一種差壓鑄造設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)

徐東明,王綿綿

（長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林長(zhǎng)春，130022）

一種差壓鑄造設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)

徐東明,王綿綿

（長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林長(zhǎng)春，130022）

充分分析差壓鑄造特點(diǎn)及應(yīng)用條件的基礎(chǔ)上，給出了基于工控機(jī)控制的差壓鑄造設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)解決方案，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)接口技術(shù)，使差壓鑄造設(shè)備自動(dòng)化程度得到提高。

差壓鑄造；自動(dòng)控制系統(tǒng)；工控機(jī)

近年來，隨著工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)差壓鑄造設(shè)備的控制可靠性、準(zhǔn)確性、便捷性均提出了更高的要求。因此，本文對(duì)差壓鑄造設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 差壓鑄造特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

因差壓鑄造金屬液是在一定壓力下充型，從而衍生出一系列有利于獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的因素:1）可獲得致密的鑄件；2）獲得無針孔、少針孔的鑄件；3）最佳的充型速度；4）最優(yōu)質(zhì)的充型金屬液，可避免外來夾雜物進(jìn)入型內(nèi)；5)可提高鑄件力學(xué)性能。與低壓鑄造相比，差壓鑄造的鑄件材料的抗拉強(qiáng)度可提高10～50%，伸長(zhǎng)率可提高25～50%；6)能用氣體作為合金元素，高壓下能提高氣體溶解度，故可往一些合金（如鋼）中溶入N2，提高合金強(qiáng)度和耐磨性能；7）鑄件尺寸精度與表面質(zhì)量改善，不會(huì)引起鑄型的變形或使鑄件表面機(jī)械粘砂。

差壓鑄造除了可用砂型外，也可用金屬型。單件、小批量生產(chǎn)時(shí)可用砂型，生產(chǎn)批量大時(shí)，可用金屬型。鑄件重量可從小于1kg至100kg以上。目前國(guó)內(nèi)最大鑄造直徑540mm、高度890mm、壁厚8～10mm的大型復(fù)雜薄壁整體艙鑄件。可鑄造的合金有鋁合金、鋅合金、鎂合金、銅合金及鑄鋼等。生產(chǎn)的鑄件有電機(jī)殼、閥門、葉輪、氣缸、輪轂、坦克導(dǎo)輪、船體等。在壓力鑄造機(jī)上生產(chǎn)受投影面積或壁厚限制的鑄件均可用差壓鑄造法生產(chǎn)。差壓鑄造技術(shù)還可應(yīng)用到注塑機(jī)上生產(chǎn)泡沫塑料結(jié)構(gòu)件，通過發(fā)泡劑的加入量和壓力控制生產(chǎn)出不同厚度的表面致密層。

由此可見，差壓鑄造技術(shù)的應(yīng)用范圍在逐漸拓展，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也越來越廣泛，有必要結(jié)合目前先進(jìn)的信息技術(shù)提高差壓鑄造設(shè)備的自動(dòng)化水平。

2 差壓鑄造設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 總體設(shè)計(jì)

差壓鑄造設(shè)備計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)通過工控機(jī)作為控制中心，對(duì)實(shí)際采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)按照工藝要求調(diào)整、修正各種工藝參數(shù)，傳遞最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制操作，保證了工藝過程始終保持在最優(yōu)狀態(tài)。在整個(gè)過程中，不僅有參數(shù)的設(shè)定還有模擬量與數(shù)字量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集以及采集數(shù)據(jù)的PID及工作過程的監(jiān)測(cè)處理，因此采用具有一定處理能力、穩(wěn)定性好且人機(jī)界面美觀的工控機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，控制板輸入信號(hào)有4種，模擬量輸入輸出、開關(guān)量輸入輸出。其中，模擬量輸入信號(hào)主要來自溫度和壓力變送器；模擬量輸出加放大驅(qū)動(dòng)后驅(qū)動(dòng)比例閥以便實(shí)現(xiàn)壓力控制；開關(guān)量輸入用于按鍵、壓力報(bào)警的輸入；開關(guān)量輸出用于控制電磁閥、加熱器及報(bào)警指示燈等外部設(shè)備。

