基于PLC技術(shù)的壓鑄模型芯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張嘉杰，郭 建，林 康，黃敏虹，董 藝

（廣州城市理工學(xué)院，廣東 廣州 510000）

隨著中國(guó)汽車、機(jī)械、電子等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)毛坯的尺寸、外觀質(zhì)量及性能的要求提升。壓鑄因?yàn)槌叽缇雀?，表面質(zhì)量好而得到廣泛應(yīng)用。壓鑄生產(chǎn)中，壓鑄合金、壓鑄模、壓鑄機(jī)是壓鑄工藝的3大要素，其中壓鑄模的溫度控制對(duì)于金屬液的充填、凝固過(guò)程以及壓鑄模使用壽命和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性有著非常大的影響，是必須要控制的參數(shù)之一[1]。

傳統(tǒng)的壓鑄模采用水冷方式來(lái)調(diào)節(jié)模具工作溫度，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)際的流量依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，較少對(duì)實(shí)際模具工作溫度進(jìn)行監(jiān)控，難以滿足結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且質(zhì)量要求高的壓鑄件的生產(chǎn)要求。

本文以閥體生產(chǎn)為例，利用三菱FX3U系列的PLC作為模溫控制系統(tǒng)的硬件控制核心和PID調(diào)溫軟件，通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)反饋的信號(hào)，利用流量比例閥作為控制流量的執(zhí)行元件，搭建了控制型芯冷卻系統(tǒng)溫度控制的平臺(tái)。

1 壓鑄模具溫度控制概述

1.1 壓力鑄造對(duì)模具溫度控制的要求

在壓力鑄造中，模具的作用是，澆注合金液后，把其熱量傳走，令合金液冷卻凝固從而形成需要的鑄件。而在壓力鑄造控制系統(tǒng)中，模具的溫度控制是尤為重要的。壓鑄中的模具溫度一般為壓鑄件容易取出時(shí)的模具溫度，模具溫度通常會(huì)直接影響到合金液的形成從而影響鑄件的成型情況。

1.2 壓鑄模具溫度控制方法

在壓鑄制造時(shí)，將溫度很高的合金液壓進(jìn)模具的型腔中，合金液就會(huì)將熱量傳遞給模具從而冷卻形成鑄件。模具不僅要吸收傳遞過(guò)來(lái)的熱量，還需要進(jìn)行自身散熱。而在正常情況下，模具的自身散熱量通常小于模具吸收的熱量，這樣會(huì)導(dǎo)致模具的溫度不斷地升高。如果模具的溫度過(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致模具的使用壽命減少，也會(huì)對(duì)壓鑄件的質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。所以，為了確保減少這類情況的發(fā)生，則要對(duì)模具溫度進(jìn)行控制。

現(xiàn)在常用的模具冷卻方法有：①水冷。在壓鑄模具上設(shè)置冷卻水通道，使循環(huán)水通入成形鑲塊或型芯內(nèi)，將熱量帶出模具。水冷冷卻效率高，能有效降低型腔表面的溫度，但增加了壓鑄模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，主要用于要求散熱量大的模具。但為了防止型腔表面結(jié)露，冷卻水的溫度應(yīng)高于室溫。②風(fēng)冷。對(duì)于壓鑄型中難于用水冷卻的部位，可采用風(fēng)冷，風(fēng)冷可采用鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)或用壓縮空氣。風(fēng)冷不但能冷卻鋁合金壓鑄模具，還能將涂料吹勻，驅(qū)散涂料的揮發(fā)氣體，減少鑄件氣孔。③熱管冷卻。主要用于難于用冷卻水直接冷卻的細(xì)小部位，在需冷卻的細(xì)小部位，用熱管特?zé)崃繉?dǎo)出，再用冷卻水冷卻熱管。④間接冷卻。在模溫機(jī)壓鑄型的熱節(jié)部位可以用傳熱系數(shù)高的合金（銨青銅、鎢基合金等）進(jìn)行間接冷卻，將銨青銅銷旋入固定型芯，銅銷的末端帶有散熱片以增強(qiáng)冷卻效果。

因?yàn)榍?種方法的冷卻效果有限，因此本設(shè)計(jì)對(duì)模具溫度控制所采用的方法是水冷，確保模具溫度能夠達(dá)到控制的要求，來(lái)保證生產(chǎn)高效運(yùn)行。通過(guò)溫度傳感器采集模具各個(gè)部分的實(shí)時(shí)溫度傳遞給計(jì)算機(jī)，均衡準(zhǔn)確地控制模具的溫度，提高壓鑄件的性能和成型質(zhì)量。

