PLC控制系统在高压灌注发泡机中的应用

摘 要：JHG-A-100环戊烷高压灌注发泡机以欧姆龙CP1H的PLC和威纶通TK61000i的人机界面为核心控制单元，有多组工作模式多种配方可供选择，且可自主编辑工艺参数，流量注入精确，压力流速可控可调，故障报警实时监控。实践证明，相较老式发泡机，PLC控制系统的设备性能稳定可靠，易于操作，工作效率大幅提高。

关键词：高压灌注发泡机；PLC；人机界面；参数

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

0 引言

JHG-A-100环戊烷高压灌注发泡机是上海凯航通力船用设备有限公司引进的最新的PLC控制系统的发泡设备，作为冰箱壳体发泡的专用设备，而冰箱壳体发泡是冰箱发泡车间的一道重要工序。可以说完成了这道工序，冰箱壳体就跨过了单纯的钣金件，完成了工业冰箱的完整框架的搭建。而且该工序也是冰箱质量的决定性因素。

公司也之前采用的是传统的老式发泡机，在对冰箱壳体进行发泡时，由于工人操作的问题和客观上设备性能所限，会产生粘结性差、泡沫渗漏、为充满、尺寸稳定性或泡沫强度差、脱模时间长、泡沫表面气泡偏多、泡沫分层、泡沫断裂等一些列问题，且发泡机本身也容易出现故障，且不容易排查。故而引入具有PLC控制系统的新型高压灌注发泡机，以求改善发泡车间的生产现状。

1 高压灌注发泡机的工作原理

原料桶中的A料（组合聚醚，俗称白料）和B料（异氰酸脂，俗称黑料）分别在料泵的作用下压入各自的低压料罐，即A罐和B罐，液位计控制料罐中料的到位情况，料罐上方的计量泵运转将低压料转换成高压料，高压料经转换阀切换至混合头（俗称枪头），启动注射后，枪头中控制启停的主活塞打开，控制A料和B料进入的分阀均打开，并切断A、B料回流管道，A料及B料在高压泵的作用下流经喷嘴，在枪头混合腔中高速碰撞混合获得高质量的混料后，进入另一个活塞枪口控制的减压室，使得进入膜腔时的速度降低且喷溅，而模具不承受多大压力，最后注射入待发泡的壳体中，注射到达设定时间后，A料和B料的入料活塞口都关闭，返回口打开，A料、B料经各自的回流管返回料罐，同时，负责出料的主活塞迅速关闭，将残余发泡料往枪口挤压，将混合室里的残料退至枪尖管口，实现混合室中的清洁，最后，使用压缩空气将枪尖未及时反应的残料及时吹出，从而达到清枪的效果。

2 高压灌注发泡机工艺流程

（1）启动设备选择手动加料还是自动加料。

（2）AB储料罐加料完成，选择工作模式。1）无料模式的目的是为了清洁枪头，在无料的模式下使枪头大活塞动作自清洁出料口，避免残余料结垢，无料自清洁时间一般设定在1S，该模式下只有油路和气路系统工作。2）循环模式的模式的主要目的是解决设备启动会出现物料温度和物料压力过低的情况，物料温度和压力也是设备启动灌注模式的前提。3）灌注模式是对真正对冰箱壳体进行发泡料注射的工作模式。

（3）设置参数，选择配方，对冰箱壳体注射发泡料。为确保注料的精确度，设备提供计量功能，即可编程控制器PLC内部设置精密度0.01秒的计时器控制枪头的注料时间。

（4）完成冰箱壳体的发泡料注射。

（5）自动清枪。

3 发泡机的主要构成部件及功能分析

高压灌注式发泡机的主要部件有冷热机，原料罐，电机加料装置，储料罐，电磁液位计，液压泵站，变频器，枪头，电控柜，过滤器和可燃气体报警控制器等。相关部件的电气部分均集中在电控柜中进行集中控制。

4 PLC系统硬件配置

选用欧姆龙CP1H的PLC和2块AD042的模拟量输入模块，通讯方面PLC与HMI使用MODBUS协议通讯，变频器的调速直接使用数字点控制。全套设备包含2台出料泵入口压力传感器，2台出料泵出口压力传感器，1台液压站压力传感器，2台储料罐温度传感器，2太储料罐液位传感器，共9路模拟量输入。黑料输出料泵，白料输出料泵共2路模拟量输出。手控操作盒急停，报警复位无聊操作，大油缸接近信号等19路数字量输入。黑料泵启动，白料泵启动，油泵启动，黑料加料，白料加料等14路数字量输出。HMI负责编辑参数指令，选择工作模式，显示报警反馈，相关数据直接传送至PLC中。PLC集中协调处理系统中的各种信息。

