自动泡沫成型机控制系统设计研发毕业设计(编辑修改稿)

自动泡沫成型机控制系统设计研发毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

温 冷 却 开 模 脱 模 浙江科技学院毕业设计 第 4 页 ②工控机。 优点：工控机基于 windows 或 linux 操作系统，拥有友好的人机界面， CPU处理速度较快，可以实现多线程处理各类任务，资源丰富，可以搭载不同的 PCI 卡，可以实时采集各类数据信息，抗干扰能力强，并能防电磁干扰。 缺点：价格昂贵，体积大，能耗也大。 ③单片机。 优点：单片机的体积较小，功耗及成本均较低，多用于消费品。 缺点：抗干扰能力较差，只能处理单一任务，运算速度 较其他控制元件较慢。 因此，单片机在工业设备中的应用已逐步被 PLC 取代。 基于以上对三者的优缺点的分析，本文得出结论，应选择 PLC 作为本台自动泡沫成型机的控制元件。 自动泡沫成型机控制系统组成 整个控制系统组成包括：可编程控制器 /PLC 系统（ Koyo 光洋 SN 系列的 SN64DRA3型 PLC）、触摸式图像操作终端机 /人机界面（屏通系列 PT1004 型）、各类传感器（温度传感器、压力传感器、位置传感器）、 AD 模块以及加料机构、加热系统、液压系统、启动系统等执行机构 /系统。 PLC 选用 Koyo 光洋 SN 系列 PLC（型号： SN64DRA3） ,部分参数列举： DC 输入 32点，继电器输出 32 点，定时器 128 点，计数器 128 点，最多可带 3 个扩充模块和一个特殊功能选件板；扩展输入 /输出模块（型号： Z16CDR1），为 8 点 24VDC 汇点 /源输入 /8点继电器输出。 人机界面选用屏通触摸屏（型号： PT1004），所选用的这型触摸屏拥有 1024600 解析度， 65536 色 TFT 真彩液晶屏， 4 线电阻式触控面板， 32 位 ARM926EJS 中央处理器，3 串口为 COM1： RS232/422/485； COM2： RS422/485(A 型）、 RS232/485（ B 型）、 RS232（ C 型）； COM3： RS232。 综其优点，该型触摸屏较适合本台自动泡沫成型机中人机界面的应用。 自动泡沫成型机控制系统工作原理 以下简述本次设计中自动泡沫成型机控制系统的工作原理：用户通过触摸屏输入相关指令， PLC 接收并自动判断来自触摸屏的用户相关指令，若用户输入指令可能导致危险或系统故障，则 PLC 发送信号至报警系统，报警系统工作；否则阀控模块工作，继续发送信号，经管路系统和液压系统，至相应的执行机构（开模 /合模装置、 进料系统、加热系统、冷却系统、顶杆等），执行机构工作，并反馈信号，经压力传感器、过载装置信号调理及位置传感器返回至 PLC， PLC 再反馈相应信息作出相应调整，以期加工出符合用户要求的浙江科技学院毕业设计 第 5 页 EPS 产品。 控制系统原理图如图 所示 [6]。 图 控制系统原理图 自动泡沫成型机各 部分 的动作流程 EPS 塑料泡沫的基本成型工艺大致可以分为：预热、开模 /合模、加料、冷却、脱模。 整体过程大致如下：合模并预热后，加料枪开始将 EPS 珠粒注入模腔内， 气室壁上开有小孔可供蒸汽通过并进入 模腔内加热，珠粒在模腔内被加热后膨胀，互相挤压并发生交联反应，最终熔结成为整体制品。 成型后，撤去蒸汽，通入冷却剂冷却制品，冷却完成后，机器自动脱模顶出成品制品 [7]。 成型工艺原理图见图。 预热 预热过程是在正式加热珠粒之前先通入蒸汽到空模腔中，使模腔温度上升的过程。 若无预热过程，高温蒸汽在直接通入模腔的情况下，因遇到常温的金属模腔而发生冷凝现象，则模腔内出现液态水，这将会阻碍发泡珠粒的熔结，并破坏最终产品的质量 ，因此要尽量避免冷凝现象产生，在本课题中使用蒸汽吹洗法对模腔进行预热，预热温度控 制范围为90℃ ~110℃。 预热时间由模腔内金属含量及最终产品的要求决定。 金属量越高，预热时间就越久；同时，还会随着模腔内表面或者模型件数的增加而延长。 报警系统 温度传感器 执行机构 PLC 阀控模块 液晶触摸屏 管路系统 液压系统 压缩空气 蒸汽 排气 引风 关模 加热 压力传感器 位置传感器 浙江科技学院毕业设计 第 6 页 图 EPS 制品成型工艺原理图 开模 /合模 ①开模。 开启模具，同时，排空阀、排泄阀工作。 