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1、精密制造与自动化 2010年第2期 32 PLC伺服系统在注吹塑料中空成型机上的设计和应用 刘世斌 河池市机电工程学校 （451200） 摘 要 就PLC伺服系统在注吹塑料中空成型机上的设计和应用进行了初步探讨， 重点介绍了注吹塑料中空成型 机的硬件功能、 工作原理以及控制系统PLC部分的硬件配置的应用， 并详细分析了电气控制系统的软件设计过程。 在控制系统设计中，采用PLC、伺服马达、A/D模拟量转数字量、D/A数字量转模拟量、触摸屏，系统的自动化程 度较高。 关键词 PLC 伺服系统 注吹塑料中空成型机 设计 应用 虽然近几年我国塑料注吹成型机技术发展较 快，且已具有一定水平，但随着塑料包
2、装行业的快 速发展， 小型中空容器机械的结构发生了很大变化： 小型注吹成型机向快速化、 专业化， 高精度方向发 展，如药用高密度聚乙烯包装瓶、矿泉水瓶、果汁 饮料瓶、塑料易拉罐以及正在开发的无菌、耐高温 聚酯瓶等。传统的继电器控制系统存在可靠性低、 控制精度低、生产效率低、使用不方便等缺点且出 现故障后查线、换继电器等等， 工作量比较大，已 经不能满足相应的精度和速度要求。因此，我们应 该应用可靠性强，稳定性高，运用灵活，使用方便 的塑料注吹控制系统。 而 PLC 及触摸屏在注吹成 型机中的应用， 能够解决一般国产设备适应面窄、 自动化程度低的缺点， 将液压、电器、机械有机相 融合，以满足现代
3、生产的需要。它的推广应用提高 了生产效率，满足了现代控制精度的要求，具有很 重要的经济意义。 本文就中空注吹机的控制系统进 行设计， 并详细论述中空注吹机在现代工业中的应 用。 1 控制系统优点 1.1 灵活的操作方式 1 控制系统优点 1.1 灵活的操作方式 具有自动，半自动与手动的控制方式。本设计 对运动系统的控制采用了手动，半自动，自动的控 制方式。 并且可以用触摸屏对控制系统的时间参数， 压力参数及位置参数进行修改，既可以在较远的主 控制柜上操作，又可以在现场级控制柜上操作，同 时可以在触摸屏上监控操作过程并修改其中的各种 参数。主控制柜与现场级控制柜的操作通过设置开 关互锁，防止两个
4、柜同时操作。 1.2 系统的运行状态更加直观 1.2 系统的运行状态更加直观 整个系统的运行状态都可以在现场的触摸屏上 观察到。 1.3 更方便的人机交流 1.3 更方便的人机交流 时间， 温度， 压力等参数是本系统的重要参数， 对系统的性能有较大的影响，其中周期间隔时间是 系统的一个非常重要的参数，其不仅影响系统的性 能，影响系统的工作效率，而且对减少能源消耗有 重要意义。因此，在本系统的设计中，将周期间隔 时间、 电磁阀动作时间等重要参数在触摸屏上显示， 并且可以实时修改，操作方便。它的应用接近了人 与机器的距离感，使我们能更直观方便地与机器进 行人机交流。 1.4 系统安全性能高 1.4
5、 系统安全性能高 通过设置系统登录密码，防止非授权人员登录 系统修改参数。要通过触摸屏登录系统，必须要输 入系统管理员的密码，才能登录系统进行参数修改 等操作。 1.5 系统精度高 1.5 系统精度高 中空成型机采用伺服马达控制系统，能解决模 具快速准确定位，精度线性误差为 0.01 mm，旋转 速度为 3 000 r/min。 2 中空成型机的结构及主要功能 2 中空成型机的结构及主要功能 中空成型机主要由液压、 机械、 模具和电气控制 系统组成，各个系统协调工作，从而完成整个生产 过程。 2.1 液压系统 2.1 液压系统 液压系统由比例阀、方向阀、减压阀、节流阀、 液控单向阀组成，各执行
