可编程序控制器在型砂性能在线测控中的应用

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张立光 吴浚郊（北京：100084 清华大学）
刘升迁（山东平度市：266721 青岛天恒机械有限公司）
摘要：可编程序控制器以其优良的特性在工业控制中得到了广泛应用。利用PLC进行型砂性能在线检测与控制，能够准确地测量型砂的紧实率、湿压强度，并能够将型砂的紧实率波动控制在±3％的范围之内，使型砂质量保持稳定，取得了良好的应用效果。
Zhang Liguang, Wu Junjiao, Liu Shengqian. The Application of PLC for On-line Sand Test & Control. Programmable Logical Controller (PLC) is widely used in industry control for its wonderful characteristics. It has acquired satisfactory results using PLC in on-line sand test and control.
        主题词：可编程序控制器 型砂性能 在线检测 质量控制
    目前，国内外最常用的依然是粘土砂湿型铸造，在铸件生产过程中，型砂的性能对铸件质量、废品率有着明显的影响。废品率居高不下与型砂控制不良有着直接的关系。据资料统计，铸造车间的废品有45%－55%可归于型砂的成分和质量波动。
4 s! }9 q1 J# Y- f2 V( x3 M" f    近年来，计算机技术、自动控制技术以及人工智能技术飞速发展，并不断被引进到铸造生产线上，使得铸造车间的机械化和自动化程度大幅度提高。随着各种高效造型生产线的应用，铸造车间的生产效率大大提高，对型砂性能的稳定性提出了更高的要求，因此迫切需要开发出相应的自动化、智能化的型砂质量监控系统。
    可编程序控制器作为自动化设备的控制核心，具有体积小、功能全、速度快、应用灵活、操作方便、稳定可靠、便于扩展等优良特性，在铸造生产中获得了广泛应用。清华大学与青岛天泰机械有限公司联合开发的型砂性能在线测控系统就是一套以PLC为控制核心，全自动、智能化的型砂性能在线检测和控制系统，经工业现场使用证明控制效果良好。
: K: Z- J6 i: R( L) K7 w1 PLC的选择
4 F8 y# K' [4 u: K    可编程序控制器（Programmable Logical Controller），简称PLC，是六十年代末首先在美国出现的一种新型工业自动控制设备，成功地应用于美国通用汽车公司的汽车装配线上。PLC是专为工业环境下的应用设计的，采用微电脑技术制造，以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算等功能；能够控制开关量，也能控制模拟量；控制规模可以从几十点到上万点；可靠性高，适应于工业现场的高温、冲击、振动等恶劣环境，广泛应用于机械设备及生产流水线的自动控制；另外，PLC具有在线修改功能，借助软件实现在线控制，可以使工业控制系统软性化，适应生产过程不断变化的需要，具有广泛的工业通用性。
# F. j5 {) B6 l8 k- Z    铸造生产环境恶劣、工序多、设备操作复杂。而可编程序控制器的优良特性完全能够适应铸造生产中的苛刻的环境条件，并能够满足生产的需要，同时，PLC具有联网功能和与上位机的通讯功能，便于系统的通讯和进一步的开发、扩展，因而在自动化的铸造设备中广泛应用PLC。尤其是在自动化砂处理设备和造型线的控制当中，PLC是必不可少的控制核心。
    型砂性能在线检测与控制中，所需的输入/输出点不是很多，选用日本欧姆龙（OMRON）公司生产的小型SYSMAC CQMI型PLC作为控制核心。CQMI型PLC由电源单元、CPU和I/O单元组成，采用积木式模块结构，结构紧凑，体积小，重量轻，组态灵活、方便，可以根据需要进行扩展。同时还具有以下优良特性：
    l_ CPU提供16个内置输入点。
. ]/ Z' [7 R! x( q4 |5 N    l_ 可添加I/O单元以增加I/O容量。
% b. a9 ^) W1 ~- x8 w$ {    l_ 速度快。
9 f- `% s) Y5 e    l_ 内置高速定时器和计数器。
    l_ 可以在执行指令时处理输出。
    l_ 一个外设端口和RS-232C端口可以与外设按照上位机链结、RS-232C或1对1链结等方式进行通讯。

