性

尺寸（WXHXD）

196x80x62mm

重量

 550g

功耗

 11W

I/O特性

本机数字量输入

24输入

本机数字量输出

16输出

本机模拟量输入

无

本机模拟量输出

无

常规特性

定时器总数

256个

   1ms

4个

   10ms

16个

100ms

236个

计数器总数

256（由超级电容或电池备份）

时间中断

2个1ms分辨率

边沿中断

4个上升沿和/或4个下降沿

集成的通信功能

接口

2个RS-485接口

输入电源

输入电压

20.4至28.8VDC

输入电流

150mA （仅CPU，24VDC）/1050mA （最大负载，24VDC）

2.2I/0定义号分配

输入点分配如表2-2所示，输出点分配如表2-3所示。

表2-2S7-200型PLCI/O定义号分配（输入点）

序号

符号

定义号

功能

备注

1

SQ1

I0.0

前安全门

行程开关

2

SQ2

I0.1

后安全门

行程开关

3

SQ3

I0.2

自动锁模

行程开关

4

SQ4

I0.3

自动注射台前进

行程开关

5

SQ5

I0.4

自动解压

行程开关

6

SQ6

I0.5

自动注射台后退

行程开关

7

SQ7

I0.6

自动开模

行程开关

8

SB1

I0.7

自动运行起动

行程开关

9

SB2

I1.0

自动运行停止

按钮

10

SB3

I1.1

手动锁模

按钮

11

SB4

I1.2

手动注射台前进

按钮

12

SB5

I1.3

手动注射

按钮

13

SB6

I1.4

手动保压

按钮

14

SB7

I1.5

手动解压

按钮

15

SB8

I1.6

手动注射台后退

按钮

16

SB9

I1.7

手动开模

按钮

17

SB10

I2.0

油泵电机启动

按钮

18

SB11

I2.1

油泵电机停止

按钮

19

SB12

I2.2

油泵电机过载消除

按钮

20

FR1

I2.3

油泵电机热继电器

21

SA1-1

I2.4

工作方式选择：

自动

万能转换开关

22

SA1-2

I2.5

工作方式选择：

手动

万能转换开关

表2-3S7-200型PLCI/O定义号分配（输出点）

序号

符号

定义号

功能

备注

1

YV1

Q0.0

锁模

DC24V电磁阀

2

YV2

Q0.1

注射台前进

DC24V电磁阀

3

YV3

Q0.2

注射

DC24V电磁阀

4

YV4

Q0.3

保压

DC24V电磁阀

5

YV5

Q0.4

解压

DC24V电磁阀

6

YV6

Q0.5

注射台后退

DC24V电磁阀

7

YV7

Q0.6

开模

DC24V电磁阀

8

KM1

Q0.7

油泵电机运行接触器

AC220V

9

HL1

Q1.0

自动运行指示

LED（DC24V，GN）

10

HL2

Q1.1

手动运行指示

LED（DC24V，GN）

11

HL3

Q1.2

油泵电机过载指示

LED（DC24V，RD）

2.3I/O点接线图

根据对注塑机的工艺过程和功能的分析，其输入信号有安全门开关SQ1、SQ2，行程开关SQ3、SQ4、SQ5、SQ6、SQ7，自动循环起动按钮SB1和停止按钮SB2，工作方式选择开关SA1-1、SA1-2，热继电器FR1，各工序手动按钮SB3～SB9，油泵电机起动按钮SB10和停止按钮SB11以及油泵电机过载消除按钮SB12。