6、元件通过液压阀板有机结 刘世斌 PLC 伺服系统在注吹塑料中空成型机上的设计和应用 33 合在一起。 2.2 机械系统 2.2 机械系统 机械系统的运动是受到液压系统的驱动来运 动。信号是通过电子尺与接近开关反馈到电气控制 系统。 2.3 模具 2.3 模具 生产何种塑料制品由模具来决定，也是其技术 的关键所在，模具由热流道与发热元件组成。 2.4 电气控制系统 2.4 电气控制系统 控制系统是整个中空成型机设备的核心，中空 成型机的性能决定于控制系统的性能。本中空成型 机的控制系统采用三菱公司生产的 FX1N 系列 PLC 作为主控制器，其功能强大，性能稳定。 3 中空成型机工作原理 3 中
7、空成型机工作原理 中空成型机工作原理如图 1 所示，塑料颗粒先 由进料口进入到加热室溶胶，达到设定温度后，在 满足自动条件下运行自动模式，公模开始下行生产 何种塑料，达到下行限位后，液压系统推进螺旋杆 进行注射，到达注射止限位后保压，同时再进行溶 胶 （以备下一循环需要） ， 保压在达到设定的时间后 自动倒索，公模向上移动到上限，旋转 120然后 向下移到吹塑模中，吹气使制品成型，然后排气释 放多余气体，公模向上移动到上限，旋转 120将 制品脱出，再旋转 120后完成一个动作循环。 图图 1 空成型机工作原理 空成型机工作原理 4 电气系统硬件结构4 电气系统硬件结构 三菱公司是国际最著名自
8、动化系统公司之 一，秉承“全集成自动化（Totally Integrated Automation）”的理念，其产品应用在几乎所有工 业控制领域。图2所示是本人设计的电气系统，主 要采用三菱零配件。 图图2 电气系统硬件结构电气系统硬件结构 4.1 PLC 控制器 4.1 PLC 控制器 PLC控制器是信息处理中心， 相当于人的大脑， 它的性能直接决定了整个电气系统的性能。本系统 采用三菱FX1N60MT PLC控制系统，2路60 kHz高 速脉冲输入，2路100 kHz高速脉冲输出，选型时应 根据现场要求计算出控制点数，并根据点数和控制 算法的复杂程度估计存储器的容量和执行时间要 求，从而选
9、择适合的PLC。若选择的PLC性能低则 不能满足工艺要求，性能太高又浪费财力。 4.2 伺服系统 4.2 伺服系统 伺服系统由伺服驱动器、伺服马达、编码器组 成。伺服马达的选型由扭矩大小与转速快慢决定。 本 系 统 采 用 三 菱 MRJ2S70A 伺 服 放 大 器 和 HCKFS73伺服马达。 4.3 A/D 模块、D/A 模块 4.3 A/D 模块、D/A 模块 A/D模块是将线性位移传感器DC010 V电压信 号转换为位移数据，精度为0.1 mm，型 号： FX2N4AD；D/A模块是将压力、流量数值转换为 DC010 V电压信号，驱动比例放大板，型号为： FX2N2DA。 4.4 触
10、摸屏显示器 4.4 触摸屏显示器 触摸屏型号：EView MT508S，为了方便人机 交流，触摸屏显示：压力、流量、时间、行程、报 警、中英文画面。 4.5 I/O 驱动板、I/O 按钮板 4.5 I/O 驱动板、I/O 按钮板 I/O 驱动板:由于 PLC 输出端负载能力小于 0.5 A，必须通过驱动电路进行负载扩展，驱动板电 路如图 3 所示。 VCC 工作电压： DC24 V， Y： PLC 输出端信号， L：驱动负载执行元件。 加热室 装料斗 公模 母模 注射镙杆 模头部分 伺服马达编码器 伺服驱动器 I/O 按钮板 触摸屏 PLC 控制器 D/A 模块 比例放大器 I/O 驱动模块
