全电动立式注塑机在很大程度上克服了传统液压型立式注塑机中存在的能耗高、有污染、以及控制精度不够高等问题。高精度、高重复性、节能、易操作、节省空间及环保等，代表了未来立式注塑机的发展方向。随着全电动立式注塑机的蓬勃发展，国内知名的立式注塑机生产厂家陆续加大投入，积极研发具有自主知识产权的全电动立式注塑机。但由于国内在立式注塑机控制技术方面的研究较为薄弱，加上新技术的产权保护等因素的影响，使得自行研发的电动立式注塑机受到控制系统性能的影响，在整体性能上与国外新型电动立式注塑机还有一定的差距。笔者依据全电动立式注塑机的工艺结构及对控制性能的要求，针对在电动立式注塑机中出现的新型控制技术进行分析与研究，并在此基础上完成了基于PLC的全电动式立式注塑机控制系统设计。该系统以S7－300PLC作为控制中枢，所有运动机构都采用伺服电机驱动，它已在实际生产中得到了成功的应用，具有良好的控制效果。

1    全电动立式注塑机的工艺结构及控制要求

        立式注塑机是将热塑性塑料或热固性塑料利用塑料成形模具制成各种形状的塑料制品的主要成形设备。全电动立式注塑机主要包括锁模系统，模具系统，注塑系统，动力系统，控制系统等，采用伺服电机作为动力驱动系统，采用滚珠丝杆和同步皮带作为传动结构，并借助螺杆(或柱塞)的推力，将已塑化好的熔融状态(即粘流态)的塑料注射入闭合好的模腔内，经固化定型后取得制品。

        其工艺过程为：先将粒状或粉状塑料加入机筒内，随螺杆转动，原料向前移动，并通过螺杆的旋转形成剪切热和机筒外壁加热使塑料由颗粒状变为熔融状态，最后成为液态，对注射料筒形成一定压力。当杆头部的熔融态物料压力达到能克服注射电机退回的阻力时，螺杆向后移动，自动计算熔融态物料体积是否满足注射需求，此时，螺杆头部与喷嘴之间体积越来越大，物料越来越多，当熔融态物料体积满足注射需求时，计量装置撞击限位开关，螺杆停止转动并后退，然后合模电机驱动合模机构运动，模板沿导杆方向使模具闭合，紧接着注射座前移，使喷嘴贴紧模具的浇口道，接着电机启动，使螺杆向前推进，注塑电机按照系统设定的注射压力和速度将熔融态物料射入模具型腔内。当物料充满整个模腔后，螺杆仍对熔料保持一定的压力，以此来防止模具型腔中的熔融态物料反向流动，并向模具型腔内补充产品因冷却收缩所需要的物料，以保证产品具有一定的密度和尺寸公差。模具型腔中的熔融态物料经过冷却，使其固化成形，当完全冷却后，在顶出机构的作用下开模，产品被顶出，这就是一个完整的注塑成形过程。

        全电动立式注塑机的性能在很大程度上依赖于其运动控制系统的精密性和稳定性，它所希望获得的高速高精密的性能对运动控制系统的要求主要体现在以下方面：

        1)高精度。为了保证注塑成形制品的高质量，应在合模、注射、保压、塑化等过程中和位置控制中要求有较高的定位精度，而在速度控制中要求运动控制单元能提供高的调速精度。

        2)快速响应。为了成形复杂结构的制品，常常要进行多级注射，为了保证执行机构能严格按照设定的要求进行参数切换，除要求系统具有较高的定位精度外，还要具有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，位置跟踪误差要小。

        3)宽调速范围。在各个工作过程中执行机构都需要在较大的速度范围内工作。例如为了确保模具不被损坏，合模机构在驱动模板进行合模的过程中，需要从移模阶段的高速切换到即将闭紧模具时的低速。因此，驱动合模机构运行的伺服单元需要能提供一个最高转速与最低转速比较宽的调速范围。

        4)低速大转矩。为了克服低速启动时的大惯性，要求在低速时伺服系统有大的转矩输出。

2    全电动立式注塑机的运动控制系统的设计

        运动控制系统是以机械运动的驱动设备———电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。在较复杂的环境条件下，可将预定的控制方案、指令转变为期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，它是全电动立式注塑机的“中枢神经”，控制着立式注塑机的各种程序及其动作，对时间、位置、压力、速度和转速等进行控制。根据立式注塑机的工艺结构及性能要求。其主要由人机界面、PLC控制器、伺服驱动系统、伺服电机组、传感器等组成。

        该系统采用PLC和工控机两级控制。PLC负责按钮、行程开关和其它开关量信号的输入，以及发出信号去控制接触器、继电器等电气元件，进而控制各电机的运行，同时控制相应指示灯的显示。工控机用来进行参数的修改与设定、全自动控制、在线监视、传送信息等工作。工控机通过串行口与PLC相连，进行相互通信。

        其具体工作过程为：控制对象(工作台)的指令位置由人机界面按绝对或相对位置设定，PC机将此指令位置通过通信接口(RS232)传送给PLC，PLC根据当前的加速度和速度设置进行运动轨迹计算，制定出每一时刻应达到的理想位置，与控制对象的实际位置比较后，位置控制器(由PLC的控制程序产生)输出一个速度指令信号，通过通信接口(RS485)传送到伺服驱动器，伺服驱动器调节伺服电机的转速，电机轴的转动通过丝杆转化为工作台的直线往返运动，安装在工作台的光栅尺将实际位置反馈到PLC，PLC中的位置控制器根据指令值和位置值的偏差值，通过控制算法产生速度控制指令，再次传送到伺服驱动器上驱动伺服电机旋转，这一调节过程持续进行，直至工作台的实际位置与指令位置的偏差处于允许的误差范围内。速度调节器和电流调节器在伺服驱动器中，只需设定相应的参数便可进行相应的速度调节，而位置调节器算法则由PLC控制软件完成。

