工控機(jī)在壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

    高壓和高速是壓力鑄造工藝的二大特征，鑄件充型完好，輪廓清晰主要取決于壓射速度（即壓射過程），而鑄件的內(nèi)部質(zhì)量和機(jī)械性能主要取決于增壓效果（即增壓過程），要想獲得高質(zhì)量的壓鑄件，必須根據(jù)不同的情況對(duì)壓鑄過程中的所有工藝參數(shù)如壓射壓力和壓射速度等進(jìn)行恰到好處的控制。相對(duì)國外的高科技，國內(nèi)壓鑄工藝技術(shù)還很落后，針對(duì)這一現(xiàn)狀，國家計(jì)委設(shè)立“J11280型壓鑄機(jī)系統(tǒng)”為“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目之一。

    J11280型28000KN( 臥式冷室壓鑄機(jī)是國內(nèi)壓鑄機(jī)廠設(shè)計(jì)試制的新產(chǎn)品，控制系統(tǒng)完成后，用戶廠家對(duì)機(jī)器的使用性能表示非常滿意。并且通過了國家計(jì)委鑒定，它是目前國產(chǎn)最大、最先進(jìn)的壓鑄機(jī)。

    1、 J11280型臥式冷室壓鑄機(jī)概述

    1.1 機(jī)器的組成部分
    J11280型臥式冷室壓鑄機(jī)主要由機(jī)身、電氣系統(tǒng)、壓射機(jī)構(gòu)、合型機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)五部分組成。其壓射系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 壓鑄機(jī)壓射系統(tǒng)原理圖

    1.2 壓鑄機(jī)工作機(jī)理的分析
    完成一個(gè)鑄件的工藝過程為：動(dòng)1插芯-動(dòng)2插芯-合型-低壓合型-系統(tǒng)壓力鎖型-合型完成-靜插芯-慢壓-一快-二快（同時(shí)增壓）-（冷卻時(shí)間到）靜抽芯-開型-動(dòng)2抽出-動(dòng)1抽出-頂出前延時(shí)-頂出-頂出后延時(shí)-壓回-頂回-恢復(fù)原位-延時(shí)卸荷。如此重復(fù)循環(huán)進(jìn)行鑄件生產(chǎn)。壓鑄機(jī)的每一個(gè)動(dòng)作過程都可通過電磁閥的通斷，改變液壓系統(tǒng)的狀態(tài)，進(jìn)行控制。

    2 、工控機(jī)控制壓鑄機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、開關(guān)量輸入板、開關(guān)量輸出板、模擬量輸入板、繼電器板及外圍輔助電路構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    工控機(jī)主要完成控制指令的發(fā)出和模擬量的運(yùn)算。具體控制過程為：由行程開關(guān)和控制按鈕發(fā)出的開關(guān)信號(hào)指示出目前壓鑄機(jī)所做的動(dòng)作，經(jīng)過開關(guān)量輸入板進(jìn)入工控機(jī)，通過定期讀取工控機(jī)相應(yīng)端口，可檢測(cè)到壓鑄機(jī)工作的狀態(tài)，通過邏輯運(yùn)算，形成相應(yīng)的開關(guān)量輸出，再通過輸出繼電器板來控制壓鑄機(jī)電磁閥通斷電，控制壓鑄機(jī)的動(dòng)作。開關(guān)量輸入和輸出為防止干擾均采用光電隔離輸入輸出，為32路入和26路出。

    2.2 工控機(jī)配置
    工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件相對(duì)惡劣，最常見的問題是粉塵、輻射、電氣干擾等。在一些環(huán)境下還要防潮、防震、抗沖擊等。設(shè)計(jì)選用CONTEC公司生產(chǎn)的通用型工控機(jī)系列，它具有高可靠性電源裝置、高功率雙冷風(fēng)扇制冷系統(tǒng)、帶濾網(wǎng)全鋼標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱、減震加固壓條裝置、14個(gè)插槽供I/O擴(kuò)展，能夠適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境的要求。詳見表1。

表1 工控機(jī)配置

    2.3 系統(tǒng)仿真
    由于系統(tǒng)存在許多非線性環(huán)節(jié)，如：液壓油、伺服閥等，這給系統(tǒng)的理論分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來一定的困難，只能借助與計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。由于壓射過程油缸活塞所受的阻力很小，在仿真過程中近似地認(rèn)為壓射速度與進(jìn)入油缸液壓油的體積成正比，即為比例環(huán)節(jié)。查閱相關(guān)手冊(cè)，確定參數(shù)。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)仿真圖

