PLC控制技術(shù)在反重力鑄造裝備中的應(yīng)用研究

摘 要 反重力鑄造是外力場充型工藝的一種，是指液態(tài)金屬在與重力相反方向力的作用下完成的充型、補(bǔ)縮和凝固過程的鑄造方法，發(fā)展前景廣闊。文章通過工業(yè)控制機(jī)與S7—200系列PLC對反重力鑄造液面加壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與編程，實(shí)現(xiàn)了反重力鑄造裝備的上下位控制，其跟蹤性能、控制精度、系統(tǒng)可靠性均大大提高。

關(guān)鍵詞 反重力；PLC控制；PID；參數(shù)

中圖分類號(hào)：TG249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）13-0108-01

在鑄造生產(chǎn)中，反重力鑄造液面加壓控制系統(tǒng)的精密度與性能是制約高品質(zhì)鑄件、大型鑄件以及復(fù)雜薄壁的鑄件質(zhì)量的最重要因素之一。具有強(qiáng)調(diào)節(jié)能力、自動(dòng)補(bǔ)償能力的液面加壓控制系統(tǒng)能夠有效預(yù)防其內(nèi)部與外部干擾。隨著工業(yè)計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。反重力鑄造液面加壓控制系統(tǒng)自動(dòng)控制及自動(dòng)操作的性能越來越強(qiáng)，大大提升了鑄件質(zhì)量。

1 反重力鑄造裝備液面加壓氣控系統(tǒng)的組成

反重力鑄造壓力控制系統(tǒng)有兩大核心部分組成。一是現(xiàn)場控制系統(tǒng)SIEMEN S S7-200（CPU224）；二是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。輔助部分主要有數(shù)字組合閥。其動(dòng)態(tài)精確控制是通過閉環(huán)PID+ 模糊控制實(shí)現(xiàn)。

為了提高重力鑄造的可靠性，PLC同時(shí)控制系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及電控截止閥。為了預(yù)防電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，在多功能反重力鑄造裝備氣控系統(tǒng)的集成中添加手動(dòng)閥；這樣可實(shí)現(xiàn)三種功能：同步建壓、充型壓差的形成、系統(tǒng)排氣。

圖1中DV01、DV02是調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，DV01其功能有兩個(gè)，一是執(zhí)行低壓鑄造，二是是鑄造液面加壓的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。DV02的功能主要是對差壓鑄造液面加壓的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。JL01的功能是執(zhí)行調(diào)壓鑄造使時(shí)對同步建壓壓差的節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)；JL02執(zhí)行差壓鑄造功時(shí)對同步建壓壓差的節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。JY是減壓閥，AQ01～AQ05是電控氣動(dòng)球閥，其作用用于流量截止。此反重力鑄造裝備液面加壓氣控系統(tǒng)與PLC連接后，自動(dòng)操作與手動(dòng)操作均可實(shí)現(xiàn)。

圖1 液面加壓氣控系統(tǒng)原理

2 反重力鑄造控制系統(tǒng)下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

在反重力鑄造中，PLC作為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場采樣、處理與控制輸出等功能。其穩(wěn)定性對鑄件品質(zhì)起決定性作用。根據(jù)PLC運(yùn)行特性，結(jié)合反重力鑄造過程中液面加壓運(yùn)行狀況，將主程序設(shè)計(jì)為循環(huán)檢測程序模式。

PLC系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，首先執(zhí)行第一次循環(huán)，對邏輯位初時(shí)化與外循環(huán)主程序環(huán)節(jié)進(jìn)行指令控制。PLC系統(tǒng)再次循環(huán)時(shí)，不在對邏輯位初始化部分進(jìn)行指令控制，只對外循環(huán)主程序環(huán)節(jié)進(jìn)行指令控制。當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測到機(jī)械設(shè)備動(dòng)作到位時(shí)，開始澆鑄。PLC系統(tǒng)程序只運(yùn)行于內(nèi)循環(huán)主程序。

3 反重力鑄造控制系統(tǒng)液面加壓自動(dòng)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)