3    PLC及其主要功能模块的选择

        PLC是专门的工业控制计算机，已成为电气控制系统应用最为广泛的核心装置。它不仅可以实现复杂的逻辑控制，还能够完成各种顺序控制或定时的闭环控制功能，具有多方面的优势：抗干扰能力强、可靠性高、稳定性强、体积小、能在恶劣环境下长时间不间断的运行工作，且编程简单、维护方便、并配有各类通讯接口与模块，可实现各种级别的连接。

        根据立式注塑机控制系统的工艺流程及控制要求，试估算统计出系统共需24个开关量I/O口，其中输入口16个，输出口8个。根据系统要求的I/O点数再加上20％～30％的备用量，确定PLC点数。综合考虑I/O口配置和以后立式注塑机功能扩展的需要及性能价格比等因素。综上所述，笔者选用德国西门子公司生产的SIMATICS7－300系列PLC作为该系统的下位机，型号为CPU315，它是西门子S7－300系列PLC中一款紧凑型产品，主要有以下特点：①内部资源空间丰富：32k工作存储器；64k装载存储器，最大可扩展到8M；②CPU集成DP通讯口和MPI接口；③紧凑型CPU设计，集成16路DI和16路DO；④CPU集成计数，频率，PID控制等功能。该PLC能方便地处理开关量、模拟量，进行回路调节，并能用简易的语言进行编程，具备大型机的分析运算能力，适宜工程技术人员掌握并能编写复杂的程序进行精密的运动控制。

        上位机和下位机(PLC)之间选用MPI通信方式，由于CPU315有一个MPI可以利用，在中小型控制系统中，上位机数据传输量不会很大，对实时性要求也不是特别高，故用MPI方式能完全满足控制系统的要求。

        信号模块是连接PLC和外部设备的接口模块，这个模块主要是对输入或输出信号进行相应的转换，以便于信号的处理和执行。

        1)数字输入(DI)模块，一般设有RC滤波电路，系统选用的数字输入模块为SM321，型号为6ES7321－1BL00－OAA0。它的额定输入电压为DC24V，每个模块有32个输入点数，输入电流为7MA。

        2)在控制系统中，数字输出信号用于驱动电磁阀及其控制元件和负载。本系统选用的数字输出模块(DO)为SM322，型号为6ES7322－1BL00－OAA0，其额定输出电压为DC24V，每个模块有32个输出点，输出电流为5MA～0.5A，感性负载最大输出频率为100Hz，阻性负载最大输出频率为0.5Hz。

        3)选用的模拟输入(AI)模块为SM331，型号为6ES7331－7kF02－OAB0，额定输入电压为DC24V，每个模块可输入8个模拟量，它的电压输入量程和电流输入量程有多种选择。

        4)选用的模拟输出(AO)模块为SM332，型号为6ES7332－5HD01－OABO，模块输出点数为4，工程选择的输出信号为4～20MA，最大负载阻抗为0.5kΩ。

        信号模块的数量由所处理的信号量决定，同时应备有少量的备用点，以备控制系统的调试和扩容。通过对控制系统要求的分析，所需模块的类型及数量见表1。

        在实际控制信号统计中，没有模拟量的输出，但考虑到厂家有对电机进行变频PID调节的意向，所以增加4个模拟输出点以备用。在立式注塑机控制系统中伺服电机的定位模块选用FM354，该模块可实现对伺服电机的各种定位服务，具有以下定位功能：①设定：按点动键来移动转动轴；②增量方式：按预定义的路径来移动伺服轴；③手动数据输入方式：以任何可指定的位置伺服定位；④自动(单段控制)：用于复杂定位路径运行、连续(周期进给)、前进(后退)等。同时，FM354还具有以下特殊功能：长度测量；通过快速输入，启动和停止定位；运动变化率限制；在运转中设定实际值。

4    控制系统的软件结构设计

        控制系统根据各个层的分工独立设计软件的功能模块。以通讯软件公用模块为中心进行工作，按照一定的通讯协议，在层和层之间建立良好的数据接口，数据统一储存在数据模块中，以便于集中管理与各个层功能的独立操作及实现。

        提出了系统监控、显示层的模块接收软件所必须的数据和注塑工艺过程要求，并提出系统需求，同时通过数据采样来监视机器状态、生产状况、工作曲线等。

        注塑工艺流程控制层主要是接受来自系统需求的具体指示，完成注塑工艺的选择和组合，对各种复合供应进行解释和I/O输出控制。同时通过检测各传感器信号是否正常来维护系统和机器的安全运转。

        伺服控制软件主要承担伺服系统的位置控制、速度控制和电流控制。伺服控制软件和工艺流程控制软件关系密切，它们之间的协调使用能达到自由度很高的工艺程序控制。

5    结语

        基于PLC的全电动立式注塑机控制系统的设计，将立式注塑机工作过程通过人机界面显示出来，人机界面再把这些参数转给PLC，使PLC能按所设定的程序要求控制立式注塑机，可以随时得知立式注塑机工作状况。人机界面上可任意设置无触点开关，省去大量的机械开关，使立式注塑机控制面板简单化，人为故障率降低。系统采用西门子S7－300PLC作为系统的控制中枢，克服了传统继电器控制方式的缺点。该系统的设计与应用不仅提高了系统的稳定性和自动化程度，而且还具有控制准确、操作方便、易于扩展、维护方便等优点。目前，该系统已经成功地应用于实际生产中，具有很高的性价比。