1、吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计 （论文） 第 1 页 共 32 页 第 1 章 绪 论 1.1 注塑成 型机 控制系统 的课题研究意义 本注塑成型机系统控制设计课题为设计一个比较实用的 PLC 注塑机控制系统，结合组态控制技术来实现生产过程。 PLC 在注塑成型机控制系统中起到十分重要的作用，成为连接注塑成型机与组态控制画面一 个必不可少的桥梁 。 我们研究这个课题致力于以下几个方面 ： 1、 进一步提高注塑制品的产品质量，降低其次品率 ； 2、 减少塑料原材料的消耗 ； 3、 减轻工人劳 动强度， 降低繁杂的操作过程 ； 4、 提高了工人对新事物、新机器的操作水平 ； 5、 提高
2、劳动生产率，减少在次品上消耗的原料， 使同样的原料生产出更多的优质注塑制品 ； 6、 加速资金周转 ，挺高产业链中资金的回笼。 1.2 注塑成型机发展概况 塑料工业经过长期的发展 ， 已形成门类较多、品种齐全的工业体系 ， 同钢材、水泥、木材等产业并驾齐驱成为即这些产业之后的又一大基础材料产业。在经济全球化的大趋势下，塑料工业也随之出现在中国的土地 上。 21 世纪以来，塑料作为一种新型材料，中国塑料工业在很多领域取得了令世人瞩目的成就，实现了历史性的跨越。作为轻工行业支柱产业之一的塑料行业，近几年塑料产业的增长速度一直保持在 10%以上， 塑料产业在保持较快发展速度 的同时，经济效益也有新的
3、提高。塑料制品行业产值总额在几大轻工主要行业中位居第三，实现产品销售率 97.8%， 高于轻工行业平均水平。从合成树脂、塑料机械和塑料 制品生产来看，都显 示了 塑料工业在中国向着品种多样 ,深加工的趋势发展 3。 注塑成型机是完成塑料完成定型使用的主要设备，注塑成型机的技术参数和性能与塑料性质和注塑成型工艺有着密切的关系。注塑成型设备的进一步发展必将推动注塑成型技术的进步，为其所生产的注塑制品的开发和应用创造条件。 注塑成型机在前期的时候由于当时的条件限制，其故障率高、维修周期短、设备工作 效率低。产品 合格 率低的现况使新型的塑料材料不能大力的进行推广。随着工业控制技术的飞速发展和产品档次
4、的提高，现今注塑成型机多采用 PLC（或专用控制器）加人机界面的控制系统，生产自动化程度的大为提高，有利于降低吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计 （论文） 第 2 页 共 32 页 工厂成本，有利于提高产品的产量、质量以及产品的竞争力。也推动了塑料产业的迅猛发展。 在大型注塑的技术发展方面，合模系统采用全液压式或液压 -机械式，两者在市场上均有竞争能力。但不论哪种形式的注塑成型机，其发方向都必须向低能耗、低噪音、锁模力容易控制、运行平稳、安全可靠和便于维修方向发展。近年来，中小型注 塑注塑机的技术发展非常迅速，就工艺参数而言，塑化能力、注射压力等都有很大提高。有的发展成超高系列，使注塑
5、制品的次品率下降到几乎为零，可注塑 0.1 0.2mm厚的薄件制品。 90 年代的注塑成型机正向节能、精密成型、超精密成型、低噪音和高级自动化等几大方向发展。 1、 节能。它是指注塑机要节省泵的动力，节约电力。精密成型是指生产制品尺寸精度的范围在 0.01 0.001mm； 2、 超精密。成型是在 0.001 0.0001mm； 3、 低噪音。它是指注机能在平稳无撞击和无振动下工作，按规定在距离机器1m左右的地方挥发油 的噪音应低于 70 分贝 ； 4、 高级自动化。它是指注塑机能远距离操作或无线操作，保证制品的精度、注塑工艺条件的稳定性。另外，微处理机在注塑机上的是注塑机的自动控制方面最重要
6、的发展。注射成型工艺对各种塑料的加工具有良好的适应性，生产能力较高，并易于实现自动化。在塑料工业迅速发展的今天，注塑成型机不论在数量上或品种上都占有重要地位，其生产总数占整个塑料成型设备的 20% 30%，从而成为目前塑料机械中增长最快，生产数量最多的机种之一 1。 1.2.1 国外注塑 成型 机发展概况 国外现状经过十几年的发展，微注塑成型机的 研究现状与进展。 已经商品化的微型注射机有多种类型，其制造商包括 Battenfeld、 Dr. Boy、 Sodick、 Larry、Arburg、 Demag Ergotech 等几大机械制造公司。各公司及其研究机构都在不断地提高微注塑成型机的控
7、制技术，实现注塑成型机结构优化，最终实现更高的注射及合模精度。此外，成型过程中微型塑件脱模时的夹持、输送、质量检测等也与注射机成为一体，使生产过程的自动化、智能化程度更高，进一步缩短成型周 期、提高加工效率。 微注塑成型 机 要求注射量小，因此螺杆直径要相应地减小，目前最小螺杆直径 为 12mm，更小的螺杆在注射过程中容易扭断，双阶注射系统中的注射柱塞最小为 5mm，合模力可小至 20kN，注射容积只有几立方厘米至零点几立方厘米。微型塑件质量从零点几克小至零点几毫克。 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计 （论文） 第 3 页 共 32 页 近年来，我国注塑成型机行业的技术进步十分显著，
