TM800液面加压控制系统的数字组合阀

张爽

摘 要：本文以某公司TM800型低压铸造机为控制对象，针对低压铸造机的浇铸工艺对液面压力和模具温度的控制要求，进行低压铸造机自动控制系统硬件和软件的设计。同时，对低压铸造的浇铸过程进行研究，建立其数学模型，并应用这个数学模型对控制系统进行仿真。

关键词：铝合金轮毂；低压铸造；技术革新

1 数字组合阀的工作原理

TM 800低压铸造机被主要用来铸造铝合金轮毂，其整体浇铸工艺选择急速增压结晶工艺。现在，根据整个液面加压控制系统的总体设计，进行设备的具体选取。数字组合阀是一种比较先进的气压控制执行元件，伴随着德国GIMA公司的低压铸造机进入中国，在本控制系统中也沿用了这种配置。数字组合阀控制的实质就是把原来用阀的开度连续变化来达到调节流量，变成由口径不同的阀组合通过不同的阀门开关来达到调节流量的目的。

本次使用的数字组合阀的基本结构，实际上是将气源送来的一定压力和流量的压缩空气，通过一组截面积不同的阀，通过控制各个阀的开关，实现总输出量的控制。这种组合阀的运行是依靠接收控制机传送的阀门开度值，通过位控制板卡，将阀门开度值转换成二进制数，然后对应的电磁阀就动作这一原理完成的（图1）。

图1中的Y5-Y13，就是对进气道进行紧缩操作的阀门。它们每一个阀门的截面积都是不一样的，按照Y5-Y13的顺序是从小到大的，对应的是按照二进制的位数来排列的阀门开度值。例如，Y5对应的是二进制的第一位，即数值是20=1，以此类推，能得到表1的对应关系。

这就是说，将所有的压缩空气的流量进行了511等分，分别由9个阀门分担不同的数值的开度，当不同流量的压缩空气被系统需要的时候，就可以根据需要打开相应的阀门。这种组合可以实现从0～511的任意一个数值对应的阀门的开、闭，即能够实现从全开到全闭区间上512个量值的输入。这种程度的量化，完全能够满足自动控制系统实现对进气量控制的要求。下面举例说明组合阀如何动作。

例如，让上位机发出要实现数值为15的阀门开度，那么只要传送出一组二进制数000001111，打开Y5，Y6，Y7，Y8就可以实现。要实现25的阀门开度，那么就传送出000011001，打开对应位的Y5，Y8，Y9。如要实现最大值511，则传送111111111，将Y5-Y13全部打开。以此类推，可以将需要的压力转换为相应的阀门开度，再传送下来，打开相应的阀门即可。

本次选用的组合阀为某企业自行研制的，所采用的阀芯都是进口的电磁阀。通过给定数字信号调节气体流量，精度可达±0.2%，响应速度为ms级，可直接安装于现场任意位置。此组合阀具有安装容易，控制功率小，抗冲击，耐震动，抗干扰性好等特点。

2 数字组合阀的控制

数字组合阀的控制是通过上位机驱动控制卡来实现的。在上位机的程序中，采集来的压力信号经过控制算法的计算之后，输出一个调整后的阀门开度值。在转换压力值的时候，首先通过计算将压力值与气体量进行换算，得到的气体量根据组合阀中每个阀的流量值，经过按位比较会得到一个阀门的开度值，将这个值写入到控制板就实现了数字组合阀的控制。

由于系统设计采用恒压气压源，而随着加压过程的进行，组合阀输出口的气压是在不断增加的，虽然进气量会有一定的影响，但是对照恒压源，增量不算很大，所以通道内部单位面积通过的气体的流量基本上是一个恒定值。这样，气体的流量和通道的截面积基本上可以先取正比，再做小幅调整即可。具体到组合阀时，通道的横截面积就是每个阀芯的面积，进行部分修正后可以得到各个阀门的权值，如表2所示。

对照上述介绍可以得到阀门开度值的关系，如下所示，当系统需要的阀门开度是85的时候，首先应根据权值对流量进行阀门开度的转化，即

85≈64.0+16.076+3.8+0.95=84.826

这样就知道要打开的阀门为Y13，Y11，Y9，Y7。将这个结果表示为二进制数字就是1010101000。由此可知，这个值转化成的可传送的阀门开度值就是340，那么根据上述介绍，控制板就可以打开指定的阀门，从而实现组合阀的控制。

3 数字组合阀的死区控制

在整个自动控制系统中，所有的控制都是实时进行的。由于压力曲线是不断变化的，而且还有漏气等原因，所以气压的调整基本上是一直在进行的。进气量的变化会导致组合阀的阀芯在不断开关——因为控制精度足够，每一个气压的细微改变都要导致阀门的开关，尤其是位于低位的阀门的开关次数会不断地增加并且频率也会很高。这样对阀芯的损伤是很大的，所以在保证对阀门控制的精度的同时，还要对阀芯进行适当的保护。这样，引进死区控制就变得很必要。

引进死区控制就要对死区进行设置。这个区域的设置既不能太大，也不能太小。因为死区太大会造成组合阀的控制精度下降，引起控制系统不必要的振荡；死区太小，达不到限制阀门频繁开关的目的，引入死区控制就没有了效果。

考虑到对组合阀进行死区控制，是要限制个别阀芯的过度的开关频率，还要保证组合阀开关的次数的限制不会影响控制精度，可以根据各个阀芯的截面积的大小和需要的阀门开度的变化量做比值，即

式中，r为比值，QYi为单个阀芯的截面积，ΔQ为需要的阀门开度的增量。

那么对死区的限制就是对比值r的限制。例如，将r的死区设置为0这样的设置可以让位于低位的阀门的开关次数在不影响压力控制精度的情况下得到有效的降低，而且还可以保证低压铸造在各个过程中的精度。因为，升液充型的时候通气量的增量较大，而保压阶段通气量的增量较小。但是，r的值要根据实际的控制精度的需要来设置，不同的系统可以进行不同的设置。

4 数字组合阀的应用

知道了数字式组合阀的工作原理之后，再来看看它在对通气量的控制中是如何使用的，具体如图2所示。

图2中最上面的设备分别是压力表和压力变送器，右下角是气源的位置。本系统中，气源为一台能提供气压为4～8bar的气泵。在气源的输出口处，有两条管路，每个管路上各有一个阀门，分别是快速排气阀和进气控制阀。在进气控制阀的上部也是一个排气阀。当进气控制阀打开的时候，由气泵输出的压缩气体就直接进入到数字式组合阀内。这时，根据控制机计算后给出的阀门开度值，组合阀会打开相应的阀门，通入相应体积量的气体，进而使浇铸工艺过程按照预定的压力曲线进行。当预定的升液、充型、增压和保压4个阶段完成以后，就执行卸压策略。这时，上侧和左侧的3个快速排气阀都打开，进气控制阀和组合阀都关闭。由于气泵同时给多台机器提供压缩空气，所以在这个过程中是不会停机的。这样，打开的左侧的两个排气阀分别将气泵和炉内的气体排出，而上侧的排气阀则将滞留在组合阀内的压缩气体全部排出。整个系统达到迅速卸压的目的。

参考文献

[1]張新颖，董秀琦，朱建光，等.组合阀控制低压铸造液面加压系统的研制[J].中国制造装备与技术，2005，（6）：49-52.