傾轉(zhuǎn)式液壓澆注機的自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李海波，惲新星，徐瑾瑜

(無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫214153)

近年來隨著鑄造生產(chǎn)，特別是造型工序的迅速發(fā)展，澆注的機械化、自動化也逐漸被人們所重視，相繼出現(xiàn)了傾轉(zhuǎn)式澆注機、氣壓式澆注機以及底注式澆注機等三大類［1］。由于傾轉(zhuǎn)式澆注機采用了傾轉(zhuǎn)速度可調(diào)的傾轉(zhuǎn)機構(gòu)，使?jié)沧⑦^程在變速中完成，極有利于金屬液在模具中的充型和排氣，可以大大提高鑄件質(zhì)量，降低鑄件的廢品率。為此，作者與常州某公司進行了合作技術(shù)研發(fā)，設(shè)計了一套半自動的液壓澆注機監(jiān)控系統(tǒng)。

1 液壓澆注機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

液壓澆注機主要由以下幾個部分組成［2］:

(1)主機。主要由床身、合型機構(gòu)、跟出機構(gòu)、傾轉(zhuǎn)機構(gòu)、底座等部分組成;合型機構(gòu)采用“U”形結(jié)構(gòu)，具有體積小，剛性好的優(yōu)點;獨特的鑄件跟出機構(gòu)，使鑄件被強制留在動模，可以有效防止鑄件的變形。

(2)液壓系統(tǒng)。所有液壓泵、閥均采用進口產(chǎn)品;液壓泵采用變量柱塞泵，保證系統(tǒng)恒壓，流量自動調(diào)節(jié)，節(jié)約能源;采用電磁比例閥控制機器傾轉(zhuǎn)速度，實現(xiàn)金屬液澆注過程中傾轉(zhuǎn)速度多級調(diào)節(jié);所有油缸的密封件采用進口密封件，模具附近油缸采用耐高溫密封件。

(3)模具冷卻系統(tǒng)。機器配備多路模具氣冷和水冷冷卻通道，實現(xiàn)時間控制方式的自動冷卻控制。每個冷卻通道流量可手動調(diào)節(jié)。冷卻參數(shù)的設(shè)置和工作冷卻通道的選擇均可在人機界面中完成。

(4)電氣控制系統(tǒng)。主要完成液壓澆注機的自動控制，實現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控以及工藝參數(shù)設(shè)置等［3-4］。

2 液壓澆注機的電氣控制系統(tǒng)要求

(1)系統(tǒng)要求設(shè)有自動和手動兩種工作方式。

在手動操作下，能夠單步實現(xiàn)以下動作:

①合?！鷦幽Ｒ簤汗ぷ鳎＞吆掀?開?！鷦幽Ｒ簤汗ぷ?，模具打開，動模遠(yuǎn)離定模。

②頂芯進→定模液壓工作，定模頂板進;頂芯退→定模液壓工作，定模頂板退。

③復(fù)位Ⅰ→搖臂液壓工作，澆注機傾斜成豎直。

④傾倒→搖臂液壓工作，澆注機傾斜成水平。

⑤開機→電源指示燈亮，手動→手動指示燈亮。

⑥自動→自動指示燈亮。

⑦復(fù)位Ⅱ→動模液壓、定模液壓、搖臂液壓都工作，動模打開，頂芯板退，澆注機傾斜成豎直，原點指示燈亮。

在自動方式下，其工作流程為:啟動液壓泵→手動方式下機器復(fù)位回原點→切換到自動方式→按下起動按鈕→動模打開→動模合起→澆注鋁水→再次按下起動按鈕→傾斜成水平→固化→澆注機傾斜成豎直→報警→動模打開，定模頂板進→取出工作→定模頂板退。

