TM800液面加壓控制系統(tǒng)的數(shù)字組合閥

張爽

摘 要：本文以某公司TM800型低壓鑄造機(jī)為控制對象，針對低壓鑄造機(jī)的澆鑄工藝對液面壓力和模具溫度的控制要求，進(jìn)行低壓鑄造機(jī)自動控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計。同時，對低壓鑄造的澆鑄過程進(jìn)行研究，建立其數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用這個數(shù)學(xué)模型對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

關(guān)鍵詞：鋁合金輪轂；低壓鑄造；技術(shù)革新

1 數(shù)字組合閥的工作原理

TM 800低壓鑄造機(jī)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(jié)晶工藝。現(xiàn)在，根據(jù)整個液面加壓控制系統(tǒng)的總體設(shè)計，進(jìn)行設(shè)備的具體選取。數(shù)字組合閥是一種比較先進(jìn)的氣壓控制執(zhí)行元件，伴隨著德國GIMA公司的低壓鑄造機(jī)進(jìn)入中國，在本控制系統(tǒng)中也沿用了這種配置。數(shù)字組合閥控制的實質(zhì)就是把原來用閥的開度連續(xù)變化來達(dá)到調(diào)節(jié)流量，變成由口徑不同的閥組合通過不同的閥門開關(guān)來達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

本次使用的數(shù)字組合閥的基本結(jié)構(gòu)，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(guān)，實現(xiàn)總輸出量的控制。這種組合閥的運行是依靠接收控制機(jī)傳送的閥門開度值，通過位控制板卡，將閥門開度值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，然后對應(yīng)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(jìn)氣道進(jìn)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(yīng)的是按照二進(jìn)制的位數(shù)來排列的閥門開度值。例如，Y5對應(yīng)的是二進(jìn)制的第一位，即數(shù)值是20=1，以此類推，能得到表1的對應(yīng)關(guān)系。

這就是說，將所有的壓縮空氣的流量進(jìn)行了511等分，分別由9個閥門分擔(dān)不同的數(shù)值的開度，當(dāng)不同流量的壓縮空氣被系統(tǒng)需要的時候，就可以根據(jù)需要打開相應(yīng)的閥門。這種組合可以實現(xiàn)從0～511的任意一個數(shù)值對應(yīng)的閥門的開、閉，即能夠?qū)崿F(xiàn)從全開到全閉區(qū)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(tǒng)實現(xiàn)對進(jìn)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(jī)發(fā)出要實現(xiàn)數(shù)值為15的閥門開度，那么只要傳送出一組二進(jìn)制數(shù)000001111，打開Y5，Y6，Y7，Y8就可以實現(xiàn)。要實現(xiàn)25的閥門開度，那么就傳送出000011001，打開對應(yīng)位的Y5，Y8，Y9。如要實現(xiàn)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(zhuǎn)換為相應(yīng)的閥門開度，再傳送下來，打開相應(yīng)的閥門即可。

本次選用的組合閥為某企業(yè)自行研制的，所采用的閥芯都是進(jìn)口的電磁閥。通過給定數(shù)字信號調(diào)節(jié)氣體流量，精度可達(dá)±0.2%，響應(yīng)速度為ms級，可直接安裝于現(xiàn)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(shù)字組合閥的控制

數(shù)字組合閥的控制是通過上位機(jī)驅(qū)動控制卡來實現(xiàn)的。在上位機(jī)的程序中，采集來的壓力信號經(jīng)過控制算法的計算之后，輸出一個調(diào)整后的閥門開度值。在轉(zhuǎn)換壓力值的時候，首先通過計算將壓力值與氣體量進(jìn)行換算，得到的氣體量根據(jù)組合閥中每個閥的流量值，經(jīng)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(xiàn)了數(shù)字組合閥的控制。

由于系統(tǒng)設(shè)計采用恒壓氣壓源，而隨著加壓過程的進(jìn)行，組合閥輸出口的氣壓是在不斷增加的，雖然進(jìn)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(nèi)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(diào)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(jìn)行部分修正后可以得到各個閥門的權(quán)值，如表2所示。

對照上述介紹可以得到閥門開度值的關(guān)系，如下所示，當(dāng)系統(tǒng)需要的閥門開度是85的時候，首先應(yīng)根據(jù)權(quán)值對流量進(jìn)行閥門開度的轉(zhuǎn)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(jié)果表示為二進(jìn)制數(shù)字就是1010101000。由此可知，這個值轉(zhuǎn)化成的可傳送的閥門開度值就是340，那么根據(jù)上述介紹，控制板就可以打開指定的閥門，從而實現(xiàn)組合閥的控制。

3 數(shù)字組合閥的死區(qū)控制

在整個自動控制系統(tǒng)中，所有的控制都是實時進(jìn)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(diào)整基本上是一直在進(jìn)行的。進(jìn)氣量的變化會導(dǎo)致組合閥的閥芯在不斷開關(guān)——因為控制精度足夠，每一個氣壓的細(xì)微改變都要導(dǎo)致閥門的開關(guān)，尤其是位于低位的閥門的開關(guān)次數(shù)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(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。這樣，引進(jìn)死區(qū)控制就變得很必要。

引進(jìn)死區(qū)控制就要對死區(qū)進(jìn)行設(shè)置。這個區(qū)域的設(shè)置既不能太大，也不能太小。因為死區(qū)太大會造成組合閥的控制精度下降，引起控制系統(tǒng)不必要的振蕩；死區(qū)太小，達(dá)不到限制閥門頻繁開關(guān)的目的，引入死區(qū)控制就沒有了效果。

考慮到對組合閥進(jìn)行死區(qū)控制，是要限制個別閥芯的過度的開關(guān)頻率，還要保證組合閥開關(guān)的次數(shù)的限制不會影響控制精度，可以根據(jù)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(qū)的限制就是對比值r的限制。例如，將r的死區(qū)設(shè)置為0這樣的設(shè)置可以讓位于低位的閥門的開關(guān)次數(shù)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(jù)實際的控制精度的需要來設(shè)置，不同的系統(tǒng)可以進(jìn)行不同的設(shè)置。

4 數(shù)字組合閥的應(yīng)用

知道了數(shù)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(shè)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(tǒng)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(jìn)氣控制閥。在進(jìn)氣控制閥的上部也是一個排氣閥。當(dāng)進(jìn)氣控制閥打開的時候，由氣泵輸出的壓縮氣體就直接進(jìn)入到數(shù)字式組合閥內(nèi)。這時，根據(jù)控制機(jī)計算后給出的閥門開度值，組合閥會打開相應(yīng)的閥門，通入相應(yīng)體積量的氣體，進(jìn)而使?jié)茶T工藝過程按照預(yù)定的壓力曲線進(jìn)行。當(dāng)預(yù)定的升液、充型、增壓和保壓4個階段完成以后，就執(zhí)行卸壓策略。這時，上側(cè)和左側(cè)的3個快速排氣閥都打開，進(jìn)氣控制閥和組合閥都關(guān)閉。由于氣泵同時給多臺機(jī)器提供壓縮空氣，所以在這個過程中是不會停機(jī)的。這樣，打開的左側(cè)的兩個排氣閥分別將氣泵和爐內(nèi)的氣體排出，而上側(cè)的排氣閥則將滯留在組合閥內(nèi)的壓縮氣體全部排出。整個系統(tǒng)達(dá)到迅速卸壓的目的。

參考文獻(xiàn)

[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(tǒng)的研制[J].中國制造裝備與技術(shù)，2005，（6）：49-52.