王艷珍 鄒蕾 朱登飆

摘 要： 根據(jù)反重力鑄造設(shè)備實(shí)際控制的需要，運(yùn)用現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)一種反重力鑄造設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件選型與軟件設(shè)計(jì)。運(yùn)用數(shù)字PID控制方法對(duì)提高系統(tǒng)自補(bǔ)償能力與抗干擾能力，通過(guò)Ziegler?Nichols方法對(duì)數(shù)字PID參數(shù)進(jìn)行整定，對(duì)結(jié)果通過(guò)熱調(diào)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，曲線跟蹤性能良好，達(dá)到使用要求。

關(guān)鍵詞： 反重力鑄造； 自動(dòng)控制； PID； 總體設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN918?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）08?0155?03

Design of automatic control system for antigravity casting equipment

WANG Yanzhen1， ZOU Lei1， ZHU Dengbiao2

（1. Zhengzhou Institute of Finance and Economics， Zhengzhou 450000， China；

2. Henan Basic Construction Science Experiment Institute Co. Ltd.， Zhengzhou 450016， China）

Abstract： According to the actual control needs of the antigravity casting equipment， an automatic control system for antigravity casting equipment was designed by means of modern automatic control technology. The overall design of the system， hardware selection and software design were accomplished. The digital PID control method is used to improve the systems self?compensation ability and anti?interference ability. The Ziegler?Nichols method is used to set the digital PID parameters. The setting results were tested with the heat adjustment test. The test results show that the system has reliable operation， good curve tracking performance， and can achieve the application requirement.

Keywords： antigravity casting； automatic control； PID； overall design

反重力鑄造作為先進(jìn)的特種鑄造技術(shù)，具有充型平穩(wěn)、自然順序凝固、鑄件組織性能好等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于大型復(fù)雜薄壁鑄件的鑄造加工。在整個(gè)反重力鑄造的工藝中，鑄造設(shè)備的控制水平尤為重要，它是決定最終鑄件質(zhì)量的重要因素[1?2]，運(yùn)用現(xiàn)代自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、PLC等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的大型反重力鑄造設(shè)備控制系統(tǒng)，具有控制精準(zhǔn)、穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于提高反重力鑄造工藝水平意義重大。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件選型

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)是整個(gè)反重力鑄造設(shè)備控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)中使用的主要硬件及電氣設(shè)備包括上位監(jiān)控用的工控機(jī)、PLC、顯示裝置、主板卡、通信設(shè)備等。其中工控機(jī)作為上位機(jī)主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示及人機(jī)交互功能，而PLC主要完成反重力鑄造的過(guò)程控制，完成上罐壓力、下罐壓力、上下罐壓差及氣源壓力等的控制，反重力鑄造設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 主要硬件選型

作為主要使用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工控機(jī)，防磁、防震，抗干擾性能強(qiáng)是首要考慮因素，在本設(shè)計(jì)中選用了研華610L型工控機(jī)，配有250WATX PFC抗干擾電源，可以滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與控制功能的需要[3]。

PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制的核心，系統(tǒng)選用西門(mén)子的S7?200系列，CPU型號(hào)226，其集成了24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。為了保證工控機(jī)與下位機(jī)通信的實(shí)時(shí)性要求，通信中采用了PPI電纜作為主通信線路，并輔以通信模塊。一旦線路由于意外通信中斷，系統(tǒng)則通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以最大限度保證系統(tǒng)通信的安全性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC作為處理現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)的核心設(shè)備，也是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的控制核心，PLC的動(dòng)作流程主要是接收到工控機(jī)的下傳命令后，首先對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行檢測(cè)，然后按照開(kāi)空壓機(jī)、冷干機(jī)，同步進(jìn)氣，升液、充型、保壓、卸壓的工藝過(guò)程實(shí)現(xiàn)反重力鑄造設(shè)備的控制[4]。

PLC程序采用梯形圖編寫(xiě)完成，按照主程序、子程序、中斷程序的結(jié)構(gòu)化方式設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的主程序主要實(shí)現(xiàn)初始化、信號(hào)采集、子程序調(diào)用功能，PLC的主程序流程圖如圖2所示。