8、尤其是注塑机的技术水平与国外 名牌产品 的差距大大缩小，在控制水平、产品内部质量和外观造型等方面均取得显著改观。选择国产设备，以较小的投入，同样也能生产出与进口设备质量相当的产品 。这些为企业的技术改造创造了条件。香港理工大学微型系统科技中心研制的双阶微注塑成型机，可实现真空注射，注射速度可达 1000mm/s，注射动作是向上注射，可避免排气不畅，且无需阀门控制；合模系统中四角均设有伺服器，能自动调节合模压力，以尽量减少合模时的变形量；采用两组线性电动马达，可实现高速注射，精度级别小于毫克级。 1.2.2 国内注塑成型机发展概况 目前 国内 生产注塑机的厂家据不完全统计已超过 60 家。注塑
9、机的结构形式有立式和卧式两种。按生产出的制品可分为普通型和精密型注塑成型机。一次注射量 45 51000g；锁模力 200 36000kN；加工原料有 热固性塑料 、热塑性塑料和橡胶 三种。从加工出的制品来看，有单色、双色的一 般和精密塑料制品。上述产品的主要生产厂家都有自己的系列，各有自己的特点。普通 卧式注塑机 卧式注塑机 仍是注塑机发展的主导方向，其基本结构几乎没有大的变化，除了继续提高其控制及自动化水平、降低能耗外，生产厂家根据市场的变化正在向组合系列化方向发展，如同一型号的注塑机配置大、中、小三种注射装置，组合成标准型和组合型，增加了灵活性，扩大了使用范围，提高了经济效益。 世界上工
10、业发达国家的注塑机 生产厂家都在不断提高普通注塑机的功能、质量、 辅助设备 的配套能力，以及自动化水平。同时大力开发、发展大型注塑机、专用注塑机、反应注塑机和精密注塑机，以满足生产 塑料合金 、磁性塑料、带嵌件的塑料制品的需求。注塑机是目前中国塑料机械中发展速度最快、水平与工业发达国家差距较小的塑机品种之一。但主要指普通型注 塑机，在特大型、各种特殊、专用、精密注塑机的多数品种方面，有的产品尚属空白，这是与工业发达国家的主要差距。 1.3 注塑成型机 控制系统 的主要内容 用 PLC 改进中央信号系统的设计方法，它能加工各种热塑性或热固性塑料，颗粒状原料经过柱塞或螺杆压入料筒，加热熔化后，在一
11、定的注射速和压力下，注射到模具内，经保压后很快凝固成所需要的塑料制品。塑料注塑成型生产工艺一般要经过闭模、闸板闭合、稳压、高压注射、保压、预塑、卸压、闸板开启、启模、顶出产品等阶段。 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计 （论文） 第 4 页 共 32 页 控制系统操作要求： 1、 注塑成型机是塑料颗粒加工主要生产设备，它 能加工各种热塑性或热固性塑料，通常由闭模阶段和注塑阶段、及 启 模阶段三大部分组成 ； 2、 加热熔化后，塑料原料经过柱塞或螺杆压入料筒，在一定的注射速度和压力下，注射到模具内，经保压后很快凝固成所需要的塑料制品 ； 3、 塑料注塑成型生产工艺一般要经过闭模、注塑筒与
12、闭模闭合、稳压、高压注射、等几个注塑等阶段 ； 4、 各 阶段都是由启动注塑开关及停机维护开关来控制整个注塑过程的进行。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计 （论文） 第 5 页 共 32 页 第 2 章 注塑机控制系统 总体设计 早期的注塑机由于当时的条件或成本限制。基本上所有的注塑成型机都使用继电器电路控制，其故障率高、维修周期短 、设备工作效率低。注塑制品的次品率高，很大一定程度上阻碍了塑料制品的生产和发展。 随着工业控制技术的飞速发展和产品档次的提高，今天大部分使用注塑机多采用 PLC（或专用控制器）加人机界面的控制系统，生产自动化程度的大为提高，有利于降低工厂成本 ； 有利于提
13、高产品的产量、质量以及产品的竞争力。提高了注塑制品在市场上的占有力及其塑料 制品 的使用率。 2.1 方案设计 组态控制画面 位置 检测 模 模 压力 温度检测 拟 拟 量 量 流量 压力检测 输 可 输 入 编 出 温度 速度检测 程 序 开 控 模 按键开关 关 制 拟 电动阀 量 器 量 指 令开关 输 输 工作 状态位移 入 出 图 2-1 注塑成型机 控制系统 原理图 现代注塑机的电气控制器主要有微机可编程序控制器和电脑程序控制器两种类型。 1、 微机可编程控制器（ PLC） 。它 由输入、输出装置、编程器和中央处理单元（ CPU）组成，通过键盘输入程序和参数， CPU 以扫描的形式
