楊 威，俞子榮，陳黎娟

(南昌航空大學信息工程學院，江西 南昌 330063)

0 引言

隨著國內(nèi)外航空、航天、兵器、汽車等眾多行業(yè)對于大型、復雜、薄壁、精密、優(yōu)質(zhì)高強度有色金屬鑄件需求量的增加，鑄造工藝及設(shè)備也在不斷更新、發(fā)展。其中反重力鑄造利用外加壓力使合金液沿著與重力相反的方向自下而上充型并凝固成形，具有充型平穩(wěn)、充型速率可控、溫度場分布合理、壓力下凝固有利于鑄件凝固補縮、鑄件的力學性能好、組織致密、鑄造缺陷少等眾多特點，具有廣闊的發(fā)展前景［1］。按工藝過程的差異，反重力鑄造又被劃分為低壓鑄造、差壓鑄造、調(diào)壓鑄造等，相關(guān)技術(shù)已在業(yè)界得到廣泛使用［2］。

然而我國現(xiàn)有鑄造系統(tǒng)功能單一，自動化程度低，鑄件精度不高，專業(yè)化程度低，集約化程度低，不利于集散化控制，極大地限制了我國鑄造業(yè)的發(fā)展。筆者結(jié)合實際相關(guān)設(shè)備，開發(fā)出一套可實現(xiàn)低壓鑄造、調(diào)壓鑄造和差壓鑄造等多種功能于一體的反重力鑄造系統(tǒng)，不僅滿足不同類型鑄件的反重力成形生產(chǎn)，提高鑄造精度，而且大大提升了設(shè)備功能自動化集成和一體化控制，節(jié)約投入成本的同時又增強了廠家的集散化管理。

1 一體化壓力鑄造系統(tǒng)的組成

一體化壓力鑄造系統(tǒng)設(shè)備主體由儲氣罐、鑄機、儲氣罐和鑄罐連通的管子、開關(guān)閥門和數(shù)字組合閥等幾部分組成，如圖1所示。

圖1 一體化壓力鑄造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

低壓鑄造是保持上罐在一個大氣壓不變的情況下，對下罐分別進行升液、充型、加壓，在保持適當時間的壓強差后，再進行卸壓。

差壓鑄造是先同時升高上下罐壓強至300到500 kPa，簡稱建壓;然后在保持下罐壓力不變的同時，減小上罐壓強，經(jīng)過升液、充型和升壓差3個過程后，再進行適當時間的保壓階段，最后卸壓。

真空調(diào)壓鑄造則是首先對上下儲氣罐同時抽真空，然后保持上罐壓力不變，對下罐加壓分別進行升液、充型和加壓，在保持上下罐壓差不變的情況下再同時升壓至300至500 kPa，到適當?shù)母邏汉筮M行一段時間的保壓階段，最后卸壓。

2 現(xiàn)場控制系統(tǒng)

圖2 現(xiàn)場控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)由PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)、模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、溫度采集模塊、壓力顯示模塊等組成，如圖2所示。

(1)PLC模塊。

系統(tǒng)中使用的是西門子S7-200系列PLC，CPU為226。它是所有控制指令的大腦，負責整個程序的運行與監(jiān)測［3］。

(2)模擬量輸入模塊。

模擬量輸入模塊由壓力傳感器、變送器和PLC模擬量輸入擴展模板EM231構(gòu)成。其中，壓力傳感器檢測電路測量上、下鑄罐和上、下儲氣罐共4路壓力值。鑄罐內(nèi)為絕壓傳感器，儲氣罐內(nèi)為表壓傳感器。壓力傳感器測量范圍為0～1.0 MPa，輸出信號為4～20 mA電流值，經(jīng)EM231擴展模塊接入PLC中。

(3)數(shù)字量輸入模塊。

數(shù)字量輸入模塊包括上、下鑄罐鎖緊到位、充型到頂、漏液和控制柜面板操作按鈕等信號的檢測電路和輸入端口，從檢測電路傳來的信號由PLC本身的數(shù)字量輸入端口接收?？刂栖浖眠@些信號保證鑄造系統(tǒng)正常、安全、有序地運行。

(4)數(shù)字量輸出模塊。

該模塊主要由PLC主機、PLC數(shù)字量輸出擴展模板EM222、開關(guān)閥和數(shù)字組合閥構(gòu)成。開關(guān)閥為氣動球閥，而數(shù)字組合閥是最新研制的一種流量控制元件，它的基本單元由一個二進制的截流孔和一個二位二通電磁閥串聯(lián)構(gòu)成，每個數(shù)字組合閥由8個基本單元并聯(lián)而成。輸出量能夠直接控制基本單元開啟或閉合，開啟不同組合對應(yīng)著不同大小的氣體流量。與薄膜調(diào)節(jié)相比，數(shù)字組合閥結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾及抗污染能力強，大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度［4］?？刂戚敵鲩_關(guān)閥信號共有9路，控制輸出數(shù)字調(diào)節(jié)閥有2×8路。開關(guān)閥信號與PLC本身數(shù)字量輸出端口相連接，而數(shù)字組合閥通過PLC數(shù)字量輸出擴展模板EM222與PLC相連接。

