鋁合金半連續精密鑄造控制系統應用研究

李鵬飛，張壽明，張騰騰

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650000）

0 引言

隨著航空航天、精密金屬儀器等領域剛需性日益增長，鋁合金鑄造技術成為鋁合金生產的過程中的重點，為擠壓、軋制、鍛造等生產提供合格的鑄錠。早在上世紀90年代，中國冶金鑄造業技術發展進入了快車道，國內相關專家在這個領域取得了一系列成果，對我國冶金鑄造業的發展做出了重大貢獻，但成果轉化為生產力不足。同時，對鋁合金鑄造技術提出了更高的要求，但相較于國外發展還相對落后[1]，部分還停留在傳統鑄造階段，因此引起了國家的重視。鋁合金廣泛應用于航空、航天、汽車生產等多個領域，對其韌度、精密度和腐蝕性等方面提出了更高的要求[2]。隨著計算機及相關自動化產品的出現和技術發展，相對落后的鋁合金鑄造水平逐漸智能化[3]。半連續鑄造機種類較多，國內外鋁合金生產過程中，根據拉出鑄錠的牽引動力不同，主要有鋼絲繩式、絲杠式和液壓油缸式三種方式。鋁合金半連續鑄造主要分為橫向半連續和立式半連續兩種鑄造方式。相比連續鑄造技術，半連續鑄造技術對鑄錠規格沒有太高的要求，靈活性高，鑄造產品多樣化，便于滿足市場需求[4]。鋁合金半連續鑄造機在牽引機作用下，將鑄棒由水平方向以一定速度取出，橫向半連續鑄造機控制鑄造速度，大大提高了鋁合金鑄造產量和效率。后期人們對橫向半連續鑄造機進行升級改造，通過 DSP控制交流變頻改造整個控制系統，改善了鋁合金鑄棒的工藝和性能，有效解決了鑄棒常出現的中心裂紋、表面缺陷和韌度不夠等技術難點[5-6]。立式半連續鑄造機在控制鋁液流量、鑄造速度、水量水壓和油溫等方面結合可編程邏輯控制器，整個鑄造過程平穩、安全。由于國內半連續立式鑄造機結晶器設計工藝還不成熟，對結晶環供氣和溫度控制還不夠理想。

在21世紀初，我國經濟的快速發展帶動了鋁生產加工行業的發展，鋁合金鑄錠在先進液壓鑄造機中的應用越來越廣泛。大多數鋁合金鑄造過程中，半連續鑄造機鑄造速度如果過大或者不均勻波動，可能造成

鋁合金鑄錠出現瑕疵，甚至造成機械設備損壞。如何控制半連續鑄造機的鑄造速度成為當下急需解決的熱門問題。

本文結構安排如下：第2章，鋁合金圓棒鑄造方法及工藝，鑄造控制系統的設計在第3章給出，第4章，半連續液壓鑄造機的鑄造速度控制，結論在第5章給出。

1 鋁合金圓棒鑄造方法及工藝

1.1 鋁合金圓棒鑄造方法

當今國內主要有兩種常用策略來控制半連續鑄造機的鑄造速度：（1）基于電液比例鑄造速度液壓控制回路，該方法根據外負載變化對泵的輸出流量智能控制，解決了內導液壓缸和舉升油缸等半連續鑄造機附帶設備由于工作切換產生過大的流量變化問題。此控制策略雖然能解決一定問題，但由于比例閥芯頻率較大，發生故障會引起零位漂移，對鑄造過程造成很大程度的影響[7]；（2）基于步進電機控制流量閥開度的鑄造速度液壓控制回路策略。利用該方法電機同時控制兩個泵，流量閥開度不易控制，故障率較高。

1.2 鋁合金圓棒鑄造的工藝流程

鋁合金鑄造工藝流程相對復雜，整個控制過程主要分五步：（1）鋁合金鑄造前進行檢查；（2）鑄造前的準備；（3）鑄造開頭程序設計；（4）鑄造過程控制；（5）鑄造過程結束。在鑄造之前需要對設備進行詳細檢查，如保溫爐溶體溫度必須達到要求，溶體成分滿足鑄造條件等。檢查系統無誤后，對鑄造程序進行設計，電解原鋁液與中間合金及重熔鋁錠配料生產圓鑄錠。通過PLC自動化控制熔煉、精煉、除氣、鑄造、熱處理和鋁切工藝流程。在整個工藝流程中，首先自動潤滑結晶器，經過配料后熔煉爐熔煉，取樣分析合金成分，最后傾入保溫爐靜置保溫中精煉；在鑄造過程中連續加入 Al-Ti-B絲以細化晶粒，鋁液流經熔體在線處理裝置除氣、除渣，最后通過內導式液壓半連續鑄造機鑄成鋁合金圓棒檢查合格后方為成品。