在自動(dòng)監(jiān)控程序中，監(jiān)控子程序是最重要環(huán)節(jié)。在澆注生產(chǎn)時(shí)，首先以給定工藝曲線當(dāng)參考值；并調(diào)用定時(shí)中斷程序中的采樣、PID輸出、模糊控制等子程序，對組合閥的開度，氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)；控制金屬液，使得澆鑄過程順利進(jìn)行。其次是當(dāng)金屬液充滿之后，立即增壓，使其達(dá)到預(yù)定壓力并進(jìn)行保壓。三是當(dāng)?shù)奖簳r(shí)間達(dá)到預(yù)定的效果后，系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)排氣。

當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)或險(xiǎn)情時(shí)，操作人員可以根據(jù)情況立刻按下緊急停止按鈕，這樣子程序就被優(yōu)先啟動(dòng)，完成自我保護(hù)。包括關(guān)閉進(jìn)氣閥啟動(dòng)，排氣閥打開等功能。

4 反重力鑄造控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

1）組態(tài)界面內(nèi)核的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和信號(hào)輸入均有PLC發(fā)出指令進(jìn)行控制，因此設(shè)計(jì)PLC程序時(shí)，需要對上位系統(tǒng)的組態(tài)進(jìn)行定義，其變量與PLC對應(yīng)。同時(shí)為了記憶方便，提升程序的可維護(hù)性，在對PLC的內(nèi)部地址與I/O變量分配地址時(shí)，要建立對應(yīng)的標(biāo)記名，對應(yīng)的地址存放于InTouch的“標(biāo)記名字典”項(xiàng)目中。在填寫不同區(qū)域的內(nèi)容時(shí)，要對內(nèi)容進(jìn)行嚴(yán)格的種類劃分。

2）參數(shù)設(shè)置界面。反重力鑄造設(shè)備工作時(shí)可能涉及到的有用數(shù)據(jù)，因此工藝參數(shù)設(shè)置要具有加壓工藝參數(shù)、特性控制參數(shù)、PID控制參數(shù)以及操作人員信息等多項(xiàng)內(nèi)容。其中加壓工藝參數(shù)以下幾項(xiàng)：一是用于差壓或者調(diào)壓工作模式的同步壓力；二是在熔體升液管中的上升速度的升液速度；三是在熔體完成升液過程的升液壓力；四是在熔體型腔中的上升速度的充型速度；五是熔體到達(dá)型腔項(xiàng)部時(shí)的壓力的充型壓力；六是充滿鑄型到鑄件表面凝固結(jié)殼的結(jié)殼增壓速度；七是鑄件在壓力下結(jié)殼壓力增量的增壓壓力；八是充滿鑄型到鑄件表面凝固結(jié)殼時(shí)間；九是結(jié)晶增壓速度；十是結(jié)晶增壓壓力以及結(jié)晶時(shí)間、熔體密度和阻尼系數(shù)等。

3）過程監(jiān)控界面與數(shù)據(jù)管理界面。多功能反重力鑄造設(shè)備的過程監(jiān)控界面是系統(tǒng)控制的核心界面。在設(shè)計(jì)中，要滿足以下記得條件：一是現(xiàn)場操作人員可以隨時(shí)切換監(jiān)控流程種類；二是為預(yù)防澆注過程中發(fā)生誤操作現(xiàn)象，監(jiān)控界面安裝操作相關(guān)功能的按鈕，確保安全生產(chǎn)。數(shù)據(jù)管理界面的過程能夠?qū)σ淹４娴膲翰睢囟鹊葦?shù)據(jù)。

4）故障定位界面。故障定位界面包括模擬量輸入與開關(guān)量輸入輸出檢測兩大部分，主要功能是日常維護(hù)控制系統(tǒng)硬件故障。

5 PID控制器參數(shù)整定與算法在PLC中的組態(tài)中的實(shí)現(xiàn)

PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，因此反重力鑄造液面加壓控制系統(tǒng)得控制可選用PID控制器。反重力鑄造液態(tài)成形時(shí)，其壓差信號(hào)變化速度非?？?，再加上其運(yùn)行時(shí)間僅僅幾秒至幾十秒。但鑄件成型過程較長，PID獨(dú)調(diào)節(jié)不能及時(shí)跟上，PID參數(shù)調(diào)整不能解決快速累積計(jì)算的工業(yè)計(jì)算機(jī)的與充型介質(zhì)流動(dòng)滯后出現(xiàn)的問題。干擾和參數(shù)變化對控制效果影響大，而模糊控制系統(tǒng)則可減弱以上不足。本文對PID計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步模糊化優(yōu)化，系統(tǒng)響應(yīng)速度大幅提升，調(diào)節(jié)時(shí)間明顯減少。