2 擬解決的問(wèn)題

某閥體材料為鋁合金YL112，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該零件有較高氣密性要求，要求在1 200 kPa下不能漏氣。

圖1 某閥體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由于YL112具有良好的流動(dòng)性，該閥體零件采用壓力鑄造方法生產(chǎn)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用多個(gè)型芯成型，其中成型中間孔的型芯如圖2所示，型芯材料為H13鋼。在閥體壓鑄成型過(guò)程中，該型芯被高溫合金液包圍，散熱條件差，導(dǎo)致鑄件粘模出型困難，同時(shí)此處也是閥體內(nèi)部質(zhì)量要求高的部位。因此，該型芯內(nèi)部必須開設(shè)冷卻水道。由于型芯直徑較小，采用了如圖3所示的通水器，裝配后的組件如圖4所示。

在閥體的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，毛坯在機(jī)加工后，中間孔的內(nèi)壁時(shí)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些細(xì)小孔洞，導(dǎo)致閥體泄漏，無(wú)法通過(guò)氣密性實(shí)驗(yàn)，從而使得閥體批量報(bào)廢。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的不穩(wěn)定是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因。一方面由于水道孔徑小，水垢容易使水道流量減小，甚至堵塞水道，卻沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，使得模具型芯溫度高；另外，水道的流量是否滿足成型的需要取決于經(jīng)驗(yàn)，水閥開啟度由操作工人手工設(shè)置，隨意性較大。

3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為解決上述問(wèn)題，擬借助于自動(dòng)控制技術(shù)，搭建一個(gè)溫度控制的平臺(tái)，對(duì)型芯冷卻系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)模具溫度的變化，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)水道的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)模具型芯溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以保證良好的成型質(zhì)量。

閥體壓鑄模型芯溫度控制系統(tǒng)如圖5所示。將溫度傳感器埋入壓鑄模型芯內(nèi)，以此來(lái)檢測(cè)模具工作溫度。但是此模具型芯直徑小，加工完成后硬度高，不易在型芯上打孔埋入溫度傳感器。而檢測(cè)型芯冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)的出水溫度相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。所以把溫度傳感器設(shè)置在壓鑄模型芯的出水口附近來(lái)檢測(cè)出水的溫度，將出水溫度作為系統(tǒng)檢測(cè)溫度。

在閥體的生產(chǎn)過(guò)程中，模具工作溫度應(yīng)控制在180～220℃，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，溫度一般不會(huì)低于最低控制溫度，常常出現(xiàn)的問(wèn)題是超過(guò)上限溫度。通過(guò)收集實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將出水溫度上限確定為65℃。

當(dāng)型芯冷卻系統(tǒng)出水溫度超過(guò)預(yù)設(shè)溫度65℃時(shí)，意味著模具工作溫度偏高，水泵開始從蓄水池里泵冷卻水，通過(guò)流量比例閥來(lái)調(diào)節(jié)流量，然后流量加大后的冷卻水自進(jìn)水口S1進(jìn)入型芯內(nèi)循環(huán)，加強(qiáng)對(duì)型芯的冷卻能力，以保證型芯工作溫度維持在合理的范圍。

該系統(tǒng)平臺(tái)主要是對(duì)壓鑄模型芯進(jìn)行降溫控制，通過(guò)PID算法作用于流量比例閥。因此，本系統(tǒng)采用等效的PID算法，依靠調(diào)節(jié)不同溫度下冷卻系統(tǒng)相應(yīng)的水流量，實(shí)現(xiàn)壓鑄模型芯工作溫度的反饋和自動(dòng)控制，其原理是壓鑄模型芯出水的冷卻水溫度反饋到PLC，當(dāng)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值，PID參數(shù)會(huì)自動(dòng)調(diào)諧，進(jìn)行PID運(yùn)算，在PLC進(jìn)一步轉(zhuǎn)化處理，對(duì)不同溫度的水流量在線分配。

4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。該系統(tǒng)的硬件以三菱FX3U-16MR系列的PLC作為核心，搭配抗干擾能力強(qiáng)的1個(gè)FX2N-4AD模塊和1個(gè)FX2N-2DA模塊，以及一個(gè)4～20 mA信號(hào)輸入的流量比例閥。通過(guò)控制流量比例閥閥口的大小來(lái)控制流量大小，最大限度保證壓鑄模溫度降到預(yù)設(shè)溫度值。

