TM800液面加壓控制系統的數字組合閥

張爽

摘 要：本文以某公司TM800型低壓鑄造機為控制對象，針對低壓鑄造機的澆鑄工藝對液面壓力和模具溫度的控制要求，進行低壓鑄造機自動控制系統硬件和軟件的設計。同時，對低壓鑄造的澆鑄過程進行研究，建立其數學模型，并應用這個數學模型對控制系統進行仿真。

關鍵詞：鋁合金輪轂；低壓鑄造；技術革新

1 數字組合閥的工作原理

TM 800低壓鑄造機被主要用來鑄造鋁合金輪轂，其整體澆鑄工藝選擇急速增壓結晶工藝。現在，根據整個液面加壓控制系統的總體設計，進行設備的具體選取。數字組合閥是一種比較先進的氣壓控制執行元件，伴隨著德國GIMA公司的低壓鑄造機進入中國，在本控制系統中也沿用了這種配置。數字組合閥控制的實質就是把原來用閥的開度連續變化來達到調節流量，變成由口徑不同的閥組合通過不同的閥門開關來達到調節流量的目的。

本次使用的數字組合閥的基本結構，實際上是將氣源送來的一定壓力和流量的壓縮空氣，通過一組截面積不同的閥，通過控制各個閥的開關，實現總輸出量的控制。這種組合閥的運行是依靠接收控制機傳送的閥門開度值，通過位控制板卡，將閥門開度值轉換成二進制數，然后對應的電磁閥就動作這一原理完成的（圖1）。

圖1中的Y5-Y13，就是對進氣道進行緊縮操作的閥門。它們每一個閥門的截面積都是不一樣的，按照Y5-Y13的順序是從小到大的，對應的是按照二進制的位數來排列的閥門開度值。例如，Y5對應的是二進制的第一位，即數值是20=1，以此類推，能得到表1的對應關系。

這就是說，將所有的壓縮空氣的流量進行了511等分，分別由9個閥門分擔不同的數值的開度，當不同流量的壓縮空氣被系統需要的時候，就可以根據需要打開相應的閥門。這種組合可以實現從0～511的任意一個數值對應的閥門的開、閉，即能夠實現從全開到全閉區間上512個量值的輸入。這種程度的量化，完全能夠滿足自動控制系統實現對進氣量控制的要求。下面舉例說明組合閥如何動作。

例如，讓上位機發出要實現數值為15的閥門開度，那么只要傳送出一組二進制數000001111，打開Y5，Y6，Y7，Y8就可以實現。要實現25的閥門開度，那么就傳送出000011001，打開對應位的Y5，Y8，Y9。如要實現最大值511，則傳送111111111，將Y5-Y13全部打開。以此類推，可以將需要的壓力轉換為相應的閥門開度，再傳送下來，打開相應的閥門即可。

本次選用的組合閥為某企業自行研制的，所采用的閥芯都是進口的電磁閥。通過給定數字信號調節氣體流量，精度可達±0.2%，響應速度為ms級，可直接安裝于現場任意位置。此組合閥具有安裝容易，控制功率小，抗沖擊，耐震動，抗干擾性好等特點。

2 數字組合閥的控制

數字組合閥的控制是通過上位機驅動控制卡來實現的。在上位機的程序中，采集來的壓力信號經過控制算法的計算之后，輸出一個調整后的閥門開度值。在轉換壓力值的時候，首先通過計算將壓力值與氣體量進行換算，得到的氣體量根據組合閥中每個閥的流量值，經過按位比較會得到一個閥門的開度值，將這個值寫入到控制板就實現了數字組合閥的控制。

由于系統設計采用恒壓氣壓源，而隨著加壓過程的進行，組合閥輸出口的氣壓是在不斷增加的，雖然進氣量會有一定的影響，但是對照恒壓源，增量不算很大，所以通道內部單位面積通過的氣體的流量基本上是一個恒定值。這樣，氣體的流量和通道的截面積基本上可以先取正比，再做小幅調整即可。具體到組合閥時，通道的橫截面積就是每個閥芯的面積，進行部分修正后可以得到各個閥門的權值，如表2所示。

