基于PCI-1716和工業(yè)控制計算機實現真空差壓鑄造控制系統(tǒng)的應用方案

作者：孟凡瑞;俞子榮;吳開志

引言

真空差壓鑄造技術采用真空條件下低壓充型，高壓結晶的工藝原理，具有優(yōu)越的充型流 體力學和凝固力學條件，在航空航天、國防和汽車工業(yè)領域的近無余量、大型、薄壁、復雜 有色合金鑄造方面顯示了巨大的生命力。而在真空差壓鑄造的過程中，先進的控制技術是完 成抽真空、充型、升壓、保壓和卸壓等工藝階段的關鍵環(huán)節(jié)，在合理設計工藝參數的基礎上， 對整個工藝過程的準確控制就成了獲得高質量、高成品率鑄件的關鍵，因此研制先進的鑄造 控制系統(tǒng)是保證整個工藝過程得以準確實施的基礎。基于單片微型計算機控制的真空差壓鑄 造控制系統(tǒng)雖然達到了一定的智能控制要求，并在實際得到了應用，但其還存在以下問題： ①所有功能都通過單片機來實現，軟件系統(tǒng)龐大，使單片微型計算機運行效率下降；②單片 機難以實現先進控制算法復雜的程序設計；③人機交流停留在傳統(tǒng)的 LED 和按鍵，這樣在工藝參數設置和工藝流程運行狀況監(jiān)控等方面存在不足；④在實現工業(yè)以太網監(jiān)測與控制上 存在一定難度。針對以上問題本課題提出了基于 PCI 總線技術、面向對象的C++語言的設 計思想，并配以先進的壓力傳感器和氣動薄膜調節(jié)閥設計一套適用于大型薄壁鋁合金的真空 差壓鑄造智能控制系統(tǒng)。

1、系統(tǒng)結構及工作原理

整個真空差壓鑄造控制系統(tǒng)的硬件由工業(yè)控制計算機、基于 PCI 總線高分辨率多功能數據采集處理卡PCI-1716、壓力檢測電路、調節(jié)閥控制電路、開關信號檢測電路、開關閥 驅動電路、和直流穩(wěn)壓電源等部分組成，系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。系統(tǒng)主控計算機采用研 華公司高性能工業(yè)控制計算機（CPU/P4 2.8G、Windows XP），它是整個鑄造控制系統(tǒng)的重 要平臺，主要負責整個鑄造控制系統(tǒng)的工藝參數輸入、運行狀態(tài)顯示、數據處理與保存以及 對整個鑄造過程的工藝運行精確控制。壓力檢測隔離電路由壓力傳感器、I/V 轉換與隔離電 路和PCI-1716 的A/D 轉換電路組成。PCI-1716 數據采集卡是硬件部分的核心，主要完成模擬量、數字量數據的采集、存儲和輸出。它是研華公司一款功能強大的高分辨率多功能PCI 數據采集卡，PCI-1716 可以提供16 路單端模擬量輸入和8 路差分模擬量輸入，也可組合輸 入；它帶有一個采樣速率最高達250KS/s 的16 位A/D 轉換器；它還帶有2 個16 位D/A 輸 出通道、16 路數字量輸入/輸出通道；并附有32 位DLL 驅動程序，通過這個驅動程序，編 程人員可以通過VC++、VB、DELPHI 或C++Builder 等高級語言編程環(huán)境對硬件進行編程 控制。調節(jié)閥控制電路由PCI-1716 的D/A 轉換電路和V/I 轉換及隔離電路組成，它將工控 機控制軟件計算的數字控制量轉換成4~20mA 模擬信號控制氣動薄膜調節(jié)閥的開啟度。開關 信號檢測電路完成上下鑄罐鎖緊到位、充型到頂和漏液等信號的檢測，控制軟件利用這些信 號保證鑄造系統(tǒng)正常、安全、有序的運行。開關閥驅動電路利用功率驅動器件將工控機輸出 的數字信號放大成驅動二位三通電磁閥的控制信號，實現對氣動薄膜開關閥的控制。直流穩(wěn) 壓電源為接口電路和傳感器等提供所需的直流穩(wěn)壓電源。

圖 1 基于PCI 總線的真空差壓鑄造控制系統(tǒng)硬件框圖

2、壓力檢測與隔離電路

壓力檢測與隔離電路由壓力傳感器、I/V 轉換與隔離電路和PCI-1716 的A/D 轉換電路 組成。其中，壓力傳感器檢測電路測量上、下鑄罐和上、下儲氣罐共四路壓力值，鑄罐內為 絕壓傳感器，儲氣罐內為表壓傳感器。壓力傳感器測量范圍0~1.0MPa，輸出信號為4~20mA 電流值，電流經I/V 隔離轉換模塊ISO-A4-P1-O4 轉換成與壓力測量端完全隔離的0~5V 電 壓信號，經PCI-1716 的16 位高分辨率A/D 模塊轉成數字量被控制軟件采集，控制軟件的 壓力測量分辨率可達15.0Pa?？刂栖浖鶕杉降膲毫χ蛋凑赵O定的工藝曲線，經控制算 法計算輸出相應的數字與模擬控制信號完成開關閥與氣動薄膜調節(jié)閥的調控，壓力檢測電路 如圖2 所示。

