高效智能壓鑄島嵌入式實時集成控制系統(tǒng)淺析

方 波， 張 帆， 竇富萍， 付爽寧

（1.機械科學(xué)研究總院， 北京 100044； 2.北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司， 北京 100120）

0 引言

我國大型智能化壓鑄機的研發(fā)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美發(fā)達(dá)國家， 缺少多項核心技術(shù)， 從而嚴(yán)重制約了我國航天、汽車制造等領(lǐng)域的發(fā)展水平。 因此，加快研發(fā)以壓鑄單元為主體的成套裝備與系統(tǒng)集成， 通過對信息化智能壓鑄系統(tǒng)的可行性研究開發(fā)，將推動行業(yè)的技術(shù)、工藝、產(chǎn)品升級換代，直接降低生產(chǎn)能耗25%～35%，汽車輕量化帶來間接能耗降低約4%～6%。對國內(nèi)汽車工業(yè)和其他工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展形成強有力的支撐。高效智能壓鑄島，就是將壓鑄機和周邊設(shè)備通過工藝優(yōu)化和智能化控制技術(shù)的應(yīng)用建立信息化生產(chǎn)管理， 實現(xiàn)壓鑄產(chǎn)品最大程度的自動化科學(xué)高效生產(chǎn)。

1 高效智能壓鑄島集成控制系統(tǒng)組成

高效智能壓鑄島成套單元電控系統(tǒng)主要由中央控制系統(tǒng)、嵌入式實時控制器、人機界面、工業(yè)計算機通過建立在OSI 物理層的具有快速響應(yīng)和高可靠性的現(xiàn)場總線通訊協(xié)議和建立在OSI 對話層的具有高速信息處理能力和高數(shù)據(jù)吞吐量的工業(yè)以太網(wǎng)信息交互平臺， 實現(xiàn)對壓鑄單元、給料機、噴涂機、切邊機、傳送帶、在線監(jiān)測、安全屏蔽等周邊設(shè)備的智能化集中式控制。 建立一個完整的壓鑄單元控制系統(tǒng)， 實現(xiàn)多種協(xié)議和技術(shù)的計算機集成控制。 壓鑄機與伺服噴涂機械手、智能熔體含氣量檢測系統(tǒng)、自動定量澆鑄系統(tǒng)、自動噴霧裝置、自動模溫控制、耐高溫抗腐蝕的裝件取件機器人、自動裝鑲件裝置、鑲件預(yù)熱裝置、切邊機、鑄件在線智能檢測系統(tǒng)、鑄件冷卻裝置、機邊傳送帶等組成一個壓鑄單元。 通過壓鑄機與各周邊設(shè)備的PLC 進(jìn)行智能連鎖控制， 形成一個高效的人機對話全自動壓鑄生產(chǎn)單元系統(tǒng)。 實現(xiàn)對整套壓鑄系統(tǒng)的高效智能化生產(chǎn)操作以及遠(yuǎn)程控制能力。 做到從原料到鑄件成品的制造過程，程序化、數(shù)字化和遠(yuǎn)程控制。

采用基于RTX 的實時控制器和PLC 相結(jié)合的控制方式組成壓鑄機操作站，實時控制器負(fù)責(zé)壓射實時控制，PLC 與分布式I/O 組成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，完成所有機器操作任務(wù)。 壓鑄機操作站人機界面可與生產(chǎn)監(jiān)控站組成局域網(wǎng)。 從生產(chǎn)監(jiān)控站可進(jìn)行生產(chǎn)安排、生產(chǎn)前準(zhǔn)備、機臺參數(shù)設(shè)定和修正、機臺運行狀況監(jiān)控。 通過Internet 還可實現(xiàn)異地數(shù)據(jù)實時監(jiān)控和共享，以及遠(yuǎn)程診斷。設(shè)備遠(yuǎn)程控制與遠(yuǎn)程診斷， 為方便用戶使用以及適應(yīng)無人操作或一個操作者同時掌控多臺壓鑄設(shè)備的要求， 開發(fā)具備設(shè)備遠(yuǎn)程控制與診斷系統(tǒng)， 使壓鑄機在無人條件下可以完成設(shè)備的全自動化生產(chǎn)。

