工控機在壓鑄機控制系統(tǒng)中的應用

    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），而鑄件的內部質量和機械性能主要取決于增壓效果（即增壓過程），要想獲得高質量的壓鑄件，必須根據(jù)不同的情況對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行恰到好處的控制。相對國外的高科技，國內壓鑄工藝技術還很落后，針對這一現(xiàn)狀，國家計委設立“J11280型壓鑄機系統(tǒng)”為“八五”科技攻關項目之一。

    J11280型28000KN( 臥式冷室壓鑄機是國內壓鑄機廠設計試制的新產品，控制系統(tǒng)完成后，用戶廠家對機器的使用性能表示非常滿意。并且通過了國家計委鑒定，它是目前國產最大、最先進的壓鑄機。

    1、 J11280型臥式冷室壓鑄機概述

    1.1 機器的組成部分
    J11280型臥式冷室壓鑄機主要由機身、電氣系統(tǒng)、壓射機構、合型機構、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 壓鑄機壓射系統(tǒng)原理圖

    1.2 壓鑄機工作機理的分析
    完成一個鑄件的工藝過程為：動1插芯-動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（同時增壓）-（冷卻時間到）靜抽芯-開型-動2抽出-動1抽出-頂出前延時-頂出-頂出后延時-壓回-頂回-恢復原位-延時卸荷。如此重復循環(huán)進行鑄件生產。壓鑄機的每一個動作過程都可通過電磁閥的通斷，改變液壓系統(tǒng)的狀態(tài)，進行控制。

    2 、工控機控制壓鑄機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計

    2.1 硬件系統(tǒng)總體設計
    壓鑄機控制系統(tǒng)主要由工控機、開關量輸入板、開關量輸出板、模擬量輸入板、繼電器板及外圍輔助電路構成。其結構框圖見圖2。

圖2 壓鑄機控制系統(tǒng)結構

    工控機主要完成控制指令的發(fā)出和模擬量的運算。具體控制過程為：由行程開關和控制按鈕發(fā)出的開關信號指示出目前壓鑄機所做的動作，經過開關量輸入板進入工控機，通過定期讀取工控機相應端口，可檢測到壓鑄機工作的狀態(tài)，通過邏輯運算，形成相應的開關量輸出，再通過輸出繼電器板來控制壓鑄機電磁閥通斷電，控制壓鑄機的動作。開關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 工控機配置
    工業(yè)現(xiàn)場條件相對惡劣，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。設計選用CONTEC公司生產的通用型工控機系列，它具有高可靠性電源裝置、高功率雙冷風扇制冷系統(tǒng)、帶濾網全鋼標準機箱、減震加固壓條裝置、14個插槽供I/O擴展，能夠適應生產環(huán)境的要求。詳見表1。

表1 工控機配置

    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)化設計帶來一定的困難，只能借助與計算機對系統(tǒng)進行仿真研究。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為壓射速度與進入油缸液壓油的體積成正比，即為比例環(huán)節(jié)。查閱相關手冊，確定參數(shù)。系統(tǒng)仿真結果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)仿真圖

    3、 工控機控制壓鑄機系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設計
    其程序模塊包括：壓鑄機驅動程序模塊、數(shù)字量檢測模塊、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)調整模塊、打印模塊、幫助模塊。

    本系統(tǒng)的設計中采用BORLAND c++作為程序開發(fā)語言。其中斷服務程序中的Interrupt_app()函數(shù)主要功能是由當前的輸入狀態(tài)依據(jù)邏輯規(guī)則形成新的控制字節(jié)，并送到相應的輸出端口，從而驅動相應的電磁閥得失電，達到完成壓鑄工藝過程的目的。因而Interrupt_app()函數(shù)主要由三個順序的部分組成：讀輸入狀態(tài)、進行邏輯運算形成控制字節(jié)、輸出控制字節(jié)。其設計由PLC梯形圖演化而來。如PLC梯形圖4。

圖4 PLC梯形圖

    其相應的轉換程序如下：

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是一個如下的數(shù)據(jù)結構，它對應計時器：

    Struct counter
    {  int TC;         /*表示其觸點*/
       int use;       /*表示counter當前是否啟動標志*/
       unsigned long counter_max;    /*定時時間*/
       unsigned count;   /*記數(shù)值*/
    }  counter;

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

    延時閉合則為counter.use=1時，counter.TC＝0,當計時時間到后，令counter.TC＝1,停止計數(shù)。

    壓鑄機具有調整、聯(lián)動兩種工作機制，每種工作制都有一定的動作順序。因而有兩種設計方案：

    1）步進制設計方案：在這種設計方案下，首先要研究控制壓鑄機動作的PLC流程圖，進而推導出每一種動作的可執(zhí)行條件。在程序設計時，基于當前的工作狀態(tài)的基礎上，進行相應下一步動作的控制。
    2）按PLC控制機理進行設計方案：這種工作方式下，只需要將PLC梯形圖轉換成相應的程序語言，然后模擬按PLC的工作機理進行驅動程序設計。

    第二種工作方案采用的PLC流程圖在現(xiàn)場運行很長時間，容易保證控制的正確性，并且易于被現(xiàn)場技術工人理解和掌握。因而采用第二種設計方案。

    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)是一個小型的實時系統(tǒng)軟件，具有自身的結構和特點，PLC在每次掃描期間，除了讀入各輸入點的狀態(tài)，用戶邏輯輸出控制信號外，還進行故障自診斷和處理與編程器、計算機等的通訊要求。

    4、 結束語
    本文所設計出的系統(tǒng)有如下特點：①每秒2000次的狀態(tài)檢測，可以檢測到狀態(tài)的瞬息變化，并進行相應實時的控制；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，用戶可以對系統(tǒng)的工作狀況有一個及時全面的了解；③系統(tǒng)具有簡單的程序接口，用戶能夠很方便的進行系統(tǒng)的二次開發(fā)；④具有良好的用戶界面和簡單的系統(tǒng)操作。

    參考文獻
    [1] 戴忠達.自動控制理論基礎.清華大學出版社，1991
    [2] 金海明，羅云林.微機測控技術.煤炭工業(yè)出版社，1995
    [3] 諸靜.模糊控制原理與應用.機械工業(yè)出版社，1995
    [4] John Miano.BORLAND C++編程指南.電子工業(yè)出版社，1998