倾转式液压浇注机的自动监控系统设计

李海波，恽新星，徐瑾瑜

(无锡商业职业技术学院，江苏无锡214153)

近年来随着铸造生产，特别是造型工序的迅速发展，浇注的机械化、自动化也逐渐被人们所重视，相继出现了倾转式浇注机、气压式浇注机以及底注式浇注机等三大类［1］。由于倾转式浇注机采用了倾转速度可调的倾转机构，使浇注过程在变速中完成，极有利于金属液在模具中的充型和排气，可以大大提高铸件质量，降低铸件的废品率。为此，作者与常州某公司进行了合作技术研发，设计了一套半自动的液压浇注机监控系统。

1 液压浇注机的系统结构组成

液压浇注机主要由以下几个部分组成［2］:

(1)主机。主要由床身、合型机构、跟出机构、倾转机构、底座等部分组成;合型机构采用“U”形结构，具有体积小，刚性好的优点;独特的铸件跟出机构，使铸件被强制留在动模，可以有效防止铸件的变形。

(2)液压系统。所有液压泵、阀均采用进口产品;液压泵采用变量柱塞泵，保证系统恒压，流量自动调节，节约能源;采用电磁比例阀控制机器倾转速度，实现金属液浇注过程中倾转速度多级调节;所有油缸的密封件采用进口密封件，模具附近油缸采用耐高温密封件。

(3)模具冷却系统。机器配备多路模具气冷和水冷冷却通道，实现时间控制方式的自动冷却控制。每个冷却通道流量可手动调节。冷却参数的设置和工作冷却通道的选择均可在人机界面中完成。

(4)电气控制系统。主要完成液压浇注机的自动控制，实现设备的状态监控以及工艺参数设置等［3-4］。

2 液压浇注机的电气控制系统要求

(1)系统要求设有自动和手动两种工作方式。

在手动操作下，能够单步实现以下动作:

①合模→动模液压工作，模具合起;开模→动模液压工作，模具打开，动模远离定模。

②顶芯进→定模液压工作，定模顶板进;顶芯退→定模液压工作，定模顶板退。

③复位Ⅰ→摇臂液压工作，浇注机倾斜成竖直。

④倾倒→摇臂液压工作，浇注机倾斜成水平。

⑤开机→电源指示灯亮，手动→手动指示灯亮。

⑥自动→自动指示灯亮。

⑦复位Ⅱ→动模液压、定模液压、摇臂液压都工作，动模打开，顶芯板退，浇注机倾斜成竖直，原点指示灯亮。

在自动方式下，其工作流程为:启动液压泵→手动方式下机器复位回原点→切换到自动方式→按下起动按钮→动模打开→动模合起→浇注铝水→再次按下起动按钮→倾斜成水平→固化→浇注机倾斜成竖直→报警→动模打开，定模顶板进→取出工作→定模顶板退。

(2)能够对模具预热温度进行精确控制与显示。

(3)能够在人机界面上设置各个产品的浇注工艺参数。

(4)倾转浇注速度可调，这里要求速度分六级可调。

(5)机器的运行状态以及参数能够在显示屏上可同步显示。

(6)能根据用户的不同身份进行操作权限的设置。

3 系统结构设计

根据用户需求，为了实现液压浇注机的自动监控，确定该系统的硬件结构框图如图1所示。

图1 系统的硬件结构框图

在该系统中，采用西门子的PLC(CPU224XP)作为现场控制器，接收现场开关以及检测用传感器的输入，通过运行程序，输出开关量信号实现电磁阀的驱动，进行合模、开模以及顶芯进退等动作，通过D/A 转换输出模拟量信号进行比例阀和加热丝的控制。

利用上位机(威纶MT8000 系列触摸屏)进行速度分段以及各工艺参数设置、用户权限设置。利用PPI 通信方式实现机器状态显示，做到实时监控。

对于铝水装置的温度控制，则是根据设定温度采用闭环控制的方式实时地调节晶闸管的工作状态从而间接驱动加热丝工作实现。

4 模具预热温度的模糊自适应整定PID 温度控制

4.1 模糊自适应整定PID 控制算法原理［5-6］

预热系统是一种模型未知、非线性的时变系统，通常在采用PID 进行温度控制时，往往会出现PID 参数难以调节的问题，导致控制系统品质变差。由于模糊控制对非线性或不确定对象有良好的控制效果。为此，这里采用PID 与模糊控制相结合，对PID 参数采用模糊控制的算法在线进行调整，进行两者优点的结合，从而构成模糊PID 控制器，来提高系统的控温效果。其模糊PID 控制器的结构如图2所示。