可編程序控制器（PLC），用于設(shè)備的自動化控制。 包括邏輯控制、順序控制、位置控制以及工藝操作和工藝連鎖控制、 故障檢測、 報警及與前方機組的信號連鎖等內(nèi)容。 PLC 與分布式遠(yuǎn)程I/O 模塊和交流調(diào)速PROFIBUS-DP控制模塊共同構(gòu)成PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 實現(xiàn)整個電氣控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化智能控制。 PLC 與計算機之間通過PROFIBUS-DP 和工業(yè)以太網(wǎng)通訊， 系統(tǒng)可以非常方便與其它子系統(tǒng)連接， 把壓鑄島周邊幾大單元模塊：在線智能檢測及分選系統(tǒng)、模具溫度智能控制系統(tǒng)、定量澆注及測氫系統(tǒng)、噴涂取件機器人系統(tǒng)，有機地聯(lián)系為一個整體控制網(wǎng)絡(luò)單元，完成各設(shè)備間監(jiān)控信息的交換與傳輸。

作為一個完整的現(xiàn)代智能化臥式熱室壓鑄系統(tǒng)，智能安全系統(tǒng)的搭建即安全連鎖屏蔽單元也必不可少。機器安全系統(tǒng)是智能高效化成套設(shè)備的一個重要組成部分， 尤其是對于熱壓鑄這種在較惡劣工況條件下運行的設(shè)備顯得尤為重要。 其系統(tǒng)主要由安全門、安全光幕、激光掃描器、全局急停、安全繼電器等若干部件組成。 通過DP 總線將獨立的安全控制器與設(shè)備控制系統(tǒng)的PLC 主站控制器相連，使用profisafe 安全總線將安全檢測部件與設(shè)備上重要執(zhí)行單元的動力設(shè)備進(jìn)行安全互鎖連接。 這樣，有效保證了設(shè)備的安全運行和操作人員的生命安全。

生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)對壓鑄機周邊設(shè)備的主域控制器進(jìn)行輪詢和數(shù)據(jù)存取。存儲壓鑄機生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫；存儲壓鑄機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；與工廠L3 信息計算機控制系統(tǒng)連接進(jìn)行通訊； 機組故障的自動檢測、 報警及分級處理， 數(shù)據(jù)跟蹤及控制； 當(dāng)遭受重大災(zāi)難事故， 只要備份DVD 保存好， 可以恢復(fù)系統(tǒng)遭受事故前的狀態(tài)。 圖1 是高效智能壓鑄島集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 高效智能壓鑄島集成控制系統(tǒng)組成

2 高效智能壓鑄島嵌入式實時控制器

由于熱室壓鑄機的控制要求有非常高的實時性和精確性，壓鑄過程中需要在1ms 的時間間隔內(nèi)對壓鑄機的位移、壓力進(jìn)行實時采集，以達(dá)到實時控制周期≤1ms。傳統(tǒng)的PLC 控制系統(tǒng)已不能滿足高速的數(shù)據(jù)采集和實時快速的閉環(huán)控制。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和處理器性能的迅速提高，專用硬件和實時系統(tǒng)已能夠滿足眾多工業(yè)控制領(lǐng)域的需求。 即嵌入式實時控制系統(tǒng)。 目前主流的實時高速控制器系統(tǒng)的配置方式是基于Windows 硬件抽象層的實時擴展，具有獨立的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，即RTX。 它比另外兩種基于DSP 專用硬件和數(shù)據(jù)采集卡方式的實時系統(tǒng)，具有更高的靈活性和更快的響應(yīng)速度。它能夠同時滿足時限、多任務(wù)機制、搶占調(diào)度、相關(guān)任務(wù)間同步等實時系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。