6 結(jié)束語

總之，LC控制技術(shù)在反重力鑄造裝備中的應(yīng)用愈加廣泛，逐步向集成化、自動(dòng)化等、遠(yuǎn)程在線化及時(shí)監(jiān)控等功能。本文控制機(jī)和PLC實(shí)現(xiàn)了反重力鑄造裝備的上下位控制設(shè)計(jì)，反重力鑄造裝備系統(tǒng)整體的可靠性大大提升。

參考文獻(xiàn)

[1]邱風(fēng)斌.中國鑄造業(yè)所面臨的環(huán)境分析及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟(jì)師，2005（01）：261-262.

[2]李永圣，陳彤剛.前進(jìn)中的中國鑄造業(yè)[J].鑄造技術(shù)，2004（01）：5-6.

[3]王猛，曾建民，黃衛(wèi)東.大型復(fù)雜薄壁鑄件高品質(zhì)高精度調(diào)壓鑄造技術(shù)[J].鑄造技術(shù)，2004（05）：353-358.

作者簡介

孫玉新（1979-），女，河北棗強(qiáng)人，講師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。endprint

摘 要 反重力鑄造是外力場充型工藝的一種，是指液態(tài)金屬在與重力相反方向力的作用下完成的充型、補(bǔ)縮和凝固過程的鑄造方法，發(fā)展前景廣闊。文章通過工業(yè)控制機(jī)與S7—200系列PLC對反重力鑄造液面加壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與編程，實(shí)現(xiàn)了反重力鑄造裝備的上下位控制，其跟蹤性能、控制精度、系統(tǒng)可靠性均大大提高。

關(guān)鍵詞 反重力；PLC控制；PID；參數(shù)

中圖分類號(hào)：TG249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）13-0108-01

在鑄造生產(chǎn)中，反重力鑄造液面加壓控制系統(tǒng)的精密度與性能是制約高品質(zhì)鑄件、大型鑄件以及復(fù)雜薄壁的鑄件質(zhì)量的最重要因素之一。具有強(qiáng)調(diào)節(jié)能力、自動(dòng)補(bǔ)償能力的液面加壓控制系統(tǒng)能夠有效預(yù)防其內(nèi)部與外部干擾。隨著工業(yè)計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。反重力鑄造液面加壓控制系統(tǒng)自動(dòng)控制及自動(dòng)操作的性能越來越強(qiáng)，大大提升了鑄件質(zhì)量。

1 反重力鑄造裝備液面加壓氣控系統(tǒng)的組成

反重力鑄造壓力控制系統(tǒng)有兩大核心部分組成。一是現(xiàn)場控制系統(tǒng)SIEMEN S S7-200（CPU224）；二是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。輔助部分主要有數(shù)字組合閥。其動(dòng)態(tài)精確控制是通過閉環(huán)PID+ 模糊控制實(shí)現(xiàn)。

為了提高重力鑄造的可靠性，PLC同時(shí)控制系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及電控截止閥。為了預(yù)防電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，在多功能反重力鑄造裝備氣控系統(tǒng)的集成中添加手動(dòng)閥；這樣可實(shí)現(xiàn)三種功能：同步建壓、充型壓差的形成、系統(tǒng)排氣。

圖1中DV01、DV02是調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，DV01其功能有兩個(gè)，一是執(zhí)行低壓鑄造，二是是鑄造液面加壓的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。DV02的功能主要是對差壓鑄造液面加壓的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。JL01的功能是執(zhí)行調(diào)壓鑄造使時(shí)對同步建壓壓差的節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)；JL02執(zhí)行差壓鑄造功時(shí)對同步建壓壓差的節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。JY是減壓閥，AQ01～AQ05是電控氣動(dòng)球閥，其作用用于流量截止。此反重力鑄造裝備液面加壓氣控系統(tǒng)與PLC連接后，自動(dòng)操作與手動(dòng)操作均可實(shí)現(xiàn)。

