EVA射出发泡成型机的自动化解决方案
发布时间：09-10-15 收藏
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| 图1 台达EVA射出成型自动化系统控制工艺流程 |
本文重点讨论了基于台达PLC的EVA射出成型自动化系统，在进行工艺分析的基础上，给出了关于总体系统的分析和综合设计，并就系统设计及实施的核心问题进行了专门讨论。
引言
自2005年以来，中国制鞋工业迅猛发展，制鞋总量及鞋产品出口总量都已居世界第一位。在制鞋行业快速发展的同时，国产制鞋装备的自动化程度却相对较低，与闻名全球的意大利鞋机还有很大差距。近年来，为提高制鞋装备的技术水平，并满足客户的多方面需求，一些实力较强的企业开始研发具有世界先进水平的鞋机，于是PLC、变频器及人机界面等现代自动化技术开始在制鞋工业装备领域大显身手。
EVA（乙烯-醋酸乙烯二元共聚物）作为一种新型制鞋用塑料材料，其发泡塑料具有缓冲、抗震、隔热、防潮、质轻、无毒、环保、耐磨、耐寒、抗拉和抗化学腐蚀等特性，能够很好地满足鞋底用材料的需求。同时，由于符合相关环保标准，EVA材料还是欧美鞋业出口贸易广泛应用的绿色鞋材。
对比工序复杂且产量较低的传统热压EVA工艺，EVA发泡成型射出工艺具有产量高及可一次成型的特点。它是采用射出机将EVA粒子直接射入机台模具内，进行真空加硫模内鞋底发泡成型，再经过热、冷定型箱定型。该工艺能够满足制鞋行业快速、大批量、高效率及优质生产的要求，因此倍受制鞋行业的重视。
本文重点讨论了基于台达PLC的EVA射出成型自动化系统开发的技术路线。
系统分析
1.工艺原理
EVA射出成型是将颗粒状塑料加入到高温料管中，塑料在熔化的同时被向前移送。此时，需要使加料速度（亦即射出胶螺杆的后退速度）和加料螺杆的转速互相配合，同时对加料压力进行重点控制，因为熔料密度（塑料在料管中的密度）的稳定性，以及射胶定位的精确度将直接影响射出产品的成型精度。塑料射出成型机的工艺过程主要由4个机构的动作来完成，它们分别是负责模具打开关闭的锁模机构、将成型制品由模具内顶出的顶出机构、把塑料颗粒加入熔料料管的加料机构，以及将熔融的塑料加压射入模具的射胶机构。针对射出成型机，油压系统由于具有维护容易及控制简单等优点，因而成为射出成型机的主流动力系统。油压系统通过电磁阀的开度大小来控制流量和压力，进而控制各动作的进行。
2.工艺分析
基于台达PLC的EVA射出成型自动化系统可实现对EVA鞋机生产过程的集中控制。其主要监控的设备及动作包括：左模真空、右模真空、安全杆进退、左阻料杆、右阻料杆、安全门上下、模站下降、模站上升、锁模泄压、合模压力、开模调模压力、快慢速转换、比例阀、背压阀、工位泵、左枪泵、右枪泵、真空泵、左入料、右入料、左注射、右注射、移座电机以及48路温度控制等。该系统控制的工艺流程如图1所示。
系统设计
在该方案中，针对6工位EVA鞋机，主控制设备采用台达DVP PLC作为主控制器，台达触模屏作为人机对话的窗口。根据系统的现场实际情况，在保证整个控制系统先进、可靠且性价比高的基础上，采用DVP PLC作为下位控制器，负责采集信号，并对信号进行逻辑运算，进而控制相关设备。此外，该控制系统还在结构设计上尽可能减少配线及提高性价比。
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| 图2 EVA发泡自动化控制系统总体架构 |