工業(yè)控制中與日俱增的實時性和人性化，對控制系統(tǒng)提出了越來越苛刻的控制指標(biāo)。RTX 控制系統(tǒng)是理想的解決方案，即嵌入式實時控制器。 一方面，它具有強大的圖形界面功能（GUI）、支持?jǐn)?shù)據(jù)分布和后臺處理能力；另一方面，它能夠滿足許多要求系統(tǒng)的反應(yīng)足夠快、精度足夠高的高速高精度場合。同時對各種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、對異常情況做出快速反應(yīng)。 RTX 實時系統(tǒng)作為Windows 系統(tǒng)內(nèi)核體系的延拓， 修改并擴展了整個硬件抽象層（hardware abstraction layer，HAL），實現(xiàn)獨立的內(nèi)核驅(qū)動模式，形成與Windows 操作系統(tǒng)并列的實時子系統(tǒng)，見圖2。RTX 可以利用Windows 強大的GUI 界面和自身卓越的實時性能實現(xiàn)實時精度很高的工業(yè)控制，特別是中斷響應(yīng)時間的快速性可對高速運動控制提供安全可靠的運行保障。

圖2 RTX 與Windows 的層次關(guān)系圖

PLC 的定時器精度一般為幾十毫秒，在極限情況下，長達(dá)幾百毫秒。 在面向?qū)崟r領(lǐng)域時提供了多媒體定時器機制，但最好只能達(dá)到1ms 的精度，通常保證在10ms 以內(nèi)，仍然達(dá)不到我們所要求的高速高精度控制。但是RTX實時系統(tǒng)可以滿足最苛刻的實時應(yīng)用程序。 它固定的128個線程優(yōu)先級與Windows 內(nèi)核分離，提供了優(yōu)先級高、低延遲的定時器和中斷管理服務(wù)。 它的線程調(diào)度程序可以對設(shè)備中斷提供最快速的響應(yīng)， 一般情況下小于30μs，并且支持RTX 線程的最低可能延遲調(diào)度。 實時RTX 系統(tǒng)具有高度穩(wěn)定性， 平均延時值也在30μs 時間精度以內(nèi)。RTX 定時器的精度可以由運行環(huán)境自行設(shè)置， 可以達(dá)到0.1ms 的精度。 因此作為壓鑄機核心控制部件的嵌入式實時高速控制器，完全滿足實時控制周期小于1ms。 下面，是對兩個系統(tǒng)的延時進(jìn)行比較。 由圖3 可以看出，Windows系統(tǒng)對1ms 定時器的延時在0～110μs 之間變化， 而RTX實時性能卓越，最長延時也在10μs 附近，這樣的實時調(diào)度延遲將會給系統(tǒng)的實時性提供有力保障。

圖3 兩種系統(tǒng)對1ms 定時器的響應(yīng)延時比較

嵌入式控制器所具有的更快速的響應(yīng)時間和高速處理能力， 保證了它能夠滿足壓鑄機壓射過程中實時參數(shù)的檢測和快速響應(yīng)的閉環(huán)控制。 真正實現(xiàn)高效智能壓鑄島系統(tǒng)響應(yīng)時間小于等于50ms。 結(jié)合具體的壓鑄工藝過程，實時檢測和閉環(huán)控制描述如下：

（1）壓射工藝參數(shù)實時顯示及存儲。傳統(tǒng)壓鑄機壓鑄過程中對實際壓射工藝參數(shù)的變化不能監(jiān)控， 只能憑操作者的感覺和經(jīng)驗， 根據(jù)目測鑄件的質(zhì)量來調(diào)整壓射條件，因此帶有很大的偶然性，無法對壓鑄產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行有效控制。通過嵌入式實時控制器，配置檢測壓射沖頭移動位置的檢測裝置、 檢測壓射缸出口控制閥開度的檢測裝置，和檢測壓射缸有桿腔壓力、無桿腔壓力、壓射蓄能器壓力、先導(dǎo)壓力的壓力檢測裝置，可以實現(xiàn)在1ms 的采樣間隔內(nèi)完成數(shù)據(jù)的精確采集并輸出各種各樣的壓鑄工藝參數(shù)，并可以電子文檔和壓射曲線的方式保存。