(2)能夠?qū)δ＞哳A(yù)熱溫度進行精確控制與顯示。

(3)能夠在人機界面上設(shè)置各個產(chǎn)品的澆注工藝參數(shù)。

(4)傾轉(zhuǎn)澆注速度可調(diào)，這里要求速度分六級可調(diào)。

(5)機器的運行狀態(tài)以及參數(shù)能夠在顯示屏上可同步顯示。

(6)能根據(jù)用戶的不同身份進行操作權(quán)限的設(shè)置。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)用戶需求，為了實現(xiàn)液壓澆注機的自動監(jiān)控，確定該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

在該系統(tǒng)中，采用西門子的PLC(CPU224XP)作為現(xiàn)場控制器，接收現(xiàn)場開關(guān)以及檢測用傳感器的輸入，通過運行程序，輸出開關(guān)量信號實現(xiàn)電磁閥的驅(qū)動，進行合模、開模以及頂芯進退等動作，通過D/A 轉(zhuǎn)換輸出模擬量信號進行比例閥和加熱絲的控制。

利用上位機(威綸MT8000 系列觸摸屏)進行速度分段以及各工藝參數(shù)設(shè)置、用戶權(quán)限設(shè)置。利用PPI 通信方式實現(xiàn)機器狀態(tài)顯示，做到實時監(jiān)控。

對于鋁水裝置的溫度控制，則是根據(jù)設(shè)定溫度采用閉環(huán)控制的方式實時地調(diào)節(jié)晶閘管的工作狀態(tài)從而間接驅(qū)動加熱絲工作實現(xiàn)。

4 模具預(yù)熱溫度的模糊自適應(yīng)整定PID 溫度控制

4.1 模糊自適應(yīng)整定PID 控制算法原理［5-6］

預(yù)熱系統(tǒng)是一種模型未知、非線性的時變系統(tǒng)，通常在采用PID 進行溫度控制時，往往會出現(xiàn)PID 參數(shù)難以調(diào)節(jié)的問題，導(dǎo)致控制系統(tǒng)品質(zhì)變差。由于模糊控制對非線性或不確定對象有良好的控制效果。為此，這里采用PID 與模糊控制相結(jié)合，對PID 參數(shù)采用模糊控制的算法在線進行調(diào)整，進行兩者優(yōu)點的結(jié)合，從而構(gòu)成模糊PID 控制器，來提高系統(tǒng)的控溫效果。其模糊PID 控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊PID 控制器的結(jié)構(gòu)

模糊PID 控制器主要是找出PID 3 個參數(shù)與誤差e以及誤差變化率ec(de/dt)之間的模糊關(guān)系，在運行中不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理對參數(shù)進行在線修改，從而使控制對象具有良好的靜、動態(tài)性能。

4.2 基于模糊自適應(yīng)整定PID 的爐溫控制過程

在系統(tǒng)控溫過程中，控制系統(tǒng)首先通過熱電偶采集當(dāng)前的加熱爐內(nèi)的溫度，然后經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后送入PLC 控制器，將其數(shù)值與給定溫度值相比較，從而得到當(dāng)前時刻的溫度誤差e和誤差變化率ec，根據(jù)定義的模糊集論域進行模糊化處理，通過模糊規(guī)則(如表1—2所示)推理后決定輸出三大參數(shù)值的調(diào)整量，從而通過反模糊化計算確定當(dāng)前的kp、ki、kd，送入PID 控制子程序中計算輸出調(diào)節(jié)量。其在線模糊自整定PID 的工作流程如圖3所示。

