PLC控制技术在反重力铸造装备中的应用研究

摘 要 反重力铸造是外力场充型工艺的一种，是指液态金属在与重力相反方向力的作用下完成的充型、补缩和凝固过程的铸造方法，发展前景广阔。文章通过工业控制机与S7—200系列PLC对反重力铸造液面加压控制系统进行了设计与编程，实现了反重力铸造装备的上下位控制，其跟踪性能、控制精度、系统可靠性均大大提高。

关键词 反重力；PLC控制；PID；参数

中图分类号：TG249 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0108-01

在铸造生产中，反重力铸造液面加压控制系统的精密度与性能是制约高品质铸件、大型铸件以及复杂薄壁的铸件质量的最重要因素之一。具有强调节能力、自动补偿能力的液面加压控制系统能够有效预防其内部与外部干扰。随着工业计算机在控制系统中的广泛应用。反重力铸造液面加压控制系统自动控制及自动操作的性能越来越强，大大提升了铸件质量。

1 反重力铸造装备液面加压气控系统的组成

反重力铸造压力控制系统有两大核心部分组成。一是现场控制系统SIEMEN S S7-200（CPU224）；二是工业控制计算机远程监控系统。辅助部分主要有数字组合阀。其动态精确控制是通过闭环PID+ 模糊控制实现。

为了提高重力铸造的可靠性，PLC同时控制系统流量调节执行机构及电控截止阀。为了预防电控系统出现故障，在多功能反重力铸造装备气控系统的集成中添加手动阀；这样可实现三种功能：同步建压、充型压差的形成、系统排气。

图1中DV01、DV02是调节执行机构，DV01其功能有两个，一是执行低压铸造，二是是铸造液面加压的流量进行调节。DV02的功能主要是对差压铸造液面加压的流量进行调节。JL01的功能是执行调压铸造使时对同步建压压差的节流阀进行调节；JL02执行差压铸造功时对同步建压压差的节流阀进行调节。JY是减压阀，AQ01～AQ05是电控气动球阀，其作用用于流量截止。此反重力铸造装备液面加压气控系统与PLC连接后，自动操作与手动操作均可实现。

图1 液面加压气控系统原理

2 反重力铸造控制系统下位机程序的设计

在反重力铸造中，PLC作为下位机实现现场采样、处理与控制输出等功能。其稳定性对铸件品质起决定性作用。根据PLC运行特性，结合反重力铸造过程中液面加压运行状况，将主程序设计为循环检测程序模式。

PLC系统开始运行时，首先执行第一次循环，对逻辑位初时化与外循环主程序环节进行指令控制。PLC系统再次循环时，不在对逻辑位初始化部分进行指令控制，只对外循环主程序环节进行指令控制。当PLC系统检测到机械设备动作到位时，开始浇铸。PLC系统程序只运行于内循环主程序。

3 反重力铸造控制系统液面加压自动监控程序的设计

在自动监控程序中，监控子程序是最重要环节。在浇注生产时，首先以给定工艺曲线当参考值；并调用定时中断程序中的采样、PID输出、模糊控制等子程序，对组合阀的开度，气流量进行调节；控制金属液，使得浇铸过程顺利进行。其次是当金属液充满之后，立即增压，使其达到预定压力并进行保压。三是当到保压时间达到预定的效果后，系统可以进行自动排气。

当控制系统发生故障时或险情时，操作人员可以根据情况立刻按下紧急停止按钮，这样子程序就被优先启动，完成自我保护。包括关闭进气阀启动，排气阀打开等功能。

4 反重力铸造控制系统上位机监控界面的设计

1）组态界面内核的设计。控制系统的执行机构和信号输入均有PLC发出指令进行控制，因此设计PLC程序时，需要对上位系统的组态进行定义，其变量与PLC对应。同时为了记忆方便，提升程序的可维护性，在对PLC的内部地址与I/O变量分配地址时，要建立对应的标记名，对应的地址存放于InTouch的“标记名字典”项目中。在填写不同区域的内容时，要对内容进行严格的种类划分。