PLC主程序的部分實(shí)現(xiàn)如下：

Network 1（調(diào)用INIT初始化子程序）

LD SM0.1

CALL INIT：SBR0

Network 2（調(diào)用DETECTION檢測(cè)機(jī)械復(fù)位子程序）

LD SM0.0

CALL DETECTION：SBR0

Network 3（完成氣缸鎖緊）

LD I0.1

= Q3.2

Network 4（松開(kāi)氣缸鎖緊）

LD I0.21

AR<= VD206， 5.0

AR<= VD202， 5.0

= Q3.3

2.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)選用了Kingview完成，該軟件首先實(shí)現(xiàn)反重力鑄造工藝過(guò)程人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，其中主要界面包括了參數(shù)設(shè)定界面、工藝過(guò)程監(jiān)控界面、故障檢測(cè)界面三大部分，具體實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1） 參數(shù)設(shè)定界面實(shí)現(xiàn)的主要功能包括升液壓力、充型壓力、結(jié)殼壓力、升液速度、充型速度、增壓速度，增壓、結(jié)殼、保壓時(shí)間等各種工藝參數(shù)的設(shè)定，并以此控制現(xiàn)場(chǎng)控制中心PLC，完成控制。整個(gè)參數(shù)設(shè)定界面執(zhí)行程序流程如圖3所示。

（2） 過(guò)程監(jiān)控界面主要包括數(shù)據(jù)顯示、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控、歷史與實(shí)時(shí)曲線顯示、鑄造工藝過(guò)程顯示等部分。實(shí)時(shí)曲線顯示功能是通過(guò)PLC上傳的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線的繪制，實(shí)現(xiàn)該功能的部分程序如下所示：

float data；

data=預(yù)設(shè)曲線+（壓力差-預(yù)設(shè)曲線）/2；

if（運(yùn)行階段1>0 &&運(yùn)行階段1<4）

pvClear（"跟蹤曲線"，0）；

if（運(yùn)行階段1>=4）

pvAddNewSetPt （"跟蹤曲線"，＼＼本站點(diǎn)＼y， 預(yù)設(shè)曲線）；

if（運(yùn)行階段>=4）

pvAddNewSetPt （"跟蹤曲線"，＼＼本站點(diǎn)＼y， w， ""）；

整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控運(yùn)行界面如圖4所示。

（3） 故障監(jiān)控界面主要對(duì)設(shè)備安裝與使用過(guò)程中出現(xiàn)的元件故障進(jìn)行顯示，整體可分為模擬量與數(shù)字量?jī)煞矫娴臋z測(cè)內(nèi)容，一旦檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)可以進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，提高故障分析效率，降低故障的進(jìn)一步影響。

3 控制算法設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)

整個(gè)反重力鑄造工藝的過(guò)程中，各種外界信號(hào)干擾較多，因此系統(tǒng)需要具有較強(qiáng)抗干擾能力和自動(dòng)補(bǔ)償能力的控制算法。早期的控制系統(tǒng)中，模擬PID控制方法應(yīng)用較為普遍，但模擬PID控制中由于需要人工參與調(diào)節(jié)的原因，導(dǎo)致控制的靈活度不夠，因此本設(shè)計(jì)中運(yùn)用了數(shù)字PID控制算法，數(shù)字PID控制系統(tǒng)的原理圖如圖5所示，由圖5可知，數(shù)字PID控制器中共需要使用三個(gè)參數(shù)，其中KP為比例增益，KI為積分參數(shù)，KD為微分參數(shù)[5]。比例增益KP用于反饋系統(tǒng)中出現(xiàn)的偏差信號(hào)，偏差出現(xiàn)后控制器將產(chǎn)生控制效果及時(shí)糾正偏差。積分參數(shù)KI主要作用是消除靜差，提高整個(gè)控制過(guò)程的抗干擾能力。微分參數(shù)KD主要反映偏差信號(hào)的變化速率，一旦出現(xiàn)了較大的偏差信號(hào)，可以通過(guò)引入預(yù)先設(shè)計(jì)的修正信號(hào)，使系統(tǒng)快速響應(yīng)。