图2 模糊PID 控制器的结构

模糊PID 控制器主要是找出PID 3 个参数与误差e以及误差变化率ec(de/dt)之间的模糊关系，在运行中不断检测e和ec，根据模糊控制原理对参数进行在线修改，从而使控制对象具有良好的静、动态性能。

4.2 基于模糊自适应整定PID 的炉温控制过程

在系统控温过程中，控制系统首先通过热电偶采集当前的加热炉内的温度，然后经过A/D 转换后送入PLC 控制器，将其数值与给定温度值相比较，从而得到当前时刻的温度误差e和误差变化率ec，根据定义的模糊集论域进行模糊化处理，通过模糊规则(如表1—2所示)推理后决定输出三大参数值的调整量，从而通过反模糊化计算确定当前的kp、ki、kd，送入PID 控制子程序中计算输出调节量。其在线模糊自整定PID 的工作流程如图3所示。

表1 kp 的模糊规则表

表2 ki 的模糊规则表

图3 在线模糊自整定PID 的工作流程

5 系统PLC 程序设计［7-8］

在液压浇注机的自动控制系统中，需要控制的对象主要有电磁阀、比例阀、晶闸管等。由于系统需要有手动和自动两种不同的工作模式，而且在浇注机处于不同的倾转角度时设定的速度不同，为此必须依赖于光电编码器来精确地实现角度的检测。为此，通过综合考虑，对PLC 的I/O 点进行了如表3所示配置，采用了如图4所示的程序设计流程进行了系统程序的编写。该系统程序主要分为主程序和子程序，其中子程序主要分为自动和手动子程序，用于实现自动和手动两种工作模式。而要实现自动控制，其倾转的角度需要靠光电编码器的输出信号进行处理，因此需要配套编制高速计数器计数程序。另外，温度控制采用模糊PID，因此其输出的控制信号需要定时进行更新，所以采用定时中断子程序执行。

表2 PLC 的I/O 点分配

图4 程序设计流程

6 液压浇注机监控画面设计

为了便于根据不同的浇注工艺进行参数设置，同时更好地进行浇注机浇注状态的监测，这里主要采用人机交互能力较强的威纶触摸屏(MT8000 系列)进行了液压浇注机监控画面的设计［9-10］。在设计过程中，从安全性出发，对于参数修改和参数读取等不同的操作工序采用了不同的权限设置。其功能监控画面、工艺参数设置画面分别如图5、6所示。

图5 监控主画面

图6 倾转速度设置画面

7 结论

通过对倾转式液压浇注机的控制要求进行分析，利用先进的可编程控制技术，结合人机交互能力较强的触摸屏完成了其浇注机的控制系统设计。通过模糊PID 控制算法实现了铝水装置的恒温控制;通过光电编码器、上位触摸屏进行了工艺参数设置(倾转速度6 级变换)以及PLC 实现了液压浇注机不同浇注产品的自动浇注过程。通过实际运行，该系统能够安全可靠地实现手自动不同工作模式的切换，并较为完善地实现了液压浇注机的实时监控功能。

［1］崔瑞奇，肖阿红.几种常见浇注机的结构特点及应用现状［J］.中国铸造装备与技术，2005(6):5-6.

［2］刘永胜，杨尚平，汪泽波.定点倾转式定量浇注装置研发［J］.特种铸造及有色合金，2011，31(11):1043-1045.

［3］胡细东，谭武中.自动倾转浇注机液压控制系统设计与研究［J］.机床与液压，2013，41(10):105-108.

［4］杨尚平，杨晓玉，赵光波.定点倾转式浇注机的研发［J］.装备技术，2009(3):53-56.

［5］汪义旺，高金生，肖进.模糊控制在感应加热电源调功中的应用研究［J］.电力电子技术，2009，43(8):47-48.

［6］邢峰，张让辉，王敦富.模糊PID 控制仿真与实验研究［J］.机床与液压，2012，40(10):147-150.

［7］曾重.伺服倾转式自动浇注机电气控制系统的研究［D］.北京:华北电力大学，2011.

［8］李海波，徐瑾瑜.PLC 应用技术项目化教程(S7-200)［M］.北京:机械工业出版社，2012.

［9］彭继慎，任宝栋.基于PLC 和触摸屏技术的压铸机控制系统研究［J］.中国有色建设，2005(3):38-40.

［10］王淑旺，顾立才，张定.基于PLC 和触摸屏的车身总装夹具控制系统设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2012(1):74-76.