0 引言 　　

真空差壓鑄造技術(shù)采用真空條件下低壓充型,，高壓結(jié)晶的工藝原理，具有優(yōu)越的充型流 體力學(xué)和凝固力學(xué)條件，在航空航天,、國防和汽車工業(yè)領(lǐng)域的近無余量,、大型、薄壁,、復(fù)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(jìn)的控制技術(shù)是完 成抽真空,、充型,、升壓、保壓和卸壓等工藝階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié),，在合理設(shè)計工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上,， 對整個工藝過程的準(zhǔn)確控制就成了獲得高質(zhì)量、高成品率鑄件的關(guān)鍵,，因此研制先進(jìn)的鑄造 控制系統(tǒng)是保證整個工藝過程得以準(zhǔn)確實施的基礎(chǔ),。基于單片微型計算機(jī)控制的真空差壓鑄 造控制系統(tǒng)雖然達(dá)到了一定的智能控制要求,，并在實際得到了應(yīng)用,，但其還存在以下問題： ①所有功能都通過單片機(jī)來實現(xiàn)，軟件系統(tǒng)龐大,，使單片微型計算機(jī)運行效率下降,；②單片 機(jī)難以實現(xiàn)先進(jìn)控制算法復(fù)雜的程序設(shè)計；③人機(jī)交流停留在傳統(tǒng)的 LED 和按鍵,，這樣在 工藝參數(shù)設(shè)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(shù),、面向?qū)ο蟮腃++語言的設(shè) 計思想,，并配以先進(jìn)的壓力傳感器和氣動薄膜調(diào)節(jié)閥設(shè)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(jié)構(gòu)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(jī),、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(diào)節(jié)閥控制電路,、開關(guān)信號檢測電路、開關(guān)閥 驅(qū)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(jī)采用研 華公司高性能工業(yè)控制計算機(jī)（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(fù)責(zé)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(zhuǎn)換與隔離電 路和PCI-1716 的A/D 轉(zhuǎn)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(qiáng)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(dá)250KS/s 的16 位A/D 轉(zhuǎn)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(qū)動程序,，通過這個驅(qū)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(jìn)行編程 控制,。調(diào)節(jié)閥控制電路由PCI-1716 的D/A 轉(zhuǎn)換電路和V/I 轉(zhuǎn)換及隔離電路組成，它將工控 機(jī)控制軟件計算的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換成4~20mA 模擬信號控制氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的開啟度,。開關(guān) 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(guān)閥驅(qū)動電路利用功率驅(qū)動器件將工控機(jī)輸出 的數(shù)字信號放大成驅(qū)動二位三通電磁閥的控制信號,，實現(xiàn)對氣動薄膜開關(guān)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(zhuǎn)換與隔離電路和PCI-1716 的A/D 轉(zhuǎn)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(nèi)為 絕壓傳感器,，儲氣罐內(nèi)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(zhuǎn)換模塊ISO-A4-P1-O4 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dá)15.0Pa,?？刂栖浖鶕?jù)采集到的壓力值按照設(shè)定的工藝曲線，經(jīng)控制算 法計算輸出相應(yīng)的數(shù)字與模擬控制信號完成開關(guān)閥與氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的調(diào)控,，壓力檢測電路 如圖2 所示,。

3、調(diào)節(jié)閥控制電路 　　

氣動薄膜調(diào)節(jié)閥是通過調(diào)節(jié)其開度來控制進(jìn)氣量的,，對調(diào)節(jié)閥的準(zhǔn)確快速控制是對鑄罐 內(nèi)部壓力控制的關(guān)鍵,，這也是直接影響鑄件質(zhì)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(zhuǎn)換模塊ISO-U1-P1-O1 轉(zhuǎn)換成 4~20mA 的電流信號來完成氣動薄膜調(diào)節(jié)閥開度的控制,?？刂葡到y(tǒng)具有兩路調(diào)節(jié)閥控制電 路，分別實現(xiàn)對上,、下鑄罐進(jìn)氣量的控制,。調(diào)節(jié)閥控制電路如圖3 所示。

4,、軟件結(jié)構(gòu) 　　

控制軟件是真空差壓鑄造控制系統(tǒng)的關(guān)鍵,，對 PCI-1716 控制和先進(jìn)智能控制算法的程 序?qū)崿F(xiàn)又是控制軟件的核心技術(shù)。本設(shè)計采用面向?qū)ο蟮母呒塁++語言,，在Visual C++6.0 下進(jìn)行控制軟件程序的代碼編輯,、編譯、調(diào)試等工作,。軟件結(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)動程序及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)備驅(qū)動庫,。

（2）人機(jī)交互模塊：主要完成工藝參數(shù)設(shè)置，顯示鑄造設(shè)備運行狀態(tài),、所有參數(shù)信息,，并 完成以下功能：在設(shè)置窗口設(shè)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(shù)，設(shè)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(shè)計 了CADOconn 類運用ADO 接口技術(shù)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(diào)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(jié)構(gòu),，方便快捷的處理數(shù)據(jù),。為了數(shù)據(jù)類型安全，防止內(nèi) 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(shè)計采用了 多線程技術(shù)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(dá)1ms,，將定時采樣、工藝 控制定義在lpFunction 回調(diào)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(yīng)及時調(diào)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(zhì)量,。工藝運行模塊根據(jù)采集到的壓力值按照設(shè)定的工藝曲線,，通過控制 算法計算出相應(yīng)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(guān)閥與氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的精 確調(diào)控。

5,、結(jié)論 　　

硬件上 4 路壓力檢測電路和2 路調(diào)節(jié)閥控制電路達(dá)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(shè)置，直觀的實時壓力數(shù)據(jù),、壓力曲線和工藝進(jìn)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(jī)交互性強(qiáng)、響應(yīng)速度快,、控制精度高,、基本達(dá)到設(shè)計要求。

本文作者的創(chuàng)新點是:將 PCI 總線技術(shù)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(shè)計的復(fù)雜性,；Visual C++和SQL Server 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用，使控 制軟件操作簡單,、人機(jī)交互直觀和方便歷史數(shù)據(jù)的分析,。