（材料加工工程专业论文）反重力铸造装备plc控制技术的研究.pdf

摘要 摘要 反重力铸造方法是生产大型优质构件的理想方法，反重力铸造液面加压控制系 统是反重力铸造设备的核心，是获得优质铸件的关键。本文针对反重力铸造设备 p l c 控制系统的特点和方案进行了研究，结合多功能大型反重力铸造装备的开发与 应用项目，设计了电气控制、p i _ c 程序控制和计算机监控三个系统。 本文首先对反重力铸造加压工艺进行了分析。从控制角度对充型和凝固过程进 行了定义，确定了实现过程控制所需的入口工艺参数，剖析了关键参数对成形加压 工艺和铸件质量的影响，研究了不同情况下的加压工艺，为反重力铸造成形过程控 制的实现提供了基础。 采用s 7 2 0 0 系列p l c ，运用与其配套的s t e p 7 一m i c r o w i n 编程软件，使用s t l 和l a d 两种编程语言编制了下位机的控制程序，从而使该系统可以按照工艺要求完 成现场采样、数据处理和控制输出等过程。 在反重力铸造装备上位监控系统的设计中，利用组态软件设计了参数设置、过 程监控、数据处理、故障定位和系统动画等具有w i n d o w s 风格的人性化动态操作 画面，实现了现场数据实时监控与记录。 最后针对不同铸件的特点设计了反重力铸造装备的控制回路。在此基础上，采 用p d + 模糊控制算法实现了反重力铸造成形的过程控制。试验结果表明：系统运 行可靠，跟踪性能好，控制精度高，调节方便。 关键词：反重力铸造，加压工艺，p l c ，p i e ) ，模糊化 a b s t r a c t c o u n t e r - g r a v i t yc a s t i n g ( c g c ) t e c h n o l o g yi sa ni d e a lm e t h o do fp r o d u c i n gl a r g e - s i z eh i g h - q u a l i t yp a r t s t h ep r e s s u r i z i n gc o n t r o ls y s t e mo f t h ec o u n t e r - g r a v i t yc a s t i n gi s t h ec o r eo fc o u n t e r - g r a v i t yc a s t i n ge q u i p m e n t ，a n da l s ot h ek e yo fo b t a i n i n gq u a l i f i e d c a s t i n g s b a s e do nt h er e s e a r c ha b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e t h o d so fp l cc o n t r o l s y s t e mi nt h ec g - ce q u i p m e n t , a n dc o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c to ft h el a r g e a n d m u l t i f u n c t i o nc o u n t e r - g r a v i t yc a s t i n ge q u i p m e n t , t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no ft h e e l e c t r i c a l - p n e u m a t i cs y s t e m , p l cs y s t e ma n dt h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m t h ep r e s s u r i z i n gp a t t e r no f 凳o u n t e r - g r a v i t yc a s t i n gi sa n a l y z e d t h ef i l l i n gp r o c e s s a n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s sa r cd e f i n e di nt h ev i e wo fc o n t r 0 1 i n l e tp a r a m e t e r su s e dt o r e a l i z ep r o c e s sc o n t r o la r cd e t e r m i n e d t h ee f f e c to fk e yp a r a m e t e r so nt h ec a s t i n g q u a l i t yi sa n a l y z e d ，a n ds e v e r a lp r e s s u r i z i n gp a t t e r n su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa r e r e s e a r c h e d ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o no ft h er e a l i z a t i o no ft h em l i n gp r o c o s sc o n t r o