方 波, 张 帆, 窦富萍, 付爽宁
(1.机械科学研究总院, 北京 100044; 2.北京机械工业自动化研究所有限公司, 北京 100120)
我国大型智能化压铸机的研发水平远远落后于欧美发达国家, 缺少多项核心技术, 从而严重制约了我国航天、汽车制造等领域的发展水平。 因此,加快研发以压铸单元为主体的成套装备与系统集成, 通过对信息化智能压铸系统的可行性研究开发,将推动行业的技术、工艺、产品升级换代,直接降低生产能耗25%~35%,汽车轻量化带来间接能耗降低约4%~6%。对国内汽车工业和其他工业领域的发展形成强有力的支撑。高效智能压铸岛,就是将压铸机和周边设备通过工艺优化和智能化控制技术的应用建立信息化生产管理, 实现压铸产品最大程度的自动化科学高效生产。
高效智能压铸岛成套单元电控系统主要由中央控制系统、嵌入式实时控制器、人机界面、工业计算机通过建立在OSI 物理层的具有快速响应和高可靠性的现场总线通讯协议和建立在OSI 对话层的具有高速信息处理能力和高数据吞吐量的工业以太网信息交互平台, 实现对压铸单元、给料机、喷涂机、切边机、传送带、在线监测、安全屏蔽等周边设备的智能化集中式控制。 建立一个完整的压铸单元控制系统, 实现多种协议和技术的计算机集成控制。 压铸机与伺服喷涂机械手、智能熔体含气量检测系统、自动定量浇铸系统、自动喷雾装置、自动模温控制、耐高温抗腐蚀的装件取件机器人、自动装镶件装置、镶件预热装置、切边机、铸件在线智能检测系统、铸件冷却装置、机边传送带等组成一个压铸单元。 通过压铸机与各周边设备的PLC 进行智能连锁控制, 形成一个高效的人机对话全自动压铸生产单元系统。 实现对整套压铸系统的高效智能化生产操作以及远程控制能力。 做到从原料到铸件成品的制造过程,程序化、数字化和远程控制。
采用基于RTX 的实时控制器和PLC 相结合的控制方式组成压铸机操作站,实时控制器负责压射实时控制,PLC 与分布式I/O 组成现场总线网络,完成所有机器操作任务。 压铸机操作站人机界面可与生产监控站组成局域网。 从生产监控站可进行生产安排、生产前准备、机台参数设定和修正、机台运行状况监控。 通过Internet 还可实现异地数据实时监控和共享,以及远程诊断。设备远程控制与远程诊断, 为方便用户使用以及适应无人操作或一个操作者同时掌控多台压铸设备的要求, 开发具备设备远程控制与诊断系统, 使压铸机在无人条件下可以完成设备的全自动化生产。
可编程序控制器(PLC),用于设备的自动化控制。 包括逻辑控制、顺序控制、位置控制以及工艺操作和工艺连锁控制、 故障检测、 报警及与前方机组的信号连锁等内容。 PLC 与分布式远程I/O 模块和交流调速PROFIBUS-DP控制模块共同构成PROFIBUS-DP 网络系统, 实现整个电气控制系统的网络化智能控制。 PLC 与计算机之间通过PROFIBUS-DP 和工业以太网通讯, 系统可以非常方便与其它子系统连接, 把压铸岛周边几大单元模块:在线智能检测及分选系统、模具温度智能控制系统、定量浇注及测氢系统、喷涂取件机器人系统,有机地联系为一个整体控制网络单元,完成各设备间监控信息的交换与传输。
作为一个完整的现代智能化卧式热室压铸系统,智能安全系统的搭建即安全连锁屏蔽单元也必不可少。机器安全系统是智能高效化成套设备的一个重要组成部分, 尤其是对于热压铸这种在较恶劣工况条件下运行的设备显得尤为重要。 其系统主要由安全门、安全光幕、激光扫描器、全局急停、安全继电器等若干部件组成。 通过DP 总线将独立的安全控制器与设备控制系统的PLC 主站控制器相连,使用profisafe 安全总线将安全检测部件与设备上重要执行单元的动力设备进行安全互锁连接。 这样,有效保证了设备的安全运行和操作人员的生命安全。
生产管理信息化系统对压铸机周边设备的主域控制器进行轮询和数据存取。存储压铸机生产数据的数据库;存储压铸机运行状态数据;与工厂L3 信息计算机控制系统连接进行通讯; 机组故障的自动检测、 报警及分级处理, 数据跟踪及控制; 当遭受重大灾难事故, 只要备份DVD 保存好, 可以恢复系统遭受事故前的状态。 图1 是高效智能压铸岛集成控制系统结构图。
图1 高效智能压铸岛集成控制系统组成
由于热室压铸机的控制要求有非常高的实时性和精确性,压铸过程中需要在1ms 的时间间隔内对压铸机的位移、压力进行实时采集,以达到实时控制周期≤1ms。传统的PLC 控制系统已不能满足高速的数据采集和实时快速的闭环控制。随着计算机技术的迅猛发展和处理器性能的迅速提高,专用硬件和实时系统已能够满足众多工业控制领域的需求。 即嵌入式实时控制系统。 目前主流的实时高速控制器系统的配置方式是基于Windows 硬件抽象层的实时扩展,具有独立的内核结构,即RTX。 它比另外两种基于DSP 专用硬件和数据采集卡方式的实时系统,具有更高的灵活性和更快的响应速度。它能够同时满足时限、多任务机制、抢占调度、相关任务间同步等实时系统的关键要求。
