李鵬飛，張壽明，張騰騰

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650000）

0 引言

隨著航空航天、精密金屬儀器等領(lǐng)域剛需性日益增長(zhǎng)，鋁合金鑄造技術(shù)成為鋁合金生產(chǎn)的過程中的重點(diǎn)，為擠壓、軋制、鍛造等生產(chǎn)提供合格的鑄錠。早在上世紀(jì)90年代，中國(guó)冶金鑄造業(yè)技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了快車道，國(guó)內(nèi)相關(guān)專家在這個(gè)領(lǐng)域取得了一系列成果，對(duì)我國(guó)冶金鑄造業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，但成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力不足。同時(shí)，對(duì)鋁合金鑄造技術(shù)提出了更高的要求，但相較于國(guó)外發(fā)展還相對(duì)落后[1]，部分還停留在傳統(tǒng)鑄造階段，因此引起了國(guó)家的重視。鋁合金廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)其韌度、精密度和腐蝕性等方面提出了更高的要求[2]。隨著計(jì)算機(jī)及相關(guān)自動(dòng)化產(chǎn)品的出現(xiàn)和技術(shù)發(fā)展，相對(duì)落后的鋁合金鑄造水平逐漸智能化[3]。半連續(xù)鑄造機(jī)種類較多，國(guó)內(nèi)外鋁合金生產(chǎn)過程中，根據(jù)拉出鑄錠的牽引動(dòng)力不同，主要有鋼絲繩式、絲杠式和液壓油缸式三種方式。鋁合金半連續(xù)鑄造主要分為橫向半連續(xù)和立式半連續(xù)兩種鑄造方式。相比連續(xù)鑄造技術(shù)，半連續(xù)鑄造技術(shù)對(duì)鑄錠規(guī)格沒有太高的要求，靈活性高，鑄造產(chǎn)品多樣化，便于滿足市場(chǎng)需求[4]。鋁合金半連續(xù)鑄造機(jī)在牽引機(jī)作用下，將鑄棒由水平方向以一定速度取出，橫向半連續(xù)鑄造機(jī)控制鑄造速度，大大提高了鋁合金鑄造產(chǎn)量和效率。后期人們對(duì)橫向半連續(xù)鑄造機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，通過 DSP控制交流變頻改造整個(gè)控制系統(tǒng)，改善了鋁合金鑄棒的工藝和性能，有效解決了鑄棒常出現(xiàn)的中心裂紋、表面缺陷和韌度不夠等技術(shù)難點(diǎn)[5-6]。立式半連續(xù)鑄造機(jī)在控制鋁液流量、鑄造速度、水量水壓和油溫等方面結(jié)合可編程邏輯控制器，整個(gè)鑄造過程平穩(wěn)、安全。由于國(guó)內(nèi)半連續(xù)立式鑄造機(jī)結(jié)晶器設(shè)計(jì)工藝還不成熟，對(duì)結(jié)晶環(huán)供氣和溫度控制還不夠理想。

在21世紀(jì)初，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶動(dòng)了鋁生產(chǎn)加工行業(yè)的發(fā)展，鋁合金鑄錠在先進(jìn)液壓鑄造機(jī)中的應(yīng)用越來越廣泛。大多數(shù)鋁合金鑄造過程中，半連續(xù)鑄造機(jī)鑄造速度如果過大或者不均勻波動(dòng)，可能造成

鋁合金鑄錠出現(xiàn)瑕疵，甚至造成機(jī)械設(shè)備損壞。如何控制半連續(xù)鑄造機(jī)的鑄造速度成為當(dāng)下急需解決的熱門問題。

本文結(jié)構(gòu)安排如下：第2章，鋁合金圓棒鑄造方法及工藝，鑄造控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在第3章給出，第4章，半連續(xù)液壓鑄造機(jī)的鑄造速度控制，結(jié)論在第5章給出。