14、将这些输入信号输入到存贮器中，按照用户程序变成逻辑关系，得到所需要的输 出状态即控制现吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计 （论文） 第 6 页 共 32 页 场设备。微机可编程序控制器结构小巧、可靠、反应灵敏、运行速度快，利用位移传感器等进行动作程序和过程程序的切换，并能够实现压力和流量控制，可以进行开关量逻辑控制，也可以兼有模拟量（例如，温度、压力、流量、转速等）闭环控制。 2、 电脑程序控制器 。它 是为了适应注塑机过程控制而专门设计的。它除了具有微机可编程序控制器所有功能外，计算能力强大，具有自动锁模调整功能和多级注射速度和多级注射压力控制与自动修正功能，可实现注塑机动作和 注射
15、成型工艺的数字控制。 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： 1、 提高制品尺寸精度和稳定性； 2、 提高速度、缩短成型周期； 3、 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 2。 2.2 系统中相关技术的组成 2.2.1
16、可编程序控制器 PLC 部分 1987 年 2 月，国际电工委员会颁布了可编程控制器标准草案第三稿，该草案中对可编程控制器给出的定义是： 1、 可 编程 控制器是一种 数字运算操作 系统，专为在工业环境 下 应用而设计的 。 2、 它采用 了 可编 程序 的存储器，用 来在 其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术 运算等 操作 的指令 ；并通过数字 式 或模拟式输入 /输出 ， 控制各种类型的 生产 机械 和 生产过程。 3、 可 编程 控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统 连 成一个整体 、易于扩充其功能的原 理 设计 10。 PLC 内部结构如下图 2-2 所 示 ：
17、 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计 （论文） 第 7 页 共 32 页 编程器 输 输 入 用户程序存储器 出 接 系统程序存储器 接 口 口 电 电 路 中央处理单元 路 电源部件 图 2-2 PLC 内部区域组成 PLC 是按继电 接触线路原理设计的。其等效的内部电器 及 线路与继电接触线路相同。由 PLC 定义可知，它与一般计算机的结构相似，也有中央处理单元（ CPU）、存储器（ MEMORY）、输入 /输出（ INTUT/OUTPUT）接口、电源部件及外部设备接口等。但是由于 PLC 是专为在工业环境下应用而设计的，为便于接线、便于扩充功能、便于操作及维护，它的结构及组成又与
18、一般计算机有所区别。 PLC 的一些特点如下 : 1、 通用性强。 PLC 是一种工业控制计算机，其控制操作功能可以通 过软件编制确定，在生产工艺改变或生产线设备更新时，不必改变 PLC 硬件设备，只需改变编程程序就可实现不同的控制方案，具有良好的通用性。 2、 编程方便。大多数 PLC 可采用类似继电控制电路图形式的 “ 梯形图 ” 进行编程，控制线路清晰直观，稍加培训即可进行编程，受到普遍欢迎。 PLC 与个人计算机联成网络或加入到集散控制系统之中时，通过在上位机上用梯形图编程，使编程更容易、更方便。 3、 功能完善。由于计算机有很强的运算处理能力，故以计算机为核心的现代PLC 不仅有逻辑
19、运算、定时、计数等控制功能，还能完成 A/D 转换、 D/A 转换 、模拟量处理、高速计数、联网通信等功能，还可以通过上位机进行显示、报警、记录，进行人 机对话，使控制水平大大提高。 4、 扩展灵活。 PLC 产品均带有扩展单元，可以方便地适应不同输入 /输出点数及不同输入 /输出方式的需求。模块式 PLC 的各种功能模块制成插板，可以根据需要灵活配置，从几个输入 /输出点的最小型系统到几千个点的超大型系统均可轻易实现，扩展灵活，组合方便。 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计 （论文） 第 8 页 共 32 页 5、 系统构成简单，安装调试容易。当需要组成控制系统时，用简单的编程方法将
20、程序存入存储器内，接上相应的输入、输出信号，便可构成一个完整的控制系统，不需要 继电器、转换开关等，它的输出可直接驱动执行机构（负载电流一般可达 2A），中间一般不需要设置转换单元，因此大大简化了硬件的接线，减少设计及施工工作量。同时 PLC 又能事先进行模拟调试，更减少了现场的调试工作量，并且 PLC 的监视功能很强，模块化 结构 大大减少了维修量。 6、 可靠性高。可编程控制器采用大规模集成电路，可靠性要比有触点的继电接触系统高很多。在其自身的设计中，采用了冗余措施和容错技术。另外，输入 /输出采用了屏蔽、隔离、滤波、电源调整与保护等措施，提高了抗工业环境干扰的能力，使 PLC 适合于在工