表1 kp 的模糊規(guī)則表

表2 ki 的模糊規(guī)則表

圖3 在線模糊自整定PID 的工作流程

5 系統(tǒng)PLC 程序設(shè)計［7-8］

在液壓澆注機的自動控制系統(tǒng)中，需要控制的對象主要有電磁閥、比例閥、晶閘管等。由于系統(tǒng)需要有手動和自動兩種不同的工作模式，而且在澆注機處于不同的傾轉(zhuǎn)角度時設(shè)定的速度不同，為此必須依賴于光電編碼器來精確地實現(xiàn)角度的檢測。為此，通過綜合考慮，對PLC 的I/O 點進行了如表3所示配置，采用了如圖4所示的程序設(shè)計流程進行了系統(tǒng)程序的編寫。該系統(tǒng)程序主要分為主程序和子程序，其中子程序主要分為自動和手動子程序，用于實現(xiàn)自動和手動兩種工作模式。而要實現(xiàn)自動控制，其傾轉(zhuǎn)的角度需要靠光電編碼器的輸出信號進行處理，因此需要配套編制高速計數(shù)器計數(shù)程序。另外，溫度控制采用模糊PID，因此其輸出的控制信號需要定時進行更新，所以采用定時中斷子程序執(zhí)行。

表2 PLC 的I/O 點分配

圖4 程序設(shè)計流程

6 液壓澆注機監(jiān)控畫面設(shè)計

為了便于根據(jù)不同的澆注工藝進行參數(shù)設(shè)置，同時更好地進行澆注機澆注狀態(tài)的監(jiān)測，這里主要采用人機交互能力較強的威綸觸摸屏(MT8000 系列)進行了液壓澆注機監(jiān)控畫面的設(shè)計［9-10］。在設(shè)計過程中，從安全性出發(fā)，對于參數(shù)修改和參數(shù)讀取等不同的操作工序采用了不同的權(quán)限設(shè)置。其功能監(jiān)控畫面、工藝參數(shù)設(shè)置畫面分別如圖5、6所示。

圖5 監(jiān)控主畫面

圖6 傾轉(zhuǎn)速度設(shè)置畫面

7 結(jié)論

通過對傾轉(zhuǎn)式液壓澆注機的控制要求進行分析，利用先進的可編程控制技術(shù)，結(jié)合人機交互能力較強的觸摸屏完成了其澆注機的控制系統(tǒng)設(shè)計。通過模糊PID 控制算法實現(xiàn)了鋁水裝置的恒溫控制;通過光電編碼器、上位觸摸屏進行了工藝參數(shù)設(shè)置(傾轉(zhuǎn)速度6 級變換)以及PLC 實現(xiàn)了液壓澆注機不同澆注產(chǎn)品的自動澆注過程。通過實際運行，該系統(tǒng)能夠安全可靠地實現(xiàn)手自動不同工作模式的切換，并較為完善地實現(xiàn)了液壓澆注機的實時監(jiān)控功能。

［1］崔瑞奇，肖阿紅.幾種常見澆注機的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2005(6):5-6.

［2］劉永勝，楊尚平，汪澤波.定點傾轉(zhuǎn)式定量澆注裝置研發(fā)［J］.特種鑄造及有色合金，2011，31(11):1043-1045.

［3］胡細(xì)東，譚武中.自動傾轉(zhuǎn)澆注機液壓控制系統(tǒng)設(shè)計與研究［J］.機床與液壓，2013，41(10):105-108.

［4］楊尚平，楊曉玉，趙光波.定點傾轉(zhuǎn)式澆注機的研發(fā)［J］.裝備技術(shù)，2009(3):53-56.

［5］汪義旺，高金生，肖進.模糊控制在感應(yīng)加熱電源調(diào)功中的應(yīng)用研究［J］.電力電子技術(shù)，2009，43(8):47-48.

［6］邢峰，張讓輝，王敦富.模糊PID 控制仿真與實驗研究［J］.機床與液壓，2012，40(10):147-150.

［7］曾重.伺服傾轉(zhuǎn)式自動澆注機電氣控制系統(tǒng)的研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2011.

［8］李海波，徐瑾瑜.PLC 應(yīng)用技術(shù)項目化教程(S7-200)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2012.

［9］彭繼慎，任寶棟.基于PLC 和觸摸屏技術(shù)的壓鑄機控制系統(tǒng)研究［J］.中國有色建設(shè)，2005(3):38-40.

［10］王淑旺，顧立才，張定.基于PLC 和觸摸屏的車身總裝夾具控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2012(1):74-76.