圖6 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)包含啟動(dòng)、停止和急停按鈕；由溫度傳感器和FX2N-AD轉(zhuǎn)換模塊組合成為溫度檢測(cè)模塊，將溫度的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入到PLC中[2]；由FX2N-2DA模塊、流量比例閥和水泵控制模塊組合成為模具冷卻模塊，通過(guò)PLC的核心PID程序運(yùn)算，PLC輸出數(shù)字量到FX2N-2DA模塊中，輸出4～20 mA的電流信號(hào)到流量比例閥中來(lái)控制流量比例閥閥口的大小，進(jìn)而達(dá)到控制流量的大小，利用PID自動(dòng)調(diào)諧可靈活控制流量比例閥閥口大小[1]，進(jìn)而控制冷卻水流量的大小，并使得閥體壓鑄模型芯冷卻系統(tǒng)出水溫度降至（60±5）℃。

5 軟件程序的PID整定

PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，并且具有較強(qiáng)的魯棒性[3]。

雖說(shuō)現(xiàn)在有許多先進(jìn)的控制算法，但是作為一個(gè)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域中的經(jīng)典控制規(guī)律，PID控制卻并沒(méi)有被淘汰，而且在控制的各個(gè)領(lǐng)域中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。

本程序是采用GX Works軟件設(shè)計(jì)壓鑄模型芯溫度自動(dòng)控制程序，以實(shí)現(xiàn)壓鑄模型芯溫度的PID整定和自動(dòng)調(diào)諧。PID控制是指根據(jù)系統(tǒng)的偏差信號(hào)，利用比例（P）、積分（I）和微分（D）來(lái)計(jì)算控制量，在通過(guò)計(jì)算的結(jié)果完成對(duì)系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)[4]。

PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：①理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。理論計(jì)算整定法雖說(shuō)有經(jīng)驗(yàn)值可以方便使用，但是這些經(jīng)驗(yàn)值未必是對(duì)控制系統(tǒng)最好的。②工程整定方法。它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。在PLC中，PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有極限循環(huán)法和階躍響應(yīng)法。這兩種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但其共同點(diǎn)都是可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行整定。

在控制系統(tǒng)中，最常用的是極限循環(huán)法，極限循環(huán)法是在進(jìn)行兩位值控制（根據(jù)偏差，切換輸出上限值和輸出下限值）時(shí)，測(cè)定輸入值的變化，通過(guò)變化值來(lái)求出PID控制的參數(shù)。這種極限循環(huán)法適用于連續(xù)模擬量輸出的控制系統(tǒng)，用于控制流量比例閥的閥口大小。

圖7為利用GX Works軟件設(shè)計(jì)的PID自動(dòng)調(diào)諧調(diào)溫的程序。三菱FX3U-16MR系列的PLC的PID指令格式為“S1、S2、S3、D”。其中S1為預(yù)設(shè)的型芯冷卻系統(tǒng)出水溫度SV，將它寄存到D500中；S2為壓鑄模型芯出水口冷卻水的實(shí)際測(cè)量溫度PV，將它寄存到D501中；S3為PID參數(shù)，其中包含采樣時(shí)間、比例增益、積分時(shí)間、微分增益等25個(gè)字節(jié)，將它們寄存到D510中；D為經(jīng)過(guò)PLC的PID算法運(yùn)算后的實(shí)際輸出，將它寄存到D502中。由于預(yù)設(shè)的型芯冷卻系統(tǒng)出水溫度SV為65℃，將其存入到數(shù)據(jù)寄存器D500中，設(shè)置濾波系數(shù)為70%和微分增益為0。當(dāng)X001和M0為“1”且X002為“0”時(shí)，程序的自動(dòng)調(diào)諧開始，設(shè)置采樣時(shí)間為5 s，輸出2 s。當(dāng)M2產(chǎn)生脈沖時(shí)，M1復(fù)位，程序自動(dòng)調(diào)諧完成。

圖7 PLC程序

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC操作系統(tǒng)的壓鑄模型芯溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，并描述了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)方案、部分硬件設(shè)計(jì)和部分軟件程序，基本上滿足了閥體模具型芯冷卻系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的缺陷，有助于改善閥體成型質(zhì)量，同時(shí)也提高了模具壽命。基于GX Works軟件設(shè)計(jì)了關(guān)于PID自動(dòng)調(diào)諧溫度的程序，實(shí)現(xiàn)閥體壓鑄模型芯的溫度自動(dòng)控制。