1、自動泡沫成型機控制系統設計研發摘 要 可發性聚苯乙烯（Expandable Polystyrene，EPS），化學名稱為聚苯乙烯和苯乙烯系共聚物，它一種是由樹脂、物理發泡劑以及其他添加劑以一定比例混合而成的物質。其被大量應用于如建筑領域的屋面隔熱、墻體保溫、EPS夾芯板、簡易活動板房等方面。類似的泡沫塑料制品主要由EPS成型機加工制造而成，EPS顆粒原料在其內部經過預發機發泡，再經干燥、熟化等相關處理后被送入成型模腔內，后續還要通入蒸汽加熱并維持模腔內蒸汽壓力以使加熱工程順利完成，再經過發泡與保溫熔結過程，此時的EPS泡沫已經初步成型，再經過排污冷卻定型后即可制成相應的板材制品1。 關鍵字：E

2、PS 應用 成型機 Automatic Foam Molding Machine Control System Design and DevelopmentABSTRACT Polystyrene (Expandable Polystyrene, EPS), its chemical name is Polystyrene and styrene copolymer, it is a kind of material mixed by the resin, the physical foaming agent and other additives to mixed with certain

3、proportion.It is widely applied in roof insulation, wall, such as the construction sector EPS sandwich panel, simple prefabricated houses, etc.Similar foam plastics is mainly composed of EPS molding machine processing and manufacturing, EPS foam raw particles within it through pretest, then after dr

4、ying, curing and other related treatment are fed into the forming mould cavity, the follow-up to pass into the steam heating and maintain the steam pressure in the cavity to make the heating engineering is completed, after foam insulation with sinter process, EPS foam has preliminarily forming, at t

5、his time again after sewage cooling to finalize the design,it can be made into the corresponding plate products1. Keywords：EPS Application Molding MachineII目 錄摘要IAbstractII目錄III第一章 緒 論11.1 引言11.2 國內外研究現狀及發展趨勢2第二章 自動泡沫成型機控制系統組成及主要功能確定32.1 自動泡沫成型機的工藝流程簡介32.2 自動泡沫成型機控制系統組成及工作原理32.2.1 自動泡沫成型機控制系統集成方案選擇3

6、2.2.2 自動泡沫成型機控制系統組成42.2.3 自動泡沫成型機控制系統工作原理42.3 自動泡沫成型機各部分的動作流程52.3.1 預熱52.3.2 開模/合模62.3.3 入料72.3.4 加熱72.3.5 冷卻72.4 本章小結7第三章 自動泡沫成型機硬件組成83.1控制系統基本配置83.1.1 可編程控制器（PLC）的選擇83.1.2 觸摸屏的選擇103.1.3 各類傳感器123.1.4 AD模塊133.2 各執行系統143.2.1 模腔結構143.2.2 加料系統14III3.2.3 加熱系統與冷卻系統153.2.4 液壓系統163.2.5 氣動系統173.2.6 安全保護系統17

7、3.3 控制系統外部接線圖183.4 本章小結18第四章 控制系統人機界面設計194.1 人機界面的簡單介紹194.1.1 關于人機界面194.1.2 人機界面的設計204.2 操作面板界面設計214.2.1 主操作界面214.2.2 用戶操作界面224.2.3 信息顯示界面244.2.4 其他界面264.3 本章小結27第五章 部分控制系統軟件及執行機構硬件設計285.1 部分主程序結構295.1.1 “啟動”動作梯形圖295.1.2 “關模”、“入料”動作梯形圖295.1.3 “開模”、“脫模”動作梯形圖305.1.4 “停止”動作梯形圖315.1.5 “報警系統”梯形圖325.2 部分硬

8、件參數計算及選型335.2.1 氣液增壓缸的計算與選型335.2.2 合模機構的參數及尺寸計算345.3 本章小結35第六章 結 論36參考文獻38致 謝39附錄一 電氣原理圖與基板布局圖附錄二 自動泡沫成型機程序框圖第1章 緒論1.1 引言 可發性聚苯乙烯（Expandable Polystyrene，EPS2），化學名稱為聚苯乙烯和苯乙烯系共聚物，它一種是由樹脂、物理發泡劑以及其他添加劑以一定比例混合而成的物質。它具有以下化學特性：EPS的物理外形是直徑在0.010.1in之間的小型顆粒狀樹脂。大多數這種顆粒是懸浮聚合生成的珠粒，而較大直徑的顆粒也可通過切粒得到。因此，最終加工得到的泡沫制

9、品的厚度完全取決于加工時采用的珠粒的尺寸，若想得到低密度凹模制品，則應選用較大的珠粒加工；若目標制品是均勻填充的，則選用尺寸較小的珠粒更理想1。 自產生至今，EPS經歷了漫長的歷程。1925年，EPS作為橡膠中間體首次開始在德國生產，這為日后EPS在全球范圍內的生產打下了基礎；40年代初，懸浮PS問世；1943年，美國DOW化學公司嘗試將PS泡沫塑料投入實際生產，結果大獲成功；19實際中葉，日本成功地開發擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS），并用于產品包裝；而到了1952年，德國的塑料貿易交易會上，已經出現了相關的EPS制品的身影。可發性聚苯乙烯廣泛地應用于建筑、屋面保濕、裝修、地下隔潮防水、道路、