工业控制中与日俱增的实时性和人性化,对控制系统提出了越来越苛刻的控制指标。RTX 控制系统是理想的解决方案,即嵌入式实时控制器。 一方面,它具有强大的图形界面功能(GUI)、支持数据分布和后台处理能力;另一方面,它能够满足许多要求系统的反应足够快、精度足够高的高速高精度场合。同时对各种状态进行监控、对异常情况做出快速反应。 RTX 实时系统作为Windows 系统内核体系的延拓, 修改并扩展了整个硬件抽象层(hardware abstraction layer,HAL),实现独立的内核驱动模式,形成与Windows 操作系统并列的实时子系统,见图2。RTX 可以利用Windows 强大的GUI 界面和自身卓越的实时性能实现实时精度很高的工业控制,特别是中断响应时间的快速性可对高速运动控制提供安全可靠的运行保障。
图2 RTX 与Windows 的层次关系图
PLC 的定时器精度一般为几十毫秒,在极限情况下,长达几百毫秒。 在面向实时领域时提供了多媒体定时器机制,但最好只能达到1ms 的精度,通常保证在10ms 以内,仍然达不到我们所要求的高速高精度控制。但是RTX实时系统可以满足最苛刻的实时应用程序。 它固定的128个线程优先级与Windows 内核分离,提供了优先级高、低延迟的定时器和中断管理服务。 它的线程调度程序可以对设备中断提供最快速的响应, 一般情况下小于30μs,并且支持RTX 线程的最低可能延迟调度。 实时RTX 系统具有高度稳定性, 平均延时值也在30μs 时间精度以内。RTX 定时器的精度可以由运行环境自行设置, 可以达到0.1ms 的精度。 因此作为压铸机核心控制部件的嵌入式实时高速控制器,完全满足实时控制周期小于1ms。 下面,是对两个系统的延时进行比较。 由图3 可以看出,Windows系统对1ms 定时器的延时在0~110μs 之间变化, 而RTX实时性能卓越,最长延时也在10μs 附近,这样的实时调度延迟将会给系统的实时性提供有力保障。
图3 两种系统对1ms 定时器的响应延时比较
嵌入式控制器所具有的更快速的响应时间和高速处理能力, 保证了它能够满足压铸机压射过程中实时参数的检测和快速响应的闭环控制。 真正实现高效智能压铸岛系统响应时间小于等于50ms。 结合具体的压铸工艺过程,实时检测和闭环控制描述如下:
(1)压射工艺参数实时显示及存储。传统压铸机压铸过程中对实际压射工艺参数的变化不能监控, 只能凭操作者的感觉和经验, 根据目测铸件的质量来调整压射条件,因此带有很大的偶然性,无法对压铸产品的质量进行有效控制。通过嵌入式实时控制器,配置检测压射冲头移动位置的检测装置、 检测压射缸出口控制阀开度的检测装置,和检测压射缸有杆腔压力、无杆腔压力、压射蓄能器压力、先导压力的压力检测装置,可以实现在1ms 的采样间隔内完成数据的精确采集并输出各种各样的压铸工艺参数,并可以电子文档和压射曲线的方式保存。
(2)压射系统闭环控制。 当压射工况发生变化时,传统压铸机只能在下一次压射开始前, 由人工调整压射条件,不能在压射过程中对系统变化进行实时控制。因此压射过程的重复性较差, 造成生产效率低下和产品质量波动较大。 实时控制系统为了解决压铸机压射装置液压伺服控制系统的惯量问题, 需要对压射工艺过程建立精确的数学模型, 当实际压射位置及速度与设置值产生偏差时, 综合压射参数的实测值和设置值对控制阀的开度调整量进行预估控制,然后根据系统参数的实际变化,对响应速度过快造成的超调和振荡进行负反馈补偿, 消除系统惯量的影响,并将控制阀的性能发挥到极限,提高系统的响应速度和稳态精度。 在压射工艺过程的数学模型中还需要包含对压铸机压射装置液压系统的特性飘移、压力波动和阻尼变化的反馈补偿模块, 使压铸机的压射过程在不同的工况变化下保持稳定,不需要反复调整,从而能够对压铸产品的质量进行有效控制, 并保证压射过程的重复性。达到如下技术指标:慢速至快速位置重复精度1.5mm;慢速速度重复精度±0.05m/s;快速速度重复精度±0.1m/s;铸造压力控制精度±5bar。
(3)压铸机的嵌入式实时控制器、逻辑控制器、人机界面采用高速CPU 进行运算处理,对压铸机各动作模式进行中央集中处理。 嵌入式控制器具备如下关键性指标要求: 在实时和确定性响应方面有苛刻要求的PLC 任务,而且需要PC 功能;高性能控制任务,其中的用C/C++开发的程序可以集成到PLC 循环中;紧凑式使用,无需操作员输入;使用可分离屏幕,如SIMATIC 平板显示器;机器级安装;使用客户特有的硬件和软件;在一整套硬件中集成不同的任务(控制、工艺、数据处理)。 这正是压铸单元控制系统的设计开发安装调试的主要核心要素,同时也满足适应压铸设备高温高腐蚀空间局促等工况条件恶劣的现场环境。因此,嵌入式控制器的运用正是当今压铸成套设备高效智能化发展趋势的要求。
本文的介绍, 以嵌入式控制器为高效智能压铸岛控制核心, 通过网络化的工业计算机对压铸机本身以及周边设备进行控制, 把压铸机与周边设备通过程序控制有条不紊地联系成一个整体完成各个工艺流程, 并在整个过程中通过对产品质量和设备性能的在线监测, 实现从原料到合格压铸件成品的程序化、数字化、生产信息化的全过程控制。 对推动压铸工业的集成化、 大型化和自动化,提高压铸生产效率,提高产品的质量等提供指导和示范性作用。