圖1 液面加壓氣控系統(tǒng)原理

2 反重力鑄造控制系統(tǒng)下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

在反重力鑄造中，PLC作為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場采樣、處理與控制輸出等功能。其穩(wěn)定性對鑄件品質(zhì)起決定性作用。根據(jù)PLC運(yùn)行特性，結(jié)合反重力鑄造過程中液面加壓運(yùn)行狀況，將主程序設(shè)計(jì)為循環(huán)檢測程序模式。

PLC系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，首先執(zhí)行第一次循環(huán)，對邏輯位初時(shí)化與外循環(huán)主程序環(huán)節(jié)進(jìn)行指令控制。PLC系統(tǒng)再次循環(huán)時(shí)，不在對邏輯位初始化部分進(jìn)行指令控制，只對外循環(huán)主程序環(huán)節(jié)進(jìn)行指令控制。當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測到機(jī)械設(shè)備動(dòng)作到位時(shí)，開始澆鑄。PLC系統(tǒng)程序只運(yùn)行于內(nèi)循環(huán)主程序。

3 反重力鑄造控制系統(tǒng)液面加壓自動(dòng)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)

在自動(dòng)監(jiān)控程序中，監(jiān)控子程序是最重要環(huán)節(jié)。在澆注生產(chǎn)時(shí)，首先以給定工藝曲線當(dāng)參考值；并調(diào)用定時(shí)中斷程序中的采樣、PID輸出、模糊控制等子程序，對組合閥的開度，氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)；控制金屬液，使得澆鑄過程順利進(jìn)行。其次是當(dāng)金屬液充滿之后，立即增壓，使其達(dá)到預(yù)定壓力并進(jìn)行保壓。三是當(dāng)?shù)奖簳r(shí)間達(dá)到預(yù)定的效果后，系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)排氣。

當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)或險(xiǎn)情時(shí)，操作人員可以根據(jù)情況立刻按下緊急停止按鈕，這樣子程序就被優(yōu)先啟動(dòng)，完成自我保護(hù)。包括關(guān)閉進(jìn)氣閥啟動(dòng)，排氣閥打開等功能。

4 反重力鑄造控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

1）組態(tài)界面內(nèi)核的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和信號(hào)輸入均有PLC發(fā)出指令進(jìn)行控制，因此設(shè)計(jì)PLC程序時(shí)，需要對上位系統(tǒng)的組態(tài)進(jìn)行定義，其變量與PLC對應(yīng)。同時(shí)為了記憶方便，提升程序的可維護(hù)性，在對PLC的內(nèi)部地址與I/O變量分配地址時(shí)，要建立對應(yīng)的標(biāo)記名，對應(yīng)的地址存放于InTouch的“標(biāo)記名字典”項(xiàng)目中。在填寫不同區(qū)域的內(nèi)容時(shí)，要對內(nèi)容進(jìn)行嚴(yán)格的種類劃分。

2）參數(shù)設(shè)置界面。反重力鑄造設(shè)備工作時(shí)可能涉及到的有用數(shù)據(jù)，因此工藝參數(shù)設(shè)置要具有加壓工藝參數(shù)、特性控制參數(shù)、PID控制參數(shù)以及操作人員信息等多項(xiàng)內(nèi)容。其中加壓工藝參數(shù)以下幾項(xiàng)：一是用于差壓或者調(diào)壓工作模式的同步壓力；二是在熔體升液管中的上升速度的升液速度；三是在熔體完成升液過程的升液壓力；四是在熔體型腔中的上升速度的充型速度；五是熔體到達(dá)型腔項(xiàng)部時(shí)的壓力的充型壓力；六是充滿鑄型到鑄件表面凝固結(jié)殼的結(jié)殼增壓速度；七是鑄件在壓力下結(jié)殼壓力增量的增壓壓力；八是充滿鑄型到鑄件表面凝固結(jié)殼時(shí)間；九是結(jié)晶增壓速度；十是結(jié)晶增壓壓力以及結(jié)晶時(shí)間、熔體密度和阻尼系數(shù)等。