10、包裝等領域。建筑領域。EPS制品廣泛地應用于建筑墻體和地基的保濕、倒置式屋面（就是將憎水性可發性聚苯乙烯保溫材料設置在防水層上的屋面）、EPS夾芯彩板（就是將彩色圖層鋼板用高強度粘合劑，復合在阻燃性聚苯乙烯等輕質隔熱材料的兩面，經加壓、修邊、開槽、落料而形成的板材，具有質輕、絕熱、防火、抗壓、抗暴性好、堅固耐用和外觀舒適等特點）、各類建筑模型、Anvik（Canada）建筑系統等方面。道路建設領域。EPS板材的隔熱保溫性，解決了川藏公路水凍層的技術難關。EPS也用來作為“填充”料或孔隙模，有助于解決橋梁、路堤、水壩、碼頭、港口中較差的地基帶來的問題。保溫和包裝業領域。用于制作可儲存各種冷熱食物

11、、飲料的容器；用于制作各種電器、家電產品、儀器儀表的包裝；用于制作蔬菜保鮮箱等；以及在糧油儲藏技術上的應用。近幾年，EPS最重要和最新奇的建筑應用之一是制作絕熱混凝土墻（ICF）。ICF的制造方法是，在兩層EPS端墻的間隙內澆筑混凝土，這樣既可以減少混凝土用量，減輕工作量，又可保證強度，使房屋建筑做到快捷、節能兩不誤3。這種EPS與典型的包裝成型法一樣，都是有模塑制成，但在模具內需插入一金屬或塑料片。這樣每塊EPS型塊都由兩片平行相向的EPS板組成，兩片之間的距離由插入片固定。型塊可以很快地組合在一起，一旦加入混凝土，成品就具有特別好的強度和絕緣性，聲音傳播測試也表明這種墻壁的隔聲性是普通墻壁

12、的3倍。1.2 國內外研究現狀及發展趨勢近年來，中國EPS產業在全球市場中占據著越來越重要的地位。據數據顯示，2013年全球EPS總產量為803萬噸，其中中國的產量就達到了360萬噸，占世界總產量的45%。換句話說，中國已成為全球EPS行業最大的生產基地。到2014年6月份為止，中國大陸地區EPS裝置的總產量約為425萬噸。而到2015年，我國EPS的年總產量已經在550萬噸以上。有關市場研究機構調查顯示，2015年我國EPS的表觀需求量約為280萬噸左右，因此國內產量過剩在一半以上，從這個方面來說，擴大出口是我國EPS產業發展的必然選擇。目前，中國這一龐大的市場正在吸引EPS國際主要出口商從

13、歐、美、日、韓等國轉移，國內EPS企業應抓住這一機會作好合理規劃，創造更大的產值4。 在全世界對EPS的研究逐漸深入的同時，科學家們對其許多方面的特性都掌握地越來越清晰，并且，將EPS用于濕軟路基中作為填料以防止路基不規則塌陷；在橋梁中應用而避免橋頭調車；在建筑物外墻中則可絕熱或保溫；用于高填方涵洞中用以減輕涵洞所受壓力等經典的先例。但在相關方面的研究仍顯不足，如EPS在工程作業的監測方面的探究；EPS輕質材料在實際使用場合中所受外力作用與其形變程度的線性關系等，使EPS材料厚度與填土高度、減荷工程效果有機結合起來，EPS用于建筑中時的表面改性的研究等等，另外，基于我國現今鐵路、高速公路建設總

14、長度的迅猛發展，EPS在山體隧道中的表現情況的研究的重要性也不言而喻，這將對我國未來的交通建設產生深遠的影響。第2章 自動泡沫成型機控制系統組成及主要功能確定2.1 自動泡沫成型機的工藝流程簡介EPS成型生產涉及原料選擇、管道及模具設計等諸多因素，一般而言，EPS成型依次分為以下幾個步驟：預發泡裝模成型整理烘干包裝入庫5。EPS成型工藝如圖2.1所示，根據不同制品的規格、尺寸、厚薄等因素控制加熱及水冷卻時間的長短；一般成型過程中，水冷卻時間占成型總循環時間的一半；如果有優質的相關原料的來源，EPS制品的脫模能力、成熟度、光滑性等參數將有明顯提升，并且其加工時間也能大大縮短。凸模移動合模鎖 模進

15、 料加 熱保 溫冷 卻開 模脫 模圖2.1 EPS成型工藝的一般過程EPS自動泡沫成型機主要由合模裝置、入料系統、加熱系統、冷卻系統、控制系統以及機架等組成。EPS自動泡沫成型機采用可編程控制器作為控制核心，控制EPS成型機的開模、合模、進料、加熱、保溫、冷卻、脫模、制品頂出等自動循環程序，具有較高的生產率與適應不同工藝要求的能力。2.2 自動泡沫成型機控制系統組成及工作原理2.2.1 自動泡沫成型機控制系統集成方案選擇對自動泡沫成型機控制系統集成方案的選擇，主要是從PLC、工控機、單片機三者在控制系統中的作用分析，進而得出最適合用于本臺自動泡沫成型機的控制元件。一下對三者作為工業設備中的控制