lo f c o u n t e r - g r a v i t yc a s t i n g t h ep a p e ru s e ss t e p 7 - m i c r o w i n ，p m d d e dw i t ht w ok i n d so fp r o g r a m m i n g l a n g u a g e s ，s t la n dl a d ，t ob u i l dt h ep r o g r a mf o rs i e m e n sp l c s 7 - 2 0 0 t h ep r o g r a m c a nf i n i s hd a t aa c q u i s i t i o n , d a t ap r o c o s s i n ga n dc o n t r o la c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t i nt h em a s t e rs y s t e md e s i g no fc o c e 。i n t o u c hi su s e dt ob u i l dd y n a m i co p e r a t i o n p i c t u r e s 谢t l lw i n d o w ss t y l e ，s u c ha sp a r a m e t e rs e t t i n gf r a n l e ，p r o c o s sm o n i t o rf r a l n e ， d a t ap r o c e s s i n gf r a m e ，f a u l tl o c a t i o na n ds y s t e ma n i m a t i o n , e t o 。 a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t p a r t s , t h ec o n t r o ll o o p o f m u l t i f u n c t i o n a lc g ce q m p m e mi sd e s i g n e d a n db a s e do nt h ec o n t r o ll o o p ，t h i sp a p e r a d o p t sp i d + f u z z yc o n t r o l l i n ga l g o r i t h mt oi m p l e m e n tt h ec o n t r o ls y s t e mo fc g c m o l t e ns h a p i n gp r o c e s s t e s tr e s u l t si n d i c a t et h mt h es y s t e mr u n sr e l i a b l y 谢也g o o d t r a c i n gp r o p e r t y , h i g ha c c u r a c ya n dg o o du s a b i l i t y k e y w o r d s ：c o u n t e r - g r a v i t yc a s t i n g ，p r e s s u r i z i n gp a t t e r n , p l c ，p i d ，f u z z y 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文_ 上= 作的 知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：z 逸 叩年月2 日 指导教师签名 砂哆年；月硼 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所吊交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他己申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：搬 年弓月2 日 掣 、丫 w 第1 章文献综述 1 1 课题背景 第1 章文献综述 随着我国工业和科学技术的发展，各行业对特殊构件的需求越来越明显。而 目前国内可用于生产此类构件的反重力铸造设备，与先进工业化国家相比还存在 着一定的差距。我国铸造业的自动化与专业化程度低，不足3 0 ，而一些发达国 家已达8 0 9 0 【l 捌；设备控制技术和手段比较落后，有些还是以手动操作为 主；设备功能单一、设计不完善。这不仅影响了反重力铸造的铸件质量和生产效一 率，而且使所能生产的产品种类受到了一定的限制。 近几年来，随着科研力量的投入，西北工业大学【3 4 】、沈阳理工大学【5 ，6 ，7 】、南 昌航空工业学酣s 9 州和华中科技大学【n 噜高等院校均研制开发了各自的反重力铸 造系统，并相继投入了生产，取得了不错的实际应用效果。但是对于发展中的铸 造业，必须加大科研力度，针对反重力铸造设备的特点，开发研制新一代产品。 反重力铸造设备在铸造机结构“4 和铸造工艺确定以后，液面加压控制系统的 动态跟踪效果与稳态性能是决定铸件质量和成品率的关键。因此，液面加压控制 系统成为铸造机的核心部分。液面加压控制系统是借助计算机和控制理论发展起 来的“”，并且随着它们的发展而不断向前。 1 2 反重力铸造控制系统综述 无论是生产厚大铸件、大型复杂薄壁铸件还是高品质精密铸件，反重力铸造 “”液面加压控制系统的性能和精确度是制约产品质量的关键因素。