6ES7317-2EK14-0AB0
注塑机是注塑成型的主设备，注塑机的技术参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完善和发展必将推动注塑成型技术的进步，为注塑制品的开发和应用创造条件[1]。老式中小型注塑机的电气控制系统大多采用继电器控制，线路复杂，故障率高，维修麻烦。而可编程序控制器是专为工业环境下应用而设计的工业计算机，由于它具有可靠性高、编程方便、抗干扰能力强、维修方便等特点，广泛用于各种类型的机械或生产过程的控制[2]。
2 注塑机的工作原理
注塑机是借助螺杆(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的工艺过程。注塑机操作项目包括控制键盘操作、电器控制柜操作和液压系统操作三个方面。分别进行注射过程动作、加料动作、注射压力、注射速度、顶出型式的选择，料筒各段温度及电流、电压的监控，注射压力和背压压力的调节等。注塑机生产一个产品的工作循环包括(1)快速合模；(2)慢速合模；(3)模板锁合；(4)射台前移到位；(5)注塑；(6)冷却和保压；(7)预塑；(8)射台后退；(9)开模；(10)顶出制品。工艺流程如图1所示。
图1 注塑机工艺流程
注塑机在操作过程中需要实现手动控制、半自动控制和全自动控制。手动控制是在一个生产周期中，每一个动作都是由操作者拨动操作开关，控制相应的电磁铁得电而实现液压系统的控制。手动操作一般在试机调模时才选用。注塑机运行通常工作在半自动或全自动状态。半自动操作时，机器可以自动完成一个工作周期的动作，但每一个生产周期完毕后，操作者必须拉开安全门，取下工件，再关上安全门，机器方可以继续下一个周期的生产。如果顶出装置能将工件可靠地从模具中顶出，注塑机可以工作于全自动状态。全自动操作时注塑机在完成一个工作周期的动作后，可自动进入下一个工作周期，因而生产效率更高。
3 plc控制系统开发
3.1 输入输出点数的确定
m230注塑机生产工艺要求有多种操作方式转换，并以行程控制和时间控制来实现动作的转换等特点，其控制是典型的顺序控制，适合选择采用可编程序控制器实现注塑机的各个工步的控制。在选择可编程序控制器时，需要知道系统开关信号的输入点数和输出点数。本控制系统的输入设备有启动按钮sb1、停止按钮sb2，限位开关sq1～sq12，半自动需要检测安全门限位开关sa4。工作方式的选择对应**转换开关sa1～sa3输入，加上控制面板上的12个控制按钮，需要输入点数30个。输出需要控制21个开关电磁阀，实现快速合模、慢速合模、锁模等注塑机的15个状态控制，需输出点数21个。
3.2 plc选型
本系统选用三菱公司的fx-2系列的fx2-64mr。该型号的plc具有丰富的指令系统，快速的输入响应功能以及完善的脉冲输出功能，为64点i/o型，其中输入点数为32点，输出点数为32点，继电器型，可直接驱动开关电磁阀，满足系统要求[3]。
3.3 plc输入输出接线图设计
本系统设计有启动按钮sb1、停止按钮sb2，限位开关sq1～sq12，半自动需要控制安全门开关sa4，工作方式选择的**转换开关sa1～sa3，以及控制面板上的12个控制按钮。输出需要21个电磁阀来控制15个状态。输入信号分别接到fx2的x接线端，控制输出分别接到输出接线端，系统输入输出接线如图2所示。
图2 plc输入输出接线图
3.4 梯形图设计