為使系統(tǒng)具有高的穩(wěn)定性及可靠性，系統(tǒng)的輸入輸出都采用了隔離措施。輸入隔離采用的是光電耦合器，輸出隔離采用的是繼電器。

由于控制系統(tǒng)的控制工作不很多，因此對(duì)工控機(jī)的速度及內(nèi)存等無特殊要求，一般市售工控機(jī)均可滿足要求。數(shù)據(jù)采集卡采用北京中泰研創(chuàng)科技有限公司的PCI-8335A。其主要功能如下所示。

●ADC模擬量輸入通道數(shù)：?jiǎn)味?2路，雙端16路，16bit，250kHz;

輸入電壓范圍（跳線選擇）：4V，5V，10V，±3.33V，±5V，±10V

●DAC模擬量輸出通道數(shù)：?jiǎn)味?路,5V,12bit,10us

●I/O開關(guān)量部分：16路輸入，16路輸出，TTL電平

從上述參數(shù)可以看出，該卡雖然開關(guān)量輸入輸出為TTL電平，在工業(yè)控制中有些薄弱外，由于具有較多的模擬量輸入輸出口及數(shù)字量I/O，因此增加一些隔離及驅(qū)動(dòng)措施基本滿足控制系統(tǒng)的要求。

圖1 差壓鑄造設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)總體框圖

3 差壓鑄造氣路控制系統(tǒng)控制過程

系統(tǒng)的控制過程是：在澆鑄開始時(shí)，將氣源閥門打開，在過濾減壓處理?xiàng)l件、氣源內(nèi)的壓縮空氣壓力及溫度滿足正常工作時(shí)，控制壓縮空氣通過進(jìn)氣閥與管道進(jìn)入壓力密封容器，根據(jù)相應(yīng)的工藝參數(shù)，控制比例閥進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)管道中氣體流量的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)密封容器內(nèi)壓力的控制。當(dāng)結(jié)晶之后，將排氣閥打開，卸除密封容器壓力，最終實(shí)現(xiàn)澆鑄。

在系統(tǒng)工作過程中，始終監(jiān)視系統(tǒng)的多點(diǎn)溫度及壓力，且各種電磁閥等操作均可隨時(shí)改為手動(dòng)控制。

3.1 氣路控制系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)某種程序動(dòng)作的氣動(dòng)控制系統(tǒng)要求是一個(gè)回路，具體包括以下五個(gè)組成部分：一是氣壓發(fā)生裝置，主要指空氣壓縮機(jī)及儲(chǔ)氣罐；二是進(jìn)氣控制等執(zhí)行元件，其中包括電磁閥及壓力密封容器等；三是傳感元件，包括壓力、溫度傳感器與變送器；四是放氣控制元件，包括各種壓力、流量控制閥等；五是輔助裝置，包括油水分離器、管道及減壓閥等。

3.2 控制算法及系統(tǒng)說明

壓差鑄造控制系統(tǒng)屬于恒值控制系統(tǒng)，即按照不同產(chǎn)品要求控制氣壓保持一定時(shí)間的恒定。控制算法采用PID控制算法，由于微分量主要是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，降低系統(tǒng)的超調(diào)量，而該系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度較快超調(diào)不大，因此實(shí)際采用PI算法。其中比例及積分系數(shù)需要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際狀況進(jìn)行整定。

氣路調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理也是普遍采用的反饋控制，即把變送器反饋回來的控制量和給定值比較，得到誤差信號(hào)，對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 差壓鑄造氣路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制器輸出的控制量在相應(yīng)變化的條件下，轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)閥可以接受的控制信號(hào)，再將其向調(diào)節(jié)閥輸入，繼而調(diào)節(jié)閥將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為操作信號(hào)，使調(diào)節(jié)閥開度變化，從而使控制對(duì)象的氣體流量發(fā)生相應(yīng)變化。