在铸造过 程中，系统不可避免地受到来自内部和外部的各种干扰，这就要求液面加压控制 系统具有自动补偿能力和抗干扰能力。具有强调节能力的液面控制系统，对于反 重力铸造设备是不可或缺的重要组成部分，尤其是将计算机应用于控制系统，能 充分发挥其易于实现自动控制及操作方便的优点，对于提高系统的控制性能和铸 件品质都具有重要意义。 1 2 1 反重力铸造模拟调节控制系统 早期的液面加压控制系统多为手动控制，操作人员根据压力表的指示，通过 手动球阀的开关，控制进气量大小。这种操作方式误差大、滞后性大；容器密封 - i - 塑苎! 些查兰堡兰些笙苎 不严便会造成气体的外泄，引起压力波动，容器内压力也不能及时补充，致使加 压工艺参数无法有效控制，导致液流充型不平稳，卷入气体和氧化夹杂，因而产 生气孔、缩松和裂纹等铸造缺陷，难以获得理想的合格铸件。随着对液面加压控 制系统重要性的认识，通过近2 0 年的努力，研制了一些液面加压自动控制系 统，主要以模拟调节器为代表，如y i 下型和c l p 型液面加压控制系统 1 8 , 1 9 】。比 例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除静态误差，并且随 着比例系数的加大会引起系统的不稳定，同时这个阶段的控制系统存在着气电、 电气转换滞后以及所选用的比例调节阀动作滞后等问题。 1 2 2 反重力铸造数字p i l l ) 控制系统 液面加压控制系统随着控制算法和计算机的发展，以及相应配件的更新换 代，慢慢向数字化方向发展。数字p i d 控制是这个阶段的代表。在这个阶段的初 期，虽然在控制算法上已经有了很大的提高，但是由于受到气动配件的限制，整 套系统难以实现全数字化，气路部分仍然采用早期的比例阆。随着加工制造业的 发展，气动配件也实现了数字化，比如现在应用较为广泛的电磁阀，其响应时间 仅为几十毫秒，如t p 8 0 1 等以单片机 2 0 , 2 1 捌为控制系统，采用计算机为控制系统 的核心，使系统具有较好的加压速度跟踪性能和泄漏补偿能力，抗干扰性能强， 参数的修改和算法的实现更加容易，可实现各种生产工艺并能满足不同的使用要 求。 近几年来，随着研究应用的不断深入，相继研发出了各自具有特色的p i d + 数字组合阀组成的液面加压控制系统，从而实现了全数字控制，将液面加压控制 系统的控制精度又向前推进了一大步。 1 2 3 反重力铸造控制系统的发展趋势 反重力铸造过程是一个复杂的动态过程，由于气体泄漏、型腔断面变化、坩 锅中金属液面的下降、供气环路到容器之间的滞后和气体受热膨胀等因素的影 响，以及调节阀具有一定的非线性，对于这样一个具有时变性、非线性、时滞性 的复杂系统，难以建立精确的数学模型，基于数学模型的常规控制算法难以应用 于其中。 智能控制的出现弥补了常规控制算法的不足，它是自动控制理论发展的新成 果，其应用范围越来越广，其在反重力铸造中也得到了很好的应用。智能控制的 特点是不依赖或者少依赖被控对象的数学模型，而主要利用人的操作经验、知识 和推理能力以及与控制系统的性能和状态有关的信息进行控制操作。在控制目标 第1 章文献综述 方面，传统控制追求的是最优，而智能控制追求的是满意，以换取宝贵的实时性 和鲁棒性。智能控制可分为专家控制、模糊控制糊刀和神经网络控制3 种典型的 控制方式。 现阶段应用在液面加压控制系统中的主要是模糊控制，它具有响应快、超调 小和鲁棒性强等特点，能较好的跟踪已设定的工艺曲线。但常规模糊控制精度 低，不具有自适应性，而且常常会出现零点极限环振荡现象。因此，根据传统控 制和智能控制的不同特点，在进行控制系统设计时将他们结合起来使用比单独使 用将会产生更好的效果，例如：自适应控制+ 模糊控制、参数模糊化p d 控制、 p i d + 模糊控制等等。可以预见混合控制将是今后液面加压控制发展的一个方 向，而对于液面加压控制系统，则会向着小型化、模块化，综合、柔性、智能等 具有人性化的方向发展。 1 3 生产过程计算机控制系统综述 工业生产规模的不断扩大和生产工艺的日益复杂，对生产过程的自动控制提 出了越来越高的要求，不但要求自动控制系统有优越的控制性能、良好的性价 比、良好的可维护性等，还要求高可靠性、灵活的构成方式和简易的操作方法。 在对以上目标的追求中，生产过程自动控制技术得到了不断的发展。 近年来，随着计算机技术、超大规模集成电路技术、网络通信技术的进步， 工业控制已逐步从单机监控、直接数字控制发展到以新型工业控制网络、智能化 仪表和控制器为主要支撑技术的过程自动化与信息管理自动化相结合的计算机综 合型控制系统，其本质是利用计算机技术对生产过程进行监视、操作和管理。 7 0 年代以来，微型机和微处理器的迅猛发展，为计算机控制系统的发展创造 了有利的条件。如果不考虑以微机为核心的单独智能装置，而把讨论的范围限制 于具有一定规模的控制系统，例如一个具有大量输入输出量和受控设备的过程控 制系统，那么从控制系统的角度来讲，计算机控制系统也经历了如下几个阶段： l 、直接数字控制系统( d d c - - d i r e c td i g i t a lc o n 仃o ls y s t e m ) ； 2 、分散控制系统( d c s - - d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ； 3 、现场总线控制系统( f c s - - f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 。 