基于FX2N的泡塑機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許智榜

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌330013）

基于FX2N的泡塑機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許智榜

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌330013）

通過(guò)對(duì)泡塑機(jī)工作機(jī)理和工藝流程的分析，采用PLC和觸摸屏技術(shù)對(duì)某工廠的泡塑機(jī)進(jìn)行批量改造，設(shè)計(jì)了基于三菱FX2N系列PLC的泡塑機(jī)電氣控制系統(tǒng)。通過(guò)威綸通觸摸屏界面可以輸入工藝每個(gè)動(dòng)作時(shí)間，選擇工作方式，顯示工藝參數(shù)，該控制系統(tǒng)提高了泡沫制品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

三菱FX2N-系列PLC；泡塑機(jī)；電氣控制系統(tǒng)

0 引言

由于體積小、可靠性高以及使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。泡塑機(jī)通過(guò)將細(xì)小的可發(fā)性聚苯乙烯泡沫顆粒加入模具中，采用水蒸汽加熱再向模具內(nèi)充氣，最后用水冷定型，從而生產(chǎn)不同形狀的泡沫塑料，廣泛應(yīng)用于建筑、包裝、日用品、工業(yè)品等領(lǐng)域。目前，很多泡塑機(jī)仍采用手動(dòng)操作的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且由于工人技術(shù)熟練程度不同，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。筆者采用PLC和觸摸屏技術(shù)對(duì)某工廠的泡塑機(jī)進(jìn)行批量改造，使生產(chǎn)的每個(gè)動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間均可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)具備自動(dòng)∕手動(dòng)的隨時(shí)轉(zhuǎn)換及從任意步驟進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)，在觸摸屏上實(shí)時(shí)地顯示運(yùn)行過(guò)程中的每一步狀態(tài)及執(zhí)行的時(shí)間的功能。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)化，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 泡塑機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

泡塑機(jī)的主要部件為模具，通過(guò)更換模具可以生產(chǎn)不同形狀的泡沫塑料產(chǎn)品。在生產(chǎn)過(guò)程中可以根據(jù)生產(chǎn)工藝分別從移模和固模向模具內(nèi)注入水蒸汽、空氣、冷卻水等。泡塑機(jī)工藝流程圖見(jiàn)圖1［2］。在手動(dòng)控制模式下，泡塑機(jī)的工藝流程是通過(guò)按壓相應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕，按照?qǐng)Dl的順序依次完成圖中每一個(gè)單獨(dú)的動(dòng)作，并可以隨時(shí)切換到自動(dòng)控制模式。整個(gè)機(jī)器的動(dòng)作按照步進(jìn)方式循環(huán)執(zhí)行，從合模到脫模為一個(gè)生產(chǎn)周期。用戶可以根據(jù)不同的產(chǎn)品調(diào)整每個(gè)工段所需時(shí)間的長(zhǎng)短，同時(shí)可以對(duì)工作方式進(jìn)行選擇，工藝參數(shù)的設(shè)定非常方便。

圖1 泡塑機(jī)工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of foam malding machine

通過(guò)以上對(duì)泡塑機(jī)的工藝流程和工作原理的分析，泡塑機(jī)控制系統(tǒng)主要控制要求如下：

1）系統(tǒng)應(yīng)具有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種工作方式。

2）系統(tǒng)應(yīng)能夠自動(dòng)地控制開模、合模、加料等動(dòng)作，以提高系統(tǒng)的性能，通過(guò)更換模具可以生產(chǎn)不同規(guī)格的泡沫制品，每個(gè)動(dòng)作程序之間應(yīng)具有聯(lián)鎖功能。

3）系統(tǒng)應(yīng)具有良好的人機(jī)界面。通過(guò)界面可以輸入每個(gè)工藝動(dòng)作時(shí)間，選擇工作方式，顯示關(guān)鍵工藝參數(shù)等。

4）系統(tǒng)應(yīng)具備報(bào)警和故障處理功能。

2 泡塑機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求和控制功能的分析，整個(gè)控制系統(tǒng)共有8個(gè)開關(guān)量輸入和13個(gè)開關(guān)量輸出，PLC的機(jī)型選擇FX2N-32MR。FX2N系列PLC是三菱FX系列PLC中功能較強(qiáng)大的機(jī)型，應(yīng)用比較廣泛，具有豐富的軟元件資源，有3072點(diǎn)輔助繼電器（M）。提供了比較方便的步進(jìn)順控指令，非常適用于按固定順序進(jìn)行動(dòng)作的工業(yè)控制，解決了各動(dòng)作之間的互鎖、狀態(tài)記憶等一系列問(wèn)題，不需要復(fù)雜的互鎖電路，更容易設(shè)計(jì)和維護(hù)系統(tǒng)［3］。在設(shè)備故障時(shí)能夠很容易地查找出故障所處在的位置。泡塑機(jī)控制系統(tǒng)I∕O地址分配如表1所示。

表1 PLC的I/O地址分配表Tab.1Input/output address assignment table of PLC

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)泡塑機(jī)系統(tǒng)的組成和控制原理的分析，按照模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，對(duì)泡塑機(jī)控制系統(tǒng)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的控制方式有兩種：自動(dòng)模式和手動(dòng)模式［4］。

3.1 控制系統(tǒng)的程序流程圖

泡塑機(jī)PLC控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖2所示。圖2中初始化程序是對(duì)系統(tǒng)初始化參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)寄存器及定時(shí)器進(jìn)行清零復(fù)位。手動(dòng)程序供系統(tǒng)調(diào)試使用；自動(dòng)程序根據(jù)預(yù)先設(shè)置的配方參數(shù)進(jìn)入自動(dòng)生產(chǎn)的控制，其程序流程圖如圖3所示。