3）過程監(jiān)控界面與數(shù)據(jù)管理界面。多功能反重力鑄造設(shè)備的過程監(jiān)控界面是系統(tǒng)控制的核心界面。在設(shè)計(jì)中，要滿足以下記得條件：一是現(xiàn)場操作人員可以隨時(shí)切換監(jiān)控流程種類；二是為預(yù)防澆注過程中發(fā)生誤操作現(xiàn)象，監(jiān)控界面安裝操作相關(guān)功能的按鈕，確保安全生產(chǎn)。數(shù)據(jù)管理界面的過程能夠?qū)σ淹４娴膲翰睢囟鹊葦?shù)據(jù)。

4）故障定位界面。故障定位界面包括模擬量輸入與開關(guān)量輸入輸出檢測兩大部分，主要功能是日常維護(hù)控制系統(tǒng)硬件故障。

5 PID控制器參數(shù)整定與算法在PLC中的組態(tài)中的實(shí)現(xiàn)

PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，因此反重力鑄造液面加壓控制系統(tǒng)得控制可選用PID控制器。反重力鑄造液態(tài)成形時(shí)，其壓差信號(hào)變化速度非?？?，再加上其運(yùn)行時(shí)間僅僅幾秒至幾十秒。但鑄件成型過程較長，PID獨(dú)調(diào)節(jié)不能及時(shí)跟上，PID參數(shù)調(diào)整不能解決快速累積計(jì)算的工業(yè)計(jì)算機(jī)的與充型介質(zhì)流動(dòng)滯后出現(xiàn)的問題。干擾和參數(shù)變化對控制效果影響大，而模糊控制系統(tǒng)則可減弱以上不足。本文對PID計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步模糊化優(yōu)化，系統(tǒng)響應(yīng)速度大幅提升，調(diào)節(jié)時(shí)間明顯減少。

6 結(jié)束語

總之，LC控制技術(shù)在反重力鑄造裝備中的應(yīng)用愈加廣泛，逐步向集成化、自動(dòng)化等、遠(yuǎn)程在線化及時(shí)監(jiān)控等功能。本文控制機(jī)和PLC實(shí)現(xiàn)了反重力鑄造裝備的上下位控制設(shè)計(jì)，反重力鑄造裝備系統(tǒng)整體的可靠性大大提升。

參考文獻(xiàn)

[1]邱風(fēng)斌.中國鑄造業(yè)所面臨的環(huán)境分析及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟(jì)師，2005（01）：261-262.

[2]李永圣，陳彤剛.前進(jìn)中的中國鑄造業(yè)[J].鑄造技術(shù)，2004（01）：5-6.

[3]王猛，曾建民，黃衛(wèi)東.大型復(fù)雜薄壁鑄件高品質(zhì)高精度調(diào)壓鑄造技術(shù)[J].鑄造技術(shù)，2004（05）：353-358.

作者簡介

孫玉新（1979-），女，河北棗強(qiáng)人，講師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。endprint

摘 要 反重力鑄造是外力場充型工藝的一種，是指液態(tài)金屬在與重力相反方向力的作用下完成的充型、補(bǔ)縮和凝固過程的鑄造方法，發(fā)展前景廣闊。文章通過工業(yè)控制機(jī)與S7—200系列PLC對反重力鑄造液面加壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與編程，實(shí)現(xiàn)了反重力鑄造裝備的上下位控制，其跟蹤性能、控制精度、系統(tǒng)可靠性均大大提高。

關(guān)鍵詞 反重力；PLC控制；PID；參數(shù)

中圖分類號(hào)：TG249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）13-0108-01

在鑄造生產(chǎn)中，反重力鑄造液面加壓控制系統(tǒng)的精密度與性能是制約高品質(zhì)鑄件、大型鑄件以及復(fù)雜薄壁的鑄件質(zhì)量的最重要因素之一。具有強(qiáng)調(diào)節(jié)能力、自動(dòng)補(bǔ)償能力的液面加壓控制系統(tǒng)能夠有效預(yù)防其內(nèi)部與外部干擾。隨著工業(yè)計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。反重力鑄造液面加壓控制系統(tǒng)自動(dòng)控制及自動(dòng)操作的性能越來越強(qiáng)，大大提升了鑄件質(zhì)量。

