PLC控制系統在高壓灌注發泡機中的應用

摘 要：JHG-A-100環戊烷高壓灌注發泡機以歐姆龍CP1H的PLC和威綸通TK61000i的人機界面為核心控制單元，有多組工作模式多種配方可供選擇，且可自主編輯工藝參數，流量注入精確，壓力流速可控可調，故障報警實時監控。實踐證明，相較老式發泡機，PLC控制系統的設備性能穩定可靠，易于操作，工作效率大幅提高。

關鍵詞：高壓灌注發泡機；PLC；人機界面；參數

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.091

0 引言

JHG-A-100環戊烷高壓灌注發泡機是上海凱航通力船用設備有限公司引進的最新的PLC控制系統的發泡設備，作為冰箱殼體發泡的專用設備，而冰箱殼體發泡是冰箱發泡車間的一道重要工序。可以說完成了這道工序，冰箱殼體就跨過了單純的鈑金件，完成了工業冰箱的完整框架的搭建。而且該工序也是冰箱質量的決定性因素。

公司也之前采用的是傳統的老式發泡機，在對冰箱殼體進行發泡時，由于工人操作的問題和客觀上設備性能所限，會產生粘結性差、泡沫滲漏、為充滿、尺寸穩定性或泡沫強度差、脫模時間長、泡沫表面氣泡偏多、泡沫分層、泡沫斷裂等一些列問題，且發泡機本身也容易出現故障，且不容易排查。故而引入具有PLC控制系統的新型高壓灌注發泡機，以求改善發泡車間的生產現狀。

1 高壓灌注發泡機的工作原理

原料桶中的A料（組合聚醚，俗稱白料）和B料（異氰酸脂，俗稱黑料）分別在料泵的作用下壓入各自的低壓料罐，即A罐和B罐，液位計控制料罐中料的到位情況，料罐上方的計量泵運轉將低壓料轉換成高壓料，高壓料經轉換閥切換至混合頭（俗稱槍頭），啟動注射后，槍頭中控制啟停的主活塞打開，控制A料和B料進入的分閥均打開，并切斷A、B料回流管道，A料及B料在高壓泵的作用下流經噴嘴，在槍頭混合腔中高速碰撞混合獲得高質量的混料后，進入另一個活塞槍口控制的減壓室，使得進入膜腔時的速度降低且噴濺，而模具不承受多大壓力，最后注射入待發泡的殼體中，注射到達設定時間后，A料和B料的入料活塞口都關閉，返回口打開，A料、B料經各自的回流管返回料罐，同時，負責出料的主活塞迅速關閉，將殘余發泡料往槍口擠壓，將混合室里的殘料退至槍尖管口，實現混合室中的清潔，最后，使用壓縮空氣將槍尖未及時反應的殘料及時吹出，從而達到清槍的效果。

2 高壓灌注發泡機工藝流程

（1）啟動設備選擇手動加料還是自動加料。

（2）AB儲料罐加料完成，選擇工作模式。1）無料模式的目的是為了清潔槍頭，在無料的模式下使槍頭大活塞動作自清潔出料口，避免殘余料結垢，無料自清潔時間一般設定在1S，該模式下只有油路和氣路系統工作。2）循環模式的模式的主要目的是解決設備啟動會出現物料溫度和物料壓力過低的情況，物料溫度和壓力也是設備啟動灌注模式的前提。3）灌注模式是對真正對冰箱殼體進行發泡料注射的工作模式。

（3）設置參數，選擇配方，對冰箱殼體注射發泡料。為確保注料的精確度，設備提供計量功能，即可編程控制器PLC內部設置精密度0.01秒的計時器控制槍頭的注料時間。

（4）完成冰箱殼體的發泡料注射。

（5）自動清槍。

3 發泡機的主要構成部件及功能分析

高壓灌注式發泡機的主要部件有冷熱機，原料罐，電機加料裝置，儲料罐，電磁液位計，液壓泵站，變頻器，槍頭，電控柜，過濾器和可燃氣體報警控制器等。相關部件的電氣部分均集中在電控柜中進行集中控制。

4 PLC系統硬件配置

選用歐姆龍CP1H的PLC和2塊AD042的模擬量輸入模塊，通訊方面PLC與HMI使用MODBUS協議通訊，變頻器的調速直接使用數字點控制。全套設備包含2臺出料泵入口壓力傳感器，2臺出料泵出口壓力傳感器，1臺液壓站壓力傳感器，2臺儲料罐溫度傳感器，2太儲料罐液位傳感器，共9路模擬量輸入。黑料輸出料泵，白料輸出料泵共2路模擬量輸出。手控操作盒急停，報警復位無聊操作，大油缸接近信號等19路數字量輸入。黑料泵啟動，白料泵啟動，油泵啟動，黑料加料，白料加料等14路數字量輸出。HMI負責編輯參數指令，選擇工作模式，顯示報警反饋，相關數據直接傳送至PLC中。PLC集中協調處理系統中的各種信息。