    3、 工控機(jī)控制壓鑄機(jī)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    其程序模塊包括：壓鑄機(jī)驅(qū)動(dòng)程序模塊、數(shù)字量檢測(cè)模塊、狀態(tài)顯示模塊、速度壓力曲線顯示模塊、故障診斷模塊、參數(shù)調(diào)整模塊、打印模塊、幫助模塊。

    本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用BORLAND c++作為程序開發(fā)語言。其中斷服務(wù)程序中的Interrupt_app()函數(shù)主要功能是由當(dāng)前的輸入狀態(tài)依據(jù)邏輯規(guī)則形成新的控制字節(jié)，并送到相應(yīng)的輸出端口，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁閥得失電，達(dá)到完成壓鑄工藝過程的目的。因而Interrupt_app()函數(shù)主要由三個(gè)順序的部分組成：讀輸入狀態(tài)、進(jìn)行邏輯運(yùn)算形成控制字節(jié)、輸出控制字節(jié)。其設(shè)計(jì)由PLC梯形圖演化而來。如PLC梯形圖4。

圖4 PLC梯形圖

    其相應(yīng)的轉(zhuǎn)換程序如下：

if((R0[0]&&‖R0[7])&&counter[TC31].TC)‖Ro[1])
        R17[4]=1;
    else
        R17[4]=0;
    if (R16[7]&&!R0[3])
        Start_counter(TC31);
    else
    End_counter(TC31);

    Counter是一個(gè)如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它對(duì)應(yīng)計(jì)時(shí)器：

    Struct counter
    {  int TC;         /*表示其觸點(diǎn)*/
       int use;       /*表示counter當(dāng)前是否啟動(dòng)標(biāo)志*/
       unsigned long counter_max;    /*定時(shí)時(shí)間*/
       unsigned count;   /*記數(shù)值*/
    }  counter;

    延時(shí)斷開則為：counter.use=1時(shí)，counter.TC＝1,counter.count每隔一定時(shí)間加1,與count_max相等時(shí)，counter.TC=0,停止計(jì)數(shù)；

    延時(shí)閉合則為counter.use=1時(shí)，counter.TC＝0,當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到后，令counter.TC＝1,停止計(jì)數(shù)。

    壓鑄機(jī)具有調(diào)整、聯(lián)動(dòng)兩種工作機(jī)制，每種工作制都有一定的動(dòng)作順序。因而有兩種設(shè)計(jì)方案：

    1）步進(jìn)制設(shè)計(jì)方案：在這種設(shè)計(jì)方案下，首先要研究控制壓鑄機(jī)動(dòng)作的PLC流程圖，進(jìn)而推導(dǎo)出每一種動(dòng)作的可執(zhí)行條件。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，基于當(dāng)前的工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)下一步動(dòng)作的控制。
    2）按PLC控制機(jī)理進(jìn)行設(shè)計(jì)方案：這種工作方式下，只需要將PLC梯形圖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的程序語言，然后模擬按PLC的工作機(jī)理進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

    第二種工作方案采用的PLC流程圖在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行很長時(shí)間，容易保證控制的正確性，并且易于被現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工人理解和掌握。因而采用第二種設(shè)計(jì)方案。

    PLC的基本工作方式是在系統(tǒng)軟件的控制下，采用周期工作方式，也即掃描工作方式。它的操作系統(tǒng)是一個(gè)小型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件，具有自身的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，PLC在每次掃描期間，除了讀入各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，用戶邏輯輸出控制信號(hào)外，還進(jìn)行故障自診斷和處理與編程器、計(jì)算機(jī)等的通訊要求。

    4、 結(jié)束語
    本文所設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：①每秒2000次的狀態(tài)檢測(cè)，可以檢測(cè)到狀態(tài)的瞬息變化，并進(jìn)行相應(yīng)實(shí)時(shí)的控制；②系統(tǒng)中的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、壓力速度曲線顯示等功能，用戶可以對(duì)系統(tǒng)的工作狀況有一個(gè)及時(shí)全面的了解；③系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的程序接口，用戶能夠很方便的進(jìn)行系統(tǒng)的二次開發(fā)；④具有良好的用戶界面和簡(jiǎn)單的系統(tǒng)操作。

    參考文獻(xiàn)
    [1] 戴忠達(dá).自動(dòng)控制理論基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社，1991
    [2] 金海明，羅云林.微機(jī)測(cè)控技術(shù).煤炭工業(yè)出版社，1995
    [3] 諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，1995
    [4] John Miano.BORLAND C++編程指南.電子工業(yè)出版社，1998