基于台达PLC的EVA发泡自动化控制系统总体架构如图2所示。该自动化系统的配置包括1台DOP10.4HMI触模屏、1台EH系列PLC、6台 DVP 14SS系列PLC、相关检测组件（温度采集、位置判断、温度控制及压力检测等）以及相关执行组件（行走电机、液压缸），以共同构成监控系统。DVP PLC作为下位机，用来监控机台的运行情况。
1. PLC分散控制
该方案将1台EH PLC作为主机，采用PLC EASY LINK作为网络通讯，并将6个工位站设为子站由6台SS机控制，2台射枪由主站控制，1个移座站也由主站控制，从而构成了整个PLC分散控制系统。该 PLC分散控制系统的控制部分PLC由DVP PLC构成。DVP PLC一方面通过各采集模块对现场数据进行采集与处理，另一方面还能够接受人机界面发送的控制逻辑、参数及指令等，并响应人机界面请求向人机界面传送实时数据和报警信息，从而实现对整台机器的监控。作为系统的主要设备，PLC通过I/O接口控制现场设备。DVP系列PLC具有如下性能：
（1）基本性能：其中的EH系列采用高速运算处理芯片(ASIC)设计架构，以及CPU+ASIC双处理器和分工运算处理技术；基本指令速度可达 0.24μs；高速脉波输出可达200kHz，内建平滑加减速控制；4组高速计数器计数频率可达100kHz/组；拥有I/O模块数据更新接口，不占用程序扫描时间；内建多组外部中断功能。
（2）DVP PLC模块丰富，包括：直流输入，可控硅、继电器输出模块；电流电压型模拟量输入、输出模块；热电阻输入模块；热电偶输入模块；高速计数输入模块；用户定制的伺服、步进电机控制模块。EH PLC还具有用户定制协议RS-232、RS-485通讯适配卡。
（3）具有内建式的PLC LINK功能：该功能可减轻单站PLC的工作负担，轻易实现分布式系统。
2.人机界面上位机监控
该方案采用1台10.4in（26.42cm）的DOP人机界面作为人机对话的窗口，用于实现整个系统的画面监控、数据处理和报警功能，以及工艺参数的设定功能。通过与PLC进行通讯，达到传送控制组态和实时数据、设定参数、监控报警及监控机器生产流程的目的。其中，台达DOP人机界面所具有的功能如下：可对EVA发泡过程实现丰富而生动地直观监控；对温度、发泡时间等各种工艺参数进行设定、记录和存储，并含有配方、万年历功能；使生产工艺的处理简单化、灵活化；可实时、动画显示设备当前的运行状态，操作、监控一目了然；可实时显示设备是否出现故障并发出报警，还可及时弹出故障信息，提供故障排除建议；可采集、存储、记录、查询和分析系统内各设备状态、报警信息及故障信息量等。
3.系统通讯
该系统采用二层网络（如图2所示），以实现系统各设备之间的连接和分工协作。
（1）PLC分散控制部分：由于DVP PLC提供了EASY LINK功能，因此，只需将写入和读出的参数地址及长度填入特殊的缓存器内（无需撰写通讯程序），主站(Master)就会自动完成各站号之间的数据交换 (读出/写入各16个Word)，而从站(Slave)最多为16站，同时，不限于DVP PLC。台达其他机电控制产品如变频器、温控器或伺服驱动器等具有串联通讯功能且支持Modbus通讯协议的装置也都可实现通讯。
(2)具有完备的自我诊断功能：当发生故障时，该系统可自动发出警报。此外，EH PLC还可进行在线控制，并可随时完成在线程序的编辑、存取、控制及参数设定等工作，而不影响系统的正常运行。
(3)EH PLC具有实时时钟功能，内置RS232和RS485两个通信口，可支持当前流行的各种现场控制总线系统。RS485通讯口可与台达其他产品（如变频器、温控器、伺服以及第三方协议开放的设备）实现无缝通讯。
设计方案讨论
1.射出系统