(5)LED壓力顯示模塊。

一體化壓力控制系統(tǒng)中的LED壓力顯示使觀察壓力值的變化更加方便直觀，該模塊系統(tǒng)中主要包括3路壓力值的顯示:上罐壓力值、下罐壓力值和儲氣罐壓力值。該電路通過4511芯片驅(qū)動LED數(shù)碼管，是典型的串行數(shù)據(jù)送顯形式。

(6)爐膛和金屬液溫度采集模塊。

爐膛和金屬液溫度采集模塊主要由爐膛、金屬液溫度傳感器和島電SR23PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成。SR23為日本島電公司新一代高分辨率-高性能-高精度0.1級PID調(diào)節(jié)器。SR23通過RS-485與PC機相連接，使用Modbus通信協(xié)議實現(xiàn)通信。SR23能夠?qū)崿F(xiàn)對爐膛和金屬液溫度進行PID控制調(diào)節(jié)，同時完成對溫度的采集并實時將溫度數(shù)據(jù)同步至PC機。

功能總述:來自氣罐的壓力信號以4～20 mA電流形式接入PLC模擬量輸入模塊EM231中，開關(guān)量信號接入PLC本身數(shù)字量輸入端口，經(jīng)PLC接收、處理、分析后寫入PC機中，PC機根據(jù)爐膛溫度、金屬液溫度、壓力數(shù)值和開關(guān)量計算最優(yōu)算法，并自動生成工藝數(shù)據(jù)，發(fā)送到PLC中。PLC能夠完成工藝數(shù)據(jù)的接收，并按照工藝數(shù)據(jù)進行控制。

3 通信協(xié)議的選擇

S7-200 CPU支持多樣的通訊能力。根據(jù)不同的CPU，網(wǎng)絡(luò)可以支持一個或多個以下協(xié)議:點到點(Point-to-Point)接口(PPI)、多點(Multi-Point)接口(MPI)、PROFIBUS協(xié)議。

通常情況下采用自定義協(xié)議與上位機通訊。在這種通訊方式中，需要首先定義自由通訊格式，再在PLC中編寫代碼，利用中斷方式控制通訊端口的數(shù)據(jù)收發(fā)。然而，采用這種方式，PLC編程調(diào)試較為煩瑣，占用PLC的軟件中斷和代碼資源，而且當PLC的通訊口定義為自由通訊口時，PLC的編程軟件無法對PLC進行監(jiān)控，給PLC程序調(diào)試帶來不便?；谶@種情況，采用PPI協(xié)議用上位機對PLC進行監(jiān)控。

PPI是一種主/從協(xié)議。在該協(xié)議中，主站(其他CPU、SIMATIC編程器或TD200)給從站發(fā)送申請，從站進行響應(yīng)。從站不初始化信息，但是當主站發(fā)出申請或查詢，從站才響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)上的所有S7-200 CPU都作為從站。

如果在用戶程序中允許PPI主站模式，一些S7-200 CPU在RUN模式下可以作為主站。一旦允許PPI主站模式，就可以利用網(wǎng)絡(luò)讀(NETR)和網(wǎng)絡(luò)寫(NETW)指令讀取其他CPU。當S7-200 CPU作為PPI主站時，它還可以作為從站響應(yīng)來自其他主站的申請［5］。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 PLC軟件設(shè)計

Step7-Micro/WIN編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專門為SIMATIC S7-200系列可編程控制器設(shè)計開發(fā)。

PLC的軟件架構(gòu)主要分為監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。監(jiān)控程序是面向儀器面板鍵盤和顯示器的管理程序，其內(nèi)容包括:通過鍵盤輸入命令和數(shù)據(jù)，以對儀器的功能、操作方式和工作參數(shù)進行設(shè)置;根據(jù)儀器設(shè)置的功能和工作方式，控制I/O接口電路進行數(shù)據(jù)采集、存儲;按照儀器設(shè)置的參數(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理;以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示測試結(jié)果、數(shù)據(jù)處理結(jié)果及儀器狀態(tài)信息。接口管理程序是面向通信接口的管理程序，其任務(wù)是接收并分析來自通信接口的遠程命令，包括掃描有關(guān)功能、操作方式與工作參數(shù)的代碼;進行有關(guān)的數(shù)據(jù)采集與處理;通過通信接口送出儀器測量結(jié)果、數(shù)據(jù)處理結(jié)果及儀器現(xiàn)行工作狀態(tài)的信息［6］。

編程時首先要對控制對象和控制任務(wù)進行統(tǒng)計和分析，設(shè)計電氣原理圖。之后要對電氣原理圖中的器件進行PLC資源分配，進而開始進行PLC編程。PLC編程語言中包含梯形圖(LAD)、語句表(STL)、順序功能圖(SFC)、功能塊圖(FBD)等。編程完成后需要對PLC程序進行仿真調(diào)試，聯(lián)結(jié)電氣原理，最后將PLC程序下載到存儲模塊，進行現(xiàn)場調(diào)試。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 PLC主程序流程圖