1 鋁合金圓棒鑄造方法及工藝

1.1 鋁合金圓棒鑄造方法

當(dāng)今國(guó)內(nèi)主要有兩種常用策略來控制半連續(xù)鑄造機(jī)的鑄造速度：（1）基于電液比例鑄造速度液壓控制回路，該方法根據(jù)外負(fù)載變化對(duì)泵的輸出流量智能控制，解決了內(nèi)導(dǎo)液壓缸和舉升油缸等半連續(xù)鑄造機(jī)附帶設(shè)備由于工作切換產(chǎn)生過大的流量變化問題。此控制策略雖然能解決一定問題，但由于比例閥芯頻率較大，發(fā)生故障會(huì)引起零位漂移，對(duì)鑄造過程造成很大程度的影響[7]；（2）基于步進(jìn)電機(jī)控制流量閥開度的鑄造速度液壓控制回路策略。利用該方法電機(jī)同時(shí)控制兩個(gè)泵，流量閥開度不易控制，故障率較高。

1.2 鋁合金圓棒鑄造的工藝流程

鋁合金鑄造工藝流程相對(duì)復(fù)雜，整個(gè)控制過程主要分五步：（1）鋁合金鑄造前進(jìn)行檢查；（2）鑄造前的準(zhǔn)備；（3）鑄造開頭程序設(shè)計(jì)；（4）鑄造過程控制；（5）鑄造過程結(jié)束。在鑄造之前需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)檢查，如保溫爐溶體溫度必須達(dá)到要求，溶體成分滿足鑄造條件等。檢查系統(tǒng)無誤后，對(duì)鑄造程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解原鋁液與中間合金及重熔鋁錠配料生產(chǎn)圓鑄錠。通過PLC自動(dòng)化控制熔煉、精煉、除氣、鑄造、熱處理和鋁切工藝流程。在整個(gè)工藝流程中，首先自動(dòng)潤(rùn)滑結(jié)晶器，經(jīng)過配料后熔煉爐熔煉，取樣分析合金成分，最后傾入保溫爐靜置保溫中精煉；在鑄造過程中連續(xù)加入 Al-Ti-B絲以細(xì)化晶粒，鋁液流經(jīng)熔體在線處理裝置除氣、除渣，最后通過內(nèi)導(dǎo)式液壓半連續(xù)鑄造機(jī)鑄成鋁合金圓棒檢查合格后方為成品。

2 鑄造機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件配置

基于TIA Portal V13編程軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和硬件組態(tài)，如圖1所示。在復(fù)雜工業(yè)過程控制中，可編程控制器(PLC)的穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)，且對(duì)惡劣的工作環(huán)境有較大的優(yōu)勢(shì)[8-9]。本文鑄造機(jī)控制系統(tǒng)基于可編程控制器(PLC)，通過其輸入輸出模塊采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的模擬量信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，結(jié)合西門子觸摸屏(1200 TP Comfort)，設(shè)置鑄造機(jī)鑄造過程的狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)。通過液壓控制系統(tǒng)，控制鑄造平臺(tái)的升降速度和冷卻水量、氣壓強(qiáng)度、鑄錠長(zhǎng)度、油溫等，完成整個(gè)鑄造過程。利用該電氣控制系統(tǒng)，可以穩(wěn)定的控制鑄造平臺(tái)升降速度，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低故障率，維修簡(jiǎn)便，最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖1 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖Fig.1 Netw ork configuration diagram

半連續(xù)液壓鑄造機(jī)系統(tǒng)的模擬量輸入信號(hào)包括鑄造時(shí)給定的流量、鑄錠長(zhǎng)度、鑄造速度信號(hào)，脈沖流量計(jì)檢測(cè)到流量反饋信號(hào)。模擬量輸出信號(hào)包括流量給定信號(hào)、控制板的壓力，比例流量閥控制模塊的給定信號(hào)[10]。PLC采集的模擬量信號(hào)為電流信號(hào)，量程為 4-20 mA。用開關(guān)量信號(hào)去控制繼電器、接觸器的線圈，電磁閥以及本系統(tǒng)的各種指示燈和故障輸出。根據(jù)實(shí)際工業(yè)操作現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，選擇兩塊SM321數(shù)字量輸入模塊（DI），以及一塊SM323數(shù)字量輸入模塊(可接受2×32+16=80個(gè)開關(guān)量輸入)。數(shù)字量輸出模塊（DO）選擇 SM322和SM323各1塊(可接受32+16=48個(gè)開關(guān)量輸出)，模擬量輸入模塊（AI）選擇8通道SM331模塊一塊和4通道SM334模塊一塊，模擬量輸出模塊（AO）模塊選擇4通道SM332模塊和2通道SM334模塊兩塊，計(jì)數(shù)模塊FM350-1一塊，如圖2所示。