對照上述介紹可以得到閥門開度值的關系，如下所示，當系統需要的閥門開度是85的時候，首先應根據權值對流量進行閥門開度的轉化，即

85≈64.0+16.076+3.8+0.95=84.826

這樣就知道要打開的閥門為Y13，Y11，Y9，Y7。將這個結果表示為二進制數字就是1010101000。由此可知，這個值轉化成的可傳送的閥門開度值就是340，那么根據上述介紹，控制板就可以打開指定的閥門，從而實現組合閥的控制。

3 數字組合閥的死區控制

在整個自動控制系統中，所有的控制都是實時進行的。由于壓力曲線是不斷變化的，而且還有漏氣等原因，所以氣壓的調整基本上是一直在進行的。進氣量的變化會導致組合閥的閥芯在不斷開關——因為控制精度足夠，每一個氣壓的細微改變都要導致閥門的開關，尤其是位于低位的閥門的開關次數會不斷地增加并且頻率也會很高。這樣對閥芯的損傷是很大的，所以在保證對閥門控制的精度的同時，還要對閥芯進行適當的保護。這樣，引進死區控制就變得很必要。

引進死區控制就要對死區進行設置。這個區域的設置既不能太大，也不能太小。因為死區太大會造成組合閥的控制精度下降，引起控制系統不必要的振蕩；死區太小，達不到限制閥門頻繁開關的目的，引入死區控制就沒有了效果。

考慮到對組合閥進行死區控制，是要限制個別閥芯的過度的開關頻率，還要保證組合閥開關的次數的限制不會影響控制精度，可以根據各個閥芯的截面積的大小和需要的閥門開度的變化量做比值，即

式中，r為比值，QYi為單個閥芯的截面積，ΔQ為需要的閥門開度的增量。

那么對死區的限制就是對比值r的限制。例如，將r的死區設置為0這樣的設置可以讓位于低位的閥門的開關次數在不影響壓力控制精度的情況下得到有效的降低，而且還可以保證低壓鑄造在各個過程中的精度。因為，升液充型的時候通氣量的增量較大，而保壓階段通氣量的增量較小。但是，r的值要根據實際的控制精度的需要來設置，不同的系統可以進行不同的設置。

4 數字組合閥的應用

知道了數字式組合閥的工作原理之后，再來看看它在對通氣量的控制中是如何使用的，具體如圖2所示。

圖2中最上面的設備分別是壓力表和壓力變送器，右下角是氣源的位置。本系統中，氣源為一臺能提供氣壓為4～8bar的氣泵。在氣源的輸出口處，有兩條管路，每個管路上各有一個閥門，分別是快速排氣閥和進氣控制閥。在進氣控制閥的上部也是一個排氣閥。當進氣控制閥打開的時候，由氣泵輸出的壓縮氣體就直接進入到數字式組合閥內。這時，根據控制機計算后給出的閥門開度值，組合閥會打開相應的閥門，通入相應體積量的氣體，進而使澆鑄工藝過程按照預定的壓力曲線進行。當預定的升液、充型、增壓和保壓4個階段完成以后，就執行卸壓策略。這時，上側和左側的3個快速排氣閥都打開，進氣控制閥和組合閥都關閉。由于氣泵同時給多臺機器提供壓縮空氣，所以在這個過程中是不會停機的。這樣，打開的左側的兩個排氣閥分別將氣泵和爐內的氣體排出，而上側的排氣閥則將滯留在組合閥內的壓縮氣體全部排出。整個系統達到迅速卸壓的目的。

參考文獻

[1]張新穎，董秀琦，朱建光，等.組合閥控制低壓鑄造液面加壓系統的研制[J].中國制造裝備與技術，2005，（6）：49-52.