这种系统从思想本质上仍然属于d c s 系统，它只是把分散化的思想推进到 系统的底层和末端。这种控制系统的两个关键性特点是： 一一种具有高可靠性、高实时性的通信网络，即现场总线； 一网络通信和智能化达到系统的底层，即系统中的传感器和执行器都是智能 化的，并且是能在现场总线上与系统中其它部分交换数据的节点。 3 西北工业大学硕士学位论文 系统中每个节点都可独立履行本身既定的任务，并以拓扑上平等的地位在现 场总线上进行通信，一个节点的出错不至影响其他节点的工作乃至导致系统的崩 溃。这种系统体系导致可靠性的巨大提高和建设成本的下降，具有良好的发展前 景。 目前在过程控制系统的设计中应该采用分散控制的思想已是不争的事实。但 是从控制系统中采用的主要控制器来说，则可以有以可编程逻辑控制器( p l c ) 为 中心或以工业计算机( i p c ) 为中心的区别。这两种控制器都可以形成具有一定规模 的分散式过程控制系统，但是在工作原理、设计方法和手段上有较大的区别。在 人们习惯上约定俗成地将以i p c 为中心的分散控制系统称为d c s 。 依据被控制过程的特点，可将其控制策略分为顺序控制和连续控制两类。顺 序控制系统可以以电梯的控铝b 系统为代表，而铸造过程则一般具有连续控制的特 点。但实际上大多数工业过程控制系统兼具顺序性控制和连续性控制两种特点。 在计算机控制系统的发展过程中，控制装置和系统的研究者围绕顺序控制和 连续控制分别开发了两类具有明显特色的工控产品。可编程控制器( p l c p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 在一开始就是为了解决顺序控制问题而开发的，而 基于工业控制计算机( i p c i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 的集散控制系统( d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 则是为解决连续控制问题而开发的典型过程控制产品。 i p c 具有普通p c 机的特点，能够满足大量数据快速处理的要求，其硬件结 构标准化程度高，兼容性强；在软件上资源丰富。因此，i p c 在模型复杂、计算 工作量大、需要模拟量处理和回路调节的工业对象的控制中具有一定优势，主要 用在连续过程控制。在“智能与风险分散”思想的引导和网络通信等技术的支持 下，以i p c 为中心可形成集散控制系统( d c s ) 。 1 4 可编程控制器 p l c t 2 3 飙3 0 】初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。 p l c 的出现是在2 0 世纪6 0 年代，当时要求用新的控制装置取代继电器控制装 置，并提出了十项指标，即： l 、编程方便，现场可修改程序； 2 、维修方便，采用模块化结构； 3 、可靠性高于继电器控制装置； 4 、体积小于继电器控制装置； 5 、数据可直接送入管理计算机； 6 、成本可与继电器控制装置竞争； 4 第1 章文献综述 7 、输入可以是交流1 1 5 v ； 8 、输出为交流1 1 5 v ，2 a 以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； 9 、在扩展时，原系统只要很小变更； 1 0 、用户程序存储器容量至少能扩展到4 k 。 1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d l c ) 研制出第一台p l c ，在美国通用汽车自动 装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方 便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其 他工业领域推广应用。并很快应用于冶金、铸造行业。并在冶金、铸造行业恶劣 生产现场环境中得到了检验。 至今，p l c 的可靠性己得到公认，国外一般中小型p l c 平均无故障时间高达 l o 万小时，即使大型p l c 平均无故障时间也在4 5 万小时之间。其主要原因是其 软件的固件化和扫描执行方式。因此，制造厂商认为可靠性已不存在问题。就可 靠性而言，继电器、接触器是望尘莫及的。 由于可编程控制器仍处在不断的发展之中，因此对它下一个确切的定义是困 难的。为了使其生产和发展标准化，美国国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 于1 9 8 2 年颁布了可编程控制器标准草案，1 9 8 5 年提交了第 二版，1 9 8 7 年的第三版对可编程控制器作了如下的定义：“可编程控制器是一种 专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程 序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运 算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械 或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备都应该按照易于与控制系统形成 一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 总之，可编程控制器也是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的 计算机。