5 PLC的程序分析

5.1 儲料罐料位控制

磁性浮子液位計將儲料罐中的液位轉換為4-20mA的模擬量，XFER指令讀取第二個擴充模塊的AD通道將數據讀入到D134-D137中，D134/D135分別保存了直接輸入黑料和白料液位的轉換值，黑料白料液位通過PLC程序中指定功能的計算得到了方便識別和運算的數據保存在寄存器D108/D110中。同時將當下的黑白料液位值D108/D110和設定的黑料上下限位D612/D610，白料的上下限位D616/D614進行比較，如果超出限位，可進行報警黑料報警上限位W4.01下限位W4.00，白料上限位W4.03下限位W4.02，并且當當前液位低于設定液位的下限值時，可設定手動或者自動添加原料。自動加料即將下圖所示的觸摸屏HMI中的加料開關始終設置為加料開啟即可。

程序中的黑料的液位下限值上限值D610/D612，白料的液位下限值上限值D614/D616，以及黑料白料加料開關H10.02/H10.03均由觸摸屏HMI直接輸入，且加料開關H10.02/H10.03使用的是內部保持繼電器，即掉電重啟或者觸摸屏損壞關閉，程序仍然繼續執行之前程序，不至于對當前的正常操作造成影響。

5.2 工位的選擇

若要選擇指定的工位，首先需要先在觸摸屏HMI上選擇開啟對應的工作組的工位號，在其中設置槍頭需要注料的時間，然后在多功能槍頭選擇組號和工位號。這里以第1組的工位1為例進行說明。該工位號在HMI上的地址使用保持繼電器H40.00，工位中的輸入數據直接存儲在數據寄存器D1002中。多功能操作槍頭端，1號按鈕對應PLC數字量輸入0.10，為保證按鍵操作的可靠性，程序設置按鈕按下0.2S才有效的功能。確定選擇第1組1號工位后，傳送1到D90，D1002到D92。D90，D1002在后面其他程序中可作為選定工位的基準使用。

5.3 注料操作

在工位選擇完成之后，則進入正式的注料程序，注料程序直接關系到出料的精確度，進而關系到發泡的質量，所以判斷是否啟動注料程序，注入量為多少，更需要謹慎，需要綜合考慮諸多因素。

首先需要將當前的黑白料料壓D104/D106和設定的黑料高低壓限位D804/D800B比較，判斷黑料高壓是否達到W6.00，白料高壓是否達到W6.01，黑料是否超高壓W6.02，白料是否超高壓W6.03，然后根據黑料泵啟動100.00，白料泵啟動100.01，測料比開關H10.07，液壓站壓力不足W5.06，多功能槍頭操作盒急停0.00，以及異常報警燈101.00是否有輸出，判斷注料條件1是否滿足，即中間變量W11.00。然后查看當前是否在經行無料清槍0.02，高壓循環0.03，判斷注料條件2是否滿足，即中間變量W11.01。當兩者均滿足時，注料啟動條件即滿足W11.02輸出高電位并有條件的進入自鎖狀態。選擇好相應的工位后注料按鈕啟動W12.00，隨后開始注料環節的有條件互鎖中IL。但是在注料的過程中，如果相關的條件綜合判定不能滿足條件，多功能槍頭的注料動作是不會開啟的。相關條件有黑白料是否超高壓W7.01，料位是否過低W7.02，料壓是否過低W7.03，黑白料是否存在高壓超時W7.04，AB料泵是否處于啟動狀態W7.05。當料泵啟動條件滿足W7.06有輸出，大小油缸超時W7.07黑白料流量計數有誤W7.08無輸出的時候，多功能槍頭才進入正常的注料動作狀態，槍頭的動作過程為先推動主活塞W15.00，主活塞開啟到位W15.01有輸出，再推動黑白料的注料活塞W15.02，小活塞開啟到位W15.03有輸出，注料計時開始T0032，如果此時選擇的是第1組工位1，由工位選擇分析可以看到T0032的時間是D1002，即用戶輸入的時間，注料時間結束，先關閉小活塞W15.04，再關閉大活塞W15.05，大小活塞的中間變量驅動PLC輸出點100.06/100.07完成注料過程。注料完成后將工位選擇D90，注料時間D94清零，準備下一次注料。

值得一提的是程序中為更換槍頭提供了余地，程序中的槍頭動作依靠大油缸小油缸，即大小活塞，而現在我們使用的是PFL多功能混合槍頭，只需要一個輸出點100.06驅動液壓電磁閥控制。

6 結束語

我公司冰箱車間采用新型的聚氨酯高壓灌注發泡機，實踐證明，應用PLC和HMI的控制系統使得發泡機具有更佳的操作性，工作更為精準，問題反饋更及時，安全性更佳，設備工作更持久穩定，發泡的工作效率和質量更高。

參考文件：

[1]霍罡.歐姆龍CP1H PLC控制系統應用基礎和編程實踐（第2版）[M].機械工業出版社.

[2]歐姆龍自動化（中國）有限公司.SYSMAC CP（CP1H CPU/CP1L CPU單元）系列編程手冊[S].

[3]歐姆龍自動化（中國）有限公司.SYSMAC CP（CP1H CPU/CP1L CPU單元）系列操作手冊[S].

作者簡介：陳敏（1990-），男，湖北武漢人，本科，電氣工程師，研究方向：電氣、自動化、PLC控制。