2）参数设置界面。反重力铸造设备工作时可能涉及到的有用数据，因此工艺参数设置要具有加压工艺参数、特性控制参数、PID控制参数以及操作人员信息等多项内容。其中加压工艺参数以下几项：一是用于差压或者调压工作模式的同步压力；二是在熔体升液管中的上升速度的升液速度；三是在熔体完成升液过程的升液压力；四是在熔体型腔中的上升速度的充型速度；五是熔体到达型腔项部时的压力的充型压力；六是充满铸型到铸件表面凝固结壳的结壳增压速度；七是铸件在压力下结壳压力增量的增压压力；八是充满铸型到铸件表面凝固结壳时间；九是结晶增压速度；十是结晶增压压力以及结晶时间、熔体密度和阻尼系数等。

3）过程监控界面与数据管理界面。多功能反重力铸造设备的过程监控界面是系统控制的核心界面。在设计中，要满足以下记得条件：一是现场操作人员可以随时切换监控流程种类；二是为预防浇注过程中发生误操作现象，监控界面安装操作相关功能的按钮，确保安全生产。数据管理界面的过程能够对已往保存的压差、温度等数据。

4）故障定位界面。故障定位界面包括模拟量输入与开关量输入输出检测两大部分，主要功能是日常维护控制系统硬件故障。

5 PID控制器参数整定与算法在PLC中的组态中的实现

PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，因此反重力铸造液面加压控制系统得控制可选用PID控制器。反重力铸造液态成形时，其压差信号变化速度非常快，再加上其运行时间仅仅几秒至几十秒。但铸件成型过程较长，PID独调节不能及时跟上，PID参数调整不能解决快速累积计算的工业计算机的与充型介质流动滞后出现的问题。干扰和参数变化对控制效果影响大，而模糊控制系统则可减弱以上不足。本文对PID计算结果进一步模糊化优化，系统响应速度大幅提升，调节时间明显减少。

6 结束语

总之，LC控制技术在反重力铸造装备中的应用愈加广泛，逐步向集成化、自动化等、远程在线化及时监控等功能。本文控制机和PLC实现了反重力铸造装备的上下位控制设计，反重力铸造装备系统整体的可靠性大大提升。

参考文献

[1]邱风斌.中国铸造业所面临的环境分析及发展思路[J].经济师，2005（01）：261-262.

[2]李永圣，陈彤刚.前进中的中国铸造业[J].铸造技术，2004（01）：5-6.

[3]王猛，曾建民，黄卫东.大型复杂薄壁铸件高品质高精度调压铸造技术[J].铸造技术，2004（05）：353-358.

作者简介

孙玉新（1979-），女，河北枣强人，讲师，硕士研究生，研究方向：机械设计制造。endprint

摘 要 反重力铸造是外力场充型工艺的一种，是指液态金属在与重力相反方向力的作用下完成的充型、补缩和凝固过程的铸造方法，发展前景广阔。文章通过工业控制机与S7—200系列PLC对反重力铸造液面加压控制系统进行了设计与编程，实现了反重力铸造装备的上下位控制，其跟踪性能、控制精度、系统可靠性均大大提高。

关键词 反重力；PLC控制；PID；参数

中图分类号：TG249 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0108-01

在铸造生产中，反重力铸造液面加压控制系统的精密度与性能是制约高品质铸件、大型铸件以及复杂薄壁的铸件质量的最重要因素之一。具有强调节能力、自动补偿能力的液面加压控制系统能够有效预防其内部与外部干扰。随着工业计算机在控制系统中的广泛应用。反重力铸造液面加压控制系统自动控制及自动操作的性能越来越强，大大提升了铸件质量。

1 反重力铸造装备液面加压气控系统的组成

反重力铸造压力控制系统有两大核心部分组成。一是现场控制系统SIEMEN S S7-200（CPU224）；二是工业控制计算机远程监控系统。辅助部分主要有数字组合阀。其动态精确控制是通过闭环PID+ 模糊控制实现。

