PLC在注塑机改造中的应用

拙著一篇，贴出来给学PLC的同仁参考。原载某省级期刊


PLC在注塑机改造中的应用

摘 要：早期注塑机多采用继电器控制，由于设备工作频率较高，继电器寿命短，故障率居高不下。本文详细介绍了用可编程控制器（PLC）加人机界面（HMI）对注塑机进行技术改造的实例，用PLC代替原继电器电路，工艺参数由HMI设定并显示，具有当前工作状态显示、故障自检等功能。增加了光电和零位保护电路，大大降低了设备故障率，提高了自动化程度和可靠性。
关键词： 注塑机 可编程控制器 人机界面 直流固态继电器
1、前 言
随着工业控制技术的飞速发展和产品档次的提高，现今注塑机多采用PLC（或专用控制器）加人机界面的控制系统，而早期的注塑机由于当时的条件或成本限制多用继电器电路控制，其故障率高、维修周期短、设备工作效率低。本公司1999年购买的四台SZL-50/32立式注塑机，由于上述原因及线路老化严重，设备基本处于半瘫痪状态，为此我们对其进行了技术改造。
2、工作原理概述
SZL-50/32为液压传动双曲肘锁模立式注塑机，射出量为50-75G ，油泵电机功率5.5KW，加热功率2.4KW。液压系统由高压叶片泵供油，工作压力由溢流阀和远程调压阀调节，该机有五只电磁换向阀（V1-V5），其中四只为双向阀，共九个电磁铁，可完成下列动作：闭模启模、整进整退、注射保压、预塑。液压系统原理见图一。

图一
该机有注塑机分为手动、半自动两种工作模式，手动模式为调试模具及维修时使用，半自动时注塑机工作流程如下：起始位置→合模→注射→保压延时→预塑→防溢→防溢延时→冷却延时→启模→起始位置。手动、半自动两种模式对应的电磁铁动作如表一、表二所示。
半自动工作时电磁阀动作一览表
动作 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9
合模 X X
注射 X X X
预塑 X X X
防溢 X X
启模 X X
整进 X X
整退 X X
表一

手动工作时电磁阀动作一览表
动作 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9
合模 X X
注射 X X
预塑 X X
防溢 X X
启模 X X
整进 X X
整退 X X
表二
3、改造方案
由于改造主要针对继电器控制电路，拆除原来的继电器控制板和注射、冷却延时时间继电器，保留原液压回路的油泵启动回路及加热控制回路，由PLC和HMI组成控制系统，各段延时时间等工艺参数由人机界面（HMI）输入设定并显示，并增加光电保护和紧急停止回路。
3．1硬件配置
综合成本和性能等因素,本着够用就好的原则,决定采用施耐德公司的ZENA 系统小型PLC和人机界面。考虑到注塑机工作频率较高(每分钟六模以上),PLC选用晶体管输出型TSX08CD12F8AS ,12点DC输入8点晶体管输出，这样就避免了触点机械寿命的问题。由于PLC的输出晶体管在24V时电流为1A左右，而电磁阀的工作电流为2.5A左右，因此采用直流固态继电器（DC SSR）作为电磁阀的驱动元件，由PLC的输出晶体管来控制。直流固态继电器为小型双列直插式，型号GZ3-5A ，输入控制电压DC3-32V ，输出电压DC50V，输出电流5A ，带有LED工作指示。人机界面（HMI）型号为TSX08H02M ，两行中文及图形显示。本机有三只行程开关，分别是：XK1→合模到位，XK2→预塑到位，XK3启模到位。原来采用机械式行程开关，平均不到三个月就必须换一次，因此均改用无触点接近开关。PLC的传感器电源、PLC驱动SSR的控制电源以及HMI工作电源由一只输出24V1.2A的开关电源提供,电磁阀的工作电源由一只BK150控制变压器经整流后供电。安全保护除原来的双手合模按钮外，增加了光电保护和带闭锁的紧急停止按钮。
3．2 PLC I/O分配
PLC I/O接线图如图二所示：

