热室压铸机熔炉的智能控制系统

热室压铸机熔炉的智能控制系统

【摘要】在以PLC为载体通过软件实现P-FUZZY-PI算法的基础上，设计了热室压铸机熔炉智能控制系统。实现了温度的无差控制，保证了良好的温度跟随性能。该系统具有控

制精度高、鲁棒性强、工作范围大、操作方便、环境适应能力强等优点。

【关键词】热室压铸机熔炉、PLC、模糊PID、自动控制系统

【技术领域】

本实用新型提出了一种以PLC为载体通过编程实现P-FUZZY-PI算法的方法。该方法在压铸机熔炉温度智能控制系统中的应用验证了其可行性和可靠性。

【技术背景】

熔炉是热室压铸机的重要组成部分，其控制性能的好坏对产品质量有重大影响。由于温度控制具有非线形、大惯性等特点，而且熔炉在使用过程中易受诸如加料、电网电压波动等随机因素和恶劣现场环境下频繁的震动、电磁干扰的影响，传统的控制方法和设备在压铸机熔炉温度控制系统中很难取得理想的控制效果。正是在这种情况下，本发明通过在可靠性很高、技术成熟的PLC上用软件实现P-FUZZY-PI算法的方法，克服了传统热室压铸机熔炉温度控制系统存在的控制精度较低、人机交互性差、环境适应性不强的缺点。

【具体实现】

1.系统概述

本实用新型的目的是找到一种安全可靠、合理经济的方案，解决当前热室压铸机熔炉控制系统存在的问题，提高产品质量。

本实用新型热室压铸机熔炉智能控制系统主要包括炉体和电气控制柜两大部分。炉体采用功率为63KW、星型连接的加热管对安放其内的坩埚进行加热，加热管和炉壳内壁之间固定有性能良好的保温和耐火材料以减少热损失。分别安装在坩埚外壁和内部（带保护套、置于镁熔液中）的双头热电偶将温度信号通过补偿导线传送到EM231热电偶模块中进行处理。坩埚上留有保护气气孔，可向其中通入由N2和SF6按一定比例混合而成的保护气体，用于将高温镁合金（熔液）和空气隔绝开来。电气控制柜由空气开关、断路器、熔断器、故态继电器、开关电源、PLC、EM231、TD200和其他元件组成。EM231用于将热电偶输入的模拟温度信号转换成数字量后存放到PLC的相应单元；TD200用来修改系统参数、选择工作模式、显示当前温度值，是主要的人机界面。详情请参看系统硬件结构简图图-1。

本实用新型热室压铸机熔炉智能控制系统可以利用默认的系统参数直接进入需要的工作模式，也可以出于待熔化材料、工艺要求等综合因素的考虑随时通过人机界面TD200修改系统参数值，包括坩埚保护温度值、镁熔液设定温度值、升温速率值（单位：℃/h）、降温速率值（单位：℃/h）。根据人机界面TD200提供的生产过程参数信息，操作员可以很方便地了解熔炉的当前工作状况，还可以根据需要对生产过程进行干预。

为了减少因坩埚内外壁温差过大和升温速度过快引起的坩埚变形，本实用新型热室压铸机熔炉智能控制系统采用了限速升温和降温的方法，即每小时升温和降温的度数是确定的；同时，为了满足多种生产情况的需要，升温和降温的速率（温度每小时上升、下降的度数）在一定范围内是可以通过人机界面修改的。在每个升温段（以小时为单位）内，PLC根据镁合金（熔液）当前温度值和目标温度值之间偏差的大小，选择适当的算法（P、FUZZY、PI）进行运算处理后输出PWM控制信号，再经隔离后驱动过零型交流故态继电器来控制加热管的通断电。

本实用新型热室压铸机熔炉智能控制系统的特点在于：就软件而言，一方面利用PLC内部的定时器和计数器配合实现一小时循环定时功能，在每个循环周期开始时将镁合金（熔液）当前温度值和升温速率值相加得到当前升温目标值，然后在该循环周期内实时计算温差；另