注塑机的控制是典型的顺序控制，它的工作循环是从慢速合模工步开始，一步一步有条不紊进行，每一个工步执行都使相应电磁阀动作，用行程开关或定时器定时来判断每一步是否完成，并决定是否启动下一个工步，采用步进梯形指令可以方便地完成相应的控制过程。本系统的设计有手动、半自动和全自动多种工作方式，因而采用条件控制指令来实现工作方式的选择。半自动与全自动的控制程序基本相同，手动控制是将控制面板上的闭模、锁模(芯移入)、射台前进、注射、保压、预塑、抽胶、射台退回、芯移出、开模、顶出的12个控制按钮接入plc，将**转换开关打到手动档，x15接通，中间继电器m300得电，启动后进入手动控制子程序。全自动时，安全们不用打开，注塑机自动完成闭模、锁模(芯移入)、射台前进、注射、保压、预塑、抽胶、射台退回、芯移出、开模、顶出等过程。半自动时主要是防止顶出动作完成后，产品不能自动从模具中脱离，应此在开模时需要打开安全门，人工取下产品，然后关闭安全门，开始下一个产品生产周期，比全自动多了打开安全门和关闭安全门的动作。全自动控制部分梯形图如图3所示。
图3所示的全自动控制程序采用步进梯形指令，注塑机每一个工步与一条set指令对应，设计方便，易于实现。
图3 全自动控制梯形图
随着汽车工业在我国的飞速发展，人们对生产线输送系统的速度、精度和工程实施速度的要求大大提高，控制架构也由过去的集中控制方式转变为分散控制。滑橇输送机作为国内外普遍采用的输送形式，具有可靠性高、输送速度快等优点，而具有高灵活性和高防护等级的一体化变频器特别适合应用在这一输送系统中。
分散控制方案
工业生产自控系统传统控制方案基本上采用“集中控制”的思路，即在需要控制的设备区域设置一套主控制柜，柜内安装接触器、变频器等驱动元件，将电缆和信号线由主控柜直接连接至设备执行器（电机、电磁阀等），这种控制方式的主控柜内由于需要安装每个执行器的驱动元件，其体积巨大、安装不便，由于需要在现场敷设大量的桥架、动力电缆、控制电缆和信号电缆，存在安装周期长，施工成本高，交直流信号相互干扰严重、系统维护和改造困难等缺点。
随着现场总线技术和控制元器件不断发展，一种新的控制架构即“分布式控制”架构应运而生，其主要特点是将带有现场总线接口的控制元器件安装在现场设备附近或直接集成在电机、电磁阀上，以主控柜通过动力电源（380VAC）母线和控制电源（24VDC）母线为元件提供动力和控制电源，并通过总线实现控制，以往庞大的主控柜可以精简到极为小巧，安装和调试非常方便，同时大大简化外部布线的施工量，解决了“集中控制”架构带来的种种不便和缺点。
滑橇输送机
滑橇输送系统（见图1）目前是各个汽车制造厂普遍采用的输送设备，滑橇式输送机由动力滚床、平移滚床、旋转台、举升台、平移机和链式输式送机等各种独立输送单元所组成的组合式输送系统，每种输送单元可以独立执行某一个或多个动作（如传送车身、旋转、平移和升降等），设备的驱动装置为带有减速器的三相380V交流电机。和传统的悬挂积放链、地推链等输送设备相比，具有机动灵活、组合方便、运行平稳、可靠性高以及便于维护等显著优点。系统现场安装如图2所示。
图1 滑橇输送系统
图2 系统现场安装
设备网
在设备层采用的设备网（DeviceNet）是一种底层网络，DeviceNet是20世纪90年代中期发展起来的一种基于CAN技术的开放型符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络。它通过一根电缆将诸如可编程序控制器（PLC）、传感器、HIM和变频器等现场智能设备连接起来，是一种分布式控制系统（DCS）。设备网与一般的通信总线相比，具有突出的高可靠性、实时性和灵活性。其主要特点可以概括如下：采用基于CAN的多主方式工作；采用非破坏性总线逐位仲裁技术；设备网上可以容纳多达64个节点地址；采用短帧结构传输；通信介质为独立双绞线；支持设备的热插拔。
一体化变频器