图二
B1为24V 1.2A开关电源，B2为BK150控制变压器，输出20V经桥式整流后作为电磁阀的工作电源。SA3、SA4分别为自动/手动、整进/整退三位置旋钮，中间位为停止位置。SB2为手动时整进、整退点动之用，GA1-GA9为双列直插式直流固态继电器，E1-E9为换向阀电磁铁线圈，线圈上并联续流二极管以保护直流固态继电器。由于PLC为12点输入8点输出，而实际需要点数为13点输入9点输出，通过分析发现电磁铁E7仅在注射时动作时，因此可与电磁铁E2共用一个PLC输出点。而防溢过程可由PLC内部时间来控制，可取消防溢行程开关，这样也可减少一个输入点，由于在可预见的将来没有预留I/O点要求，这样就解决了输入输出点数不够用的问题，节约了改造成本。
4．系统功能
注塑机有手动、半自动两种工作模式，可满足模具调试和正常工作的需要。工艺参数由HMI进行设定并显示，具有模数显示、当前状态显示、故障原因等显示功能，为了方便维修PLC还具有部份故障自动检测功能。为防止因意外操作和设备故障造成人身伤害，增设了光电保护、零位保护和紧急停止按钮等安全保护措施。
4．1工作模式
工作模式由开关SA3选择，手动模式下分别按合模（双手）、注射、预塑、启模等按钮，完成相应的动作，将SA4选择开关扳到相应位置，按点动按钮分别完成整进、整退动作。手动模式下动作均为点动控制，主要为调整模具之用。半自动模式下按合模（双手）按钮，完成→合模→注射→保压延时→预塑→防溢→防溢延时→冷却延时→启模→起始位置一系列工作过程。在半自动模式下除合模按钮外，其它所有按钮均无效，（除油泵电机启停按钮和紧急停止按钮）。如将SA3开关扳到停止（中间）位置，则无论机器在手动或半自动运行状态下均自动停止。
4．2 HMI功能
注射延时、冷却延时、防溢延时的设定在HMI上直接输入，输入可选择秒或毫秒为单位，并显示当前注射延时和冷却延时时间，由于防溢延时不能随便调整，因此在HMI上设有操作权限，只有密码正确才能进行防溢延时时间的设定。HMI上设有模数显示，可显示每班工作模数，在SA3及SA4开关均为停止位置时（中间档）按点动按钮可使模数清零。HMI还具有设备当前状态显示功能，可显示自动、手动、停止、零位、合模、注射、预塑、防溢、启模及XK1、XK2、XK3的通、断等系统信息。并且能够在设备时故障显示部分故障原因，方便维修人员查找故障。
4．3 安全保护功能
光电保护功能是当有物体（如人手）位于光电开关位置之内时，光电保护动作切断电磁阀工作电源（PLC控制电源、油泵控制回路、加热控制回路不失电），中止动作，物体离开后电源接通，动作恢复。在紧急情况时可按下带自动闭锁的急停开关，断开油泵、加热、电磁阀控制电源。为防止设备在半自动工作状态时突然停电（或故障失电），而操作人员没有及时将SA3开关复位，如果来电后启动油泵，如机器此时不在起始位置，由于开关处于半自动状态，有可能造成人身伤害事故。对这种情况设计了零位保护电路，在停电又来电后PLC内部程序自动保护，必须将SA3开关先扳到停止位置，然后按需要将SA3开关扳到手动或半自动位置才能对设备继续操作。
5、PLC控制程序的编制
PLC程序采用施耐德公司的PL707-WIN编程软件在PC机上进行编程，人机界面由 HMI Configurator2.0组态软件组态。所有动作和保护过程均由可编程控制器内部的程序来控制，由人机界面（HMI）设置及显示相关数据。程序分为手动、半自动、保护和故障自检几部分，部分程序梯形图如图三所示。



图三
半自动时各电磁铁动作过程如下：起始位置→（合模）E1↑E8↑→（合模到位）XK1↑→E1↓E8↓→（注射）E2↑E6↑E7↑→（延时保压）→E2↓E6↓E7↓→（预塑）E3↑E6↑E8↑→（预塑到位）XK2↑→E3↓E6↓E8↓→（防溢）E4↑E8↑→（防溢延时）E4↓E8↓→（冷却延时）→（启模）E5↑E8↑→（启模到位）XK3↑→E5↓E8↓→起始位置。
零位保护电路借鉴了天车凸轮开关零位保护的原理，当%I0.4(自动)与%I0.5(手动)均断开时(即SA3在中间位置)%M0(零位保护中继)才吸合并自保。故障自检程序其原理是利用PLC检测各工况下每个动作所需用的时间，对应各行程开关的通断状态来判断是否发生故障，一旦检测到故障立即停机，保护动作后，要恢复工作必须根据HMI显示的故障类型中的提示信息进行复位操作。
6、结束语
经改造后四台注塑机一直工作正常，至今已有一年多，基本上没有发生过故障，改造后由于采用了可编程控制器（PLC）和人机界面（HMI），具有先进的控制手段，友好的人机对话窗口，操作容易，功能完善，动作可靠；由PLC、SSR与接近开关共同组成无触点化的控制系统，无机械寿命的限制，大大提高电控系统的使用寿命。由双手操作开关、光电开关、零位保护和紧急停止开关作为安全保护措施，杜绝了因意外操作和设备故障造成的人身伤害事故。由于该类设备社会拥有量比较大，由于本文所述的原因，有相当一部分潜在的改造需求，本文为此类设备的技术改造提供了借鉴依据和经验。