一方面分别编写相应的子程序来实现FUZZY和PID算法，并且利用西门子PLC支持形式参数的特点，分别编写了带参数传递的用于修改PID回路控制表中K P、T I、T D等参数的子程序和用于修改系统参数的子程序，优化了系统的程序结构，提高了系统运行速度。就硬件而言，一方面采用优质双头热电偶，同一点温度可得到两路测量值，在PLC中先对其转换结果分别进行平均值滤波后进行比较，若两路转换值差别较大则停止对坩埚的加热，提高了系统的安全性。另一方面利用液位控制器和电极配合来检测坩埚是否漏液，当PLC检测到坩埚漏液信号后立即停止加热并向其中通入保护气体，将高温镁熔液和空气隔绝开来，避免了危险的发生。

图-1：系统硬件结构简图

2.具体实现

A.控制思想

由于热室压铸机熔炉控制的特殊性，传统的控制方法和设备很难取得理想的控制效果。在这种情况下，本发明采用了P-FUZZY-PI型智能控制算法。详情请参看系统控制器原理图图-2.

a. P算法：在镁合金（熔液）当前温度值和当前目标温度值之间的偏差较大时用来全功

率加热，迅速减小偏差以提高系统的响应速度。在升温阶段每个循环周期开

始时切换到该算法。

b. FUZZY算法：在镁合金（熔液）当前温度值和当前目标温度值之间的偏差较小时用来

产生PWM控制信号，可以减少系统超调，缩短调节时间，提高系统的鲁

棒性。在升温阶段每个循环周期都要由该算法将镁合金（熔液）温度调

节到当前升温目标值。

c. PI算法：仅在镁熔液温度值接近设定值时才切换到该算法，可产生PWM信号，用于

消除稳态误差。

B . 实现方法

a. 算法的执行和切换

本发明利用PLC 内部分辨率为1ms 的定时器构成现振荡电路，并令其振荡周期等于

PWM 控制信号的周期，该振荡电路和比较指令配合使用可以实现PWM 的输出；用分

辨率为10ms 的定时器和计数器配合可构成周期为1h 的振荡电路，其周期作为升温分段

的以及。在每个升温段（时间为1h ）开始时，将镁合金（熔液）当前温度值和升温速率

值相加得到当前升温段的升温目标值。在该升温段中，可以根据镁合金（熔液）当前温

度和当前目标温度之间的偏差来合理调用实现某算法的子程序。将该算法计算出的

PWM 信号的占空比进行处理（调用相应子程序）后由PLC 输出，经隔离后驱动故态继

电器，以此实现对镁合金（熔液）的加热。很显然，各算法间切换的依据是镁合金（熔

液）当前温度和当前目标温度之间的偏差。

b. P 和PI 算法的实现：

利用PLC 提供的PID 指令可以方便地实现P 和PI 算法，在设置好PID 回路控制表各

参数后只需直接执行PID 指令即可。为了兼顾P 和PI 两种算法，本发明编写了带参数

传递的用于修改PID 回路控制表中K P 、T I 、T D 等参数的子程序。要切换到P 或PI 算法

时只需在切换前调用该子程序，将相应的参数写到PID 回路控制表中即可。

c. FUZZY 算法的实现：

本发明采用查表法来实现二维模糊模糊控制器功能，以镁合金（熔液）当前温度和当

前目标温度间的误差和误差变化为输入量，以PWM 控制信号的占空比为输出量。为了

能直接利用PLC 的间接寻址功能查表，误差的模糊论域选择为{0，1，2，3，4，5，6，

7，8，9，10，11，12}，误差变化的模糊论域选择为{0，1，2，3，4，5，6}，输出量的

模糊论域选择为{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14}。输入量的模

糊量化采用非线形量化法，其隶属度函数选用重叠率和重叠鲁棒性均较好的三角形。模

糊推理采用“IF ……ADN ……THEN ……”规则，解模糊则选用控制效果比较平滑的重

心法。

在PLC 上用查表法来实现模糊算法时，只需要进行输入量模糊量化、查表和控制量

输出等三步操作即可。利用比较指令可以很方便地实现输入量的非线性量化，根据误差

和误差变化的量化结果（直接对应各自模糊论域中的元素）X 和Y 可以直接计算出控制

量的偏移地址为：13×X ＋Y ，将偏移地址和控制表首地址相加得到对应控制量的绝对地

址，利用间接寻址指令取出相应的控制量后将其乘以事先确定好的比例因子，取整并经

比较指令（与PWM 信号周期值比较）后可以直接输出到用于控制固态继电器通断的Q0.0

和Q0.1。