基于PLC的全电动注塑机控制系统的设计与应用
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科技篇（综述）２０１２年０６月（上） 陶瓷 Ｃｅｒａｍｉｃｓ ・ ９ ・
基于Ｐ Ｌ Ｃ的全电动 注塑机控制系统的设计与应用
李明辉 刘瑞波 李正琦。 （１浙江Ｎ＇ＪＪ、ｌ轻工研究院 浙江温州 ３２５０１９）（２中交第二公路工程局有限公司 西安 ７１００６５） （３陕西科技大学西安７１００２１） 摘 要 针对全电动注塑机控制系统的抗干扰能力及控制精度较差的特点，分析了注塑机高速、高精度性能对运动控制系统性能的 要求，提出了一种根据各个层的分工独立设计软件的功能模块的方法，并选择西门子ｓ７—３００ＰＬＣ作为控制中枢，实现了一种全电动 注塑机的伺服运动控制系统。实际运行结果表明，该系统的抗干扰能力及控制精度得到了进一步的提高，能够较好地满足了全电动 注塑机控制的速度、精度和稳定性要求。 关键词 全电动注塑机ＰＬＣ运动控制 伺服电机 中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ｂ文章编号：１００２—２８７２（２０１２）０６—０００９～Ｏ３ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｆｕｌｌｙ—Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ Ｌｉ Ｍｉｎｇｈｕｉ ，Ｌｉｕ Ｒｕｉｂｏ ，Ｌｉ Ｚｈｅｎｇｑｉ。（１ Ｗｅｎｚｈｏｕ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｗｅｎｚｈｏｕ，３２５０１９）（２ ＣＣＣＣ Ｓｅｃｏｎｄ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ。Ｘｉ＇ａｎ，７１００６５）（３ Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ＇ａｎ，７１００２１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｆｕ１１ｙ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｎｏｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｉｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ａｃｃｏｒｄ— ｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ ｌａｂｏｒ ａｎｄ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅａｃｈ ｌａｙｅｒ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ＇ｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｓ ａｎ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｓ７—３００ ＰＬＣ．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｇｒｅａｔｌｙ，ａｎｄ ｉｔ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｇｒｅａｔｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆｕｌｌｙ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ；ＰＬＣ；Ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ 全电动注塑机在很大程度上克服了传统液压型注塑 机中存在的能耗高、有污染、以及控制精度不够高等问 题。高精度、高重复性、节能、易操作、节省空间及环保 等，代表了未来注塑机的发展方向…。随着全电动注塑 机的蓬勃发展，国内知名的注塑机生产厂家陆续加大投 入，积极研发具有自主知识产权的全电动注塑机。但由 于国内在注塑机控制技术方面的研究较为薄弱，加上新 技术的产权保护等因素的影响，使得自行研发的电动注 塑机受到控制系统性能的影响，在整体性能上与国外新 型电动注塑机还有一定的差距。笔者依据全电动注塑机 的工艺结构及对控制性能的要求，针对在电动注塑机中 出现的新型控制技术进行分析与研究，并在此基础上完 成了基于ＰＬＣ的全电动式注塑机控制系统设计。该系 统以Ｓ７—３００ＰＬＣ作为控制中枢，所有运动机构都采用 伺服电机驱动，它已在实际生产中得到了成功的应用，具 有良好的控制效果。 １ 全电动注塑机的工艺结构及控制要求 注塑机是将热塑性塑料或热固性塑料利用塑料成形 模具制成各种形状的塑料制品的主要成形设备。全电动 注塑机主要包括锁模系统，模具系统，注塑系统，动力系 统，控制系统等，采用伺服电机作为动力驱动系统，采用 ＊基金项目：温州市科技项目（项目编号：Ｈ２０１０００４４）。 作者简介：李明辉（１９７２一），博士，副教授；研究方向为智能检测与智能控制。 滚珠丝杆和同步皮带作为传动结构，并借助螺杆（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。其基本 结构图如图１所示 。
