李海波，惲新星，徐瑾瑜

(無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫214153)

近年來(lái)隨著鑄造生產(chǎn)，特別是造型工序的迅速發(fā)展，澆注的機(jī)械化、自動(dòng)化也逐漸被人們所重視，相繼出現(xiàn)了傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)、氣壓式澆注機(jī)以及底注式澆注機(jī)等三大類［1］。由于傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)采用了傾轉(zhuǎn)速度可調(diào)的傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使?jié)沧⑦^(guò)程在變速中完成，極有利于金屬液在模具中的充型和排氣，可以大大提高鑄件質(zhì)量，降低鑄件的廢品率。為此，作者與常州某公司進(jìn)行了合作技術(shù)研發(fā)，設(shè)計(jì)了一套半自動(dòng)的液壓澆注機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 液壓澆注機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

液壓澆注機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成［2］:

(1)主機(jī)。主要由床身、合型機(jī)構(gòu)、跟出機(jī)構(gòu)、傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、底座等部分組成;合型機(jī)構(gòu)采用“U”形結(jié)構(gòu)，具有體積小，剛性好的優(yōu)點(diǎn);獨(dú)特的鑄件跟出機(jī)構(gòu)，使鑄件被強(qiáng)制留在動(dòng)模，可以有效防止鑄件的變形。

(2)液壓系統(tǒng)。所有液壓泵、閥均采用進(jìn)口產(chǎn)品;液壓泵采用變量柱塞泵，保證系統(tǒng)恒壓，流量自動(dòng)調(diào)節(jié)，節(jié)約能源;采用電磁比例閥控制機(jī)器傾轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)金屬液澆注過(guò)程中傾轉(zhuǎn)速度多級(jí)調(diào)節(jié);所有油缸的密封件采用進(jìn)口密封件，模具附近油缸采用耐高溫密封件。

(3)模具冷卻系統(tǒng)。機(jī)器配備多路模具氣冷和水冷冷卻通道，實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制方式的自動(dòng)冷卻控制。每個(gè)冷卻通道流量可手動(dòng)調(diào)節(jié)。冷卻參數(shù)的設(shè)置和工作冷卻通道的選擇均可在人機(jī)界面中完成。

(4)電氣控制系統(tǒng)。主要完成液壓澆注機(jī)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控以及工藝參數(shù)設(shè)置等［3-4］。

2 液壓澆注機(jī)的電氣控制系統(tǒng)要求

(1)系統(tǒng)要求設(shè)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式。

在手動(dòng)操作下，能夠單步實(shí)現(xiàn)以下動(dòng)作:

①合模→動(dòng)模液壓工作，模具合起;開(kāi)模→動(dòng)模液壓工作，模具打開(kāi)，動(dòng)模遠(yuǎn)離定模。

②頂芯進(jìn)→定模液壓工作，定模頂板進(jìn);頂芯退→定模液壓工作，定模頂板退。

③復(fù)位Ⅰ→搖臂液壓工作，澆注機(jī)傾斜成豎直。

④傾倒→搖臂液壓工作，澆注機(jī)傾斜成水平。

⑤開(kāi)機(jī)→電源指示燈亮，手動(dòng)→手動(dòng)指示燈亮。

⑥自動(dòng)→自動(dòng)指示燈亮。

⑦復(fù)位Ⅱ→動(dòng)模液壓、定模液壓、搖臂液壓都工作，動(dòng)模打開(kāi)，頂芯板退，澆注機(jī)傾斜成豎直，原點(diǎn)指示燈亮。

在自動(dòng)方式下，其工作流程為:啟動(dòng)液壓泵→手動(dòng)方式下機(jī)器復(fù)位回原點(diǎn)→切換到自動(dòng)方式→按下起動(dòng)按鈕→動(dòng)模打開(kāi)→動(dòng)模合起→澆注鋁水→再次按下起動(dòng)按鈕→傾斜成水平→固化→澆注機(jī)傾斜成豎直→報(bào)警→動(dòng)模打開(kāi)，定模頂板進(jìn)→取出工作→定模頂板退。

(2)能夠?qū)δ＞哳A(yù)熱溫度進(jìn)行精確控制與顯示。

(3)能夠在人機(jī)界面上設(shè)置各個(gè)產(chǎn)品的澆注工藝參數(shù)。

(4)傾轉(zhuǎn)澆注速度可調(diào)，這里要求速度分六級(jí)可調(diào)。

(5)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)以及參數(shù)能夠在顯示屏上可同步顯示。

(6)能根據(jù)用戶的不同身份進(jìn)行操作權(quán)限的設(shè)置。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶需求，為了實(shí)現(xiàn)液壓澆注機(jī)的自動(dòng)監(jiān)控，確定該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

在該系統(tǒng)中，采用西門子的PLC(CPU224XP)作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，接收現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)以及檢測(cè)用傳感器的輸入，通過(guò)運(yùn)行程序，輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)實(shí)現(xiàn)電磁閥的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行合模、開(kāi)模以及頂芯進(jìn)退等動(dòng)作，通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換輸出模擬量信號(hào)進(jìn)行比例閥和加熱絲的控制。

利用上位機(jī)(威綸MT8000 系列觸摸屏)進(jìn)行速度分段以及各工藝參數(shù)設(shè)置、用戶權(quán)限設(shè)置。利用PPI 通信方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器狀態(tài)顯示，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。