为了提高重力铸造的可靠性，PLC同时控制系统流量调节执行机构及电控截止阀。为了预防电控系统出现故障，在多功能反重力铸造装备气控系统的集成中添加手动阀；这样可实现三种功能：同步建压、充型压差的形成、系统排气。

图1中DV01、DV02是调节执行机构，DV01其功能有两个，一是执行低压铸造，二是是铸造液面加压的流量进行调节。DV02的功能主要是对差压铸造液面加压的流量进行调节。JL01的功能是执行调压铸造使时对同步建压压差的节流阀进行调节；JL02执行差压铸造功时对同步建压压差的节流阀进行调节。JY是减压阀，AQ01～AQ05是电控气动球阀，其作用用于流量截止。此反重力铸造装备液面加压气控系统与PLC连接后，自动操作与手动操作均可实现。

图1 液面加压气控系统原理

2 反重力铸造控制系统下位机程序的设计

在反重力铸造中，PLC作为下位机实现现场采样、处理与控制输出等功能。其稳定性对铸件品质起决定性作用。根据PLC运行特性，结合反重力铸造过程中液面加压运行状况，将主程序设计为循环检测程序模式。

PLC系统开始运行时，首先执行第一次循环，对逻辑位初时化与外循环主程序环节进行指令控制。PLC系统再次循环时，不在对逻辑位初始化部分进行指令控制，只对外循环主程序环节进行指令控制。当PLC系统检测到机械设备动作到位时，开始浇铸。PLC系统程序只运行于内循环主程序。

3 反重力铸造控制系统液面加压自动监控程序的设计

在自动监控程序中，监控子程序是最重要环节。在浇注生产时，首先以给定工艺曲线当参考值；并调用定时中断程序中的采样、PID输出、模糊控制等子程序，对组合阀的开度，气流量进行调节；控制金属液，使得浇铸过程顺利进行。其次是当金属液充满之后，立即增压，使其达到预定压力并进行保压。三是当到保压时间达到预定的效果后，系统可以进行自动排气。

当控制系统发生故障时或险情时，操作人员可以根据情况立刻按下紧急停止按钮，这样子程序就被优先启动，完成自我保护。包括关闭进气阀启动，排气阀打开等功能。

4 反重力铸造控制系统上位机监控界面的设计

1）组态界面内核的设计。控制系统的执行机构和信号输入均有PLC发出指令进行控制，因此设计PLC程序时，需要对上位系统的组态进行定义，其变量与PLC对应。同时为了记忆方便，提升程序的可维护性，在对PLC的内部地址与I/O变量分配地址时，要建立对应的标记名，对应的地址存放于InTouch的“标记名字典”项目中。在填写不同区域的内容时，要对内容进行严格的种类划分。

2）参数设置界面。反重力铸造设备工作时可能涉及到的有用数据，因此工艺参数设置要具有加压工艺参数、特性控制参数、PID控制参数以及操作人员信息等多项内容。其中加压工艺参数以下几项：一是用于差压或者调压工作模式的同步压力；二是在熔体升液管中的上升速度的升液速度；三是在熔体完成升液过程的升液压力；四是在熔体型腔中的上升速度的充型速度；五是熔体到达型腔项部时的压力的充型压力；六是充满铸型到铸件表面凝固结壳的结壳增压速度；七是铸件在压力下结壳压力增量的增压压力；八是充满铸型到铸件表面凝固结壳时间；九是结晶增压速度；十是结晶增压压力以及结晶时间、熔体密度和阻尼系数等。

3）过程监控界面与数据管理界面。多功能反重力铸造设备的过程监控界面是系统控制的核心界面。在设计中，要满足以下记得条件：一是现场操作人员可以随时切换监控流程种类；二是为预防浇注过程中发生误操作现象，监控界面安装操作相关功能的按钮，确保安全生产。数据管理界面的过程能够对已往保存的压差、温度等数据。