１一模具开合伺服电机２一塑化伺服电机 ３一射姣１司服电机 ４一调膜 变频电机 ５一顶出伺服电机 ６一螺杆加热器 ７一射台移动电机 图１ 全电动式注塑机主要部件结构 其工艺过程为：先将粒状或粉状塑料加入机筒内，随 螺杆转动，原料向前移动，并通过螺杆的旋转形成剪切热 和机筒外壁加热使塑料由颗粒状变为熔融状态，最后成 为液态，对注射料筒形成一定压力。当杆头部的熔融态 物料压力达到能克服注射电机退回的阻力时，螺杆向后 移动，自动计算熔融态物料体积是否满足注射需求，此 时，螺杆头部与喷嘴之间体积越来越大，物料越来越多， 当熔融态物料体积满足注射需求时，计量装置撞击限位 开关，螺杆停止转动并后退，然后合模电机驱动合模机构 运动，模板沿导杆方向使模具闭合，紧接着注射座前移，
・ １ ０ ・ 陶瓷 Ｃｅｒａｍｉｃｓ 科技篇（综述）２０１２年０６月（上） 使喷嘴贴紧模具的浇囝道，接着电机启动，使螺杆向前推 进，注塑电机按照系统设定的注射压力和速度将熔融态 物料射入模具型腔内。当物料充满整个模腔后，螺杆仍 对熔料保持一定的压力，以此来防止模具型腔中的熔融 态物料反向流动，并向模具型腔内补充产品因冷却收缩 所需要的物料，以保证产品具有一定的密度和尺寸公差。 模具型腔中的熔融态物料经过冷却，使其固化成形，当完 全冷却后，在顶出机构的作用下开模，产品被顶出，这就 是一个完整的注塑成形过程，其时序图如图２所示。 匿 一 一 一 一 一 十 圆一圆一圆一圃一圜一圆 图２ 电动注塑时序图 全电动注塑机的性能在很大程度上依赖于其运动控 制系统的精密性和稳定性，它所希望获得的高速高精密 的性能对运动控制系统的要求主要体现在以下方面： １）高精度。为了保证注塑成形制品的高质量，应在 合模、注射、保压、塑化等过程中和位置控制中要求有较 高的定位精度，而在速度控制中要求运动控制单元能提 供高的调速精度。 ２）快速响应。为了成形复杂结构的制品，常常要进 行多级注射，为了保证执行机构能严格按照设定的要求 进行参数切换，除要求系统具有较高的定位精度外，还要 具有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应 要快，位置跟踪误差要小。 ３）宽调速范围。在各个工作过程中执行机构都需要 在较大的速度范围内工作。例如为了确保模具不被损 坏，合模机构在驱动模板进行合模的过程中，需要从移模 阶段的高速切换到即将闭紧模具时的低速。因此，驱动 合模机构运行的伺服单元需要能提供一个最高转速与最 低转速比较宽的调速范围。 ４）低速大转矩。为了克服低速启动时的大惯性，要 求在低速时伺服系统有大的转矩输出。 ２ 全电动注塑机的运动控制系统的设计 运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机 为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置 为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动 自动控制系统 ］。在较复杂的环境条件下，可将预定的 控制方案、指令转变为期望的机械运动，实现机械运动精 确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制， 它是全电动注塑机的“中枢神经”，控制着注塑机的各种 程序及其动作，对时间、位置、压力、速度和转速等进行控 制。根据注塑机的工艺结构及性能要求，全电动注塑机 的运动控制系统结构图如图３所示。其主要由人机界 面、ＰＬＣ控制器、伺服驱动系统、伺服电机组、传感器等 组成。 ．
图３全电动注塑机的运动控制系统结构图 该系统采用ＰＬＣ和工控机两级控制。ＰＬＣ负责按 钮、行程开关和其它开关量信号的输入，以及发出信号去 控制接触器、继电器等电气元件，进而控制各电机的运 行，同时控制相应指示灯的显示。工控机用来进行参数 的修改与设定、全自动控制、在线监视、传送信息等工作。 工控机通过串行口与ＰＬＣ相连，进行相互通信。 其具体工作过程为：控制对象（工作台）的指令位置 由人机界面按绝对或相对位置设定，ＰＣ机将此指令位置 通过通信接口（ＲＳ２３２）传送给ＰＬＣ，ＰＬＣ根据当前的加 速度和速度设置进行运动轨迹计算，制定出每一时刻应 达到的理想位置，与控制对象的实际位置比较后，位置控 制器（由ＰＬＣ的控制程序产生）输出一个速度指令信号， 通过通信接口（ＲＳ４８５）传送到伺服驱动器，伺服驱动器 调节伺服电机的转速，电机轴的转动通过丝杆转化为工 作台的直线往返运动，安装在工作台的光栅尺将实际位 置反馈到ＰＬＣ，ＰＬＣ中的位置控制器根据指令值和位置 值的偏差值，通过控制算法产生速度控制指令，再次传送 到伺服驱动器上驱动伺服电机旋转，这一调节过程持续 进行，直至工作台的实际位置与指令位置的偏差处于允 许的误差范围内。速度调节器和电流调节器在伺服驱动 器中，只需设定相应的参数便可进行相应的速度调节，而 位置调节器算法则由ＰＬＣ控制软件完成。 ３ ＰＬＣ及其主要功能模块的选择 ＰＬＣ是专门的工业控制计算机，已成为电气控制系 统应用最为广泛的核心装置。它不仅可以实现复杂的逻 辑控制，还能够完成各种顺序控制或定时的闭环控制功 能，具有多方面的优势：抗干扰能力强、可靠性高、稳定性 强、体积小、能在恶劣环境下长时间不问断的运行工作， 且编程简单、维护方便、并配有各类通讯接口与模块，可 实现各种级别的连接。 根据注塑机控制系统的工艺流程及控制要求，试估 算统计出系统共需２４个开关量Ｉ／Ｏ口，其中输入口１６ 个，输出口８个。根据系统要求的Ｉ／Ｏ点数再加上２Ｏ ～３０ 的备用量，确定ＰＬＣ点数。综合考虑Ｉ／Ｏ口配置 和以后注塑机功能扩展的需要及性能价格比等因素。综 上所述，笔者选用德国西门子公司生产的ＳＩＭＡＴＩＣＳ７ ３００系歹０ ＰＬＣ作为该系统的下位机，型号为ＣＰＵ３１５， 它是西门子Ｓ７—３００系列ＰＬＣ中一款紧凑型产品，主要 有以下特点…：①内部资源空间丰富：３２ Ｋ工作存储器； ６４ Ｋ装载存储器，最大可扩展到８ Ｍ；②ＣＰＵ集成ＤＰ 通讯ｎ和ＭＰＩ接口；③紧凑型ＣＰＵ设计，集成１６路ＤＩ 和１６路ＤＯ；④ＣＰＵ集成计数，频率，ＰＩＤ控制等功能。 该ＰＬＣ能方便地处理开关量、模拟量，进行回路调节，并 能用简易的语言进行编程，具备大型机的分析运算能力，