它具有丰富的输入输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制 器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行 选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展， p l c 在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上，增加了模拟量和 p i d 调节1 3 l q 6 】等功能模块，形成了数值运算、闭环调节。尤其是p l c 把专用的数 据高速公路( h i g h w a y ) 改成通用的网络，并逐步向p l c 之间的通信规则靠拢， 使得p l c 有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系 统，这使得p l c 系统具备了d c s 的形态，使得p l c 的应用拓展到连续过程控制 领域，基于p l c 的d c s 系统目前在国内外都得到了广泛的应用。 塑j ! 三兰竺查兰堡兰垡丝塞 一、可编程控制器的工作原理 当p l c 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序 执行和输出刷新三个阶段： 1 、输入采样。即检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为下一 阶段使用； 2 、执行程序。然后p l c 按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行结果暂 时存储起来； 3 、刷新输出。按第1 阶段的输入状态在第2 阶段执行程序中确定的结果， 在本阶段中对输出予以刷新。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期阊，p l c 的c p u 以一 定的扫描速度重复执行上述三个阶段。p l c 对信号的输入、数据的处理和控制信 号的输出分别在1 个扫描周期的不同时间进行的方式有助于排除系统中受到的干 扰。 二、可编程控制器的主要功能 可编程控制器的设计思想是尽可能地利用当前先进的计算机技术去满足用户 的需要，p l c 与继电器接触器控制电路的一个本质区别就是除了必要的与外部物 理世界的接l a ( b pf 0 点) 外，其它的逻辑功能均在其内部实现。这些逻辑功能不仅 可以取代，而且远远超过诸如中间继电器、时间继电器等硬件逻辑所能达到的功 能，从而为p l c 在可靠性和便利性上形成特色奠定了基础。 p l c 的功能可分类如下： l 、逻辑控制； 2 、定时控制； 3 、计数控制； 4 、步进( 顺序) 控制； 5 、p i d 控制； 6 、数据控制：p l c 具有数据处理能力； 7 、通信和联网； 8 、其它：p l c 还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求， 如：定位控制模块，c r t 模块。 三、可编程控制器的特点和优势 p l c 的主要特点可概括如下： l 、高可靠性 ( 1 ) 所有的i o 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与p l c 内部电 第l 苹文献综述 路之间电气上隔离； ( 2 ) 各输入端均采用r - c 滤波器，其滤波时间常数一般为1 0 2 0 m s ： ( 3 ) 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰： ( 4 ) 采用性能优良的开关电源； ( 5 ) 对采用的器件进行严格的筛选； ( 6 ) 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，c p u 立即采 取有效措施，以防止故障扩大； ( 7 ) 大型p l c 还可以采用单，双c p u 构成冗余系统或由3 个c p u 构成表决系 统，使可靠性更进一步提高。 2 、丰富的加接口模块 p l c 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或 电流、脉冲或电位、强电或弱电等，有相应的加模块与工业现场的器件或设 备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直 接连接。 另外，为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工 业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。 3 、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型p l c 以外，绝大多数p l c 均采用模块化结构。p l c 的各个部件，包括c p u ，电源，i ，o 等均采用模块化设 计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行 组合。 