16、原件的優缺點作簡略的分析：PLC。優點：驅動輸入/輸出性能好，擴展能力強，價格易于接受，穩定性好，具備圖形化開發界面，近年來常見于各類現代工業設備中。缺點：只能處理單一任務。工控機。優點：工控機基于windows或linux操作系統，擁有友好的人機界面，CPU處理速度較快，可以實現多線程處理各類任務，資源豐富，可以搭載不同的PCI卡，可以實時采集各類數據信息，抗干擾能力強，并能防電磁干擾。缺點：價格昂貴，體積大，能耗也大。單片機。優點：單片機的體積較小，功耗及成本均較低，多用于消費品。缺點：抗干擾能力較差，只能處理單一任務，運算速度較其他控制元件較慢。因此，單片機在工業設備中的應用已逐步被PL

17、C取代。基于以上對三者的優缺點的分析，本文得出結論，應選擇PLC作為本臺自動泡沫成型機的控制元件。2.2.2 自動泡沫成型機控制系統組成整個控制系統組成包括：可編程控制器/PLC系統（Koyo光洋SN系列的SN64DR-A3型PLC）、觸摸式圖像操作終端機/人機界面（屏通系列PT-100-4型）、各類傳感器（溫度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器）、AD模塊以及加料機構、加熱系統、液壓系統、啟動系統等執行機構/系統。PLC選用Koyo光洋SN系列PLC（型號：SN64DR-A3）,部分參數列舉：DC輸入32點，繼電器輸出32點，定時器128點，計數器128點，最多可帶3個擴充模塊和一個特殊功能選件

18、板；擴展輸入/輸出模塊（型號：Z-16CDR1），為8點24VDC匯點/源輸入/8點繼電器輸出。 人機界面選用屏通觸摸屏（型號：PT-100-4），所選用的這型觸摸屏擁有1024×600解析度，65536色TFT真彩液晶屏，4線電阻式觸控面板，32位ARM926EJ-S中央處理器，3串口為COM1：RS232/422/485；COM2：RS422/485(A型）、RS232/485（B型）、RS232（C型）；COM3：RS232。綜其優點，該型觸摸屏較適合本臺自動泡沫成型機中人機界面的應用。 2.2.3 自動泡沫成型機控制系統工作原理以下簡述本次設計中自動泡沫成型機控制系統的工作原

19、理：用戶通過觸摸屏輸入相關指令，PLC接收并自動判斷來自觸摸屏的用戶相關指令，若用戶輸入指令可能導致危險或系統故障，則PLC發送信號至報警系統，報警系統工作；否則閥控模塊工作，繼續發送信號，經管路系統和液壓系統，至相應的執行機構（開模/合模裝置、進料系統、加熱系統、冷卻系統、頂桿等），執行機構工作，并反饋信號，經壓力傳感器、過載裝置信號調理及位置傳感器返回至PLC，PLC再反饋相應信息作出相應調整，以期加工出符合用戶要求的EPS產品。控制系統原理圖如圖2.2所示6。報警系統溫度傳感器執行機構PLC閥控模塊液晶觸摸屏管路系統液壓系統壓縮空氣蒸汽排氣引風關模加熱壓力傳感器位置傳感器圖2.2 控制系

20、統原理圖2.3 自動泡沫成型機各部分的動作流程 EPS塑料泡沫的基本成型工藝大致可以分為：預熱、開模/合模、加料、冷卻、脫模。整體過程大致如下：合模并預熱后，加料槍開始將EPS珠粒注入模腔內，氣室壁上開有小孔可供蒸汽通過并進入模腔內加熱，珠粒在模腔內被加熱后膨脹，互相擠壓并發生交聯反應，最終熔結成為整體制品。成型后，撤去蒸汽，通入冷卻劑冷卻制品，冷卻完成后，機器自動脫模頂出成品制品7。成型工藝原理圖見圖2.3。2.3.1 預熱預熱過程是在正式加熱珠粒之前先通入蒸汽到空模腔中，使模腔溫度上升的過程。若無預熱過程，高溫蒸汽在直接通入模腔的情況下，因遇到常溫的金屬模腔而發生冷凝現象，則模腔內出現液態

21、水，這將會阻礙發泡珠粒的熔結，并破壞最終產品的質量，因此要盡量避免冷凝現象產生，在本課題中使用蒸汽吹洗法對模腔進行預熱，預熱溫度控制范圍為90110。預熱時間由模腔內金屬含量及最終產品的要求決定。金屬量越高，預熱時間就越久；同時，還會隨著模腔內表面或者模型件數的增加而延長。蒸汽室蒸汽室蒸汽閥圖2.3 EPS制品成型工藝原理圖 2.3.2 開模/合模 開模。開啟模具，同時，排空閥、排泄閥工作。頂桿從頂出狀態縮進模腔內部，并保持狀態短暫時間（如圖2.4）。合模。合模過程中，為了避免發生碰撞，通常會通過形成開關控制油路的轉換來促使合模過程有一個速度漸變過程。空氣閥排泄閥頂桿圖2.4 開模動作結構圖

22、2.3.3 入料加料。加料分間隙式加料、無間歇式加料等方式，本課題使用的是無間隙式加料。在加料過程中，需保持真空閥開啟，排氣閥和排泄閥關閉。 回料。加料過程中，有可能發生加料過量的情況，此時就需要從加料管、料斗吹出壓縮空氣，將料管內所剩的余料吹回料斗，防止加熱過程中余料亦熔結而發生堵塞。 加料過程完成，加料槍關閉。2.3.4 加熱這是EPS成型過程中關鍵性的一步，加熱過程是否順利（是否均勻加熱整個模腔）關系到能否獲得充分熔合的制品成品，對于本課題中模腔壁厚在2mm左右的制件，可以使用蒸汽洗吹法。加熱過程大致可概括為：模腔壁上事先設有供蒸汽通過的小孔，高溫蒸汽從模腔后方的氣室進入模腔內并加熱珠粒

