基于PCI-1716和工業(yè)控制計算機實現(xiàn)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(shù)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(xiàn)，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(xiàn)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(shù)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(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)輸入、運行狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡是硬件部分的核心，主要完成模擬量、數(shù)字量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(shù)字信號放大成驅動二位三通電磁閥的控制信號，實現(xiàn)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(jīng)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(jīng)PCI-1716 的16 位高分辨率A/D 模塊轉成數(shù)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?jù)采集到的壓力值按照設定的工藝曲線，經(jīng)控制算 法計算輸出相應的數(shù)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(shù)據(jù) 采集卡的16 位D/A 模塊輸出端輸出0~5V 電壓經(jīng)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。控制系統(tǒng)具有兩路調節(jié)閥控制電 路，分別實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)設置，顯示鑄造設備運行狀態(tài)、所有參數(shù)信息，并 完成以下功能：在設置窗口設置工藝參數(shù)和修改管理員密碼；在流程和實時數(shù)據(jù)顯示窗口顯 示各測點的實時數(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)管理模塊：定時存儲鑄造數(shù)據(jù)，即時完成表格、曲線等形式數(shù)據(jù)的打印等。該模塊采用數(shù)據(jù)庫技術，設計了CData 類來管理鑄造數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)文件的形式備份數(shù)據(jù)。設計 了CADOconn 類運用ADO 接口技術連接SQL Server 2000 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、閥門的處理數(shù)據(jù)和工步等信息 數(shù)據(jù)采用MFC 中已有的數(shù)據(jù)存儲結構，方便快捷的處理數(shù)據(jù)。為了數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊采用 Windows 多媒體定時器TimeSetEvent（）函數(shù)，該函數(shù)定時精度可達1ms，將定時采樣、工藝 控制定義在lpFunction 回調函數(shù)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(jù)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(shù)字與模擬控制數(shù)據(jù)經(jīng)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(shù)設置，直觀的實時壓力數(shù)據(jù)、壓力曲線和工藝進程跟蹤，方便的歷史數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的分析。

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