基于S7-1200PLC的注塑机监控系统设计

Design of Monitoring System of Injection Molding Machine Based on S7-1200PLC

摘要

注塑机是将热塑性塑料或热固性材料通过塑料成型模具制成各类塑料制品的关键设备。根据注塑机的工艺流程和控制要求设计基于可编程逻辑控制器（PLC）的监控系统，通过硬件和软件两部分实现自动化控制和实时数据监测。硬件包括S7-1200 PLC、人机界面（HMI）触摸屏、传感器和执行机构，PLC采集并处理温度、压力和位置等数据，以实现精确控制。软件使用TIA Portal V17进行PLC编程和HMI组态，设计友好的用户界面，实现实时数据显示和参数设置，并具备报警功能。结果表明：该监控系统提高了注塑机的可靠性和稳定性，显著提升了注塑产品的生产效率和产品质量。

关键词

注塑机 / 可编程逻辑控制器 / 监控系统 / 触摸屏

Key words

Injection molding machine / Programmable logic controller / Monitoring system / Touch screen

塑料材料因其轻量、耐腐蚀、易成型等特点，在工业生产中广泛应用，占据重要地位。注塑机作为塑料成型的关键设备，可将热塑性和热固性塑料制成各类制品。随着产品多样化和生产复杂性的增加，现代制造业对生产效率和产品质量的要求不断提高^[1]。然而，目前注塑机大多依赖人工操作，自动化水平较低，不利于企业优化生产流程和管理模式。因此，设计注塑机监控系统具有重要意义。可编程逻辑控制器（PLC）通过人工编程优化注塑工艺，具有高度灵活性和可靠的控制性能^[2]。本文以西门子S7-1200 PLC为核心控制器，采用TIA Portal V17软件为开发平台，设计注塑机监控系统，实现对注塑生产过程的实时监控、生产参数的调整和设备状态的远程管理。

1 注塑机结构及工艺流程

1.1 注塑机组成结构

注塑机是一种复杂的机械设备，它能够满足各种注塑工艺的需求，主要由注射系统、合模系统、机身部分、液压系统、加热装置、控制系统、加料装置等组成。图1为注塑机结构组成。

注塑机作为一种多样化设备，尽管种类繁多但整体结构并未呈现显著差异，通常注塑机由以下几个关键部件组成。(1)注射系统。注射系统主要由螺杆、料筒、喷嘴和加热装置等组成。其功能是在注塑机运行过程中，将一定量的塑料加热至熔融状态后，以特定的压力及流动性，将熔化的塑料颗粒精确地注入模具型腔中，并保持压力使其定型。(2)合模系统。合模系统由合模机构、顶出机构、调模尾板、固定模板、移动模板、液压缸(用于合模)、拉杆以及安全防护装置组成^[3]。其主要作用是闭合模具以及打开并顶出制品，该合模系统还具备模具调节装置，以应对模具厚度的变化。(3)液压传动系统。液压传动系统包括油箱、热交换器、电机、液压泵、液压缸、液压马达和各种液压控制阀门，与电气系统配合，保证了注塑机工作的稳定性和可靠性，实现了自动化生产。(4)控制系统。控制系统主要包括料筒温度的加热器控制电路、液压泵电机控制电路、故障检测报警以及机械运动的动作控制电路。通过运算和控制，实现从进料、塑化、注塑成型、冷却定型到开模的全过程管理，确保注塑机各项程序和动作符合生产要求。

这些部件协同工作，构成了复杂而高效的机械系统，使注塑机能够在塑料制品生产中发挥关键作用。

1.2 注塑机工艺流程

注塑机利用塑料制品的热物理特点进行成型。首先，把烘干处理后的料粒直接由料斗注入料筒，料筒外部加热圈升温至料粒完全熔化。料筒内的旋转螺杆由外部动力电机驱动，使料粒在剪切力和摩擦力的共同作用下，逐渐塑化、均化、熔融成聚合物。当螺杆转动时，通过摩擦及剪切力将熔融料粒推送至螺杆头部，同时螺杆在料粒反作用下后退，形成储料空间，完成塑化过程^[4]。

随后，螺杆通过注射油缸活塞的推动，将贮存于螺杆头部的熔化物质以高速、高压的形式经由喷嘴射入模具型腔，并对型腔内的熔化物质进行保压、冷却和凝固。最后，通过合模机构打开模具，顶出装置将已成型的制品顶出并使其落下，从而确保制品的精准成型和高效生产。