4 、编程简单易学 p l c 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图( d ) 形式，对使用 者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解 和掌握。 5 、安装简单，维修方便 ， p l c 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现 场的各种设备与p l c 相应的瑚端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行 和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因 此一旦某模块发生故障，用户可以自行通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运 行。 西北工业大学硕十学位论文 1 4 1p l c 与继电器顺序逻辑控制系统的比较 最初研制生产的p l c 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置， 但这两者的运行方式是不相同的。 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电 或断电，该继电器所有的触点( 包括其常开或常闭触点) 在继电器控制线路的那个 位置上都会立即同时动作。 p l c 的c p u 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线 圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点( 包括其常开或常闭触点) 不会立 即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之问由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置 各类触点的动作时间一般在l o o m s 以上，而p l c 扫描用户程序的时间一般均小 于l o o m s ，因此，p l c 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式一扫描技 术。这样在对于抛响应要求不高的场合，p l c 与继电器控制装置的处理结果上 就没有什么区别了。 继电器顺序逻辑控制系统有大量的活动触点和元器件，只要其中任一部件或 触点故障，将造成系统的故障。另外，它的体积和重量较大，维修的工作量也较 大。p l c 除必要的与外部物理世界的接口( 即i 0 点) 外，其它的逻辑功能均在其内 部实现，即简化为内部的软件逻辑。诸如中间继电器、时间继电器等硬件逻辑所 能达到的功能不仅可以取代，而且性能更为优越。由于减少大量的元件和接线， 故障率和维修时间都大大降低。 1 4 2 p l c 与计算机控制系统的比较 计算机控制系统是指用单片处理器或工控机组成的计算机控制系统。在可编 程控制器发展的阶段中，单片处理器组成的计算机控制系统对顺序逻辑控制系统 的发展发挥了较大的作用。但可编程控制器对此进行了改进。它变通用为专用， 降低了成本，缩小了体积；采用扫描方式工作，有利于顺序逻辑控制的实施；功 能分散，危险分散，并适应恶劣工业应用环境。 集散控制系统( d c s ) 是专门为工业过程控制设计的过程控制装置。它主要应 用场合是连续量的模拟控制。而可编程控制器的主要应用场合是开关量的逻辑控 制。 可编程控制器是按扫描方式工作的。集散控制系统是按用户的程序指令工作 的。在集散控制系统中，可有多级优先级中断的设置，而可编程控制器通常不采 第l 革文献综述 用中断方式。 在存储器的容量上，由于可编程控制器所需的运算多是逻辑运算，因此所需 的容量较小，而集散控制系统需进行大量的数字运算，所需容量较大。在可靠性 方面，两者都是有较高要求的。 为了扩大应用的范围，可编程控制器正在向分散控制系统靠拢，出现了扩展 模拟量的控制功能。同样，集散控制系统也正在扩展逻辑控制功能，出现综合集 成趋势。 1 5 多功能反重力铸造装备上下位的组态软件 组态软件产品大约在2 0 世纪8 0 年代中期在国外出现，经过二十多年的发 展，到现在组态软件在测试、工控等领域获得了广泛的应用。最早开发的通用组 态软件是d o s 环境下的组态软件，其特点是具有简单的人机界面( 碰m ) 、图 库、绘图工具箱等基本功能。随着w i n d o w s 的广泛应用，w i n d o w s 环境下的组态 软件成为主流。与d o s 环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图形功能有 了很大的增强。 图1 1s t e p 7m i c r o w i n 主界面 f i g 1 ls t e p 7m i c r o w i nm a i nf t a n l e 从组态软件 3 7 3 9 j 9 的内涵上说组态软件是指在软件领域内，操作人员根据应 用对象及控制任务的要求，配置( 包括对象的定义、制作和编辑，对象状态特征 西北工业犬学硕士学位论文 属性参数的设定等) 用户应用软件的过程，也就是把组态软件视为“应用程序生 成器”。从应用角度讲组态软件是完成系统硬件与软件沟通、建立现场与监控层 沟通的人机界面的软件平台，它的应用领域不仅仅局限于工业自动化领域。而工 业控制领域是组态软件应用的重要阵地，伴随着集散型控制系统( d c s ) 的出现 组态软件已引入工业控制系统。