输出信号有YV1～YV7共7个电磁阀，油泵电机运行接触器KM1和三个指示灯HL1～HL3。

I/O点数大概为22点输入、11点输出，且均为数字量。

输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。

PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。

根据上述I/O点分配和CPU226的端子接线图规范，画出PLC的I/O点接线图，如图2-1所示。

图2-1CPU226I/O端子接线图

2.4主电路设计

在主回路中，交流接触器KM1控制油泵电动机M1。

选择自动开关QF0为总电源开关，既可以完成主回路的短路保护又起到隔离三相交流电源的作用，使用和维修更便捷。

QF1和QF2分别为PLC和DC的开关。

电动机M1由继电器FR1实现过载保护。

由FU1实现对各过载回路的短路保护作用。

G1中包括电磁阀的直流电源、整流过滤电源、开关电源和稳压源注塑机系统主电路图如图2-2所示。

图2-2注塑机系统主电路图

2.5液压控制回路设计

2.5.1基本回路的选择

1.确定执行机构：

本系统采用三个液压缸作为执行机构，分别执行锁模，注射台移动和注射的动作。

2.确定供油方式：

考虑到整个工作流程中所需油量都不大，因此，从提高系统的效率，节省能源的角度考虑，可采用限压式变量叶片泵作为油源。

从而达到高效节能的目的。

3.减压回路的选择：

因为系统中各工序所需要的压力不相同，所以需要在油路中设置减压阀。

锁模所需压力比较大，可不用，因此，在注射台移动和注射以及保压油路的进油路上设计三个减压阀。

4.锁紧回路的选择：

锁紧回路的功用是使液压缸能够在任意位置上停留，且停留后不会因外力作用而移动位置的回路。

本系统采用液控单向阀来锁紧（如图2-3）。

当换向阀8处在左位时，压力油经单向阀3进入液压缸左腔，同时压力油也进入单向阀2的控制油口k，打开单向阀2，使液压缸右腔的回油可经阀2及换向阀流回油箱，活塞向右运动，到了需要停留的位置，只要使换向阀处于中位。

由于换向阀的H型中位机能，所以单向阀2和3均关闭，使活塞双向锁紧。

此时，液压缸停留在固定位置。

5.保压回路的选择：

保压回路是指液压执行机关在其行程终止是使之能够保持一定压力的回路。

本系统有两个保压回路，首先，换向阀10处于中位时，可以通过液控单向阀12保压；其次，换向阀11处于右位时，可以继续往液压缸15的右腔进油，补充减少的压力。

调节减压阀7可以改变进油压力。

从而保证注塑过程中的压力。

6.液压元件的选择：

液压缸的尺寸大小，各个电磁阀以及其他压力阀的规格型号需要依据具体的注塑机参数和需要注塑的产品要求计算和选择。

这里不做赘述。

液压原理图如图2-3所示。

电磁铁得电顺序和各液压元件名称如表2-4、表2-5所示。

图2-3液压原图理

表2-4电磁铁得电顺序表

锁摸

注射台前进

注射

保压

解压

注射台后退

开模

YA1

+

-

-

-

-

-

-

YA2

-

+

-

-

-

-

-

YA3

-

-

+

-

-

-

-

YA4

-

-

-

+

-

-

-

YA5

-

-

-

-

+

-

-

YA6

-

-

-

-

-

+

-

YA7

-

-

-

-

-

-

+

表2-5液压元件明细表

1

油泵

2

液控单向阀

3

液控单向阀

4

溢流阀

5

减压阀

6

减压阀

7

减压阀

8

三位四通电磁换向阀

9

三位四通电磁换向阀

10

三位四通电磁换向阀

11

二位二通电磁换向阀

12

液控单向阀

13

锁模液压缸

14

注射台移动液压缸

15

注射液压缸

2.5.2注塑机液压系统工作原理

1.锁模

进油路：

泵1——换向阀8（左位）——液控单向阀3——液压缸13左腔

回油路：

液压缸13右腔——液控单向阀2——换向阀8（左位）——油箱

2.注射台前进

进油路：

泵1——减压阀5——换向阀9（左位）——液压缸14左腔

回油路：

液压缸14右腔——换向阀9左位——油箱

3.注射

进油路：

泵1——减压阀5——减压阀6——换向阀10（右位）——液控单向阀12——液压缸15右腔

回油路：

液压缸15左腔——换向阀10（右位）——油箱

4.保压

进油路：

泵1——减压阀5——减压阀6——减压阀7——换向阀11（右位）——液控单向阀12——液压缸15右腔

由于该工序为保压，液压缸的工作行程已经到达终点，回油量极少。

5.解压

进油路：

泵1——减压阀5——减压阀6——换向阀10（左位）——液压缸15左腔

回油路：

液压缸15右腔——液控单向阀12——换向阀10（左位）——油箱

6.注射台后退

进油路：

泵1——减压阀5——换向阀9（右位）——液压缸14右腔

回油路：

液压缸14左腔——换向阀9（右位）——油箱

7.开模

进油路：

泵1——换向阀8（右位）——液控单向阀2——液压缸13右腔

回油路：

液压缸13右腔——液控单向阀3——换向阀8（右位）——油箱

第3章软件设计

3.1编程方法的确定

经分析，本控制系统中涉及的控制量均为开关量即数字量。

数字量控制系统梯形图设计方法主要有经验设计与继电器电路转换法、使用顺序功能图的顺序控制设计法和使用起保停电路的顺序控制设计法。

经验法主要是根据一些典型的控制电路如起动、保持、停止电路，三相异步电动机的正反转等来设计，还可以根据继电器电路图来设计梯形图，这主要使用于继电器电路图已知的情况下。

动作控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让它们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步的编程元件去控制PLC的各输出位。

使用此设计法设计梯形图，首先需要绘制出动作流程图，动作流程图是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，是设计PLC的顺序控制的有力工具。

它并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通