對(duì)于鋁水裝置的溫度控制，則是根據(jù)設(shè)定溫度采用閉環(huán)控制的方式實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)晶閘管的工作狀態(tài)從而間接驅(qū)動(dòng)加熱絲工作實(shí)現(xiàn)。

4 模具預(yù)熱溫度的模糊自適應(yīng)整定PID 溫度控制

4.1 模糊自適應(yīng)整定PID 控制算法原理［5-6］

預(yù)熱系統(tǒng)是一種模型未知、非線性的時(shí)變系統(tǒng)，通常在采用PID 進(jìn)行溫度控制時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)PID 參數(shù)難以調(diào)節(jié)的問(wèn)題，導(dǎo)致控制系統(tǒng)品質(zhì)變差。由于模糊控制對(duì)非線性或不確定對(duì)象有良好的控制效果。為此，這里采用PID 與模糊控制相結(jié)合，對(duì)PID 參數(shù)采用模糊控制的算法在線進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行兩者優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合，從而構(gòu)成模糊PID 控制器，來(lái)提高系統(tǒng)的控溫效果。其模糊PID 控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊PID 控制器的結(jié)構(gòu)

模糊PID 控制器主要是找出PID 3 個(gè)參數(shù)與誤差e以及誤差變化率ec(de/dt)之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中不斷檢測(cè)e和ec，根據(jù)模糊控制原理對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線修改，從而使控制對(duì)象具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。

4.2 基于模糊自適應(yīng)整定PID 的爐溫控制過(guò)程

在系統(tǒng)控溫過(guò)程中，控制系統(tǒng)首先通過(guò)熱電偶采集當(dāng)前的加熱爐內(nèi)的溫度，然后經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后送入PLC 控制器，將其數(shù)值與給定溫度值相比較，從而得到當(dāng)前時(shí)刻的溫度誤差e和誤差變化率ec，根據(jù)定義的模糊集論域進(jìn)行模糊化處理，通過(guò)模糊規(guī)則(如表1—2所示)推理后決定輸出三大參數(shù)值的調(diào)整量，從而通過(guò)反模糊化計(jì)算確定當(dāng)前的kp、ki、kd，送入PID 控制子程序中計(jì)算輸出調(diào)節(jié)量。其在線模糊自整定PID 的工作流程如圖3所示。

表1 kp 的模糊規(guī)則表

表2 ki 的模糊規(guī)則表

圖3 在線模糊自整定PID 的工作流程

5 系統(tǒng)PLC 程序設(shè)計(jì)［7-8］

在液壓澆注機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，需要控制的對(duì)象主要有電磁閥、比例閥、晶閘管等。由于系統(tǒng)需要有手動(dòng)和自動(dòng)兩種不同的工作模式，而且在澆注機(jī)處于不同的傾轉(zhuǎn)角度時(shí)設(shè)定的速度不同，為此必須依賴于光電編碼器來(lái)精確地實(shí)現(xiàn)角度的檢測(cè)。為此，通過(guò)綜合考慮，對(duì)PLC 的I/O 點(diǎn)進(jìn)行了如表3所示配置，采用了如圖4所示的程序設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了系統(tǒng)程序的編寫(xiě)。該系統(tǒng)程序主要分為主程序和子程序，其中子程序主要分為自動(dòng)和手動(dòng)子程序，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式。而要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，其傾轉(zhuǎn)的角度需要靠光電編碼器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，因此需要配套編制高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)程序。另外，溫度控制采用模糊PID，因此其輸出的控制信號(hào)需要定時(shí)進(jìn)行更新，所以采用定時(shí)中斷子程序執(zhí)行。

表2 PLC 的I/O 點(diǎn)分配

圖4 程序設(shè)計(jì)流程

6 液壓澆注機(jī)監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)

為了便于根據(jù)不同的澆注工藝進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，同時(shí)更好地進(jìn)行澆注機(jī)澆注狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，這里主要采用人機(jī)交互能力較強(qiáng)的威綸觸摸屏(MT8000 系列)進(jìn)行了液壓澆注機(jī)監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì)［9-10］。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，從安全性出發(fā)，對(duì)于參數(shù)修改和參數(shù)讀取等不同的操作工序采用了不同的權(quán)限設(shè)置。其功能監(jiān)控畫(huà)面、工藝參數(shù)設(shè)置畫(huà)面分別如圖5、6所示。

圖5 監(jiān)控主畫(huà)面

圖6 傾轉(zhuǎn)速度設(shè)置畫(huà)面

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)傾轉(zhuǎn)式液壓澆注機(jī)的控制要求進(jìn)行分析，利用先進(jìn)的可編程控制技術(shù)，結(jié)合人機(jī)交互能力較強(qiáng)的觸摸屏完成了其澆注機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)模糊PID 控制算法實(shí)現(xiàn)了鋁水裝置的恒溫控制;通過(guò)光電編碼器、上位觸摸屏進(jìn)行了工藝參數(shù)設(shè)置(傾轉(zhuǎn)速度6 級(jí)變換)以及PLC 實(shí)現(xiàn)了液壓澆注機(jī)不同澆注產(chǎn)品的自動(dòng)澆注過(guò)程。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，該系統(tǒng)能夠安全可靠地實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)不同工作模式的切換，并較為完善地實(shí)現(xiàn)了液壓澆注機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

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