1 反重力鑄造裝備液面加壓氣控系統(tǒng)的組成

反重力鑄造壓力控制系統(tǒng)有兩大核心部分組成。一是現(xiàn)場控制系統(tǒng)SIEMEN S S7-200（CPU224）；二是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。輔助部分主要有數(shù)字組合閥。其動(dòng)態(tài)精確控制是通過閉環(huán)PID+ 模糊控制實(shí)現(xiàn)。

為了提高重力鑄造的可靠性，PLC同時(shí)控制系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及電控截止閥。為了預(yù)防電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，在多功能反重力鑄造裝備氣控系統(tǒng)的集成中添加手動(dòng)閥；這樣可實(shí)現(xiàn)三種功能：同步建壓、充型壓差的形成、系統(tǒng)排氣。

圖1中DV01、DV02是調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，DV01其功能有兩個(gè)，一是執(zhí)行低壓鑄造，二是是鑄造液面加壓的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。DV02的功能主要是對差壓鑄造液面加壓的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。JL01的功能是執(zhí)行調(diào)壓鑄造使時(shí)對同步建壓壓差的節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)；JL02執(zhí)行差壓鑄造功時(shí)對同步建壓壓差的節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。JY是減壓閥，AQ01～AQ05是電控氣動(dòng)球閥，其作用用于流量截止。此反重力鑄造裝備液面加壓氣控系統(tǒng)與PLC連接后，自動(dòng)操作與手動(dòng)操作均可實(shí)現(xiàn)。

圖1 液面加壓氣控系統(tǒng)原理

2 反重力鑄造控制系統(tǒng)下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

在反重力鑄造中，PLC作為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場采樣、處理與控制輸出等功能。其穩(wěn)定性對鑄件品質(zhì)起決定性作用。根據(jù)PLC運(yùn)行特性，結(jié)合反重力鑄造過程中液面加壓運(yùn)行狀況，將主程序設(shè)計(jì)為循環(huán)檢測程序模式。

PLC系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，首先執(zhí)行第一次循環(huán)，對邏輯位初時(shí)化與外循環(huán)主程序環(huán)節(jié)進(jìn)行指令控制。PLC系統(tǒng)再次循環(huán)時(shí)，不在對邏輯位初始化部分進(jìn)行指令控制，只對外循環(huán)主程序環(huán)節(jié)進(jìn)行指令控制。當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測到機(jī)械設(shè)備動(dòng)作到位時(shí)，開始澆鑄。PLC系統(tǒng)程序只運(yùn)行于內(nèi)循環(huán)主程序。

3 反重力鑄造控制系統(tǒng)液面加壓自動(dòng)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)

在自動(dòng)監(jiān)控程序中，監(jiān)控子程序是最重要環(huán)節(jié)。在澆注生產(chǎn)時(shí)，首先以給定工藝曲線當(dāng)參考值；并調(diào)用定時(shí)中斷程序中的采樣、PID輸出、模糊控制等子程序，對組合閥的開度，氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)；控制金屬液，使得澆鑄過程順利進(jìn)行。其次是當(dāng)金屬液充滿之后，立即增壓，使其達(dá)到預(yù)定壓力并進(jìn)行保壓。三是當(dāng)?shù)奖簳r(shí)間達(dá)到預(yù)定的效果后，系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)排氣。

當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)或險(xiǎn)情時(shí)，操作人員可以根據(jù)情況立刻按下緊急停止按鈕，這樣子程序就被優(yōu)先啟動(dòng)，完成自我保護(hù)。包括關(guān)閉進(jìn)氣閥啟動(dòng)，排氣閥打開等功能。