2 鑄造機控制系統設計

2.1 系統硬件配置

基于TIA Portal V13編程軟件對控制系統進行網絡和硬件組態，如圖1所示。在復雜工業過程控制中，可編程控制器(PLC)的穩定性和抗干擾能力強，且對惡劣的工作環境有較大的優勢[8-9]。本文鑄造機控制系統基于可編程控制器(PLC)，通過其輸入輸出模塊采集工業現場的模擬量信號和數字信號，結合西門子觸摸屏(1200 TP Comfort)，設置鑄造機鑄造過程的狀態及相關參數。通過液壓控制系統，控制鑄造平臺的升降速度和冷卻水量、氣壓強度、鑄錠長度、油溫等，完成整個鑄造過程。利用該電氣控制系統，可以穩定的控制鑄造平臺升降速度，保證整個系統的穩定性，降低故障率，維修簡便，最終實現人機交互。

圖1 網絡組態圖Fig.1 Netw ork configuration diagram

半連續液壓鑄造機系統的模擬量輸入信號包括鑄造時給定的流量、鑄錠長度、鑄造速度信號，脈沖流量計檢測到流量反饋信號。模擬量輸出信號包括流量給定信號、控制板的壓力，比例流量閥控制模塊的給定信號[10]。PLC采集的模擬量信號為電流信號，量程為 4-20 mA。用開關量信號去控制繼電器、接觸器的線圈，電磁閥以及本系統的各種指示燈和故障輸出。根據實際工業操作現場的具體情況，選擇兩塊SM321數字量輸入模塊（DI），以及一塊SM323數字量輸入模塊(可接受2×32+16=80個開關量輸入)。數字量輸出模塊（DO）選擇 SM322和SM323各1塊(可接受32+16=48個開關量輸出)，模擬量輸入模塊（AI）選擇8通道SM331模塊一塊和4通道SM334模塊一塊，模擬量輸出模塊（AO）模塊選擇4通道SM332模塊和2通道SM334模塊兩塊，計數模塊FM350-1一塊，如圖2所示。

圖2 硬件組態網Fig.2 Configuration diagram of hardware

模擬量輸出的信號接入SM332模塊，根據流量的大小來控制比例閥的開度，FM350-1計數模塊對流量計輸出的脈沖信號進行計數。冷卻水溫度、壓力和流量等采用信號變送器，SM331模塊對信號變送器輸出的進行采集和控制。SM321模塊、SM322模塊、SM323模塊對系統的開關量進行控制，其他邏輯控制功能還使用了SM334模塊。

為了使現場設備之間實現正常的通訊和數據交互，根據現場設備的生產工藝要求來設置相關的參數，控制室操作人員可以實時監控現場設備的運行狀態。控制系統配置西門子的TP 1200 Comfort彩色觸摸屏,通過觸摸屏實現人機對放,實時顯示和修改相關的工藝參數，實現遠程監控[11-12]，如圖3所示。觸摸屏的使用為控制系統創造了一個友好的交互環境。觸摸屏與工作站（PLC）之間進行交換數據時使用以太網通訊，在進行網絡連接組態時，需要把觸摸屏與PLC的IP地址設置為同一個網段，否則將無法建立通訊連接。

圖3 網絡連接組態圖Fig.3 Network connection configuration diagram

2.2 液壓控制系統

液壓控制系統是鋁合金圓棒鑄造機的核心部分，其性能直接決定鑄造機鋁錠的質量及生產的高效性。液壓控制系統的穩定性提高了鑄造速度精度，使鑄造速度的誤差穩定在設定的范圍之內，以及對鋁錠質量及控制系統相關設備的穩定起著關鍵性的作用，且對生產過程的安全性提供有力的保障[13-14]。液壓控制根據液壓缸的運動方式分為內導式和外導式，內導式液壓控制不需要專門維護導向裝置，而外導式液壓控制由液壓缸、水冷系統和電控系統等組成。鑄造速度檢測系統的性能和液壓缸的穩定性直接決定了鑄造速度的穩定性，因此本文采用內導式液壓控制，在鑄造油缸的回油管路上安裝比例調節閥和脈沖流量計。通過調節比例閥的開度來控制油缸下降的速度，脈沖流量計通過液壓油流動推動齒輪轉動，每轉過一個齒產生一個脈沖信號。PLC采集到脈沖信號后并對脈沖個數進行計算，并根據流過的體積與脈沖的關系，換算成油缸的運動速度，即可得到鑄造速度。每分鐘流過流量計的液壓油體積由公式（1）可得。