顶杆从顶出状态缩进模腔内部，并保持状态短暂时间 （如图 ）。 ②合模。 合模过程中，为了避免发生碰撞，通常会通过形成开关控制油路的转换来促使合模过程有一个速度渐变过程。 图 开模动作结构图 蒸汽室 蒸汽阀 蒸汽室 空气阀 排泄阀 顶杆 浙江科技学院毕业设计 第 7 页 入料 ①加料。 加料分间隙式加料、无间歇式加料等方式，本课题使用的是无间隙式加料。 在加料过程中，需保持真空阀开启，排气阀和排泄阀关闭。 ②回料。 加料过程中，有可能发生加料过量的情况，此时就需要从加料管、料斗吹出压缩空气，将料管内所剩的余料吹回料斗，防止加热过程中余料亦熔结而发生堵塞。 ③ 加料过程完成，加料枪关闭。 加热 这是 EPS 成型过程中关键性的一步，加热过程是否顺利（是否均匀加热整个模腔）关系到能否获得充分熔合的制品成品 ，对于本课题中模腔壁厚在 2mm 左右 的制件，可以使用蒸汽洗吹法。 加热过程大致可概括为：模腔壁上事先设有供蒸汽通过的小孔，高温蒸汽从模腔后方的气室进入模腔内并加热珠粒，在此过程中，模腔内气压需始终维持在 ~，并且需要在珠粒完全熔融时达到最大值。 加热完成之后，随着蒸汽停止通入和排气过程开始，模内压力逐渐变小。 压力控制得过高，反而会出现表面过热而使制品出现过度收缩等缺陷。 冷却 常用的冷却方法有水冷、常压冷却和真空冷却。 水冷时间长，模具逐渐变冷，冷却水不能蒸发，达不到干燥成型、节省能源的目的。 经过水冷方式成型的制 品，可提高整体舒适度，并且产品的强度也会随之提升。 真空冷却时间一般较短，有的甚至只需 2~3s 即可。 本课题选用水冷作为模具的冷却方式。 本章小结 本章主要分为以下几部分进行叙述：自动泡沫成型机的工艺流程概述，各工艺动作详述，控制系统工作原理以及相应的硬件选型，等。 自动泡沫成型机主要工艺流程可分为开模（预热） 进料 合模 加热 保温 冷却 脱模（开模）。 整个控制系统主要可分为 PLC、人机界面、蒸汽管路系统、压缩空气管路系统及液压系统 等若干部分。 其中 PLC 选用 Koyo光洋 SN64DRA3 型 PLC，人机 界面选用屏通 PT1004 型触摸屏。 浙江科技学院毕业设计 第 8 页 第三章 自动泡沫成型机硬件组成 控制 系统基本配置 可编程控制器 （ PLC）的选择 当今市场上，有许多 PLC 设计及制造方面的知名品牌，如三菱、施耐德、 GEFanuc、欧姆龙、西门子、光洋等， PLC 的型号也数不胜数，但是各类 PLC 都具有其自身的优缺点。 下面，我仅结合我自身对 PLC 的了解对 PLC 的功能特点作简略阐述： PLC 作为一种通过数字运算的电子化操作系统，是随着工业环境的需要应运而生的。 通过可编程储存器，使得 PLC 可以直接储存执行逻 辑运算、定时、计数以及算术运算等相关操作指令。 再附以 AD/DA 模块， PLC 还可借由数字量、模拟量的输入与输出来完成控制类种类型的机械或生产过程。 以下对行业内统一的 PLC 的设计原则作简要说明， PLC 及相关设备的设计，都应遵循易于与工业控制系统形成一个整体，易于拓展功能的原则设计。 按照组成结构的差异区分， PLC 可分成整体式和组合式（模块式）两类。 顾名思义，整体式 PLC 是一个不可拆卸重组的完整元件，其内部 包含的部件有 CPU、 I/O 模块、显示界面、内存条、电源供应等。 模块式 PLC 在整体式的基础上增加了底板或机架， 而去除了显示界面，用户可按照一定规则自由组装这些部件 [8]。 前面也介绍过， PLC 相较于单片机或则工控机，有其独特的优势，具体如下 [9]: ①抗干扰能力强，可靠性高。 作为精密电器控制单元，最重要的性能之一就是高可靠性。 PLC 之所以具有其他系统所不及的可靠性，是因为其 采用现代大规模集成电路技术 ,采用严格的生产工艺制造 ,内部电路采取了先进的抗干扰技术。 在应用软件中 ,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序 ,使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。 因此，使用 PLC 作为控制单元将极大地提高整个设备或 系统的可靠性。 ②配套齐全、功能完善、实用性强。 时至今日， PLC 已经发展出了各种规模的系列产品，可以应用于各种工业控制场合。 除了逻辑处理功能以外 ,PLC 大多具有完善的数据运算能力 ,可用于各种数字控制领域。 