基于变频器和PLC的注塑机组态控制系统设计

2022-01-14乔志杰闫广新

辽宁科技学院学报 2021年6期

乔志杰，闫广新

(1.安徽电子信息职业技术学院机电工程学院，安徽蚌埠 233000；2.中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆乌鲁木齐 830047)

塑料在各行各业中运用较多，作为生产塑料的设备，注塑机的加工动作经常存在突变的速度变化工况，影响设备的稳定使用，诸如射胶、座进等动作过程要求具有良好的变速性能，但传统的注塑机，完全依靠液压电磁铁控制方式，硬件和回路复杂，不能及时有效地匹配注射压力等参数，系统出现故障时检修困难。随着现代生活对塑料成品的多元化消费需求，注塑机的生产控制迫切需要能够机动调整。传统注塑机控制系统接线复杂〔1〕，不便灵活改造，无法满足多类别产品的生产需要。变频器可以灵活调整频率，实现速度的柔性控制。基于传统注塑机设备的速度控制局限性，对注塑机需要频繁变速的部分进行变频改造〔2〕，可实现工艺动作的快速动态调整，并有效节约能源，组态控制系统的引入则可以使控制变得更加直观、灵活。

1 系统总体方案

注塑机的主要作用是把原料经过加热、注射、成型，注塑工艺〔3〕主要有合模、座进、射胶、座退、开模等，其中合模、座进、座退、射胶、开模四个阶段有高速和低速区别，工艺具体动作过程如图1所示。

图1 注塑机的动作过程

控制系统采用人机界面HMI，基于MCGSE软件，进行监视、控制，控制器采用PLC，PLC外围配置开关类输入和执行电器类输出，对合模、射胶、座进与座退、开模四个需要变速的动作，电磁铁采用变频器改造，其他元件仍采用电磁阀控制，通过电磁阀、中间继电器实现了注塑机的其他工艺控制，基于变频器和PLC的注塑机组态控制系统方案如图2所示。

图2 基于变频器和PLC的注塑机组态控制系统方案

2 系统设计

2.1 系统硬件设计

系统采用应用率较高的三菱FR-740变频器，变频器主电路接线〔4〕如图3所示，其中开合模为一个电机控制，座进、座退为一个电机控制，相当于电机的正反转，M1-M3分别对应开合模电机、座进退电机、射胶电机。

图3 注塑机系统的变频器主电路

控制系统采用Mitsubishi公司的主流PLC产品 FX3U-32MR/A，16个输入/16个输出，为了使控制系统更加直观，除对4个硬件按钮正常分配PLC输入地址外，在MCGSE组态软件中还分配虚拟元件M地址，以进行组态可视化控制。注塑机控制系统的PLC外部输入侧、输出侧接线分配图如图4所示。

图4 PLC的输入、输出侧接线分配图

结合注塑机变频控制过程，开模、座进、射胶继电信号接在变频器正转启动信号上，合模、座退继电信号接在变频器反转启动信号上，外部继电器信号与变频器正反转信号对应关系如图5所示。

图5 注塑机系统变频器与动作继电器对应关系

2.2 注塑机的变频设计思路

注塑机不同的工艺需要不同的压力和速度，根据本次设备工艺要求，变频器部分设计思路如下：

(1)初期合模需要快速合模，过程需要较大的压力，由注塑机工作原理可知注塑压力与电机转速成正比，而由变频器转速公式可知，转速和频率成正比，所以初期合模频率宜采用较大的频率，设定为45 Hz，为减轻冲击，后期合模也即慢速合模过程需要较慢的速度和较小的压力，频率采用25 Hz。

(2)座进过程前期需要速度较快，频率采用45 Hz，间隔3 s后，采用15 Hz低频以便准确平稳地到达位置。

(3)为解决射胶工艺段转换的响应延迟，使塑料以更好的流态成型，提高塑料质量，射胶工艺采用不同速度分别注射，射胶过程前期需要速度较快，频率采用50 Hz，2 s后应采用20 Hz的平稳速度进行射胶以实现保压。

(4)座退过程与座进类似，前期需要速度较快，频率采用45 Hz，3 s后快到达位置时应速度平稳，频率采用15 Hz。

(5)塑料成型后进行开模，需要速度适中，压力略高，频率采用30 Hz，之后采用较慢的速度和压力，频率采用15 Hz。

根据注塑机反复的多种速度控制要求，变频器采用多段速的控制方式〔5〕，FR-740变频器的高速RH端、中速RM端、低速RL端与PLC输出信号分别受Y14、Y15、Y16控制，由于M1-M3三台电机不是同一时刻运行，可共用一个变频器，减少了投入，RH对应Pr.4参数，RM对应Pr.5参数，RL对应Pr.6参数，频率4至频率7分别对应Pr.24-Pr.27，其频率号、参数、与RH、RM、RL设定如表1所示，即Pr.4=25，Pr.2=20，其他参数以此类推。

表1 注塑机七段速编码表

2.3 注塑机的PLC编程设计思路

由于篇幅所限，文章以自动模式为例介绍编程思路，工艺要求快速合模需要45 Hz的频率，对应表1的频率6，在此工作步骤中，需要Y14、Y15同时接通，结合图5可知还需提供合模的正转变频器启动信号Y1，注塑机系统自动模式时，系统的SFC编程思路如图6所示，M0为初始步，M1-M13分别对应快速合模-顶杆后退等动作过程，为了能灵活调整注塑工艺，在步M1中，定时器T1时间没有使用固定的常数K30，而是采用D2，通过后面的组态界面可以对快速合模时间进行灵活调整。

图6 注塑机的自动模式SFC编程思路

2.4 上位机组态控制系统设计

为了便于监控注塑机的运行状态以及手动调整参数，在注塑机变频器和PLC控制系统基础上进行组态控制系统设计，利用MCGSE组态软件新建组态工程〔6〕，在工程中建立自动运行模式和手动测试模式两个画面，默认进入自动界面，在自动画面中可通过切换按钮进入到手动界面，同样手动界面亦可以返回到自动界面，界面中射胶等动作按钮、快速合模等运行指示灯数据类型为开关型，分别分配不同的M地址，为了灵活的调整快速合模、快速座进、快速射胶时间，依次分配D2-D4，数据类型为数值型，通过画面中建立输入框实现现场参数调整，而不用重新下载PLC程序，显著提高了生产效率。

自动运行模式和手动测试模式的组态界面如图7和8所示，组态工程完成后进行下载PLC程序，进行PLC与组态控制系统联机运行，系统不仅可以有效监视生产运行状态，还可以现场根据产品生产要求及时进行射胶等时间量的在线调整，通过手动测试模式可以对设备进行检修和微调，达到了设计初衷。