圖2 泡塑機(jī)控制系統(tǒng)流程圖Fig.2 Control system flowchart of foam molding machine

圖3 自動(dòng)程序流程圖Fig.3 Automatic program flowchart

3.2 PLC控制系統(tǒng)程序

依據(jù)時(shí)序邏輯關(guān)系可以編寫PLC控制程序，為了防止突然斷電對(duì)生產(chǎn)的影響，程序中多采用斷電保持型的元件，如采用了狀態(tài)繼電器S500～S550，輔助繼電器M500～M650，數(shù)據(jù)寄存器D600～D700等。限于篇幅原因，筆者僅給出合模過(guò)程和入料過(guò)程的程序，其中模具的開合，蒸汽閥、空氣閥、進(jìn)料閥控制以及觸摸屏上各動(dòng)作時(shí)間顯示的處理，與其他工藝過(guò)程中的相應(yīng)動(dòng)作和動(dòng)作時(shí)間顯示處理相似。合模程序如圖4，入料程序如圖5。

3.2.1 合模程序合模即移動(dòng)模具向固定模具合攏的過(guò)程，合模程序如圖4所示。其中M500為合模狀態(tài)指示，便于觸摸屏指示當(dāng)前工藝流程。T1、T2、T3、T4、T5分別為合模吹氣、合模預(yù)熱、合模到限位延時(shí)、合模返回、入料延時(shí)定時(shí)器，定時(shí)的時(shí)間通過(guò)觸摸屏對(duì)D601～D605進(jìn)行設(shè)定。M600、M601分別為合模吹氣、合模預(yù)熱選項(xiàng)，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行選擇。

如選擇了合模吹氣，則M600得電，T1定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，開通移模、固模壓縮空氣Y6、Y7進(jìn)行吹氣，去掉模具上的雜物。如選擇了合模預(yù)熱，則M601得電，T2時(shí)間未到時(shí)，開通移模、固模蒸汽閥對(duì)模具進(jìn)行加熱。上述吹氣和預(yù)熱過(guò)程是在合模的同時(shí)進(jìn)行的。

3.2.2 入料程序入料即第一次向模具內(nèi)填充泡沫顆粒，如填充顆粒不夠可能要進(jìn)行第二次入料。入料程序如圖5所示。其中M501為入料狀態(tài)指示，便于觸摸屏指示當(dāng)前工藝流程。T6、T7、T10分別為入料延時(shí)、入料、入料回吹定時(shí)器。M8012為100 ms方波信號(hào)，用計(jì)數(shù)器C0對(duì)其計(jì)數(shù)，得到實(shí)際上料時(shí)間，保存到D500中，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行顯示。

圖4 合模程序Fig.4 Closing mold program

圖5 入料程序Fig.5 Feeding material program

4 控制系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

為了獲得較理想的人機(jī)交互效果，滿足人機(jī)界面顯示的美觀和易操作，選用威綸通公司的MT505。該觸摸屏體積輕巧且功能齊全，它具有操作簡(jiǎn)單方便、符合人性化等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)觸摸屏窗口可以進(jìn)行配方的編輯、修改和關(guān)鍵工藝參數(shù)的設(shè)定。同時(shí)，通過(guò)觸摸屏可以進(jìn)行泡塑機(jī)參數(shù)設(shè)定、工藝流程、運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警顯示。泡塑機(jī)人機(jī)界面的參數(shù)設(shè)定、工藝流程窗口和手動(dòng)操作窗口分別如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 參數(shù)設(shè)定窗口Fig.6 Parameters setting window

圖7 自動(dòng)控制時(shí)工藝流程窗口Fig.7 Automatic control process window

圖8 手動(dòng)操作窗口Fig.8 Manually operating window

5 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的系統(tǒng)已投入使用，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行證明，采用PLC和觸摸屏電氣控制系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好，產(chǎn)品的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率得到了顯著提高。減輕了現(xiàn)場(chǎng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了比較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)為了提高PLC教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，該工程案例已應(yīng)用到華東交通大學(xué)PLC實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中。

（References）

［1］黃雄輝.工業(yè)過(guò)程控制中PLC監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)［J］.控制工程，2003，10（5）：436-438.

［2］邵敏楠，張家春.臺(tái)達(dá)HMI&PLC在自動(dòng)泡塑成型機(jī)中的應(yīng)用［J］.塑料工業(yè)，2007（2）：47-49.

［3］王阿根.電氣可編程控制原理與應(yīng)用［M］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［4］肖艷軍，李磊，周婧，等.基于PLC的自動(dòng)續(xù)料機(jī)械手［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（2）：152-154.

（責(zé)任編輯：曾婷）

Design of Foam Molding Machine Control System Based on FX2NPLC

XU Zhibang
（School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，Jiangxi，China）

Through the analysis of working mechanism and technological process of foam molding machines，adopting PLC and touch screen technology to foam molding machines in a factory for bulk modification，designs the electrical control system of a foam molding machine based on Mitsubishi FX2Nseries PLC.With a touch screen interface,the action time for each process can be input，the mode of operation can be selected，and the process parameters can be displayed.The control system improves the production efficiency and production quality of foam products.

Mitsubishi FX2Nseries PLC；foam molding machine；electrical control system

TQ320.52

A

1673-0143（2014）04-0035-05

2014-05-25

江西省教改課題（JXJG-13-5-1）

許智榜（1971—），男，副教授，碩士，研究方向：電氣控制技術(shù)。