呂有忠 王偉偉 李家榮（云南工商學(xué)院，云南 昆明 650000）

摘要：注塑機(jī)作為高端制造的重要部分，智能化也成為注塑機(jī)技術(shù)發(fā)展的方向之一。采用S7-1200PLC為核心控制器，實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)各個(gè)工序的自動化控制，根據(jù)注塑機(jī)控制系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了其軟硬件系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)組成和PLC的控制程序，并通過手動和自動運(yùn)行調(diào)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。該設(shè)計(jì)對全自動注塑機(jī)控制具有一定的借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；注塑機(jī)控制；控制程序

塑料加工設(shè)備的技術(shù)發(fā)展，尤其是注塑機(jī)，已經(jīng)成為塑料制品生產(chǎn)中不可或缺的設(shè)備，同時(shí)也是衡量塑料工業(yè)技術(shù)水平的核心標(biāo)準(zhǔn)之一。注塑機(jī)能夠一次性制造出外觀復(fù)雜、尺寸準(zhǔn)確且表面光滑的塑料產(chǎn)品，可以制造出帶有金屬的嵌件，確保其具備出色的組裝性能和可互換性，這對于塑料的廣泛應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化都是有益的。注塑機(jī)可以迅速替換注塑成型的模具，從而生產(chǎn)出滿足市場要求的產(chǎn)品。這種技術(shù)特別適合于工程塑料和特種塑料的成型過程，能夠生產(chǎn)出具有獨(dú)特性能和用途的產(chǎn)品。它具有較高的自動化水平、正產(chǎn)率和智能化水平，并能實(shí)現(xiàn)“無人化”的管理模式。

注塑機(jī)控制系統(tǒng)是一種基于PLC的全自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以西門子S7－1200PLC為核心控制器，搭配一系列精密執(zhí)行器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工序的自動化控制。

1系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要采用PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工序的自動化控制，并使用溫度傳感器實(shí)時(shí)采集模具成型的溫度，提高注塑機(jī)注塑精度。除了滿足基礎(chǔ)的邏輯控制外，還擴(kuò)展到人機(jī)控制、通信協(xié)議等方面，確保設(shè)備端控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

主要內(nèi)容包含硬件和軟件兩部分。在電氣原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，除了完成基礎(chǔ)功能，還要考慮設(shè)備的安全性，如增加熱繼電器、熔斷器、電機(jī)外殼接地等。在硬件選型中，功能、成本和性能作為基礎(chǔ)選型標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還要考慮元器件自身的安全性設(shè)計(jì)。如元器件的過壓、過流保護(hù)、元器件材料的阻燃性等等。軟件部分分為PLC程序開發(fā)和HMI畫面設(shè)計(jì)，在PLC程序編寫過程中，程序段落部署清晰、合理，注釋部分闡述明確，方便后續(xù)系統(tǒng)的升級和改造。注塑機(jī)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1.注塑機(jī)結(jié)構(gòu)

注塑成型工藝過程主要包括系統(tǒng)初始化、鎖模前進(jìn)、閉模、注射、鎖模后退、開模這6個(gè)階段。注塑機(jī)主要動力通過液壓控制，由油泵提供液壓油。在啟動注塑機(jī)時(shí)，首先把原料、輔料進(jìn)行充分混合，然后投入料斗，設(shè)備運(yùn)行時(shí)原料經(jīng)螺桿料筒加熱熔融塑化，完成預(yù)塑動作，模具閉合。通過高壓將融化的塑料加壓，充填到模具中，直到填滿模具腔體后停止填充，并保持一定的壓力，進(jìn)行保壓冷卻，在模具中冷卻一定時(shí)間，讓塑料充分固化成型。待模具內(nèi)的溶液冷卻成型后，打開模具，頂出注塑成型的塑料制品，取出制品。至此，一個(gè)塑膠件制作完成，下一循環(huán)開始。注塑機(jī)注塑成型的工藝流程如圖2所示：

圖2.注塑機(jī)工藝流程圖

2控制功能分析

根據(jù)全自動注塑機(jī)控制系統(tǒng)的需求如圖3所示，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足注射部分：系統(tǒng)運(yùn)行后，在料筒內(nèi)，塑料原料經(jīng)過加熱后會融化，然后在壓力和速度的作用下，將這些融化的塑料注入到模具中。在注射過程完成之后，對模具里的融化塑料進(jìn)行冷卻保壓及定型處理。閉模部分主要確保在注射過程中鎖模和模具能夠完全閉合，冷卻定型后能夠順利打開，并將制品推出。另外，在模具完全閉合之后，應(yīng)為模具提供充足的壓力以鎖定模具，這樣可以有效抵抗熔融塑料進(jìn)入模具時(shí)產(chǎn)生由內(nèi)向外的壓力，避免模具出現(xiàn)裂縫，從而避免制品出現(xiàn)問題。液壓部分的主要作用是為注塑機(jī)提供所需的動力，以滿足工藝過程中的各種動作，并確保滿足注塑機(jī)各部分對壓力和溫度的特定需求。控制部分主要由液壓閥、電磁繼電器、溫度傳感器、各類開關(guān)、監(jiān)控顯示設(shè)備以及PLC控制器和其授權(quán)的功能模塊等部分組成［1］。控制部分與液壓部分合理配合，可實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的工藝過程要求和各種程序動作。