在工业过程控制系统中存在着两大类可变因素： 一是操作人员需求的变化；二是被控对象状态的变化及被控对象所用硬件的变 化。而组态软件正是在保持软件平台执行代码不变的基础上通过改变软件配置信 息( 包括图形文件、硬件配置文件、实时数据库等) ，适应两大不同系统对两大 因素的要求，构建新的监控系统的平台软件。以这种方式构建系统既提高了系统 的成套速度，又保证了系统软件的成熟性和可靠性，使用起来方便灵活，而且便 于修改和维护。 本文选用s 7 2 0 0 系列p l c 所对应的s t e p 7 - m i c r o w i n 编程组态软件【帅l ， 如图1 - 1 所示，实现低压铸造、差压铸造和调压铸造多种反重力铸造功能下位机 控制系统程序的设计。通过对多功能反重力铸造装备使用者需求的分析，上位机 监控界面的组态选用了技术比较成熟的i n t o u c h 组态软件作为程序设计的平台。 1 6 本文主要研究内容 目前国内已经研制开发出多种反重力铸造设备，并应用与生产实践，但是就 设备整体性能而言还有很多问题需要解决。 诸如( 1 ) 系统稳定性不高。计算机控制已经进入反重力铸造控制系统，由 于计算机控制系统硬件的稳定性以及软件与硬件的兼容性等问题，使得计算机控 制系统在工业现场容易出现“死机”现象，严重影响了生产的正常进行，并且威 胁到安全生产。( 2 ) 功能依然比较单一。目前很多控制系统仍然只是针对某一中 反重力铸造方法而设计的，它只能实现单一的低压铸造或调压铸造或差压铸造。 针对反重力铸造装备以上的两个问题，本文将开展如下研究工作： 分析反重力铸造装备整体所有的逻辑动作以及液面加压工艺，选配适合工业 用的现场控制硬件p l c 。 确定硬件组成后，构建硬件控制系统，完成硬件结构的设计工作。 分析反重力铸造装备运转状态，并根据其状态完成电气控制系统。 选用合适的组态开发软件对p l c 和上位计算机进行组态：实现过程可视化 实时监控。 针对多功能反重力铸造装备液面加压控制系统的特点以及不同铸件对控制系 统不同的需求，对控制算法进行改良。 第2 章系统的总体结构及研制方案 2 1 引言 第2 章系统的总体结构及研制方案 反重力铸造( c o u n t e r - g r a v i t yc a s t i n g ，简称c c , c ) 是介于压力铸造和重力铸造 之间的一种液态成形方法。合金液充填铸型的驱动力与重力方向相反，合金液沿 与重力相反方向流动。与重力铸造相比，c c - c 液态成形过程中熔体的流态可控， 可以通过外力的作用来增强凝固补缩能力，因此，这种工艺方法可以做到液态充 型平稳，构件组织致密，铸造缺陷能够得到有效控制，是生产优质构件的优选方 法。根据加压方式的不同，分为低压铸造，差压铸造，调压铸造、真空吸铸等。 近年来，随着控制技术以及产品构件集成化、轻量化要求的日益提高，还出现了 复合反重力铸造技术，譬如，将低压铸造方法与真空吸铸方法结合起来，既提高 构件的成形能力，又增强构件的补缩能力，用于生产真正意义上的复杂薄壁结构 件。本文将把差压铸造、低压铸造和调压铸造三种技术集成在同一装备上，实现 这种多功能反重力铸造装备的自动控制。 下面将在分析每种反重力铸造方法特点及控制要点的基础上，提出系统的总 体结构及控制系统的研制方案。 2 2 反重力铸造装备总体结构 根据工艺要求，反重力铸造装备的总体结构如图2 1 所示，主要分为：气源 部分( 包括压缩空气供气部分和抽真空部分) 、气控部分、电控部分、熔化保温 部分和设备主体部分。 气源部分、熔化，保温部分的控制均属于强电控制，其控制电路分别属于典型 的起停电路和固态继电器闭环控制形式，本文对此不进行讨论。 气路控制部分实际上是整个控制系统的执行机构部分，这部分需要由电控部 分操纵。为了使同台反重力铸造装备实现不同的功能，本文将在分析低压铸造、 差压铸造和调压铸造工艺特点的基础上，对气控子系统进行集成。电控部分拟采 用工业控制机与p l c ，形成上下位机结构，既发挥计算机的强大数据处理能力和 良好的人机界面优点，又发挥p l c 使用简便、可靠性高的特点。最终实现多功能 反重力铸造装备工作过程中所有逻辑动作和液面加压过程的全自动控制。通过此 系统，使我们可以根据不同铸件结构、不同熔体进行工艺的变更，以期改善铸件 西北工业大学硕士学位论文 质量，提高生产率。 图2 - 1 装备总体结构 2 3 反重力铸造工艺特点及控制要点分析 2 3 1 低压铸造 低压铸造f 4 1 ，4 2 1 是最早的一种反重力铸造方法，它是介于压力铸造和重力铸造 之间的一种浇注工艺。其工艺原理可以用图2 - 2 说明。 第2 章系统的总体结构及研制方案 凰目 ( a ) 充气前( b ) 充气后 图2 - 2 低压铸造工艺示意图 f i g 2 - 2p i t w ：e s ss c h e m a t i cd i a g r a mo f l o w - p r e s s u r ec a s t i n g 保温炉放在下罐压力容器中，铸型与大气接触，铸型与压力简用中隔板分 开，升液管使铸型与保温炉相通。干燥的压缩空气经阀a 进入下罐，与大气压形 成压差p = p 2 - - p i ，在压差p 的作用下，坩锅内的液态金属沿升液管经浇注 系统平稳地进入型腔。充型结束后，继续充气升压，使铸件在较高的压力下结晶 凝固。关闭阀a ，并保压一段时间，使铸件完全凝固。排气，取出铸件完成整个 浇注过程。 由于铸型处在恒定的大气压环境中，所以，实现对低压铸造的液面加压控制 时，控制任务就是调节下罐的压力。