其中，N為每分鐘脈沖個數，P為每發出一個脈沖所流過的油的體積。

同時，由公式（2）可得活塞位移：

其中，L2為回油腔液壓油流出體積，S為回油腔活塞橫截面積。

當 L1= L2時，鑄造速度可由式（3）得到。

2.3 人機交互設計

基于西門子公司的TIA Portal V13編程軟件進行上位機程序設計，對控制系統程序進行模塊化設計，方便于后期原程序的修改、移植和調試。通過功能塊FC設計各參數程序，在主程序OB1中調用功能塊FC，將數據存儲于DB數據塊中，在與上位機連接時實時關聯。

選擇TP 1200 Comfort型號的觸摸屏，設置的數據使用單獨的數據塊(DB100)，在子程序中設置功能數據處理來實現PLC與觸摸屏之間的數據交換，對生產工藝參數實時檢測和控制，參數設置畫面如圖4所示。

圖4 參數設置畫面Fig.4 Parameter setting screen

人機界面是 DCS操作員與控制系統實現信息交換的媒介。控制系統的控制信號、反饋信號以及數據采集的信息都在觸摸屏上呈現，如圖5所示。通過觸摸屏實現鑄造速度和鑄造水量的控制以及鑄造機有關參數的調節。

3 半連續液壓鑄造機的鑄造速度控制

3.1 PID控制算法設計

PID控制一種線性控制器，在工業中應用比較普遍。PID控制的原理圖如圖6所示。

圖5 控制系統監測畫面Fig.5 The monitoring screen of control system

圖6 PID 控制原理圖Fig.6 PID control principle diagram

給定的值 ()R t與實際輸出值 ()Y t的偏差 ()e t如式（4）所示：

將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器，其控制規律為：

以偏差 ()e t為控制器的輸入， ()u t為控制器 的輸出式（5）的傳遞函數為：

其中，u(t)為控制器的輸出量，R(t)為控制器輸入量，Kp為比例系數，使偏差信號e(t)向減小到的方向變化，比例系數過大可能引起系統振蕩。另外，Ti是積分時間常數，用于消除靜態誤差，積分的時間太短會降低控制系統的穩定性，Td為微分時間常數，抑制控制系統的振蕩，提高控制系統的穩定性。

當采樣周期lim 0T= 時：

其中，T為采樣周期；k為采樣時刻序列序列號，k=0,1,2…。

PID控制算法的離散化公式：

其中，k為采樣序號，u(k)為第k次數據采樣的輸出值，e(k-1)為第k-1次數據采樣的偏差值。

3.2 鑄造速度的控制

在鋁合金鑄造機初始化工作時，首先將油泵關閉，接通相應的調節閥，實時測量流量計的數值，并與給定的流量參考值相比較，通過鑄錠和平臺自重來降低鑄造平臺。利用PID算法進行運算，輸出一個4-20 mA的模擬量信號，通過控制比例閥的開度來控制流量的大小，最終有效控制鑄造速度。上位機上設計鑄造過程各參數畫面，在組態畫面窗口設定一個鑄造速度V1，經過PID調節器進行運算，通過 SM332模塊將相應的模擬量信號輸出給比例閥，控制比例閥開度，向下適當調整鑄造油缸的位移，檢測油路中流量，通過脈沖流量計發出脈沖信號，整個過程中，用FM350-1模塊對脈沖進行計數，所有參數值在上位機畫面中實時監測。通過PLC對鑄造機速度進行計算得到實時鑄造速度V2，比較之前設定的鑄造速度 V1和實時速度 V2得到偏差()e t，此偏差會由PLC的PID調節器調整，從而糾正偏離的鑄造速度，直到偏差降到最小，鑄造速度達到穩定，控制流程圖如圖7所示。

圖7 控制方塊圖Fig.7 The control block diagram

4 結論

本文對鋁合金圓棒半連續鑄造機工藝進行了簡要的分析，在液壓系統中主要研究了鑄造速度對鑄造過程的影響，引入閉環PID控制來設計鑄造控制系統，解決對鑄造速度造成影響的外界擾動因素，提高整個鑄造系統的穩定性、抗干擾性。該鋁合金半連續鑄造機控制系統有以下幾個優點：

（1）閉環 PID控制回路能更有效的進行信息反饋，操作靈活，可調節性強；

（2）鑄造速度穩定性大幅提高；

（3）鑄錠表面質量得到改善，鑄錠表面光滑，無冷隔、氣泡等缺陷。

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