11、限位开关A / D 模块 线性位移传感器各执行元件 精密制造与自动化 2010年第2期 34 图图 3 驱动板电路驱动板电路 I/O 按钮板，如图 4 所示：输入到 PLC 的功能 按钮。 图图 4 I/O 按钮板按钮板 X：PLC 输入信号，KEY:按键，COM：PLC 输入 COM 4.6 限位开关 4.6 限位开关 为了提高响应速度，延长开关寿命，选择非接 触感应开关。 5 电气系统软件设计 5 电气系统软件设计 首先全面分析系统的工艺过程及其具体控制要 求，设计控制系统的程序流程图。由于系统要求有 手动操作和自动控制的选择，故系统开始运行时， 首先判断是自动还是手动操作， 并进行相应的
12、处理， 写出整个控制系统的程序流程图。 5.1 PLC 资源分配 5.1 PLC 资源分配 分析系统的工艺过程，确定该系统的 PLC 输 入、输出口分配，在 PLC I/O 定义完成后，将 PLC 内部资源中间继电器 M、 时间继电器 T、 计数器 C、 数据存取器 D 根据各功能模块程序分配定义。 5.2 模块化程序 5.2 模块化程序 根据系统的工艺过程、控制要求分析，按照 FX1N60MT PLC 模块化程序设计思想，设计梯形 图程序的模块图。系统分为六种程序模块：手动操 作程序模块、半自动全自动程序模块、D/A A/D 数 据转换程序模块、报警程序模块、人机信息交流程 序模块和伺服系统
13、程序模块。 5.3 触摸屏设计 5.3 触摸屏设计 根据本系统的工艺过程及控制要求，触摸屏的 设计过程简述如下： 首先根据系统的控制要求设计主监控画面，利 用 EView 软件系统内部提供的图形库来模拟机器 动作图形，在所建项目中新建一画面，在画面上建 立各动作动态图形， 通过 PLC 内部软元件触发相应 动态图形实现机器模拟仿真。 添加指示灯及相应的 切换控件等各种图形对象，将其图形、颜色、显示 数据组合在一起， 形成直观且符合视觉习惯的图形。 然后定义 EView 软件内部的 I/O 变量，给每个变 量定义属性， 通过变量地址与 PLC 的过程变量建立 连接，并将变量关联到相应图形对象，建
14、立动态连 接，使中空成形机的工作状况以动画的形式反映在 屏幕上，同时使操作员方便地进行监控操作。 在系统中， 按同样的方法完成其它画面的设计， 包括时间参数设置画面、 登录画面、 主菜单画面等。 每个画面有数个自定义软键，运行时只要按下相应 的功能键便可显示对应画面。此外，系统设置了访 问权限及管理员登录密码。 6 安装与调试 6 安装与调试 在机械、液压、电气系统安装完成后，一是进 行伺服系统程序模块调试，保证每一旋转工步为 120（0.01） ，校正 360旋转精度。二是 D/A A/D 数据转换程序模块调试。调校各运动方向机械 原点、压力、流量。使机器在整定完成后画面上添 加控件及各种图
15、形对象，将变量关联到相应的组态 控件及图形对象，使现场设备与相应的组态控件及 图形对象对应起来。按同样方法完成参数设置、登 录、主菜单等画面的设计。随后进行触摸屏与 PLC 程序的模拟。 遇到的第一个问题是触摸屏与 PLC 程 序的通讯连接问题， 从通讯手册中得到了解决方法， 在触摸屏上可以观察到通讯连接上了。 参考文献 1 童诗白, 华成英. 模拟电子技术基础M. 北京: 高等 教育教育出版社, 2005. 2 王实, 刘晓明. 深入浅出西门子 wincc v6M. 北京: 航空航天大学出版社, 2004. 3 方承远. 工厂电气控制技术M. 北京: 机械工业出版 社, 2006. 4 王兆义.可编程控制器教程M. 北京: 机械工业出版 社, 2004. 5 阳宪惠. 现场总线技术及其应用M. 北京: 清华大学 出版社, 2005. KEY COM(PLC IN)X(PLC IN) 2 1 R1 VCC Y Q L R2 R3 D LED