4）故障定位界面。故障定位界面包括模拟量输入与开关量输入输出检测两大部分，主要功能是日常维护控制系统硬件故障。

5 PID控制器参数整定与算法在PLC中的组态中的实现

PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，因此反重力铸造液面加压控制系统得控制可选用PID控制器。反重力铸造液态成形时，其压差信号变化速度非常快，再加上其运行时间仅仅几秒至几十秒。但铸件成型过程较长，PID独调节不能及时跟上，PID参数调整不能解决快速累积计算的工业计算机的与充型介质流动滞后出现的问题。干扰和参数变化对控制效果影响大，而模糊控制系统则可减弱以上不足。本文对PID计算结果进一步模糊化优化，系统响应速度大幅提升，调节时间明显减少。

6 结束语

总之，LC控制技术在反重力铸造装备中的应用愈加广泛，逐步向集成化、自动化等、远程在线化及时监控等功能。本文控制机和PLC实现了反重力铸造装备的上下位控制设计，反重力铸造装备系统整体的可靠性大大提升。

参考文献

[1]邱风斌.中国铸造业所面临的环境分析及发展思路[J].经济师，2005（01）：261-262.

[2]李永圣，陈彤刚.前进中的中国铸造业[J].铸造技术，2004（01）：5-6.

[3]王猛，曾建民，黄卫东.大型复杂薄壁铸件高品质高精度调压铸造技术[J].铸造技术，2004（05）：353-358.

作者简介

孙玉新（1979-），女，河北枣强人，讲师，硕士研究生，研究方向：机械设计制造。endprint

摘 要 反重力铸造是外力场充型工艺的一种，是指液态金属在与重力相反方向力的作用下完成的充型、补缩和凝固过程的铸造方法，发展前景广阔。文章通过工业控制机与S7—200系列PLC对反重力铸造液面加压控制系统进行了设计与编程，实现了反重力铸造装备的上下位控制，其跟踪性能、控制精度、系统可靠性均大大提高。

关键词 反重力；PLC控制；PID；参数

中图分类号：TG249 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0108-01

在铸造生产中，反重力铸造液面加压控制系统的精密度与性能是制约高品质铸件、大型铸件以及复杂薄壁的铸件质量的最重要因素之一。具有强调节能力、自动补偿能力的液面加压控制系统能够有效预防其内部与外部干扰。随着工业计算机在控制系统中的广泛应用。反重力铸造液面加压控制系统自动控制及自动操作的性能越来越强，大大提升了铸件质量。

1 反重力铸造装备液面加压气控系统的组成

反重力铸造压力控制系统有两大核心部分组成。一是现场控制系统SIEMEN S S7-200（CPU224）；二是工业控制计算机远程监控系统。辅助部分主要有数字组合阀。其动态精确控制是通过闭环PID+ 模糊控制实现。

为了提高重力铸造的可靠性，PLC同时控制系统流量调节执行机构及电控截止阀。为了预防电控系统出现故障，在多功能反重力铸造装备气控系统的集成中添加手动阀；这样可实现三种功能：同步建压、充型压差的形成、系统排气。

图1中DV01、DV02是调节执行机构，DV01其功能有两个，一是执行低压铸造，二是是铸造液面加压的流量进行调节。DV02的功能主要是对差压铸造液面加压的流量进行调节。JL01的功能是执行调压铸造使时对同步建压压差的节流阀进行调节；JL02执行差压铸造功时对同步建压压差的节流阀进行调节。JY是减压阀，AQ01～AQ05是电控气动球阀，其作用用于流量截止。此反重力铸造装备液面加压气控系统与PLC连接后，自动操作与手动操作均可实现。

图1 液面加压气控系统原理

2 反重力铸造控制系统下位机程序的设计

在反重力铸造中，PLC作为下位机实现现场采样、处理与控制输出等功能。其稳定性对铸件品质起决定性作用。根据PLC运行特性，结合反重力铸造过程中液面加压运行状况，将主程序设计为循环检测程序模式。

PLC系统开始运行时，首先执行第一次循环，对逻辑位初时化与外循环主程序环节进行指令控制。PLC系统再次循环时，不在对逻辑位初始化部分进行指令控制，只对外循环主程序环节进行指令控制。当PLC系统检测到机械设备动作到位时，开始浇铸。PLC系统程序只运行于内循环主程序。