圖2 硬件組態(tài)網(wǎng)Fig.2 Configuration diagram of hardware

模擬量輸出的信號(hào)接入SM332模塊，根據(jù)流量的大小來控制比例閥的開度，F(xiàn)M350-1計(jì)數(shù)模塊對(duì)流量計(jì)輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。冷卻水溫度、壓力和流量等采用信號(hào)變送器，SM331模塊對(duì)信號(hào)變送器輸出的進(jìn)行采集和控制。SM321模塊、SM322模塊、SM323模塊對(duì)系統(tǒng)的開關(guān)量進(jìn)行控制，其他邏輯控制功能還使用了SM334模塊。

為了使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)正常的通訊和數(shù)據(jù)交互，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的生產(chǎn)工藝要求來設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，控制室操作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)配置西門子的TP 1200 Comfort彩色觸摸屏,通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)放,實(shí)時(shí)顯示和修改相關(guān)的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[11-12]，如圖3所示。觸摸屏的使用為控制系統(tǒng)創(chuàng)造了一個(gè)友好的交互環(huán)境。觸摸屏與工作站（PLC）之間進(jìn)行交換數(shù)據(jù)時(shí)使用以太網(wǎng)通訊，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài)時(shí)，需要把觸摸屏與PLC的IP地址設(shè)置為同一個(gè)網(wǎng)段，否則將無法建立通訊連接。

圖3 網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài)圖Fig.3 Network connection configuration diagram

2.2 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)是鋁合金圓棒鑄造機(jī)的核心部分，其性能直接決定鑄造機(jī)鋁錠的質(zhì)量及生產(chǎn)的高效性。液壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了鑄造速度精度，使鑄造速度的誤差穩(wěn)定在設(shè)定的范圍之內(nèi)，以及對(duì)鋁錠質(zhì)量及控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定起著關(guān)鍵性的作用，且對(duì)生產(chǎn)過程的安全性提供有力的保障[13-14]。液壓控制根據(jù)液壓缸的運(yùn)動(dòng)方式分為內(nèi)導(dǎo)式和外導(dǎo)式，內(nèi)導(dǎo)式液壓控制不需要專門維護(hù)導(dǎo)向裝置，而外導(dǎo)式液壓控制由液壓缸、水冷系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成。鑄造速度檢測(cè)系統(tǒng)的性能和液壓缸的穩(wěn)定性直接決定了鑄造速度的穩(wěn)定性，因此本文采用內(nèi)導(dǎo)式液壓控制，在鑄造油缸的回油管路上安裝比例調(diào)節(jié)閥和脈沖流量計(jì)。通過調(diào)節(jié)比例閥的開度來控制油缸下降的速度，脈沖流量計(jì)通過液壓油流動(dòng)推動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。PLC采集到脈沖信號(hào)后并對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)流過的體積與脈沖的關(guān)系，換算成油缸的運(yùn)動(dòng)速度，即可得到鑄造速度。每分鐘流過流量計(jì)的液壓油體積由公式（1）可得。

其中，N為每分鐘脈沖個(gè)數(shù)，P為每發(fā)出一個(gè)脈沖所流過的油的體積。

同時(shí)，由公式（2）可得活塞位移：

其中，L2為回油腔液壓油流出體積，S為回油腔活塞橫截面積。

當(dāng) L1= L2時(shí)，鑄造速度可由式（3）得到。

2.3 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

基于西門子公司的TIA Portal V13編程軟件進(jìn)行上位機(jī)程序設(shè)計(jì)，對(duì)控制系統(tǒng)程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，方便于后期原程序的修改、移植和調(diào)試。通過功能塊FC設(shè)計(jì)各參數(shù)程序，在主程序OB1中調(diào)用功能塊FC，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于DB數(shù)據(jù)塊中，在與上位機(jī)連接時(shí)實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)。

選擇TP 1200 Comfort型號(hào)的觸摸屏，設(shè)置的數(shù)據(jù)使用單獨(dú)的數(shù)據(jù)塊(DB100)，在子程序中設(shè)置功能數(shù)據(jù)處理來實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)交換，對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，參數(shù)設(shè)置畫面如圖4所示。