23、，在此過程中，模腔內氣壓需始終維持在0.080.15MPa，并且需要在珠粒完全熔融時達到最大值。加熱完成之后，隨著蒸汽停止通入和排氣過程開始，模內壓力逐漸變小。壓力控制得過高，反而會出現表面過熱而使制品出現過度收縮等缺陷。2.3.5 冷卻常用的冷卻方法有水冷、常壓冷卻和真空冷卻。水冷時間長，模具逐漸變冷，冷卻水不能蒸發，達不到干燥成型、節省能源的目的。經過水冷方式成型的制品，可提高整體舒適度，并且產品的強度也會隨之提升。真空冷卻時間一般較短，有的甚至只需23s即可。本課題選用水冷作為模具的冷卻方式。2.4 本章小結本章主要分為以下幾部分進行敘述：自動泡沫成型機的工藝流程概述，各工藝動作詳述，控

24、制系統工作原理以及相應的硬件選型，等。自動泡沫成型機主要工藝流程可分為開模（預熱）-進料-合模-加熱-保溫-冷卻-脫模（開模）。整個控制系統主要可分為PLC、人機界面、蒸汽管路系統、壓縮空氣管路系統及液壓系統等若干部分。其中PLC選用Koyo光洋SN64DR-A3型PLC，人機界面選用屏通PT-100-4型觸摸屏。第3章 自動泡沫成型機硬件組成3.1 控制系統基本配置 3.1.1 可編程控制器（PLC）的選擇 當今市場上，有許多PLC設計及制造方面的知名品牌，如三菱、施耐德、GE-Fanuc、歐姆龍、西門子、光洋等，PLC的型號也數不勝數，但是各類PLC都具有其自身的優缺點。下面，我僅結合我自

25、身對PLC的了解對PLC的功能特點作簡略闡述：PLC作為一種通過數字運算的電子化操作系統，是隨著工業環境的需要應運而生的。通過可編程儲存器，使得PLC可以直接儲存執行邏輯運算、定時、計數以及算術運算等相關操作指令。再附以AD/DA模塊，PLC還可借由數字量、模擬量的輸入與輸出來完成控制類種類型的機械或生產過程。以下對行業內統一的PLC的設計原則作簡要說明，PLC及相關設備的設計，都應遵循易于與工業控制系統形成一個整體，易于拓展功能的原則設計。按照組成結構的差異區分，PLC可分成整體式和組合式（模塊式）兩類。顧名思義，整體式PLC是一個不可拆卸重組的完整元件，其內部包含的部件有CPU、I/O模塊

26、、顯示界面、內存條、電源供應等。模塊式PLC在整體式的基礎上增加了底板或機架，而去除了顯示界面，用戶可按照一定規則自由組裝這些部件8。前面也介紹過，PLC相較于單片機或則工控機，有其獨特的優勢，具體如下9:抗干擾能力強，可靠性高。作為精密電器控制單元，最重要的性能之一就是高可靠性。PLC之所以具有其他系統所不及的可靠性，是因為其采用現代大規模集成電路技術,采用嚴格的生產工藝制造,內部電路采取了先進的抗干擾技術。在應用軟件中,應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序,使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。因此，使用PLC作為控制單元將極大地提高整個設備或系統的可靠性。配套齊全、功

27、能完善、實用性強。時至今日，PLC已經發展出了各種規模的系列產品，可以應用于各種工業控制場合。除了邏輯處理功能以外,PLC大多具有完善的數據運算能力,可用于各種數字控制領域。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展,使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。易學易用。PLC是面向工礦企業的控制設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，即使不熟悉電工電子電路，不了解計算機匯編語言的工作人員也可以快速學習與操作。起初，我想選用西門子系列的PLC來應用于該臺泡沫成型機，因其性能優越、功能強大、配置靈活方便，但是，我也發現其有一個嚴重的缺

28、點，就是價格相對較高，要應用在該課題中難度較高；同時，我也發現光洋系列PLC功能豐富、可靠性比較穩定，而且編程容易，價格也易于接受，可以較好地替代西門子，作為該臺泡沫成型機的控制元件。本次設計中，需要16各輸入點，24個輸出點，共40點，基本單元保留余量20點，且要求性能穩定，通信速度相對較快。PLC的I/O接線圖如圖3.1所示10。圖3.1 成型機PLC的I/O接線圖因此，在比較了多種PLC與傳感器之間的通信速度之后，并結合上述的各項要求，我選擇了Koyo光洋公司的PLC產品。在確定具體型號時，我主要根據本課題中所需的輸入/輸出點數要求，經過反復地對比，最終選擇了SN64DR-A3型號的PL