加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展 ,使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 ③易学易用。 PLC 是面向工矿企业的控制设备。 它接口容易， 编程语言易于为工程技术人员接受。 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近 ，即使不熟悉电工电子电路，不了解计算机汇编语言的工作人员也可以快速学习与操作。 浙江科技学院毕业设计 第 9 页 起初，我想选用西门子系列的 PLC 来应用于该台泡沫成型机，因其 性能优越、功能强大、配置灵活方便 ，但是，我也发现其有一个严重的缺点，就是价格相对较高，要应用在该课题中难度较高；同时，我也发现光洋系列 PLC 功能 丰富 、可靠性 比较稳定 ， 而且 编程容易 ， 价格也易于接受， 可以较好地替代西门子，作为该台泡沫成型机的控制元件。 本次设计中，需要 16 各输入点， 24 个输出点，共 40 点，基本单元保留余量 20 点，且要求性能稳定，通信速度相对较快。 PLC 的 I/O 接线图如图 所示 [10]。 图 成型机 PLC 的 I/O 接线图 因此，在比较了多种 PLC 与传感器之间的通信速度之后，并结合上述的各项要求，我选择了 Koyo 光洋公司的 PLC 产品。 在确定具体型号时，我主要根据本课题中所需的输入浙江科技学院毕业设计 第 10 页 /输出点数要求，经过反复地对比，最终选择了 SN64DRA3 型号的 PLC，该型 PLC 有 DC输入 32 点 /继电器输出 32 点的最大 I/O 构成。 表 SN 系列 PLC 参数 [11] 项目 规格 I/O 传送方式 存储程序、循环执行 成批传送 编程语言 梯形图、级式共用 指令种类、控制方式 逻辑控制 指令 43 种、程序控制指令 15 种 数据处理指令 82 种、特殊功能指令 6 种 处理速度 逻辑控制指令 微秒 数据处理指令 微秒 程序容量 用户程序 语 +系统参数 语 输入线圈 （ I） /输出线圈 （ O） 256 点 /256 点 中间线圈 （ M） 640 点 级（ S） 512 点 定时器 （ T） 128 点 计数器 （ C） 128 点 特殊线圈 （ SP） 128 点 定时器经过值寄存器 （ R） 128 字 计数器经过值寄存器 （ R） 5120 字 数据寄存器 （ R） 128 字 特殊寄存器 （ R） 768 字 累 加器 （ ACC） 32Bit1 个 数据堆栈 32Bit1 个 触摸屏的选择 在本课题的自动泡沫成型机控制系统设计研发中，人际界面是必不可少的，它是用户向系统发送指令的工具，沟通用户和系统的桥梁，本课题采用触摸屏来实现这一功能。 关浙江科技学院毕业设计 第 11 页 于触摸屏的详细介绍如下： 触摸屏是一种最新的电脑出入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。 它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。 为了增加操作上的方便，在工业控制设备中，人们多使用触摸屏来代替鼠标和键盘作为输入设备。 工作时，首先 用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。 触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。 触摸屏检测部件安装在显示器屏幕前，用于检测用户触摸位置，接收后输送到触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用，是从触摸点来检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再传输给 CPU，它同时能接收 CPU 发来的命令并加以执行 [12， 13]。 在本次设计中，我选择使用屏通系列的 PT1004 型触摸屏。 该系列产品实现了图像、运算、通讯全方位的高速化。 减少了画面操作的重复；更 具丰富的表现力，高清晰、高视角 LCD 液晶屏；该触摸屏的优点有： ① 高速显像。 可清晰地设定出复杂且重叠的不同的部件画面与照片数据； ② 高速运算。 内置数据。