: c; H5 H( I: n8 M; W/ F+ _图1 OMRON CQM1型PLC的模块结构
2 整体结构设计
    整套系统是由一台工业PC，一台可编程控制器（PLC）及相应的执行机构构成，采用压缩空气作为动力源。选用CQM1型PLC作为中央控制元件，充分利用其响应速度快，操作准确，控制精度高的特点，同时用工业PC作为上位机，负责系统的监控工作和数据运算和存储，并为进一步的系统联网与扩展做好准备。

图2 型砂性能在线测控系统
    系统主要测试型砂的紧实率、湿压强度和型砂温度与室温的差值，同时向混砂机内补充加水以控制型砂的紧实率。其工作过程如下：在接到混砂机发出的“混砂开始”信号之后，首先延迟一段时间，进行型砂预混；然后取样装置直接从混砂机内取样，测试型砂的紧实率、湿压强度和混砂机内的型砂温度与室温的差值，将测试的结果传递给可编程序控制器PLC，由上位机读取PLC内的数据，根据紧实率－水分的关系，以最近几碾砂的数据为参考，并且进行适当的温度补偿，计算出合适的加水量，把结果传递给PLC，再由PLC控制电磁阀，利用流量传感器进行定量，向混砂机内加水，从而把出砂时的型砂紧实率控制在设定的范围内，保证型砂质量的稳定。
9 T4 M; f& i/ [! t8 ]$ e    除了基本的控制执行机构动作的开关量控制之外，本系统还充分利用了CQM1型PLC的模拟量输入单元、高速计数器以及与上位机通讯的功能。
3 L9 i# w1 S7 f% ~1 Q! `3 数据采集模块设计
    作为型砂性能在线检测与控制系统，实时地获得准确的型砂性能检测数据是系统正常运行的关键。只有在正确数据的基础之上，才能实现准确的性能控制。
    系统的主要测量元件包括一个用于测量紧实率的位移传感器、一个用于测量湿压强度的压力传感器、一组用于测量型砂温度与室温差值的温度测试电路和一个用于加水定量流量传感器。其中，前三者的输出为电压值，输出电压都是0－10V，直接采用OMRON的CQM1-AD041模拟输入单元，该单元具有四个模拟输入点，多余一个备用。
, X* m! e) z6 z, T$ h4 [加水定量使用的是涡轮流量传感器，其输出为高速脉冲信号，利用CQM1型PLC内置的高速计数器作为输入，其计数频率高达5KHz，可以直接记录流量传感器输出的脉冲数。
0 [* y" r  N' J" R$ Z6 W: }    PLC的模拟量输入单元和高速计数器采集到的信号先保存在PLC的DM区中，上位机通过串行通讯接口读取PLC内部的数据，经过处理得到相应的湿压强度、紧实率、温差和加水量的数值。