根據(jù)反重力鑄造的控制過(guò)程與特性，設(shè)計(jì)中采用了Ziegler?Nichols方法確定KI，KD，KP的大小。由于反重力鑄造過(guò)程屬于閉環(huán)控制，其控制對(duì)象主要為傳感器、執(zhí)行元件與設(shè)備等器件，研究中可以通過(guò)Matlab軟件中的Simulink仿真得到控制對(duì)象的單位階躍響應(yīng)曲線[6]，再通過(guò)建立控制對(duì)象的傳遞函數(shù)完成Simulink模型的建立。

在Simulink模型中通過(guò)斷開(kāi)模型中的反饋、微分器、積分器連線，設(shè)置比例增益KP為1，完成仿真；根據(jù)仿真結(jié)果結(jié)合查詢(xún)Ziegler?Nichols方法整定PID參數(shù)，最終計(jì)算本設(shè)計(jì)中的比例增益KP、積分參數(shù)KI、微分參數(shù)KD的取值分別為1.756，4.88，1.1；對(duì)整定結(jié)果設(shè)定Simulink模型，輸入階躍信號(hào)經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)后，結(jié)果如圖6所示。圖6中橫坐標(biāo)為時(shí)間（單位：s），縱坐標(biāo)為階躍信號(hào)，由圖6可知，輸出結(jié)果經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)信號(hào)表現(xiàn)相當(dāng)穩(wěn)定，由此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的PID整定方法對(duì)信號(hào)調(diào)節(jié)的作用明顯。

3.2 PID控制程序驗(yàn)證

對(duì)設(shè)計(jì)的PID控制器，通過(guò)STEP7?MicroWin編程工具提供的PID控制器向?qū)?dǎo)入比例增益KP、積分參數(shù)KI、微分參數(shù)KD的對(duì)應(yīng)值1.756，4.88，1.1，生成PID程序塊后可供PLC程序調(diào)用執(zhí)行。為驗(yàn)證程序調(diào)用后的實(shí)際效果，引入PID控制調(diào)節(jié)后，進(jìn)行了熱調(diào)試驗(yàn)[7]，根據(jù)試驗(yàn)中預(yù)設(shè)曲線與實(shí)際曲線的重合情況，結(jié)果如圖7所示，可知曲線跟蹤情況較為理想，說(shuō)明程序的控制作用良好，達(dá)到理想效果。

4 結(jié) 論

針對(duì)反重力鑄造工藝的特點(diǎn)與要求，結(jié)合數(shù)字PID控制方法，設(shè)計(jì)了反重力鑄造裝備控制系統(tǒng)，完成了硬件部分及電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，研究上位機(jī)與PLC部分程序的實(shí)現(xiàn)方法；同時(shí)通過(guò)仿真手段，完成數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定，最終通過(guò)熱調(diào)試驗(yàn)對(duì)程序中的PID調(diào)節(jié)作用進(jìn)行驗(yàn)證，控制調(diào)節(jié)作用良好，達(dá)到理想效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 李強(qiáng).反重力鑄造裝備PLC控制技術(shù)的研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[2] 蔡增輝，郝啟堂，李強(qiáng)，等.反重力鑄造液面加壓系統(tǒng)的自調(diào)整比例因子模糊控制[J].鑄造，2010，59（3）：231?234.

[3] 孟凡瑞，俞子榮，吳開(kāi)志.基于PCI總線的真空差壓鑄造控制系統(tǒng)的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（28）：61?62.

[4] 劉穎.基于模糊PID的低壓鑄造自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鑄造技術(shù)，2013（12）：1760?1761.

[5] 韓亮波，趙樹(shù)忠.PLC在壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2012（8）：10?12.

[6] 王紅霞，趙輝.我國(guó)擠壓鑄造設(shè)備研發(fā)的現(xiàn)狀及前景[J].熱加工工藝，2014（21）：8?11.

[7] 趙獻(xiàn)丹，張良棟，趙虎.壓鑄機(jī)澆鑄機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2011（11）：55?56.