4 反重力鑄造控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

1）組態(tài)界面內(nèi)核的設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和信號(hào)輸入均有PLC發(fā)出指令進(jìn)行控制，因此設(shè)計(jì)PLC程序時(shí)，需要對上位系統(tǒng)的組態(tài)進(jìn)行定義，其變量與PLC對應(yīng)。同時(shí)為了記憶方便，提升程序的可維護(hù)性，在對PLC的內(nèi)部地址與I/O變量分配地址時(shí)，要建立對應(yīng)的標(biāo)記名，對應(yīng)的地址存放于InTouch的“標(biāo)記名字典”項(xiàng)目中。在填寫不同區(qū)域的內(nèi)容時(shí)，要對內(nèi)容進(jìn)行嚴(yán)格的種類劃分。

2）參數(shù)設(shè)置界面。反重力鑄造設(shè)備工作時(shí)可能涉及到的有用數(shù)據(jù)，因此工藝參數(shù)設(shè)置要具有加壓工藝參數(shù)、特性控制參數(shù)、PID控制參數(shù)以及操作人員信息等多項(xiàng)內(nèi)容。其中加壓工藝參數(shù)以下幾項(xiàng)：一是用于差壓或者調(diào)壓工作模式的同步壓力；二是在熔體升液管中的上升速度的升液速度；三是在熔體完成升液過程的升液壓力；四是在熔體型腔中的上升速度的充型速度；五是熔體到達(dá)型腔項(xiàng)部時(shí)的壓力的充型壓力；六是充滿鑄型到鑄件表面凝固結(jié)殼的結(jié)殼增壓速度；七是鑄件在壓力下結(jié)殼壓力增量的增壓壓力；八是充滿鑄型到鑄件表面凝固結(jié)殼時(shí)間；九是結(jié)晶增壓速度；十是結(jié)晶增壓壓力以及結(jié)晶時(shí)間、熔體密度和阻尼系數(shù)等。

3）過程監(jiān)控界面與數(shù)據(jù)管理界面。多功能反重力鑄造設(shè)備的過程監(jiān)控界面是系統(tǒng)控制的核心界面。在設(shè)計(jì)中，要滿足以下記得條件：一是現(xiàn)場操作人員可以隨時(shí)切換監(jiān)控流程種類；二是為預(yù)防澆注過程中發(fā)生誤操作現(xiàn)象，監(jiān)控界面安裝操作相關(guān)功能的按鈕，確保安全生產(chǎn)。數(shù)據(jù)管理界面的過程能夠?qū)σ淹４娴膲翰?、溫度等?shù)據(jù)。

4）故障定位界面。故障定位界面包括模擬量輸入與開關(guān)量輸入輸出檢測兩大部分，主要功能是日常維護(hù)控制系統(tǒng)硬件故障。

5 PID控制器參數(shù)整定與算法在PLC中的組態(tài)中的實(shí)現(xiàn)

PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，因此反重力鑄造液面加壓控制系統(tǒng)得控制可選用PID控制器。反重力鑄造液態(tài)成形時(shí)，其壓差信號(hào)變化速度非常快，再加上其運(yùn)行時(shí)間僅僅幾秒至幾十秒。但鑄件成型過程較長，PID獨(dú)調(diào)節(jié)不能及時(shí)跟上，PID參數(shù)調(diào)整不能解決快速累積計(jì)算的工業(yè)計(jì)算機(jī)的與充型介質(zhì)流動(dòng)滯后出現(xiàn)的問題。干擾和參數(shù)變化對控制效果影響大，而模糊控制系統(tǒng)則可減弱以上不足。本文對PID計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步模糊化優(yōu)化，系統(tǒng)響應(yīng)速度大幅提升，調(diào)節(jié)時(shí)間明顯減少。

6 結(jié)束語

總之，LC控制技術(shù)在反重力鑄造裝備中的應(yīng)用愈加廣泛，逐步向集成化、自動(dòng)化等、遠(yuǎn)程在線化及時(shí)監(jiān)控等功能。本文控制機(jī)和PLC實(shí)現(xiàn)了反重力鑄造裝備的上下位控制設(shè)計(jì)，反重力鑄造裝備系統(tǒng)整體的可靠性大大提升。

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作者簡介

孫玉新（1979-），女，河北棗強(qiáng)人，講師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。endprint