圖3注塑機(jī)重要組成部分

具體功能如下：

1）加熱功能：把呈顆粒狀的塑料放置到料筒之中，接著憑借安裝于料筒外壁之上的加熱器，對塑料進(jìn)行持續(xù)加熱的操作，從而使得塑料逐漸轉(zhuǎn)變成熔融的狀態(tài)。

2）合模功能：實(shí)現(xiàn)閉合以及完成鎖模和模具啟閉動作，并且將制品頂出，也就是負(fù)責(zé)成型制品的工作部件。在模具閉合之后，要給予模具足夠強(qiáng)大的鎖模力。

3）注射功能：將已經(jīng)融化的塑料原料借助旋轉(zhuǎn)螺桿在高速以及高壓的作用之下，注射到模具腔內(nèi)，讓其填滿整個(gè)模具，以此來確保所生產(chǎn)產(chǎn)品的完整性。

4）保壓冷卻：把已經(jīng)注射完成的產(chǎn)品依據(jù)設(shè)定好的時(shí)間來實(shí)施保壓冷卻的操作，讓其得以固化并定型。

5）脫模功能：模具在合模部件的效用之下，進(jìn)行鎖模并向后退，然后模具開啟，頂針會將已經(jīng)冷卻成型的產(chǎn)品頂出。

3系統(tǒng)構(gòu)成

注塑機(jī)控制系統(tǒng)以PLC作為控制核心，內(nèi)置模擬量輸入輸出端口，可用于溫度信號的采集。系統(tǒng)操控分為按鈕和觸摸屏兩種方式。系統(tǒng)控制開關(guān)量信號分為系統(tǒng)啟動和手動操作兩類，系統(tǒng)啟動按鈕用于注塑機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行啟動標(biāo)識，手動操作按鈕則用于直接對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由閉模、開模、鎖模、注射、安全門、油泵、加熱幾部分組成。系統(tǒng)人機(jī)界面是對注塑機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)、溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示以及相應(yīng)的操作。詳細(xì)系統(tǒng)框如圖4所示。

圖4注塑機(jī)控制系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)主要涵蓋了加熱、合模、注射、保壓冷卻、退模以及制品頂出等一系列功能。當(dāng)系統(tǒng)開始自動運(yùn)行時(shí)，加熱器會隨之啟動，對料筒內(nèi)的塑料原料進(jìn)行加熱操作，待加熱到預(yù)先設(shè)定的加熱溫度后便停止加熱。此時(shí)，原料已然轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤籂顟B(tài)，注塑機(jī)隨之進(jìn)行預(yù)塑準(zhǔn)備工作，接著啟動油泵，然后鎖模開始向前推進(jìn)；當(dāng)觸發(fā)到相應(yīng)的限位信號時(shí)，便開始進(jìn)行閉模操作；而在閉模限位被觸發(fā)之后，注射電機(jī)隨即啟動，向模具中進(jìn)行進(jìn)料，完成進(jìn)料流程后，便開始執(zhí)行保壓冷卻過程。當(dāng)保壓冷卻時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，鎖模后退并觸發(fā)到位信號，此時(shí)模具開模，會將已經(jīng)成型的塑料產(chǎn)品借助模具內(nèi)的頂針頂出。倘若執(zhí)行的是單周期模式，那么注塑機(jī)在完成一次循環(huán)之后就會停止運(yùn)作；而若切換成連續(xù)周期模式，注塑機(jī)則會持續(xù)不斷地進(jìn)行循環(huán)操作。

4主程序設(shè)計(jì)

注塑機(jī)主程序設(shè)計(jì)包括加熱部分、進(jìn)料部分、液壓部分和冷卻部分，具體介紹如下：

1）加熱部分。當(dāng)料斗中存有原料的時(shí)候，整個(gè)系統(tǒng)便開始啟動加熱進(jìn)程。通過采用高效率的加熱裝置，對料斗內(nèi)部的塑料粒子實(shí)施加熱操作，促使這些塑料粒子能夠逐步達(dá)到理想的融化狀態(tài)。在此過程中，加熱裝置會持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)揮作用，源源不斷地輸出熱量，以確保塑料粒子能夠被充分且均勻地加熱，從而最終實(shí)現(xiàn)完全達(dá)到理想的融化狀態(tài)這一目標(biāo)，為后續(xù)的注塑等工藝環(huán)節(jié)做好充分的準(zhǔn)備。

2）進(jìn)料部分。當(dāng)加熱裝置達(dá)到設(shè)定的溫度，說明塑料粒子已經(jīng)充分融化，鎖模前進(jìn)到位，模具開始閉合，與此同時(shí)，進(jìn)料閥門

