基于PLC可编程序控制器的差压铸造电气控制系统设计

基于PLC可编程序控制器的差压铸造电气控制系统设计
摘要以差压铸造电气控制系统作为研究的对象，在分析PLC自动化控制系统的基础上，制定控制系统的目标，建立差压铸造过程控制对象的数学模型，并设计出PID控制器，实现对整个气路系统的自动化控制。

经过运行实验结果表明，差压铸造气路控制系统具有自动化程度高，运行安全稳定，便于操作的良好性能。

关键词差压铸造；PLC；PID控制器
差压铸造作为现金的液态成型工艺，用差压铸造方法可以生产出很多大型复杂的薄壁铸件，其生产的尺寸精确度和成品率较高。

随着近年来工业控制自动化技术的发展和成熟，对差压铸造设备的准确度和灵敏性提出了更高的要求[1]。

本文以差压铸造的气路控制系统作为研究的对象，采用PLC控制技术实现对气路系统的全程控制。

1 差压铸造电气控制系统设计
1.1 气路控制系统结构
差压铸造设备气路控制系统包括上下罐式差压铸造设备实现对压力的控制，对设备压力和性能进行跟踪，其质量和控制技术关系着自动化程度和铸件的质量。

差压铸造设备的气路控制系统主要包括气源、进气、过滤减压等子系统[2]。

在工作状态下，差压铸造设备浇注后将气源系统打来，过滤、减压气源系统内的压缩空气，处理后，降低压力到工作压力范围内，经过进气系统进入到密闭的容器内，根据工艺参数的设置，节流阀对阀门的开度进行调节，改变管道中气体的流量，进而将密封容器内的压力控制在合理的范围内，完成结晶后将排气阀打开，减轻密封容器内的压力，进而完成一个浇注的过程。

1.2 气源系统的设计
压缩空气作为气源系统的动力源头，是为铸造工艺提供压力的重要保障。

因此需要保障进入到气源内的压缩空气干净无杂质且气源的压力较为稳定。

压缩空气中杂质较多，其中水分和油气数量最多，需要重点处理，如果直接进入到设备中，不仅会造成设备寿命减少，还会影响铸件的质量。

因此对压缩空气中水分的处理可以采用冷却吸附式干燥机进行处理，采用高效油水分离器分离气体中的油气。

差压铸造浇注时间为15分钟左右，气源压力的稳定性十分的重要，因此采用大容积的储气罐，储气罐的容积大于上下罐容积之和，这样气源压力仍旧能够保持稳定。

1.3 差压铸造进气系统和调压系统的设计
进气系统和调压系统中有多路管道和各种电磁阀，电磁阀能够通过开关的闭
合控制进入空气的流量；节流阀的开度大小控制着压缩空气的进入流量和流速，进而保障压缩空气进入到密封容器中适量且压力适当，实现压力增加的过程。

差压铸造有两个上下的密封罐，工艺过程是先给上下罐同时进气，等到两个上下罐压力都相同时，可以将上罐的气体排出或者增加下罐的气体两种方式实现压差，进而获得充型。

调压系统既需要保障上下气罐同时进气，又要保障充型平稳，压力无较大的波动。

2 PLC自动化控制系统的设计
2.1 差压铸造控制系统总体结构
差压铸造的工控机负责数据的采集和处理，对铸造过程中的密封容器内的压力变化进行控制。

开始浇注时工控机能够设置一个理想的加压曲线，然后通过转换器的形式将压力变送器采集到的实际压力转换成数字输入到工控机中。

工控机按照实际压力和理想压力之间的偏差，作为输入信号，经过控制算法得到控制量，进而转换成模拟输出传递给调节阀，调节密封容器内压缩空气的流量，进而使得密封容器内的压力按照理想压力曲线的变化进行增加。

铸造结束后工控机会将所有的排气阀自动开启，降低密封容器内的压力。

2.2 PLC控制系统设计与实现
PLC控制系统中含有操作控制台、气路控制模块、差压铸造主机、管路等，其中各类按钮的控制面板和各类可编程控制器组成了操作控制台。

差压铸造主机主要有上下罐、坩埚、升液管等组成。

管路以及线路主要由电气控制柜控制，集中了压力仪表、组合阀、电磁阀等各种器件，便于集中管理，操作简单，安全方便，不容易受到气体的腐蚀，发生元件的老化等现象。

供气模块主要有空压机、混气装置以及电气箱和一些管路组成，便于集中管理和维护调试。

进行实验时，打开上罐，在坩埚中注入合金，加热后至熔化状态，然后盖上中隔板，将铸型浇口与升液管对准后压在中隔板上，防止上下罐漏气。

上下罐上有螺栓，主要的功能是控制上下罐的密封性。

压紧螺栓能够保障上下罐之间的密闭性，并且承受浇注期间的整个气压。

在人工的操作面板上对应各种的工艺按钮进行控制，输出信号自动化控制各个阀门和气体压力，实现自动化的浇注过程。

2.3 PID控制器的设计
PID控制器是对被控制对象进行控制的一种控制规律，其结构简单，参与易于调整，是自动控制系统中常用的控制方案。

PLC与PID控制技术相结合，更好了满足了差压铸造电气系统的控制。

为了满足不同被控制对象的需求，需要改进PID的算法，提高PID控制器的适用范围。

在PID控制器的设计中，控制参数决定着控制效果的好坏。

其中控制参数kp、kI和kD主要的任务就是达到控制系统的目标。

（kp比例控制，能够和提高控制系统的动态响应速度，减少误差，进而提高控制的精确度。

kI为积分控制，能够消除系统的静态误差，但会影响系统的稳定性。

kD为微分控制，能够缩短系统调整的时间，改善系统的性能，进而提高系统的抗干扰性能。

PID控制的三个参数随着实际控制参数的变化而变
化。

因此在设计PID控制器时需要按照差压铸造设备的实际参数设置这三个参数。

2.4 信号采集
在差压铸造生产中，需要不断的采样密封容器内的压力。

如果采样的周期越小，精确度就会越高，但是如果采樣的周期过于频繁，将会造成控制阀和调节阀无法反应过来，进而增加控制系统的负担。

压力的变化是一个连续梁，因此最高频率很难确定。

因此在铸造形成的过程中为了提高控制的精度，将采样的周期控制在100ms。

3 结束语
设计的差压支座设备电气控制系统现已调试后投入使用，实践证实该设计选型和控制方案应用效果显著，差压铸造的利用PLC可控制编辑器不仅提高了工作的效率，而且操作简单方便，运行中压力追踪精确度较高，压力追踪曲线与理想压力曲线相一致。

参考文献
[1] 张金红，张淑艳，赵立蕊. 金属差压铸造工艺中的电气控制系统[J]. 铸造技术，2014，23（02）：378-380.
[2] 刘翔宇，苏海青，黄志国，等.基于数值模拟的铝合金舱体差压铸造工艺优化[J].特种铸造及有色合金，2015，35（7）：723-726.。