圖4 參數(shù)設(shè)置畫面Fig.4 Parameter setting screen

人機(jī)界面是 DCS操作員與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交換的媒介?？刂葡到y(tǒng)的控制信號(hào)、反饋信號(hào)以及數(shù)據(jù)采集的信息都在觸摸屏上呈現(xiàn)，如圖5所示。通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)鑄造速度和鑄造水量的控制以及鑄造機(jī)有關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

3 半連續(xù)液壓鑄造機(jī)的鑄造速度控制

3.1 PID控制算法設(shè)計(jì)

PID控制一種線性控制器，在工業(yè)中應(yīng)用比較普遍。PID控制的原理圖如圖6所示。

圖5 控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)畫面Fig.5 The monitoring screen of control system

圖6 PID 控制原理圖Fig.6 PID control principle diagram

給定的值 ()R t與實(shí)際輸出值 ()Y t的偏差 ()e t如式（4）所示：

將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器，其控制規(guī)律為：

以偏差 ()e t為控制器的輸入， ()u t為控制器 的輸出式（5）的傳遞函數(shù)為：

其中，u(t)為控制器的輸出量，R(t)為控制器輸入量，Kp為比例系數(shù)，使偏差信號(hào)e(t)向減小到的方向變化，比例系數(shù)過大可能引起系統(tǒng)振蕩。另外，Ti是積分時(shí)間常數(shù)，用于消除靜態(tài)誤差，積分的時(shí)間太短會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，Td為微分時(shí)間常數(shù)，抑制控制系統(tǒng)的振蕩，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

當(dāng)采樣周期lim 0T= 時(shí)：

其中，T為采樣周期；k為采樣時(shí)刻序列序列號(hào)，k=0,1,2…。

PID控制算法的離散化公式：

其中，k為采樣序號(hào)，u(k)為第k次數(shù)據(jù)采樣的輸出值，e(k-1)為第k-1次數(shù)據(jù)采樣的偏差值。

3.2 鑄造速度的控制

在鋁合金鑄造機(jī)初始化工作時(shí)，首先將油泵關(guān)閉，接通相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥，實(shí)時(shí)測(cè)量流量計(jì)的數(shù)值，并與給定的流量參考值相比較，通過鑄錠和平臺(tái)自重來降低鑄造平臺(tái)。利用PID算法進(jìn)行運(yùn)算，輸出一個(gè)4-20 mA的模擬量信號(hào)，通過控制比例閥的開度來控制流量的大小，最終有效控制鑄造速度。上位機(jī)上設(shè)計(jì)鑄造過程各參數(shù)畫面，在組態(tài)畫面窗口設(shè)定一個(gè)鑄造速度V1，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算，通過 SM332模塊將相應(yīng)的模擬量信號(hào)輸出給比例閥，控制比例閥開度，向下適當(dāng)調(diào)整鑄造油缸的位移，檢測(cè)油路中流量，通過脈沖流量計(jì)發(fā)出脈沖信號(hào)，整個(gè)過程中，用FM350-1模塊對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，所有參數(shù)值在上位機(jī)畫面中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過PLC對(duì)鑄造機(jī)速度進(jìn)行計(jì)算得到實(shí)時(shí)鑄造速度V2，比較之前設(shè)定的鑄造速度 V1和實(shí)時(shí)速度 V2得到偏差()e t，此偏差會(huì)由PLC的PID調(diào)節(jié)器調(diào)整，從而糾正偏離的鑄造速度，直到偏差降到最小，鑄造速度達(dá)到穩(wěn)定，控制流程圖如圖7所示。

圖7 控制方塊圖Fig.7 The control block diagram

4 結(jié)論

本文對(duì)鋁合金圓棒半連續(xù)鑄造機(jī)工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，在液壓系統(tǒng)中主要研究了鑄造速度對(duì)鑄造過程的影響，引入閉環(huán)PID控制來設(shè)計(jì)鑄造控制系統(tǒng)，解決對(duì)鑄造速度造成影響的外界擾動(dòng)因素，提高整個(gè)鑄造系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性。該鋁合金半連續(xù)鑄造機(jī)控制系統(tǒng)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）閉環(huán) PID控制回路能更有效的進(jìn)行信息反饋，操作靈活，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)；

（2）鑄造速度穩(wěn)定性大幅提高；

（3）鑄錠表面質(zhì)量得到改善，鑄錠表面光滑，無冷隔、氣泡等缺陷。

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