3 反重力铸造控制系统液面加压自动监控程序的设计

在自动监控程序中，监控子程序是最重要环节。在浇注生产时，首先以给定工艺曲线当参考值；并调用定时中断程序中的采样、PID输出、模糊控制等子程序，对组合阀的开度，气流量进行调节；控制金属液，使得浇铸过程顺利进行。其次是当金属液充满之后，立即增压，使其达到预定压力并进行保压。三是当到保压时间达到预定的效果后，系统可以进行自动排气。

当控制系统发生故障时或险情时，操作人员可以根据情况立刻按下紧急停止按钮，这样子程序就被优先启动，完成自我保护。包括关闭进气阀启动，排气阀打开等功能。

4 反重力铸造控制系统上位机监控界面的设计

1）组态界面内核的设计。控制系统的执行机构和信号输入均有PLC发出指令进行控制，因此设计PLC程序时，需要对上位系统的组态进行定义，其变量与PLC对应。同时为了记忆方便，提升程序的可维护性，在对PLC的内部地址与I/O变量分配地址时，要建立对应的标记名，对应的地址存放于InTouch的“标记名字典”项目中。在填写不同区域的内容时，要对内容进行严格的种类划分。

2）参数设置界面。反重力铸造设备工作时可能涉及到的有用数据，因此工艺参数设置要具有加压工艺参数、特性控制参数、PID控制参数以及操作人员信息等多项内容。其中加压工艺参数以下几项：一是用于差压或者调压工作模式的同步压力；二是在熔体升液管中的上升速度的升液速度；三是在熔体完成升液过程的升液压力；四是在熔体型腔中的上升速度的充型速度；五是熔体到达型腔项部时的压力的充型压力；六是充满铸型到铸件表面凝固结壳的结壳增压速度；七是铸件在压力下结壳压力增量的增压压力；八是充满铸型到铸件表面凝固结壳时间；九是结晶增压速度；十是结晶增压压力以及结晶时间、熔体密度和阻尼系数等。

3）过程监控界面与数据管理界面。多功能反重力铸造设备的过程监控界面是系统控制的核心界面。在设计中，要满足以下记得条件：一是现场操作人员可以随时切换监控流程种类；二是为预防浇注过程中发生误操作现象，监控界面安装操作相关功能的按钮，确保安全生产。数据管理界面的过程能够对已往保存的压差、温度等数据。

4）故障定位界面。故障定位界面包括模拟量输入与开关量输入输出检测两大部分，主要功能是日常维护控制系统硬件故障。

5 PID控制器参数整定与算法在PLC中的组态中的实现

PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，因此反重力铸造液面加压控制系统得控制可选用PID控制器。反重力铸造液态成形时，其压差信号变化速度非常快，再加上其运行时间仅仅几秒至几十秒。但铸件成型过程较长，PID独调节不能及时跟上，PID参数调整不能解决快速累积计算的工业计算机的与充型介质流动滞后出现的问题。干扰和参数变化对控制效果影响大，而模糊控制系统则可减弱以上不足。本文对PID计算结果进一步模糊化优化，系统响应速度大幅提升，调节时间明显减少。

6 结束语

总之，LC控制技术在反重力铸造装备中的应用愈加广泛，逐步向集成化、自动化等、远程在线化及时监控等功能。本文控制机和PLC实现了反重力铸造装备的上下位控制设计，反重力铸造装备系统整体的可靠性大大提升。

参考文献

[1]邱风斌.中国铸造业所面临的环境分析及发展思路[J].经济师，2005（01）：261-262.

[2]李永圣，陈彤刚.前进中的中国铸造业[J].铸造技术，2004（01）：5-6.

[3]王猛，曾建民，黄卫东.大型复杂薄壁铸件高品质高精度调压铸造技术[J].铸造技术，2004（05）：353-358.

作者简介

孙玉新（1979-），女，河北枣强人，讲师，硕士研究生，研究方向：机械设计制造。endprint