射枪是射出系统的主要组成部分，控制系统将对其射出物料的质量进行控制。对此，可选择采用旋转编码器或者计量尺来控制射出质量。综合考虑后，本系统采用计量尺检测方式实现控制。
2.移座系统
移座系统主要用于控制射枪的行走，其拖动动作是通过变频器来实现的。可选用的控制方式包括：（1）移座行走位置用限位开关来检测；（2）移座行走位置用旋转编码器来检测。综合考虑，本系统采用旋转编码器的检测方式。
3.吸料控制部分
该系统还在料仓中装设了料位检测开关。当物料到达低料位时，设备进行自动吸料；当到达高料位时，自动停止吸料。此外，该系统还设有油温和水温的检测控制，即在油路及冷却水回路上，分别装设了温度检测传感器，并经温控器实现油温和水温的控制及报警。
4.系统通讯抗干扰措施
为了确保系统PLC的信号不受干扰，所有模拟量信号线均使用屏蔽双绞线，并且所有的信号线均应使用金属管作为外壳保护（金属管接地），同时信号电缆在安装时应避开动力线。对于PLC控制盘，应根据配电情况采用可靠的抗干扰措施。此外，温度采集部分的热电偶均采用补偿导线进行延长连接，以确保温度采样的精确性。
5.温度控制
该系统的温度采集是利用PT100的温度模块进行采集控制（温度采集也可采用温控器进行控制，这样只需将原系统中的PT100模块改为温控器即可），再利用台达人机界面的双口双驱动功能，将人机界面的1个接口与PLC连接实现通讯，另1个接口通过RS485与温控器接通，并采集相关数据后传输到人机界面上进行监控。
现场安装要点
1.现场安装说明
在系统安装之前，项目工程师应在熟悉施工图要求及仪表使用说明书的基础上，编制施工技术方案或技术交底，包括：系统总体施工方案、PLC控制盘安装方案以及电缆敷设方案。安装方案经专业技术负责人审核后，将作为系统施工指导书。
2.现场施工顺序
（1）系统安装前的单体调试。在系统安装前必须按照仪表使用说明书进行单体调试，调试合格后才可以进行现场安装。系统的单体调试记录将作为竣工材料的组成部分。
（2）通讯电缆敷设要注意：只能使用指定的电缆；确保通信电缆与动力线或高压线分开，以防电噪声干扰；在网络的一端，将通信电缆的屏蔽线接地，但不要将屏蔽线两端都接地；不要将通信电缆的屏蔽线接在已经用于动力系统设备接地的地方。
（3）控制室盘柜安装。只有当控制室的门窗封闭、照明、空调、内装修及接地等安装工作完毕后，才能进行盘柜台安装，并应保证线槽基础尺寸的准确，及其对水平度和垂直度的要求。
（4）控制柜接线。只有当现场仪表的接线安装全部完成，在进行仪表回路的二次系统调试时，每确认一点，并实施隔离措施后，才能把该回路的输入端子接到机柜输入端。同时，需要对所有电缆进行校线，并做好端子号。
（5）控制柜柜内布线。对PLC控制盘内器件进行接线安装，要求布置整齐、接线清晰、标记明确以及美观大方。同时，应该根据微机系统到货后的随机数据，来编制详细的施工程序。项目负责人对其技术要求及控制要点进行审核后，再交由安装人员施工。
结束语
基于台达机电自动化的全自动EVA发泡射出成型机，可对物料进行高精度预热，并具有模内抽真空功能，可使EVA材料达到发泡要求。通过采用PLC控制，该设备实现了定量、定模、开模及锁模的自动化，不仅大大提高了生产速度，降低了劳动强度与生产成本，而且具有成型精度高和操作方便安全等优点，而其价格仅是国外同类产品的1/3。同时，由于台达PLC具有强大的EASY-LINK功能，用小型机即实现了以往大中型机才能实现的功能，因此该技术应用价值较大。
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