该系统选用德国SEW专为分散控制系统开发的MOVIMOT Z38系列变频器，该变频器专为工业现场环境和分布式控制架构设计，集成了传感器接口和主电源分段开关以及DeviceNet总线分配器和总线接口与电源，控制电压及总线相连。使用SEW公司提供的预置电缆可以便于安装。利用中央控制柜中的PLC与之通信和供给电源用于实现控制功能，而中央控制柜和驱动电机之间复杂的点对点布线则不再需要，这样节省了大量的时间和材料。
SEW MOVIMOT变频器结构紧凑、连接方便，功率范围在0.37～3kW内，均可安装在设备电机附近，实现制动电机/非制动电机的变速驱动，其性能参数如下：
电源电压：电源三相380到500V±10% 50/60Hz；
控制电压：24VDC；
通讯接口：DeviceNet；
可调整参数：2个固定转速设定，斜率发生器，4-象限或DC制动，PWM 开关频率；
系统硬件架构
该系统采用Rockwell的Controllogix平台PLC，安装在中央控制柜内，采用1756-L61作为控制处理器，1756-DNB是AB Controllogix5561平台与现场设备的DeviceNet通信适配器，该模块的主要作用是PLC通信系统中作为主站发给各个现场变频器信息，并接收和发送现场输入输出信号。将其作为DeviceNet通信主站使用，完成变频器和现场设备各种数据的传送，参数监控及故障报警等。
驱动输送机电机的一体化变频器安装在设备上，中央控制柜通过母线式动力电源（380VAC）和控制电源（24VDC）为现场变频器提供能源，并通过DeviceNet专用电缆和分支T型头将用于控制输送系统中的各个电机的一体化变频器连接起来，构成分散式的控制架构。
系统软件配置
Rockwell Controllogix L61为PLC基本单元、执行系统及用户软件，是整个控制系统的核心。软件配置方面，笔者采用了Rockwell公司的RSLinx作为通讯平台，通过安装在PLC机架上的以太网通信模块访问CPU和设备网。
图3中节点号地址为“00”的站点为1756-DNB主站模块，地址为“11”～“24”的站点为安装在现场的一体化变频器。
图3 系统设备网架构
PLC通过设备网主站向变频器发出正反转指令与速度设定值以控制变频器的动作方向和速度变化，同时变频器将自身状态（运行、故障信号、故障代码和运行电流值）等信息反馈给PLC，同时变频器将接入其上的开关量信号也会送至PLC以供控制程序调用。
本系统使用RS Networkx for DeviceNet 作为设备网的配置工具，通过配置变频器在设备网主站中的扫描列表，将其加入到整个系统中进行控制和管理。根据SEW变频器的数据输入输出数据结构（如表1和表2所示），配置映射区域和PLC内存分配。系统界面如图4、图5所示。
图4 变频器数据在Scan list中的位置
图5 设备网主站通信配置
软件设计方面采用了RS logix5000编程软件，在用户程序设计方面使用梯形图语言，并在用户程序中划分了主控程序、设备控制程序和驱动程序等不同的功能，并分别设计多种子程序模块，其中对于变频器的驱动控制编制了独立的子程序由各个设备控制进行调用，在软件设计上体现了“分散驱动，总体协调”的思路。
实际应用效果
经过实际项目的考验，由一体化变频器和设备网够成的分散式输送控制系统的实际使用效果非常理想，适合在汽车生产线中的大规模使用，采用设备网通信控制现场一体化变频器，具有硬件安装简单、便捷，抗干扰能力强的特点。
分散式的架构有利于工程设计和现场安装调试，设备运行可靠、故障率降低而且设备故障后维修时间缩短，使得设备利用率大大提高，特别是由于采用了变频控制输送设备的电机，工件运行平稳、流畅，提高了产品数量和质量，减少了机械的磨损和冲击，延长了设备的使用寿命，从而得到用户的认可和好评。 (end)