Design of Control system Basing on S7-200PLC Low Pressure Casting

Abstract:  According to technological process of low pressure casting, and through hardware architecture and hardware selection to PLC control system basing on low pressure casting, the software design of the control system is completed. Practice has proved that selection and control scheme of the design is feasible, and it overcomes the drawback of original low pressure casting control system that is vulnerable to the external environment disturbance, high failure rate and difficult maintenance difficulties, and improves the production efficiency and product quality. PLC control system has high production efficiency, simple operation, convenient parameter set, safe and reliability, and economic practicality.

Key words: Low pressure casting;PLC;Control system;Design

铸造是人类社会发展过程中掌握最早的一种金属热加工成形工艺，同时也是现代制造工业最为基础的工艺。由于低压铸造的液体金属在充型过程中要求平稳、保压性好、铸件成形性好，轮廓比较清晰、表面光洁、铸件组织致密，同时它的适应性较广，且具有较好的综合机械性能，因而得到了较为广泛的应用[1]。

传统的低压铸造控制系统的控制器主要采用电子逻辑元器件以及继电器、接触器组成的顺序控制器作为控制系统的核心，因而控制系统比较容易受到环境的干扰，可靠性较低，维修困难，不能满足现代制造工艺发展的需要。本文采用的PLC控制技术，对低压铸造控制系统进行了彻底改造，实践证明，本文采用的PLC控制系统能够使生产过程高效的运行。目前，我国许多制造类企业还有相当多的老设备、老生产线，其机械构造较好，如果采用可靠性高的PLC对其进行技术改造，是一条投资少、见效快、收益高、易推广的技术之路[1-2]。

1 PLC控制系统硬件设计

1.1 控制系统架构

本文所采用的控制系统以PLC为中心，辅以输入单元、输出单元、人机界面、编程器、传感器等六部分组成，其系统架构图详情见图1。

图1 PLC控制系统架构图

Fig.1 architecture diagram of PLC control system 

S7-200PLC是整个低压铸造控制系统的核心，它根据需要按照控制要求完成硬件和软件的相关功能；输入单元是所有的输入设备的输入信号，它包括按钮开关状态、转换开关状态以及每个压力表的节点状态；输出单元包括电磁阀、比例阀等，可以完成气路的通断以及气压大小调节；人机界面可以完成数据的输入与显示、参数设定、系统或设备的操作状态方面的实时信息显示、报警处理及打印等功能；编程器是根据控制系统的需求，编制程序，进而将程序存储在PLC的EEPROM中；传感器分为压力传感器与温度传感器，其将压力的变化或者温度的变化传递给PLC，使PLC按照设定的程序做出实时处理。

1.2 控制系统硬件选型

(1) 根据成本与功能各个方面的综合考虑，本文选用了S7-200 CPU224，其有14个输入点，10个输出点，可以满足我们的控制要求。

(2) 根据PLC的要求，控制系统选用西门子压力传感器QBE9000-P16，其主要用于测试液体和气体的压力。测试过程不受温度变化影响，高温条件下比较稳定，无机械性老化和漏电现象；同时，控制系统也使用PT100温度传感器，利用它可以实现两路现场温度的采集，利用其自身的RS-485总线串行通信接口可以方便地和环境监控主机或其他工控主机进行联网。

(3) 人机界面（简称HMI）是人与机之间传递、交换信息的媒介和对话窗口，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。根据需要，控制系统选用的是Emerson EZ600系列的产品。

(4) 电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行元件。并且在工业自动化控制系统中也可以调整介质的方向、流量以及其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制要求，控制的精度和灵活性也可以得到充分的保证。本文控制系统选用DH-H-A系列不锈钢螺纹活塞直动式电磁阀。

(5) 比例阀阀芯的运动是采用比例电磁铁控制，其输出的压力或流量与输入的电流成正比。所以可以改变输入电信号的方法对压力、流量进行连续控制。本文控制系统选用的日本生产的油研系列EDG-01V-C-PNT-13型比例阀。其是—种高性能的调节阀，电动执行机构接受40～200mA控制信号，进而改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。

2 控制系统的工作过程

低压铸造的循环工作过程是按铸造工艺曲线进行的。其工艺曲线包含7个阶段[4-7]，详情见图2。

图2 低压铸造工艺的七个阶段

Fig.2 The seven stages of the low pressure casting process

其工作过程如下：

（1）控制装置上电。合上柜内空气开关；把控制装置面板的电源开关打到“上电”位置。交流电源、直流电源的指示灯都亮。同时人机界面显示出监视画面。

（2）扩充气路选择。若需要扩充气路运行，则需要把控制装置面板的扩充气路开关打到“扩充”位置。否则扩充气路开关打到“停止”位置。

（3）设定工件压力参数。

（4）读工艺曲线参数或修改工艺曲线参数。点击“工件参数”按钮，进入工件参数设置画面。把设定好的工艺参数数据调到工艺参数活动区。如果参数不合适，在工艺参数活动区域直接修改数据。