29、C，該型PLC有DC輸入32點/繼電器輸出32點的最大I/O構成。表3.2 SN系列PLC參數11項目規格I/O傳送方式存儲程序、循環執行成批傳送編程語言梯形圖、級式共用指令種類、控制方式邏輯控制指令43種、程序控制指令15種數據處理指令82種、特殊功能指令6種處理速度邏輯控制指令0.45微秒數據處理指令1.3微秒程序容量用戶程序7.5K語+系統參數0.5K語輸入線圈（I）/輸出線圈（O）256點/256點中間線圈（M）640點級（S）512點定時器（T）128點計數器（C）128點特殊線圈（SP）128點定時器經過值寄存器（R）128字計數器經過值寄存器（R）5120字數據寄存器（R）128

30、字特殊寄存器（R）768字累加器（ACC）32Bit×1個數據堆棧32Bit×1個3.1.2 觸摸屏的選擇在本課題的自動泡沫成型機控制系統設計研發中，人際界面是必不可少的，它是用戶向系統發送指令的工具，溝通用戶和系統的橋梁，本課題采用觸摸屏來實現這一功能。關于觸摸屏的詳細介紹如下：觸摸屏是一種最新的電腦出入設備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設備。為了增加操作上的方便，在工業控制設備中，人們多使用觸摸屏來代替鼠標和鍵盤作為輸入設備。工作時，首先用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統根據手

31、指觸摸的圖標或菜單位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成。觸摸屏檢測部件安裝在顯示器屏幕前，用于檢測用戶觸摸位置，接收后輸送到觸摸屏控制器；而觸摸屏控制器的主要作用，是從觸摸點來檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再傳輸給CPU，它同時能接收CPU發來的命令并加以執行12，13。在本次設計中，我選擇使用屏通系列的PT-100-4型觸摸屏。該系列產品實現了圖像、運算、通訊全方位的高速化。減少了畫面操作的重復；更具豐富的表現力，高清晰、高視角LCD液晶屏；該觸摸屏的優點有：高速顯像。可清晰地設定出復雜且重疊的不同的部件畫面與照片數據；高速運算。內置數據處理器，內置

32、的數據處理器實現了高速運算功能，使其操作更為快捷簡便。無論是連接三菱、西門子PLC，還是其他廠商的PLC都可實現高速通訊。表3.3 屏通PT-100-4觸摸屏參數型號PT-100-4解析度1025×600液晶屏TFT真彩，65536色背光壽命20000小時液晶屏亮度（cd/m2）250觸控面板4線電阻式中央處理器ARM926EJ-S 32位圖形加速器2D引擎圖形加速器程序閃存8MB程序擴充閃存128MBUSB1主（后置USB2.0),1客（后置USB2.0）串口COM1：RS232/422/485；COM2：RS422/485(A型）、RS232/485（B型）、RS232（C型）；

33、COM3：RS232（接表3.3）輸入電壓24VDC±10%開機功率20W面板尺寸（寬×高，mm）270.1×212.1開孔尺寸（寬×高，mm）259.5×201.5 3.1.3 各類傳感器該自動泡沫成型機的各項數據，包括預熱、加熱環節時所需的溫度；進料時模腔內所受壓力所反映的進料量；脫模時頂桿是否成功將成型件頂出等參數，都需要各類傳感器收集數據，然后再通過AD模塊把模擬量轉變為數字量傳遞給PLC處理。溫度傳感器。在本次設計中，需要實時監測在預熱、加熱環節中模腔內的溫度，因此必不可少的需要用到溫度變送器來采集溫度模擬量，并通過AD模塊轉變為數字

34、量，傳送到PLC進行分析。若在正常范圍內，則系統正常運行；若超出正常范圍，則PLC發送信號至報警系統，提醒工作人員注意安全并及時維修。溫度采集處理單元由溫度傳感器、熱電阻全隔離信號調理器等組成。溫度傳感器采用鉑熱電阻Pt100。因此我選擇了SBWR/Z系列溫度變送器。SBWR（熱電偶）/Z（熱電阻）系列溫度變送器有一下顯著優點：1、具有高精度冷端補償電路，全溫度范圍絕對誤差在±0.5之內；2、擁有先進的非線性校正電路，輸出信號與被測溫度呈線性關系；3、附有特殊的控熱機構，有效地控制熱傳導作用；4、應用面廣，既可與熱電偶、熱電阻形成一體化現場安裝機構，也可作為功能模塊安裝在監測設備中。

35、具體參數如下：基本誤差：±0.1%FS、±0.2%FS、±0.5%FS；環境穩溫度變化影響：0.2級：0.02%FS/；0.5級：0.02%FS/；輸出信號：420mA，電源、輸出二線制傳輸；負載電阻：0600；供電電源：1236VDC；工作環境：（1）環境溫度：-2585（普通型溫度變送器） -30120（高溫環境溫度變送器） -2060（防爆型溫度變送器） （2）相對濕度：595%RH，無冷凝。壓力傳感器。在本次設計中，亦需通過壓力傳感器來監測模腔內部所受壓力，進而反映出模腔內的進料量。隨著進料量逐漸增加，模腔內部所受壓力也相應變大，通過壓力傳感器傳遞到PLC

36、，當達到規定值時，PLC控制進料系統停止進料，并進行后續動作。在參閱了眾多壓力變送器說明書和結合本課題實際需求之后，我選擇了Rosemount3051-T型智能壓力變送器。它由傳感器和電子線路板兩部分組成，傳感器部分包括：敏感元件、直接數字電容電路、溫度傳感器和特征化EEPROM等組成；電子線路板部分包括：微處理器、數/模信號轉換器、數字通信和存儲器EEPROM等幾部分組成，完成壓力信號到420mA DC的轉換。其特點是：1、采用了微處理器從而使靈活性增大、功能增強；2、零點和量程調整互不影響；3、傳感器內帶非易失性存貯器；4、穩定性能好、精度高、阻尼可調、抗單向過載能力強；5、數字式集成電路