21、业环境下使用， 可靠性大大提高。 由于可编程控制器具备以上特点，它把微型计算机技术与开关量控制技术很好地融合在一起，还把连接量直接数字控制 DDC 技术加进去并且有与监控计算机联网的功能，因此应用十分广泛，几乎覆盖各个工业领域，正成为新一代机电一体化产品。它与目前应用于工业过程的各种顺序控制设备相比较，具有明显的优势。 2.2.2 速度传感器 在自动化技术中，旋转运动速度测量较多，而且直线运动速度也经常通过旋转速度 间接测量 。目前广泛使用的 速度传感器 是 直流测速发电机 ，可以将旋转速度转变成电信号。测速机要求输出电压与转速间保持 线性关系 ，并要求输出电压陡度大，时间及温度稳定性好。 旋
22、转式速度传感 器与运动物体直接接触。当运动物体与旋转式速度传感器接触时，摩擦力带动传感器的滚轮转动。装在滚轮上的转动脉冲传感器，发送出一连串的脉冲。每个脉冲代表着一定的距离值，从而就能测出线速度。 电磁感应 式 速度传感器与运动物体无直接接触 ，在转动的轴上安装齿轮，外侧是电磁线圈，转动是由于轮齿间隙通过，得 到 方波 变化的电压，叶轮的叶片边缘贴有 反射膜 ，流体流动时带动叶轮旋转，叶轮每转动一周 光纤传输 反光一次，产生一个电脉冲信号。可由检测到的脉冲数，计算出速度 8。 主要应用于本设计中 高压注射 部分推进的速度检测 。 实物图如下图 2-3 所示 ： 图 2-3 速度传感器 吉林建筑
23、大学城建学院电气信息工程系毕业设计 （论文） 第 9 页 共 32 页 2.2.3 温度传感器 当有两种不同的导体和半导体 A 和 B 组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为 T，称为工作端或热端，另一端温 度为， 称为自由端 （ 也称参考端 ） 或冷端，则回路中就有电流产生，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个： 1、 当有电流流过两个不同导体的连接处时，热电偶原理图此处便吸收或放出热量 （ 取决于电流的方向 ） ，称为珀尔帖效应； 2、 当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量
24、（ 取决于电流相对于温度梯度的方向 ） ，称为汤姆逊效应。 两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势 是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两 种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势，热电偶测量的热电势是二者的合成。 ABV=V -V （ 2-1） 10T=T-T （ 2-2） 实验表明，当 V 很小时
25、， V 与 T 成正比关系 ： B A 1 0V = V - V T - T （ 2-3） V 对 T 的微分热电势为热电势率，又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。 实物图如下图2-4 所示 ： 图 2-4 温度传感器 ABE0T吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计 （论文） 第 10 页 共 32 页 2.2.4 工业 压力传感器 电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为 一种电信号的敏感器件。它是压 力 传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变
26、片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是 A/D 转换和 CPU）显示或执行机构。 金属电阻应变片的 工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： LR=S (2-4) 式中： - 金属导体的电阻率（ m ） S - 导体的截面积（ ） L - 导体的长度（ m
27、） 以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都 会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。 实物图如下图 2-5所示 ： 图 2-5 工业压力传感器 2.2.5 光电式 位置传感器 信号盘安装在发光二极管 （ LED） 与光敏晶体管 （ 或光敏二极管 ） 之间。当信号盘上的透光孔旋转到 LED 与光敏晶体管之间时， LED 发出的光线就会照射到光敏晶体管 上，此时光敏晶体管导通，其集电极输出低电平 （ 0.1 0.3V） ；当信号2m