（5）悬浮手动调整。如果悬浮不需要调整，则进入下一步。

（6）气缸工作。按控制装置面板上的“气缸下降”按钮，使气缸下降到位。

（7）循环工作。把控制装置面板上的控制选择开关打到“循环”位置。按下控制装置面板上的“充型开始”按钮，循环工作按工艺曲线自动完成。这时需要注意观察触摸屏的曲线和压力显示值及指示灯工作状态。

（8）开模。工艺曲线的泄压时段结束后，蜂鸣器发出声音，提示已进入开模状态。此时需要注意观察工艺曲线，其也应该处于开模时段。按下控制装置面板上的“气缸上升”按钮，使气缸上升到位，然后取出铸件。

（9）循环结束。一个循环结束后，等待操作人员进行下一个循环操作。

一个循环工作之后，坩埚中金属液体少了一个铸件的重量，下一个循环的工艺曲线参数需要自动补偿。其补偿值的大小要以工件压力参数区的功能来确定；在一个循环工作过程中，出现紧急情况时，务必按下“急停按钮开关”。使泄压阀打开，比例阀输出压力为零，其它控制阀全部关闭。

3 控制系统软件设计

3.1 组态软件的设计

组态软件设计主要根据预测完成的低压铸造工艺曲线的要求，完成升液、充型、结壳、加压、保压、泄压以及开模这几个阶段。这样就要求PLC输出不同的模拟电压，来控制电流源输出相应的电流，以改变比例调节阀的流量使驱铸造液体在该电流曲线下动作。

3.2 PLC程序的设计

（1）西门子STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6编程软件介绍

西门子STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6编程软件，具有专用性强、执行速度快等优点，其支持梯形图（LAD）、语句表（STL）、功能块图（FBD）三种编程语言，并且三种编程语言之间可以随时切换，使用起来简单、高效、快捷。

（2）PLC程序设计流程

PLC程序分模拟量输入/输出两大部分。输入/输出应符合铸造要求的工艺曲线。输出电压应符合图3所示的U-T模拟电压曲线图[5-6]。

图3 U-T模拟电压曲线图

Fig.3 U-T analog voltage graph

根据U-T模拟电压曲线，PLC程序的设计流程图如图4，按照流程图编制梯形图程序，梯形图程序略。

图4 程序设计流程图

Fig.4 Programming flowchart

4 控制系统的实现

整个控制过程在控制台上进行按钮操作。首先点击开关按钮，向PLC发出开关信号，使控制系统开始运作。PLC控制电磁阀通过进气管向坩埚内注入气体，坩埚内的气压逐渐增大，随着压力的增大，坩埚内的液态金属进入升液管，开始充型。同时，压力传感器向PLC发出模拟信号，位于进气口的电磁阀和比例阀打开。充型过程分三个阶段，在这三个阶段中，比例阀根据PLC发出的脉冲数量来改变其阀门打开的比例，以此完成充型。然后是结壳，其压力增加少许，结壳完毕后进入开始增压阶段，压力快速增大，在达到结晶所需的压力时，通过压力传感器的反馈信号使PLC的控制比例阀和电磁阀关闭，此时型腔内保持压力至结晶结束，然后打开比例阀和电磁阀开始泄压，直至恢复到外界大气的压力，泄压完毕后打开型腔取出铸件。

实践证明这个设计选型和控制方案是可行的，应用的效果也非常显著，并且具有较高的性价比。同时操作更加简单、参数的设置更加方便、运行更加稳定[3-4]。

5 结束语

采用PLC技术对传统的低压铸造控制系统进行改进之后，其克服了由电子逻辑器件和继电器、接触器组成的传统控制系统的易受外界环境干扰、故障率教高、维修困难等缺点，提高了产品生产效率及质量。另外，采用PLC技术的控制系统在改变相关参数时，只需修改软件，更能适应新工艺发展的需要。目前，我国许多机械铸造相关企业还有很多的老设备、老生产线，其机械构造比较好，如果采用可靠、高效的PLC技术对其进行改造，必然是是一条投资少、见效快、收益高、易推广的技术之路。

参考文献：

[1] 赵燕,阮祥发.PL C在铸造生产线中的应用[J].铸造.2000,(9)：553-555.

[2] 李晋军,郝启堂,周玉川.低压铸造控制系统中模糊PID在PLC中的实现[J].特种铸造及有色合金.2008,28(3)：183-185.

[3] 胡文金,汤毅,邹俊.铝锭铸造机液压及测控系统的设计与实现[J].机床与液压.2008,36(4)：128-130（195）.

[4]李新雷,郝启堂,李强,介万奇.Modbus协议在反重力铸造液面加压控制系统中的应用[J].铸造技术.2011,32(3)：348-351.

[5] 强明辉,曹会会,刘大为,于波.20kg铝锭连续铸造机组控制系统研制[J].制造业自动化.2008,30(7)：65-68.

[6] 许昊,彭立明,安拥军,丁文江.PLC在差压铸造设备气路控制系统中的应用[J].特种铸造及有色合金.2009,29(2)：141-143.

[7]刘新杰,张东梅,张冰冰.曹晨铸造合型用封箱条的研制[J].铸造技术.2012,33(11)：1316-1318.