37、設計減少了零件數與機械互連件，因為改善了性能的可靠性。具體參數如下：輸出信號：420mA輸出疊加HART協議數字信號（兩線制）；電源：外部供電：24VDC，（電源范圍12V45V）；相對濕度：0100%；阻尼：時間常數在0.216s之間可調；過程接口：法蘭連接螺紋1/4-18NPT（錐管螺紋） 接頭連接螺紋1/2-14NPT（錐管螺紋）或M20×1.5平行螺紋；電氣接口：用1/2-14NPT帶螺紋端導線管及接線端子和配套的試驗片；啟動接口：3s，無需加熱。位置傳感器。除了以上兩種傳感器之外，本次設計中也要用到位移傳感器來監測脫模時頂桿是否成功將成品件頂出模腔，因此，位置傳感器也在考慮

38、范圍之內。制品成型之后，模腔打開，頂桿開始將成品件頂出，該過程中壓力傳感器實時監測頂桿位移距離，并通過AD模塊轉換后傳送至PLC，PLC分析后控制頂桿繼續頂出或縮回，并進行下一輪動作。在上網搜索了位置傳感器的相關信息之后，我選擇了上海極典電子有點公司生產的GD19通用型直流LVDT位移傳感器。其特點：1、內置放大器的一體化結構，抗干擾能力強；2、無滑動觸點，可靠性高，使用壽命長；3、分辨率高，響應頻率高，重復性好。該型位移傳感器具體參數如下：外徑：國際通用19mm（0.75inch）；量程：02.5mm至0500mm；輸出信號：420mA，05V/1030VDC，010V/1530VDC，0.

39、54.5V/5VDC；工作溫度：-4085；最大負載電阻：800，30VDC（電流輸出型）；3.1.4 AD模塊模/數轉換（A/D）模塊的功能是將現場儀表輸出的（標準）模擬量信號0-10mA、4-20mA、1-5VDC等轉化為計算機可以處理的數字信號。AD模塊通過傳感器接收到的模擬量傳給PLC，然后經過PLC的分析做出準確的指令。在本次設計中一共用到了壓力傳感器、溫度傳感器和位置傳感器三個傳感器，其中壓力傳感器自帶模/數信號轉換器，因而可以直接輸出數字量信號至PLC，而溫度傳感器和位置傳感器則不具有模/數信號轉換器，輸出的是模擬量信號，因而需要AD模塊來實現傳感器和PLC的對接。在Koyo的S

40、N系列PLC的特殊模塊中，正好有F2-04AD這一模塊。F2-04AD為4通道12位A/D轉換模塊，根據外部連接方法及PLC指令，可選擇電壓輸入或電流輸入。V1/I1COM V2/I2F2-04AD溫度傳感器位置傳感器圖3.4 F2-04AD與傳感器接線圖3.2 各執行系統 本次設計中，除了PLC、人機界面、傳感器等控制系統硬件之外，還需一系列執行機構/系統來執行相應的動作，下面分別對本臺自動泡沫成型機的其他硬件參數及工作原理作詳細闡述。3.2.1 模腔結構模腔的整體結構為長方體形，由上下板、前后板、左右板圍成，內襯為不銹鋼板，上面開有小孔和通氣槽，模腔內部還有可以將產品頂出的頂桿，用于在加工

41、完成時將產品頂出。模板采用焊接結構，焊后進行時效處理。氣室的深度一般為2530mm。模腔利用液壓缸從前側面打開，板材橫向推出，模腔只開一面，且為雙道密封膠條密封，減少了蒸汽泄漏，利于產品成型，從而加大了設備的安全系數。此時，模腔內部的頂桿將成品制件從模腔內頂出。3.2.2 加料系統本課題的加料系統主要是指自動加料槍，加料方式采用負壓加料，如圖3.5所示。因為加料槍根據“伯努利原理”將料吸入模具，所以為了保證進料過程順利，不出現堵料情況，加料槍的進氣管需選擇合適的口徑，并盡量使進氣管內的氣流流速增大；另一方面也要根據產品的厚薄、大小來具體選擇14。1-氣缸；2-三通；3-夾板；4-銅套；5-O型

42、圈；6-活塞；7-聚四氟乙烯圈；8-鎖緊螺母；9-螺栓；10-鎖緊螺母；11-接管；12-氣管接頭；13-氣缸桿圖3.5 EPS自動成型機加料系統（加料槍） 該加料槍的加料工作過程主要如下：當活塞6退到三通2的后部時，進氣孔開始進壓縮空氣，在其前面一段料道中形成負壓區，并且在此過程中引風機也對板機的模腔抽負壓，促使EPS原料便以很快的速度進入模腔，同時在后續加熱過程中所需的空氣也一并進入到模腔中。用自動進料槍作進料機構的優點是，這樣可以使得充料縫隙均勻，且自動化程度較高，工人勞動強度降低，生產文明。3.2.3 加熱系統與冷卻系統本次設計的EPS自動泡沫成型機的整個管路系統主要就是由加熱系統和冷