理论上，下压力罐应该属于密封容器，但实 际上，对于砂型低压铸造而言，泄漏是不可避免的。虽然充型介质受热膨胀会影 响罐内的压力，但这种影响会被泄漏抵消。实际生产中，可以将泄漏补偿与正常 增压环节合= 为一加以考虑。为此，低压铸造的气控环节可以用图2 - 3 表示。 接下罐 禺禹燃 流量调节执行机构 瑚截止阀t ! 减压阔 图2 3 低压铸造液面加压气控环节 f i g 2 3p n e u m a t i cc o n t r o lp a r to f l o w - p r e s s u r ec a s t i n ge q u i p m e n t 2 3 2 差压铸造 差压铸造法 4 3 4 4 , 4 s 是6 0 年代初发展起来的铸造新方法。这种方法源于低压铸 1 3 西北工业人学硕上学位论文 造，它兼有低压铸造和压力釜铸造的特点，与传统重力铸造，真空吸铸以及低压铸 造等铸造方法相比，在复杂薄壁铸件生产中显示出明显的优势。因此，一经出 现，就表现出巨大的生命力。 按照金属液充型时压力差的形成方式不同，差压铸造可分为增压法和减压 法。其工艺原理见图2 - 4 。前者增加坩埚内的压力，使p 2 p 1 形成a p 进行充型 而后者则减少上罐内的压力，使p 4 p 2 形成p 。 ( a ) 充气( b ) 增压法( c ) 减压法 图2 4 差压铸造工艺示意图 f i g 2 4p r o c e s ss c h e m a t i cd i a g r a mo f d i f f e r e n t i a l - p r e s s u r ec a s t i n g 2 1 2 1 增压法 增压法的工艺过程如图2 4 ( a ) 、( b ) 所示。先开启总阀g 、分阀a 和互通 阀d ，使干燥的压缩空气平稳地进入互通的上下压力罐内。当上下压力罐内的压 力均达到额定的结晶压力p 1 时，先关闭阀a ，此时，升液管内外的金属面上所 受到的压力处于平衡状态，金属液不会沿升液管上升。然后关闭互通阀d ，使上 下罐隔绝。开启分阀b ，压缩空气向下压力罐充气，使其压力由p 1 增至p 2 ，在 上下罐之间产生压差p = p 2 - - p 1 ，在压差p 的作用下，坩锅内的液态金属沿 升液管经浇注系统平稳地进入型腔。充型结束后，继续充气升压，使铸件在较高 的压力下结晶凝固。关闭阀b ，并保压一段时间，使铸件完全凝固，打开互通阀 d 和排气阀c ，使上下罐同时排气，升液管内未凝固的金属液依靠重力回流坩锅 内，打开上罐，取出铸件。 2 1 2 2 减压法 减压法的工艺过程如图2 - 4 ( a ) 、( c ) 所示，在上下压力罐充气阶段与增压 法相同，在充气压力同时到底p 2 ，关闭分阀a 和互通阀d ；打开排气阀c ，使上 罐压力p 2 逐渐降至设定的结晶压力p 4 ，从而，使上下罐之间形成压差p = p 2 - p 4 ，坩锅内的液态金属在压差p 的作用下升液，充型。待充填完毕后，关闭 阀c ，保压一定时间。至铸件全部凝固后，开启阀d 和阀c 排气，完成浇注。 第2 苹系统的总体结构及研制方案 实际生产中，受气源和设备耐压能力的限制，一般只使用减压式差压铸造。 一般所说的差压铸造也是指减压式差压铸造。在差压铸造液面加压的控制当中， 需要注意两个重要环节：( 1 ) 同步压力的建立。从图2 4 中可以看出，虽然上下 罐之间存在互通通道，但上下罐之间的有效容积不可能相同，相反，存在很大区 别。这样，建立同步压力时，不可避免地会在上下罐之间形成压差，这也是同步 建压过程中必须解决的问题。实际生产中因该问题造成的事故时有发生，因为下 罐压力大于上罐压力时，会造成提前非正常充型，而上罐压力大于下罐压力时， 会造成铝液吹泡，严重时会将铝液吹到炉膛里，造成设备损毁。( 2 ) 充型压差的 建立。这也是差压铸造中真正的构件成形过程。通过上罐排气建立压差时，铝液 开始进入型腔，这时，炉内铝液减少，有效容积增大，下罐压力发生变化。除此 之外，热膨胀、泄漏也是下罐压力波动的因素。而所有这些因素都要通过调压上 罐压力来予以矫正。为此，本文为差压铸造部分设计出如图2 5 所示的气控环 节。 节漉扫目 图2 5 差压铸造液面加压气控环节 f i g 2 5p n e u m a t i cc o n t r o lp a r to f c o u n t e r - p r e s s u r ec a s t i n ge q u i p m e n t 图中流量调节执行机构将在p l c 的控制下建立所需压差，同时调整因下罐压 力波动对压差造成的影响。互通阀与节流阀一起来保证同步建压过程中上下罐之 间的压差不超过允许范围。 2 3 3 调压铸造 调压铸造【3 舳删技术是在差压铸造技术的基础上发展而来的一种先进铸造技 术，其充型能力强，补缩能力高，兼具真空冶金效应。适用于大型复杂薄壁铸件 的高品质精密铸造。调压铸造工艺技术突破了复杂结构铸件精密组芯技术，解决 了精密铸造中从负压到正压的高精度计算机控制技术及复杂铸件无冒口浇铸技术 的关键难题。 西北工业大学硕士学位论文 图2 6 调压铸造工艺示意图 f i g 2 - 6p r o c e s ss c h e m a t i cd i a g r a mo f r e g u l a t i o n - p r e s s u r ec a s t i n g 常规调压铸造的工艺流程如图2 - 6 所示： 打开互通阀d ，空气经阀g 、阀a 和阀b 分别同