打開，開始注塑熔融狀態(tài)的原料。

3）合模部分。在物料注入模具的過程中，液壓系統(tǒng)不但要給出需要的注塑壓力，而且還對鎖模、模具閉合、保壓等進(jìn)行壓力保持。當(dāng)模具腔內(nèi)注滿塑料溶液后，停止進(jìn)料。

4）冷卻部分。注塑結(jié)束后，模具開始進(jìn)行冷卻保壓定型部分工作。等待模具腔內(nèi)的制品到達(dá)設(shè)定時(shí)間后冷卻保壓定型完成，此時(shí)，模具接收到冷卻完成信號就會自動打開，模具打開到達(dá)限位后頂出成型的制品，至此注塑工作完成。因此，主程序模式的流程如圖5所示。

圖5主程序模式模式流程圖

5系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試部分分為手動運(yùn)行調(diào)試、自動運(yùn)行調(diào)試。

5.1手動運(yùn)行調(diào)試

點(diǎn)擊HMI主畫面的手動模式界面，就會跳轉(zhuǎn)到手動模式，手動模式都是單個(gè)進(jìn)行啟動的。當(dāng)按下手動加熱按鈕，注塑機(jī)就開始加熱，加熱燈會亮起，當(dāng)加熱溫度超過溫度設(shè)定值及設(shè)定的溫度報(bào)警值時(shí)，溫度過高報(bào)警燈會亮，提醒加熱溫度已超過報(bào)警溫度，需要關(guān)閉手動加熱。

當(dāng)按下手動油泵按鈕，油泵開始運(yùn)行，油泵運(yùn)行指示燈亮起，不手動關(guān)閉油泵，油泵會一直運(yùn)行；按下手動鎖模前進(jìn)按鈕，鎖模前進(jìn)，鎖模指示隨之燈亮起，鎖模前進(jìn)到位了指示燈就會熄滅；按下手動閉模，模具開始閉合，模具閉合到位閉模指示燈熄滅。按下手動注塑按鈕，注塑機(jī)開始進(jìn)行注塑，人機(jī)界面有顯示注射中，說明注塑機(jī)正在注塑，注塑完成后需要按下手動注塑，將注塑模式關(guān)閉。

5.2自動運(yùn)行調(diào)試

按下自動模式切換開關(guān)，把手動模式切換成自動模式。把加熱溫度設(shè)定、報(bào)警溫度及保壓冷卻時(shí)間調(diào)好。按下自動啟動，注塑機(jī)開始自動運(yùn)行，將料斗里的塑料進(jìn)行加熱融化，加熱溫度達(dá)到所設(shè)定的溫度值，塑料融化呈水溶狀態(tài)，等待注射。如加熱溫度大于設(shè)定的報(bào)警溫度，溫度過高報(bào)警燈就會亮起。自動加熱功能如圖6所示：

圖6自動加熱功能圖

注塑自動啟動過程中，溫度控制一直處于閉環(huán)控制，可通過溫度變化趨勢窗口查看溫度變化曲線圖，如圖7所示。

圖7溫度變化趨勢圖

加熱完成后，注塑機(jī)開始進(jìn)行下一步操作，油泵運(yùn)行，鎖模開始前進(jìn)，鎖模前進(jìn)指示燈會亮起，當(dāng)鎖模前進(jìn)指示燈熄滅了，說明鎖模前進(jìn)到位。這時(shí)模具開始閉模動作，閉模指示燈熄滅，表示閉模完成動作，模具已經(jīng)閉合。

模具閉合完成，注塑機(jī)開始向模具腔內(nèi)注射水溶狀態(tài)下的溶液，將模具腔內(nèi)一直注射到滿，注塑機(jī)才停止注射。當(dāng)注塑完成后，開始進(jìn)行制品的保壓冷卻定型。根據(jù)設(shè)定的保壓時(shí)間來執(zhí)行保壓冷卻定型工作。當(dāng)前時(shí)間到達(dá)設(shè)定的保壓時(shí)間后，鎖模便開始緩緩后退，與此同時(shí)，模具開啟，將已經(jīng)冷卻且完成定型的塑料制品向外推出，至此便完成了一個(gè)完整的循環(huán)過程。

6結(jié)束語

該系統(tǒng)的PLC控制程序通過在實(shí)際工程中應(yīng)用，實(shí)踐證明了系統(tǒng)的先進(jìn)性與穩(wěn)定性。但在控制策略設(shè)計(jì)方面還存在改進(jìn)空間，比如系統(tǒng)在注射溶液到模具時(shí)，對于模具內(nèi)的壓力沒有控制，后續(xù)可以添加壓力數(shù)據(jù)模塊對注塑機(jī)注射時(shí)的壓力，以及模具腔內(nèi)的壓力進(jìn)行精確控制，防止注塑時(shí)壓力過大導(dǎo)致鎖模力不夠，而將模具撐開。

參考文獻(xiàn)

［1］張曉茜，范藝萌，王俊杰，等.基于PLC的微注射成型機(jī)溫度控制方法的研究［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，16（3）：95-99