5 PLC的程序分析

5.1 储料罐料位控制

磁性浮子液位计将储料罐中的液位转换为4-20mA的模拟量，XFER指令读取第二个扩充模块的AD通道将数据读入到D134-D137中，D134/D135分别保存了直接输入黑料和白料液位的转换值，黑料白料液位通过PLC程序中指定功能的计算得到了方便识别和运算的数据保存在寄存器D108/D110中。同时将当下的黑白料液位值D108/D110和设定的黑料上下限位D612/D610，白料的上下限位D616/D614進行比较，如果超出限位，可进行报警黑料报警上限位W4.01下限位W4.00，白料上限位W4.03下限位W4.02，并且当当前液位低于设定液位的下限值时，可设定手动或者自动添加原料。自动加料即将下图所示的触摸屏HMI中的加料开关始终设置为加料开启即可。

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，以及黑料白料加料开关H10.02/H10.03均由触摸屏HMI直接输入，且加料开关H10.02/H10.03使用的是内部保持继电器，即掉电重启或者触摸屏损坏关闭，程序仍然继续执行之前程序，不至于对当前的正常操作造成影响。

5.2 工位的选择

若要选择指定的工位，首先需要先在触摸屏HMI上选择开启对应的工作组的工位号，在其中设置枪头需要注料的时间，然后在多功能枪头选择组号和工位号。这里以第1组的工位1为例进行说明。该工位号在HMI上的地址使用保持继电器H40.00，工位中的输入数据直接存储在数据寄存器D1002中。多功能操作枪头端，1号按钮对应PLC数字量输入0.10，为保证按键操作的可靠性，程序设置按钮按下0.2S才有效的功能。确定选择第1组1号工位后，传送1到D90，D1002到D92。D90，D1002在后面其他程序中可作为选定工位的基准使用。

5.3 注料操作

在工位选择完成之后，则进入正式的注料程序，注料程序直接关系到出料的精确度，进而关系到发泡的质量，所以判断是否启动注料程序，注入量为多少，更需要谨慎，需要综合考虑诸多因素。

首先需要将当前的黑白料料压D104/D106和设定的黑料高低压限位D804/D800B比较，判断黑料高压是否达到W6.00，白料高压是否达到W6.01，黑料是否超高压W6.02，白料是否超高压W6.03，然后根据黑料泵启动100.00，白料泵启动100.01，测料比开关H10.07，液压站压力不足W5.06，多功能枪头操作盒急停0.00，以及异常报警灯101.00是否有输出，判断注料条件1是否满足，即中间变量W11.00。然后查看当前是否在经行无料清枪0.02，高压循环0.03，判断注料条件2是否满足，即中间变量W11.01。当两者均满足时，注料启动条件即满足W11.02输出高电位并有条件的进入自锁状态。选择好相应的工位后注料按钮启动W12.00，随后开始注料环节的有条件互锁中IL。但是在注料的过程中，如果相关的条件综合判定不能满足条件，多功能枪头的注料动作是不会开启的。相关条件有黑白料是否超高压W7.01，料位是否过低W7.02，料压是否过低W7.03，黑白料是否存在高压超时W7.04，AB料泵是否处于启动状态W7.05。当料泵启动条件满足W7.06有输出，大小油缸超时W7.07黑白料流量计数有误W7.08无输出的时候，多功能枪头才进入正常的注料动作状态，枪头的动作过程为先推动主活塞W15.00，主活塞开启到位W15.01有输出，再推动黑白料的注料活塞W15.02，小活塞开启到位W15.03有输出，注料计时开始T0032，如果此时选择的是第1组工位1，由工位选择分析可以看到T0032的时间是D1002，即用户输入的时间，注料时间结束，先关闭小活塞W15.04，再关闭大活塞W15.05，大小活塞的中间变量驱动PLC输出点100.06/100.07完成注料过程。注料完成后将工位选择D90，注料时间D94清零，准备下一次注料。

值得一提的是程序中为更换枪头提供了余地，程序中的枪头动作依靠大油缸小油缸，即大小活塞，而现在我们使用的是PFL多功能混合枪头，只需要一个输出点100.06驱动液压电磁阀控制。

6 结束语

我公司冰箱车间采用新型的聚氨酯高压灌注发泡机，实践证明，应用PLC和HMI的控制系统使得发泡机具有更佳的操作性，工作更为精准，问题反馈更及时，安全性更佳，设备工作更持久稳定，发泡的工作效率和质量更高。

参考文件：

[1]霍罡.欧姆龙CP1H PLC控制系统应用基础和编程实践（第2版）[M].机械工业出版社.

[2]欧姆龙自动化（中国）有限公司.SYSMAC CP（CP1H CPU/CP1L CPU单元）系列编程手册[S].

[3]欧姆龙自动化（中国）有限公司.SYSMAC CP（CP1H CPU/CP1L CPU單元）系列操作手册[S].

作者简介：陈敏（1990-），男，湖北武汉人，本科，电气工程师，研究方向：电气、自动化、PLC控制。