吕有忠 王伟伟 李家荣（云南工商学院，云南 昆明 650000）
摘要：注塑机作为高端制造的重要部分，智能化也成为注塑机技术发展的方向之一。采用S7-1200PLC为核心控制器，实现注塑机各个工序的自动化控制，根据注塑机控制系统的需求，设计了其软硬件系统，详细介绍了系统组成和PLC的控制程序，并通过手动和自动运行调试，验证了系统的可行性和稳定性。该设计对全自动注塑机控制具有一定的借鉴价值。
关键词：PLC技术；注塑机控制；控制程序
塑料加工设备的技术发展，尤其是注塑机，已经成为塑料制品生产中不可或缺的设备，同时也是衡量塑料工业技术水平的核心标准之一。注塑机能够一次性制造出外观复杂、尺寸准确且表面光滑的塑料产品，可以制造出带有金属的嵌件，确保其具备出色的组装性能和可互换性，这对于塑料的广泛应用、标准化和系统化都是有益的。注塑机可以迅速替换注塑成型的模具，从而生产出满足市场要求的产品。这种技术特别适合于工程塑料和特种塑料的成型过程，能够生产出具有独特性能和用途的产品。它具有较高的自动化水平、正产率和智能化水平，并能实现“无人化”的管理模式。
注塑机控制系统是一种基于PLC的全自动控制系统，该系统以西门子S7－1200PLC为核心控制器，搭配一系列精密执行器设备，实现各个工序的自动化控制。
1系统概述
本系统主要采用PLC控制技术，实现各个工序的自动化控制，并使用温度传感器实时采集模具成型的温度，提高注塑机注塑精度。除了满足基础的逻辑控制外，还扩展到人机控制、通信协议等方面，确保设备端控制系统的可扩展性。
主要内容包含硬件和软件两部分。在电气原理图设计时，除了完成基础功能，还要考虑设备的安全性，如增加热继电器、熔断器、电机外壳接地等。在硬件选型中，功能、成本和性能作为基础选型标准，同时还要考虑元器件自身的安全性设计。如元器件的过压、过流保护、元器件材料的阻燃性等等。软件部分分为PLC程序开发和HMI画面设计，在PLC程序编写过程中，程序段落部署清晰、合理，注释部分阐述明确，方便后续系统的升级和改造。注塑机机构如图1所示。
图1.注塑机结构
注塑成型工艺过程主要包括系统初始化、锁模前进、闭模、注射、锁模后退、开模这6个阶段。注塑机主要动力通过液压控制，由油泵提供液压油。在启动注塑机时，首先把原料、辅料进行充分混合，然后投入料斗，设备运行时原料经螺杆料筒加热熔融塑化，完成预塑动作，模具闭合。通过高压将融化的塑料加压，充填到模具中，直到填满模具腔体后停止填充，并保持一定的压力，进行保压冷却，在模具中冷却一定时间，让塑料充分固化成型。待模具内的溶液冷却成型后，打开模具，顶出注塑成型的塑料制品，取出制品。至此，一个塑胶件制作完成，下一循环开始。注塑机注塑成型的工艺流程如图2所示：
图2.注塑机工艺流程图
2控制功能分析
根据全自动注塑机控制系统的需求如图3所示，本次系统设计应满足注射部分：系统运行后，在料筒内，塑料原料经过加热后会融化，然后在压力和速度的作用下，将这些融化的塑料注入到模具中。在注射过程完成之后，对模具里的融化塑料进行冷却保压及定型处理。闭模部分主要确保在注射过程中锁模和模具能够完全闭合，冷却定型后能够顺利打开，并将制品推出。另外，在模具完全闭合之后，应为模具提供充足的压力以锁定模具，这样可以有效抵抗熔融塑料进入模具时产生由内向外的压力，避免模具出现裂缝，从而避免制品出现问题。液压部分的主要作用是为注塑机提供所需的动力，以满足工艺过程中的各种动作，并确保满足注塑机各部分对压力和温度的特定需求。控制部分主要由液压阀、电磁继电器、温度传感器、各类开关、监控显示设备以及PLC控制器和其授权的功能模块等部分组成［1］。控制部分与液压部分合理配合，可实现注塑机的工艺过程要求和各种程序动作。
图3注塑机重要组成部分
具体功能如下：
1）加热功能：把呈颗粒状的塑料放置到料筒之中，接着凭借安装于料筒外壁之上的加热器，对塑料进行持续加热的操作，从而使得塑料逐渐转变成熔融的状态。
2）合模功能：实现闭合以及完成锁模和模具启闭动作，并且将制品顶出，也就是负责成型制品的工作部件。在模具闭合之后，要给予模具足够强大的锁模力。
3）注射功能：将已经融化的塑料原料借助旋转螺杆在高速以及高压的作用之下，注射到模具腔内，让其填满整个模具，以此来确保所生产产品的完整性。
4）保压冷却：把已经注射完成的产品依据设定好的时间来实施保压冷却的操作，让其得以固化并定型。
5）脱模功能：模具在合模部件的效用之下，进行锁模并向后退，然后模具开启，顶针会将已经冷却成型的产品顶出。
3系统构成
注塑机控制系统以PLC作为控制核心，内置模拟量输入输出端口，可用于温度信号的采集。系统操控分为按钮和触摸屏两种方式。系统控制开关量信号分为系统启动和手动操作两类，系统启动按钮用于注塑机控制系统运行启动标识，手动操作按钮则用于直接对执行机构进行操作。执行机构由闭模、开模、锁模、注射、安全门、油泵、加热几部分组成。系统人机界面是对注塑机控制系统运行状态的监控，如执行机构运行状态、温湿度数据实时显示以及相应的操作。详细系统框如图4所示。