尽管注塑机的操作步骤可能存在差异，但通常从合模开始，到下一次合模完成，就构成1个注塑循环。图2为注塑成型工艺流程。

2 监控系统硬件设计

2.1 注塑机监控系统构成

图3为注塑机监控系统结构设计。从图3可以看出，注塑机监控系统由上位机、下位机、现场执行设备三部分构成，三者共同协作，构成了完整的监控系统。上位机是控制系统的用户界面，采用全集成自动化软件TIA Portal V17完成编程和组态功能，操作员可以通过上位机实时监控注塑机的运行状态、调整生产参数以及进行生产计划管理等操作。下位机采用两台高性能的S7-1200PLC构成冗余系统，在主PLC发生故障时，系统会自动切换到备用PLC，避免生产中断或系统故障^[5]，同时采用ET200M分布式I/O系统。两台PLC之间通过开放式以太网中的TSEND_C/TRCV_C指令进行数据交换，上位机通过PROFINET协议与PLC进行通信。现场传感器与执行设备根据下位机发出的信号执行相应动作。当现场的温度、压力等传感器采集完数据后，通过变送器转换为4~20 mA电流信号或0~10 V电压信号，再经过模拟量输入模块传输给PLC，进行逻辑运算和数据存储^[6]。

2.2 I/O点数分配及硬件选型

注塑机用于热塑料加工，是典型的顺序动作装置。通过使用8个电磁阀实现精确的顺序控制，从而实现对热塑性材料的高效生产，包括合模、射台推进、注射、保压、冷却定型、射台后退、开模、顶出制品和复位等操作工序。同时，注塑机具备手动和自动模式切换功能。在此过程中，保压和冷却工序需要一定的时间延时。因此，该控制系统共有16个输入信号和10个输出信号。表1为根据注塑机输入输出得到I/O点数分配情况。

依据注塑生产的工艺特点和控制要求，选用SIMATIC S7-1200系列PLC，实现模块化和紧凑型设计；CPU选择1214C/DC/DC/DC模块，其高性能处理器和丰富的接口能够处理和控制大量数据和设备；分布式从站选择ET200M，负责采集传感器等输入数据并将其发送给主站，同时接收主站的控制指令并驱动现场执行设备，实现分布式的输入/输出扩展和控制^[7]；触摸屏选择TP1200精致面板以提供直观的用户界面和高分辨率显示；工控机选择研华公司的IPC-610H，可靠性高、计算性能强大。

图4为PLC外部接线。从图4可以看出，注塑机控制系统输入端选用SB1~SB6为模式选择按钮，SQ1~SQ8为各个工序的主要行程控制开关，同时选用2个压力继电器KP1和KP2，输出端有8个电磁阀YA1~YA8和2个指示灯L1和L2。

3 监控系统软件设计

3.1 系统软件架构

为实现整个注塑过程的自动化和智能化控制，本文以TIA Portal V17软件为开发平台，进行程序编程和界面组态设计。TIA Portal是西门子公司开发的全集成自动化工程平台，具有高效和开放性特点，其主要任务是根据注塑工艺流程和控制参数编写PLC控制程序，并设计上位机监控画面。通过实时数据监控和报警提示，能够及时发现和纠正注塑过程中的异常情况，保障产品合格率^[8]。同时，软件设计使得操作界面更加直观友好，操作员可以轻松地监控和调整生产参数，提高了生产管理的效率和准确性。图5为监控系统软件设计架构。

3.2 PLC控制程序设计

由于注塑机按照特定步骤完成工作，因此本文采用顺序控制设计方法，根据注塑机的工作原理、设计要求和操作步骤，编写相应的顺序控制程序^[9]。PLC程序可分为四部分，整体思想是应用“起-保-停”电路的编程方法对注塑机电磁阀得电或失电进行控制，得到与之相应的梯形图。

3.2.1 手自动切换

通常情况下，注塑系统会涉及大量的循环操作，可以将组织块OB1定义为主程序，用于切换系统的手动与自动子程序，通过编写主程序和调用相关子程序完成系统的循环动作。手动模式时，分别按下各个工序按钮，可使各个电磁阀通电工作，松开则自复位；自动模式时，进行行程开关指示。

3.2.2 注射过程控制

建立1个FB功能块为子程序，其中编写加料-射台前进-注射-射台后退-顶针前进-顶针后退程序，由主程序OB1调用。这个过程需要严格控制料筒温度，因此在循环中断OB30中调用PID控制器PID_Compact，用于料筒温度的精确控制，加载设定温度值并传送到Setpoint管脚，加载测量温度值并传送到Input管脚，由Output_PER管脚给出模拟量输出。