（2）壓射系統(tǒng)閉環(huán)控制。 當(dāng)壓射工況發(fā)生變化時，傳統(tǒng)壓鑄機只能在下一次壓射開始前， 由人工調(diào)整壓射條件，不能在壓射過程中對系統(tǒng)變化進(jìn)行實時控制。因此壓射過程的重復(fù)性較差， 造成生產(chǎn)效率低下和產(chǎn)品質(zhì)量波動較大。 實時控制系統(tǒng)為了解決壓鑄機壓射裝置液壓伺服控制系統(tǒng)的慣量問題， 需要對壓射工藝過程建立精確的數(shù)學(xué)模型， 當(dāng)實際壓射位置及速度與設(shè)置值產(chǎn)生偏差時， 綜合壓射參數(shù)的實測值和設(shè)置值對控制閥的開度調(diào)整量進(jìn)行預(yù)估控制，然后根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的實際變化，對響應(yīng)速度過快造成的超調(diào)和振蕩進(jìn)行負(fù)反饋補償， 消除系統(tǒng)慣量的影響，并將控制閥的性能發(fā)揮到極限，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度。 在壓射工藝過程的數(shù)學(xué)模型中還需要包含對壓鑄機壓射裝置液壓系統(tǒng)的特性飄移、壓力波動和阻尼變化的反饋補償模塊， 使壓鑄機的壓射過程在不同的工況變化下保持穩(wěn)定，不需要反復(fù)調(diào)整，從而能夠?qū)鸿T產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行有效控制， 并保證壓射過程的重復(fù)性。達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：慢速至快速位置重復(fù)精度1.5mm；慢速速度重復(fù)精度±0.05m/s；快速速度重復(fù)精度±0.1m/s；鑄造壓力控制精度±5bar。

（3）壓鑄機的嵌入式實時控制器、邏輯控制器、人機界面采用高速CPU 進(jìn)行運算處理，對壓鑄機各動作模式進(jìn)行中央集中處理。 嵌入式控制器具備如下關(guān)鍵性指標(biāo)要求： 在實時和確定性響應(yīng)方面有苛刻要求的PLC 任務(wù)，而且需要PC 功能；高性能控制任務(wù)，其中的用C/C++開發(fā)的程序可以集成到PLC 循環(huán)中；緊湊式使用，無需操作員輸入；使用可分離屏幕，如SIMATIC 平板顯示器；機器級安裝；使用客戶特有的硬件和軟件；在一整套硬件中集成不同的任務(wù)（控制、工藝、數(shù)據(jù)處理）。 這正是壓鑄單元控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)安裝調(diào)試的主要核心要素，同時也滿足適應(yīng)壓鑄設(shè)備高溫高腐蝕空間局促等工況條件惡劣的現(xiàn)場環(huán)境。因此，嵌入式控制器的運用正是當(dāng)今壓鑄成套設(shè)備高效智能化發(fā)展趨勢的要求。

3 結(jié)束語

本文的介紹， 以嵌入式控制器為高效智能壓鑄島控制核心， 通過網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)計算機對壓鑄機本身以及周邊設(shè)備進(jìn)行控制， 把壓鑄機與周邊設(shè)備通過程序控制有條不紊地聯(lián)系成一個整體完成各個工藝流程， 并在整個過程中通過對產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備性能的在線監(jiān)測， 實現(xiàn)從原料到合格壓鑄件成品的程序化、數(shù)字化、生產(chǎn)信息化的全過程控制。 對推動壓鑄工業(yè)的集成化、 大型化和自動化，提高壓鑄生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量等提供指導(dǎo)和示范性作用。