0 V) i$ U4 k- i/ s+ _图3 数据采集系统
4 与上位机的通讯
    在本系统中，采用异步串行通讯，按照RS-232C通讯协议，利用CQM1型PLC的CPU单元上的RS-232C接口直接与上位机的COM1或COM2串行通讯口相连。以RS－232通讯协议的DB－9型连接为例，其接线方法如图4所示。其中“2 RXD”为接收数据引脚，“3 TXD”为发送数据引脚，“7 GND”为信号地。
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图4 上位机和PLC之间的数据通讯接线图
    上位机的通讯程序用Microsoft Quick C 2.5编写，采用查询方式按照帧结构进行通讯。首先由上位机发出命令给PLC，启动通讯，然后PLC自动发出一个响应。图5是上位机命令的帧结构格式，图6是PLC响应的帧结构格式。
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图5 通讯的上位机命令帧结构格式
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3 {) z1 [! y' s' N5 b图6 通讯的PLC响应帧结构格式
    其中，“节点号”用于标识与上位机通讯的PLC，“标题码”为命令代码进行的操作内容，“结束代码”返回命令的完成状态（例如是否发生错误），“正文”为命令参数或返回数据，“FCS”为两字符的帧检验次序代码，“结束符”为“*”和回车符，表示一次发送结束。
$ D  w0 e/ f' K/ V' j6 S5 _5 工作时序协调
) z) B) A' V1 h4 v: Y+ P  [# n1 O; [    系统正常运行的关键是要与混砂机的工作程相协调，在不影响原混砂周期的情况下，实现系统的正常运转，完成对型砂性能的在线检测与控制。
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图7 测控系统的工作时序图
2 F% G! b8 K1 q# C" L从测控系统的工作时序图（图7）可以看出，测控系统的一个检测周期只有16秒。算上加水以及混碾延迟也只有50秒。一般系统只需要检测三次、加水两次，总周期T＝4+50*2+16+5＝125秒，特殊情况下可能会多加一次水，T'＝T+50＝175秒，完全可以满足转子式混砂机2.5～3分钟（150～180秒）高速混砂周期的工作要求。
+ K( T) W6 \; i& z为了便于系统的运行和维护，另外还设计了一套手动控制程序：首先通过上位机设定加水量；当测控系统得到“混砂开始”信号的时，就会按照设定值给混砂机定量加水，然后可以手动控制检测型砂性能、手动进行水的补加。无论在手动状态还是自动状态，都可以用“手动出砂”按钮强行让测控系统发出“出砂”信号，由原混砂机的控制系统控制出砂，以免在出现意外情况时系统陷入死循环。
6 应用效果
" G* t0 C2 i; H9 R, f本系统已经经过了理论研究和重复性、可靠性的实验室验证，并制造出了一套样机，目前正在山东某铸造厂进行工业现场生产验证。虽然该厂的砂处理生产线上有4台混砂机，但是为了保证在生产验证的过程中降低对生产的影响，保证生产线的正常运转，只在一台混砂机上安装了本系统。
迄今为止，该系统运行正常，能够较精确地检测型砂的紧实率和湿压强度，检测结果与实验室检测结果基本一致，并且能够将型砂紧实率控制在规定的范围之内。从图8可以知道，在使用本系统之前，型砂紧实率波动范围极大，基本上无法达到该厂砂处理线生产工艺规范所要求的40±5％的紧实率控制范围；在使用了本系统之后，控制范围明显缩小了，只有40±3％，比工艺规范要求的范围更小。

图8 使用本系统前后的紧实率控制范围对照
7 K. D& k% t* Z- q" h4 t/ p9 U7 结论
通过工业现场的应用验证证明，在上位机与PLC的密切配合之下，型砂性能在线检测和控制系统能够适应生产的需要，对型砂紧实率和湿压强度的检测能够达到较高的精度，可以将型砂紧实率控制在工艺规范要求的范围之内，使型砂性能和质量的稳定性大大提高，应用效果明显，达到了设计的预定要求，具有广泛的市场应用前景。可编程序控制器在系统中起着不可替代的作用。
参考文献
2. 周德宝﹒计算机集成型砂质量监控系统的研究：[硕士学位论文]﹒北京：清华大学，1996
0 m9 g6 [! ~, K- ^* T3. 吴浚郊，刘升迁,周德宝，张立光，等﹒型砂性能自动测控仪的研制﹒中国铸造装备与技术﹒1997.(3)：18～22
4. OMRON公司﹒可编程序控制器CQM1安装手册﹒1997
. e1 E/ ^( s# r  K0 o# F( m0 Z5. OMRON公司﹒SYSMAC/CQM1 可编程序控制器编程手册﹒1997