3.2.3 模具动作控制

此过程需要控制模具开合和顶针的前进与后退等，各动作之间的顺序控制由行程开关的信号状态实现。在模具闭合过程中，当行程开关I1.4检测到模具完全闭合时，PLC停止关闭动作，启动注射动作或者进行开模准备；当行程开关I1.0检测到顶针已经推出到位，停止顶针推出输出信号，进行顶针复位动作，从而实现精确的动作控制。

3.2.4 冷却保压控制

此过程需要用定时器来控制冷却和保压时间，注射完成后先进行保压操作，使用脉冲定时器TP，该定时器触发端只需闭合1次，设置保压时间为5 s，时间到，复位保压信号。接着进行冷却定型，使用接通延时定时器TON，该定时器需要触发端始终为1，设置冷却时间为10 s，当计时结束，开始下一动作。

3.3 触摸屏监控软件的设计

注塑机监控系统HMI界面设计使用TIA Portal V17中的WinCC软件，该软件提供全面、强大且灵活的HMI解决方案，不仅能够提供直观便捷的操作和运行界面，还能够显示实时报警信息。此外，通过图表、趋势图等方式，WinCC软件可以实时展示注塑机的关键参数和运行状态，使操作人员能够直观地了解设备的工作状况，确保设备高效稳定地运行^[10]，具体可以分为以下4个画面的设计。

3.3.1 注塑机监控系统运行画面

注塑机监控系统运行画面反映系统当前工况，显示料筒温度、注射压力、保压时间等重要参数，便于操作人员随时掌握注塑机的运行状态。当系统正在运行时，绿色的指示灯亮起；当系统急停时，红色的指示灯亮起，同时可通过右侧按钮进行系统启停、自动模式及其他界面的切换。图6为注塑机监控系统运行界面。

3.3.2 参数设置画面

系统运行中温度、压力、时间和速度参数的设置对注塑成型过程的稳定性和成品质量至关重要。图7为参数设置界面，通过图7的界面可完成对这些参数的监控及修改。通过触摸屏“参数设置”画面修改控制参数，这些数据会通过PROFINET协议发送给PLC以调整输出，从而影响注塑机实际工作状态，有效提升设备操作的效率和安全性，同时增强生产过程中的灵活性和控制能力。

3.3.3 报警记录画面

图8为报警记录画面，内含报警控件，可以显示发生报警的时间、日期以及发生何种报警，有“Errors”需要用户确认和“Warnings”不需要用户确认两种报警类别，同时可以将报警数据进行归档。通过设计合理的报警记录画面，能够确保设备稳定运行并且最大化生产效率。

3.3.4 历史数据画面

图9为历史数据界面，内含趋势图控件。此界面能够观察某些参数是否在系统运行合理的范围内，有利于操作人员分析注塑过程中参数的变化趋势。

4 实验测试

为验证该监控系统应用的可行性，以某工厂注塑机为测试对象，通过对其运行数据的实时监控和分析，评估系统的性能和可靠性。该注塑机螺杆直径52 mm，顶出力6 700 kN，是一款液压型注塑机，用于汽车、包装、白色家电等行业的生产。PLC置于控制柜中，控制柜具有过载、短路、缺相保护等多种保护功能，可完成设备自动化和过程自动化控制，具有性能稳定、抗干扰强等特点。图10为S7-1200PLC实物。

系统启动后，PLC进行初始化并检查硬件状态，同时传感器实时采集注塑机的数据并将信息传送给PLC，PLC处理这些数据并发出控制指令，以调整注塑机的各项参数。测试时，设置注塑机料筒温度为230 ℃，注射压力为140 MPa，保压时间为15 s，运行过程中出现料筒温度或注射压力超出设定值、保压时间低于设定值、重要设备故障、紧急停机等情况，系统会发出报警并记录。图11为测试过程所记录的报警信息。同时，系统根据数据变化生成曲线图，可以显示任意时刻的参数值以便追踪生产过程和优化工艺。图12为测试过程数据变化趋势。测试结果表明，本文设计的注塑机监控系统具有参数波动幅度小和报警功能的优势，能够及时发现异常情况，保障系统安全稳定运行。

5 结论

为提升注塑机的自动化和智能化程度，设计以S7-1200 PLC为控制核心、带有人机交互界面的注塑机监控系统。该系统由硬件和软件组成，硬件设计提供了稳定可靠的数据采集、执行控制和通信功能，而软件设计则通过编程实现具体的控制逻辑和用户界面。硬软件的有效结合不仅优化了生产工艺，显著提高生产效率，还实现了注塑机高精度控制的目标，从而更好地满足快速变化的市场需求。

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基金资助

教育部产学合作协同育人项目(231002458302238)