4.2 上位機軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮腃++語言，在可視化開發(fā)環(huán)境Visual C++6.0下進行監(jiān)控與管理軟件程序設(shè)計［7］。

一體化壓力鑄造系統(tǒng)上位監(jiān)控系統(tǒng)軟件需安裝在操作人員使用的PC設(shè)備環(huán)境中。操作者需要在這里看到裝備的所有邏輯動作狀態(tài)和液面加壓動態(tài)過程。構(gòu)件成形所需要工藝參數(shù)、下位機PLC執(zhí)行具體操作時需要的動態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)、動作執(zhí)行指令都要由上位監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出。同時，上下位機的動作結(jié)果均要通過上位機來提供給設(shè)備操作人員，以便設(shè)備操作人員了解設(shè)備的當前工作狀態(tài)。其主要功能是周期性地采集上、下鑄罐和儲氣罐的壓力信號，使鑄造系統(tǒng)能夠根據(jù)各工藝段進行精確控制，并及時將采集的壓力數(shù)據(jù)、調(diào)節(jié)閥的開度控制數(shù)據(jù)、工藝運行情況等，以動態(tài)曲線圖、滾動數(shù)據(jù)表、動態(tài)鑄造進程顯示等直觀傳遞給操作人員，使操作人員及時掌握鑄造進度情況，并將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，方便工程人員日后分析提供有效數(shù)據(jù)。

5 控制算法

在鑄造過程中，由于氣體泄漏、型腔變化、坩堝中的金屬液液面下降造成的下罐壓力變化，從調(diào)節(jié)閥操作到鑄罐內(nèi)壓力存在時延，鑄造過程中儲氣罐氣壓變化等多種因素的影響，使得一體化壓力鑄造成為一個具有時變性、非線性、延時性的復雜系統(tǒng)。因此，無法采用常規(guī)的數(shù)學方法對其鑄造過程進行精確描述。鑄造系統(tǒng)的最佳控制參數(shù)是變化的，但常規(guī)的PID控制器不能在線整定控制參數(shù)，且常規(guī)PID控制器對非線性、時變系統(tǒng)和模型不固定的系統(tǒng)難以達到很好的控制效果。基于數(shù)學模型的常規(guī)PID控制方法存在很大的不足，而簡單的模糊控制器由于不具有積分環(huán)節(jié)，在用簡單模糊控制算法的系統(tǒng)中很難消除穩(wěn)態(tài)誤差，且在變量分級不夠多的情況下，常在平衡點附近有小的震蕩現(xiàn)象。系統(tǒng)結(jié)合模糊控制和PID控制，構(gòu)成模糊PID參數(shù)自整定控制器，兼顧常規(guī)PID控制器和模糊控制器的優(yōu)點［8］。

模糊PID參數(shù)自整定控制是以誤差e和誤差變化率ec作為模糊PID控制器的輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)Kp、Ki、Kd進行修改，便構(gòu)成了自整定模糊PID控制器，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模糊PID參數(shù)自整定控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊PID參數(shù)自整定是找出PID三個參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理來對3個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象具有良好的動態(tài)、靜態(tài)性能［8］。

模糊PID參數(shù)自整定的設(shè)計思想是先找出PID三個參數(shù)與偏差|E|和偏差變化率|EC|之間的模糊關(guān)系，在工作中通過不斷檢測|E|和|EC|，再根據(jù)模糊控制原理來對參數(shù)Kp、Ki、Kd的自整定要求歸納如下:

(1)當|E|較大時，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖5所示輸出響應(yīng)曲線的A段時，為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較好的快速跟蹤性能，并避免因開始時偏差的瞬間變大，可能引起微分過飽和，而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd。同時為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，需對積分作用加以限制，通常取Ki=0。

圖5 輸出響應(yīng)曲線

(2)當|E|為中等大小時，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖5曲線的B段時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取較小的Kp，適當?shù)腒i和Kd，以保證系統(tǒng)響應(yīng)速度，其中Kd的取值對系統(tǒng)的響應(yīng)速度影響較大。

(3)當|E|較小時，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖5曲線的C段時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取較大的Kp和Ki，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能。當|EC|較小時，Kd值可取大些，通常取為中等大小;當|EC|較大時，Kd值應(yīng)取小些。

6 結(jié)束語

基于PLC的一體化壓力鑄造系統(tǒng)可在一臺設(shè)備上實現(xiàn)低壓鑄造、差壓鑄造和調(diào)壓鑄造多項功能，節(jié)約了多臺設(shè)備投入，大大減少了廠房面積，更重要的是為航空、航天、航海等眾多行業(yè)提供了多類型滿足行業(yè)不同需求的產(chǎn)品。一體化壓力鑄造系統(tǒng)可根據(jù)鑄件尺寸、壁厚靈活選用不同鑄造工藝，并具有以下特點:(1)鑄造工藝之間的切換由控制軟件輸出相應(yīng)控制信號自動完成切換，不需要做任何硬件的改動;(2)采用高性能數(shù)字式組合閥以及自行開發(fā)的控制軟件，有效提高了流量調(diào)節(jié)響應(yīng)速度和控制精度;(3)操作簡便、系統(tǒng)設(shè)備運行安全可靠。

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