图4注塑机控制系统框图
本系统的功能设计主要涵盖了加热、合模、注射、保压冷却、退模以及制品顶出等一系列功能。当系统开始自动运行时，加热器会随之启动，对料筒内的塑料原料进行加热操作，待加热到预先设定的加热温度后便停止加热。此时，原料已然转变为溶液状态，注塑机随之进行预塑准备工作，接着启动油泵，然后锁模开始向前推进；当触发到相应的限位信号时，便开始进行闭模操作；而在闭模限位被触发之后，注射电机随即启动，向模具中进行进料，完成进料流程后，便开始执行保压冷却过程。当保压冷却时间达到设定时间后，锁模后退并触发到位信号，此时模具开模，会将已经成型的塑料产品借助模具内的顶针顶出。倘若执行的是单周期模式，那么注塑机在完成一次循环之后就会停止运作；而若切换成连续周期模式，注塑机则会持续不断地进行循环操作。
4主程序设计
注塑机主程序设计包括加热部分、进料部分、液压部分和冷却部分，具体介绍如下：
1）加热部分。当料斗中存有原料的时候，整个系统便开始启动加热进程。通过采用高效率的加热装置，对料斗内部的塑料粒子实施加热操作，促使这些塑料粒子能够逐步达到理想的融化状态。在此过程中，加热装置会持续稳定地发挥作用，源源不断地输出热量，以确保塑料粒子能够被充分且均匀地加热，从而最终实现完全达到理想的融化状态这一目标，为后续的注塑等工艺环节做好充分的准备。
2）进料部分。当加热装置达到设定的温度，说明塑料粒子已经充分融化，锁模前进到位，模具开始闭合，与此同时，进料阀门
打开，开始注塑熔融状态的原料。
3）合模部分。在物料注入模具的过程中，液压系统不但要给出需要的注塑压力，而且还对锁模、模具闭合、保压等进行压力保持。当模具腔内注满塑料溶液后，停止进料。
4）冷却部分。注塑结束后，模具开始进行冷却保压定型部分工作。等待模具腔内的制品到达设定时间后冷却保压定型完成，此时，模具接收到冷却完成信号就会自动打开，模具打开到达限位后顶出成型的制品，至此注塑工作完成。因此，主程序模式的流程如图5所示。
图5主程序模式模式流程图
5系统调试
系统调试部分分为手动运行调试、自动运行调试。
5.1手动运行调试
点击HMI主画面的手动模式界面，就会跳转到手动模式，手动模式都是单个进行启动的。当按下手动加热按钮，注塑机就开始加热，加热灯会亮起，当加热温度超过温度设定值及设定的温度报警值时，温度过高报警灯会亮，提醒加热温度已超过报警温度，需要关闭手动加热。
当按下手动油泵按钮，油泵开始运行，油泵运行指示灯亮起，不手动关闭油泵，油泵会一直运行；按下手动锁模前进按钮，锁模前进，锁模指示随之灯亮起，锁模前进到位了指示灯就会熄灭；按下手动闭模，模具开始闭合，模具闭合到位闭模指示灯熄灭。按下手动注塑按钮，注塑机开始进行注塑，人机界面有显示注射中，说明注塑机正在注塑，注塑完成后需要按下手动注塑，将注塑模式关闭。
5.2自动运行调试
按下自动模式切换开关，把手动模式切换成自动模式。把加热温度设定、报警温度及保压冷却时间调好。按下自动启动，注塑机开始自动运行，将料斗里的塑料进行加热融化，加热温度达到所设定的温度值，塑料融化呈水溶状态，等待注射。如加热温度大于设定的报警温度，温度过高报警灯就会亮起。自动加热功能如图6所示：
图6自动加热功能图
注塑自动启动过程中，温度控制一直处于闭环控制，可通过温度变化趋势窗口查看温度变化曲线图，如图7所示。
图7温度变化趋势图
加热完成后，注塑机开始进行下一步操作，油泵运行，锁模开始前进，锁模前进指示灯会亮起，当锁模前进指示灯熄灭了，说明锁模前进到位。这时模具开始闭模动作，闭模指示灯熄灭，表示闭模完成动作，模具已经闭合。
模具闭合完成，注塑机开始向模具腔内注射水溶状态下的溶液，将模具腔内一直注射到满，注塑机才停止注射。当注塑完成后，开始进行制品的保压冷却定型。根据设定的保压时间来执行保压冷却定型工作。当前时间到达设定的保压时间后，锁模便开始缓缓后退，与此同时，模具开启，将已经冷却且完成定型的塑料制品向外推出，至此便完成了一个完整的循环过程。
6结束语
该系统的PLC控制程序通过在实际工程中应用，实践证明了系统的先进性与稳定性。但在控制策略设计方面还存在改进空间，比如系统在注射溶液到模具时，对于模具内的压力没有控制，后续可以添加压力数据模块对注塑机注射时的压力，以及模具腔内的压力进行精确控制，防止注塑时压力过大导致锁模力不够，而将模具撑开。
参考文献
［1］张晓茜，范艺萌，王俊杰，等.基于PLC的微注射成型机温度控制方法的研究［J］.华北科技学院学报，2019，16（3）：95-99
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