43、卻系統構成。冷卻方式可分為常壓冷卻、真空冷卻和水冷等幾種方式。考慮到成本問題以及冷卻效率問題，本次設計采用水冷方式作為冷卻方式。在成型原理上采用EPS穿透加熱成型工藝，分三次加熱和保溫，用這種加熱方式具有穿透能力強、粘接性好、成型速度快、用蒸汽量少、板材表面平整、節省能源，加熱工藝可隨時通過閥門來改變管路而調整等優點。加熱蒸汽管路系統及壓縮空氣管路系統的工作原理圖見圖3.6所示。圖3.6 加熱蒸汽管路系統及壓縮空氣管路系統工作原理圖3.2.4 液壓系統EPS自動成型機中的液壓系統的主要作用是控制模板的開合、插銷的開關以及成型板材的頂出等動作。液壓系統由油缸、油管、液壓泵、液壓電磁閥等部件組成。

44、圖3.7為本次設計中EPS成型機的液壓系統工作原理圖。圖3.7 液壓系統工作原理圖3.2.5 氣動系統氣動系統主要完成一下幾項功能：控制閥門的關閉、自動進料槍的開關、脫模、吸料等功能，換句話說，該EPS自動成型機從加料、加熱直至最終成型都離開氣動系統。但是氣動系統與液壓系統相比具有穩定性差、沖擊力大、鎖模力小等缺點，因此，為保障設備的可靠性和安全性，本課題中采用液壓系統進行鎖模與開/關模工作，啟動系統只控制自動加料槍的開關、吸料等工作。3.2.6 安全保護系統電接點壓力表控制的安全裝置本次設計電壓點壓力表共有六塊，其中電控箱上有三塊分別控制加熱I、加熱II、加熱III，當壓力達到指定值時，指針

45、觸電接觸，進氣閥門關閉，進行下一個動作。板機上有兩塊電壓點壓力表起限壓保護作用，分別限制左右型腔及周邊型腔的壓力，將其內壓力控制在0.10.11MPa以內。當任意型腔超過0.11MPa時，板機所有進氣閥關閉，排氣閥及空冷閥全部打開，板機型腔內氣壓降低，確保模腔內壓力不超過最高限值。安全閥控制的機械式安全裝置在本次設計中，我打算在成型機的主進氣管道上安裝全啟式安全閥，設置其開啟壓力為0.12MPa，在板機型腔超壓，電接點壓力表失靈的情況下，可以起到保護作用，使壓力短時間內維持穩定，從而提供操作者以足夠的時間來緊急關閉蒸汽主閥。安全閥必須定期到有關部門檢驗，檢驗周期定為每季度一次，為進一步確保安全

46、，在設備停機超過15天時，在運轉之前必須安全校檢。電氣控制的安全裝置電氣裝置的其中一個作用就是在加熱之前必須使模腔處于鎖緊狀態，并且加熱I、加熱II、加熱III各個過程時間都有PLC程序控制，一旦達到加熱時間，進氣閥立即關閉，從而確保在前兩項保護措施失效的情況下仍不至于造成重大安全事故。3.3 控制系統外部接線圖本次設計的系統硬件組成除了PLC、觸摸屏、傳感器等基本配置和加料系統、液壓系統、氣動系統、安全保護系統等執行系統之外，還包括必要的控制系統外部接線圖。接線圖是根據電氣設備和電器元件的實際位置和安裝情況繪制的，用來表示電氣設備和電器元件的位置、配線方式和接線方式，其所描繪的成套裝置、設備

47、或裝置的電路連接關系15。本次課題中所用到的外部接線圖（電氣原理圖、基板布局圖）詳見附錄一。3.4 本章小結 本章主要介紹了PLC、觸摸屏、傳感器等控制系統硬件的選型以及進料系統、加熱系統、冷卻系統、安全保護系統等執行系統的硬件組成及主要功能，并在3.3節中給出了本次設計中的EPS自動泡沫成型機的電氣原理圖與基板布局圖。第4章 控制系統人機界面設計4.1 人機界面的簡單介紹 人機界面（Human-Machine Interface),是人與機器進行交互的操作方式，即用戶與機器互相傳遞信息的媒介，其中包括信息的輸入與輸出。好的人機界面美觀易懂、操作簡單且具有引導功能，使用戶感覺愉快、增強興趣，從

48、而提高使用效率。4.1.1 關于人機界面計算機系統是由計算機硬件、軟件和人共同構成的人機系統，人與硬件、軟件結合而構成了人機界面，如圖4.1所示。其工作過程是：人-機界面為用戶提供觀感形象（look and feel），支持用戶應用知識、經驗、感知和思維等獲取界面信息，并使用交互設備完成人-機交互，如向系統輸入命令、參數等，計算機將處理所接受的信息，通過人-機界面向用戶回送相應信息或運行結果。人機界面人硬件軟件圖4.1 人-計算機系統的組成示意圖隨著信息社會的發展，人們生活水平的提高以及審美情趣的變化，各種器具和技術日益涌現，對人機界面設計也提出了越來越高的要求。就當今趨勢而言，人機界面設計的