3、調節(jié)閥控制電路

氣動薄膜調節(jié)閥是通過調節(jié)其開度來控制進氣量的，對調節(jié)閥的準確快速控制是對鑄罐 內部壓力控制的關鍵，這也是直接影響鑄件質量的重要因素，控制軟件通過PCI-1716 數據 采集卡的16 位D/A 模塊輸出端輸出0~5V 電壓經V/I 隔離轉換模塊ISO-U1-P1-O1 轉換成 4~20mA 的電流信號來完成氣動薄膜調節(jié)閥開度的控制?？刂葡到y(tǒng)具有兩路調節(jié)閥控制電 路，分別實現對上、下鑄罐進氣量的控制。調節(jié)閥控制電路如圖3 所示。

4、軟件結構

控制軟件是真空差壓鑄造控制系統(tǒng)的關鍵，對 PCI-1716 控制和先進智能控制算法的程 序實現又是控制軟件的核心技術。本設計采用面向對象的高級C++語言，在Visual C++6.0 下進行控制軟件程序的代碼編輯、編譯、調試等工作。軟件結構如圖4 所示。

（1）硬件管理模塊：管理PCI-1716 數據采集卡及驅動程序，是連接控制軟件與被控對象的 橋梁。本模塊將PCI-1716 板卡驅動程序及數據結構封裝成了CCardCtrl 類，在對板卡管理之前必須添加必要的庫文件。首先安裝研華設備管理器，然后在創(chuàng)建的VC++工程中添加 driver.h 頭文件和adsapi32.lib 設備驅動庫。

（2）人機交互模塊：主要完成工藝參數設置，顯示鑄造設備運行狀態(tài)、所有參數信息，并 完成以下功能：在設置窗口設置工藝參數和修改管理員密碼；在流程和實時數據顯示窗口顯 示各測點的實時數據；在跟蹤曲線窗口實時繪制上下鑄罐的壓力走勢圖；在報警窗口顯示報 警信息。

（3）數據管理模塊：定時存儲鑄造數據，即時完成表格、曲線等形式數據的打印等。該模塊采用數據庫技術，設計了CData 類來管理鑄造數據，用數據文件的形式備份數據。設計 了CADOconn 類運用ADO 接口技術連接SQL Server 2000 數據庫管理系統(tǒng)作為數據管理工 具。為了方便調用，提高程序運行效率，將采集的壓力數據、閥門的處理數據和工步等信息 數據采用MFC 中已有的數據存儲結構，方便快捷的處理數據。為了數據類型安全，防止內 存泄露，選擇template 版本定義如下：：CTypedPtrArray data。

（4）控制模塊：該模塊是整個控制系統(tǒng)的核心，為了提高程序的執(zhí)行效率，本設計采用了 多線程技術將定時采集控制與監(jiān)控界面定時刷新分別放在兩個線程。實時數據采集模塊采用 Windows 多媒體定時器TimeSetEvent（）函數，該函數定時精度可達1ms，將定時采樣、工藝 控制定義在lpFunction 回調函數中，本系統(tǒng)采樣間隔為50ms。另外，在定時器使用完畢后， 應及時調用TimeKillEvent（）將之釋放。工藝運行模塊是控制模塊的核心，它執(zhí)行的精確與否 將直接影響鑄件的質量。工藝運行模塊根據采集到的壓力值按照設定的工藝曲線，通過控制 算法計算出相應的數字與模擬控制數據經硬件管理模塊完成開關閥與氣動薄膜調節(jié)閥的精 確調控。

5、結論

硬件上 4 路壓力檢測電路和2 路調節(jié)閥控制電路達到了極高的線性度（非線性度《2%）。 壓力測量范圍為0～1.0MPa，測量分辨率15.0Pa；輸出模擬量精度在±0.1%。軟件上提供了 快捷的工藝參數設置，直觀的實時壓力數據、壓力曲線和工藝進程跟蹤，方便的歷史數據記 錄查詢和靈活的聲光電報警等功能。圖5 為真空度24KPa、充型和保壓壓差40KPa、充型延 時10 秒、保壓壓力250KPa、保壓時間40 秒的工藝參數模擬運行曲線。實驗證明整個控制 系統(tǒng)運行穩(wěn)定、人機交互性強、響應速度快、控制精度高、基本達到設計要求。

本文作者的創(chuàng)新點是：將 PCI 總線技術引入到真空差壓鑄造控制系統(tǒng)中，避免了監(jiān)測與控 制分開帶來的硬件電路設計的復雜性；Visual C++和SQL Server 數據庫技術的應用，使控 制軟件操作簡單、人機交互直觀和方便歷史數據的分析。

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