目前常用的幾種調(diào)節(jié)閥主要有氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及數(shù)字閥等比例閥。因?yàn)闅鈩?dòng)薄膜閥慣性與滯后性都比較強(qiáng)，造成氣動(dòng)薄膜閥對(duì)氣路系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)響應(yīng)不快，控制精度不高。因此，目前在氣路控制系統(tǒng)中采用的是電動(dòng)比例閥來控制，這樣既提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，又使系統(tǒng)成本得到有效控制。

4 系統(tǒng)的軟件及系統(tǒng)穩(wěn)定工作措施

本設(shè)計(jì)中工控機(jī)的控制部分主要有差壓鑄造主機(jī)、控制臺(tái)、供氣模塊、加熱模塊、控制柜、管路等部分構(gòu)成。由于不同的產(chǎn)品需要不同的工作參數(shù)，而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、參數(shù)設(shè)定、手動(dòng)控制等數(shù)據(jù)顯示等功能PLC有些力不從心，因此采用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)主控是合理的選擇。

在差壓鑄造設(shè)備中，工控機(jī)在整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中具有核心地位，其主要作用就是控制采樣、數(shù)據(jù)計(jì)算、顯示、處理等。其穩(wěn)定性很大程度上決定著設(shè)備的穩(wěn)定性，也深刻影響著鑄件質(zhì)量。雖然工控機(jī)在設(shè)計(jì)制造時(shí)已經(jīng)在可靠工作方面下了一番功夫，但畢竟其組成復(fù)雜，內(nèi)部有硬盤等機(jī)械機(jī)構(gòu)，因此和PLC相比可靠性還是稍遜一籌，實(shí)際工作中，將工控機(jī)放到恒溫機(jī)房中并配備UPS等裝置，為工控機(jī)創(chuàng)造一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境。

為了提高工控機(jī)的數(shù)字量輸入輸出的抗干擾能力，使用相互隔離的兩種電源，增加了信號(hào)的電氣隔離等措施同時(shí)，還把系統(tǒng)加熱模塊、混氣及濾水除濕裝置、空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐等；壓力儀表、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、線路及電磁閥、管路等各種元器件集中安置在控制柜中降低干擾。模擬量數(shù)據(jù)采集都采用抗干擾能力強(qiáng)的變送器，使模擬信號(hào)都變成4-20mA的電流傳輸。

5 結(jié)論

在分析了差壓鑄造工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了工控機(jī)控制的差壓鑄造設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)，較好地保證了差壓鑄造過程中鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量，望本研究能夠?yàn)椴顗鸿T造設(shè)備領(lǐng)域及其他自動(dòng)控制領(lǐng)域中提供借鑒。

[1]許昊,彭立明,安擁軍,丁文江. PLC在差壓鑄造設(shè)備氣路控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 特種鑄造及有色合金,2009,02:141-143+94.

[2]李瑞霞,周麗. 差壓鑄造設(shè)備計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].熱加工工藝,2015,17:70-71+75.

徐東明，男，1964年4月，計(jì)算機(jī)控制方面，工程師；王綿綿，長(zhǎng)春理工大學(xué)，光電工程學(xué)院，研究生。

Automatic control system of a differential pressure casting equipmentIndustrial Personal Computer

Xu Dongming,Wang Mianmian
（Changchun University,Jilin Changchun,130022）

On the basis of analyzing characters and application conditions of differential pressure casting,this thesis demonstrates a solution to differential pressure casting automatic control,which is based on IPC.By using computer automatic control techniques and computer interface technology,the automation of differential pressure casting equipment is greatly improved.

differential pressure casting; automatic control system;IPC

TG248

A