49、可能發展方向可分為以下幾點。高科技化信息技術的革命，帶來了計算機業的巨大變革。計算機越來越趨向于平面化、超薄型化；輸入方式已經由單一的鍵盤、鼠標輸入，朝著多通道輸入發展。追蹤球、觸摸屏、光筆、語音輸入等競相登場；藍牙等技術的出現，改變了接口方式；多媒體技術、虛擬現實及強有力的視覺工作站提供了真實、動態的影像和刺激靈感的用戶界面。在計算機系統中，各種技術各顯其能，使產品的造型設計更加豐富多彩，變化紛呈。自然化早期的人機界面很簡單，人機對話使用的都是機器語言。由于硬件技術的發展以及計算機圖形學、軟件工程、人工只能、窗口系統等軟件技術的進步，圖形用戶界面（Graphic User Interface

50、)/直接控制（Direct Manipulation）、“所見即所得”（What you see is what you get）等交互原理和方法相繼產生并得到了廣泛應用，取代了舊有“鍵入命令”式的操作方式，推動人機界面自然化向前邁進了一大步。然而，人們不僅僅滿足于通過屏幕顯示或打印輸出信息，還進一步要求能夠通過視覺、聽覺、嗅覺、觸覺以及形體、手勢或口令，更自然地“進入”到工作空間中去，形成人機“直接對話”，從而取得“身臨其境”的體驗。人性化現代設計已經從功能主義逐步走向了多元化和人性化。今天的消費者紛紛要求表現自我意識、個人風格和審美情趣，反映在設計上亦使產品越來越豐富、細化，體現一種人情味

51、和個性。它一方面要求產品功能齊全、高效，適于人的操作使用，另一方面又要滿足人們的審美和認知的精神需要。20世紀最偉大的10中人機界面裝置：擴音器、按鍵式電話、方向盤、磁卡、交通指揮燈、遙控器、陰極射線管、液晶顯示屏、鼠標/圖形用戶界面和條形碼掃描器16。4.1.2 人機界面的設計人機界面的設計必須考慮到很多方面，一個好的人機界面必然是兼顧認知心理學、人機工程學、藝術設計、色彩設計等多個方面的。了解并遵循認知心理學的原理是進行人機界面設計的基礎。人機界面設計，主要用理論來指導設計，一方面防止出錯，另一方面用以提高工作效率。為了提高人機界面設計的水平，增強用戶與計算機之間的友好程度，必須對用戶，即

52、使用計算機的人，有一個較為清晰的認識，也就是說對人的心理基礎要有所了解。既要了解人的感覺器官（視覺、聽覺、觸覺）是如何接受信息的，也要了解人是怎樣理解、處理信息的，以及學習記憶有哪些過程，人又是如何進行推理的等。由此，盡量使自己的設計適應于人的自然特性，以使設計的系統滿足用戶的要求。與認知心理學相比，人機工程學（Ergonomics）更多地從人本身和系統的角度出發，研究人機關系。它是人機界面學的初期發展階段的主要研究內容，并對人機界面學以后的發展產生了重大的影響。從這個意義上說，它與用戶認知心理學起著異曲同工的作用。人機工程不同的命名充分體現了該學科是“人體科學”與“工程技術”的結合。實際上，

53、這一學科就是人體科學、環境科學不斷向工程科學滲透和交叉的產物，它是以人體科學為“一肢”；以環境科學為“另一肢”，而以技術科學為“軀干”，形象地構成了本學科的體系。從人機工程學的構成體系來看，它是一門綜合性的邊緣學科，其研究領域是多方面的。藝術設計是一種特殊的審美活動，包括藝術設計創作、藝術設計作品和藝術設計欣賞的整個過程。藝術設計學研究這個過程的一些主要環節，如藝術設計構思、藝術設計構思的物質體現，以及作為藝術設計主題的設計師在設計中的作用等。此外，還要研究設計風格的內涵、表現形式和發展等。藝術設計創作過程“消融”在藝術設計作品中，反映在界面上，主要體現為硬件界面和軟件界面。這些作品的使用價值

54、體現在用戶的消費和使用之中，它的文化價值也只有在使用、欣賞過程中才能實現。色彩對人的心理和生理作用，是客觀物質世界對人的主觀反映。色彩給人以刺激，引起一定的生理變化，伴隨著會產生一定的心理活動；同樣，一定的心理活動，也會產生一定的生理變化。科學家的實驗證明，和諧美麗的色彩，會使人分泌一種有益生理健康的物質，可以協調人的血液流量和神經通絡，使人生機勃勃，精神愉快17。4.2 操作面板界面設計 人機界面的設計部分，可以通過觸摸屏來實現。第三章中已經通過比較選擇出了PT-100-4型觸摸屏作為本課題的人機界面，所以選用的觸摸屏編程軟件也是屏通公司的PM Designer軟件，該軟件出了具有市面上常用人機界面編輯軟件的大部分功能外，還增加了很多特有的新功能方便設計者使用，可充分發揮使用者的想象力，是一款多數設計者都給予好評的人機設計軟件。4.2.1 主操作界面圖4.2 PM Designer人機界面主操作界面如圖4.2所示，人機界面主操作面板大致由三部分組成，位于屏幕中間的是一個往復移動的浙江科技學院Logo；第二部分是居于屏幕左側及下方的表格，分別顯示了時間、泡沫成型機的工作時間、產量和該臺成型機的PLC型號、觸摸屏型號等相關信息；第三部分是位于屏幕頂端的一系列畫面按鈕，分別是“首頁面（主操作界面）”、“流程”、“手動”、“工藝”、“設定”、“中間”、“故障”、“保存”、“監控”和“