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    基于PCI总线的真空差压铸造控制系统设计

    放大字体  缩小字体 发布日期:2022-08-24 06:57:22    来源:本站    作者:标准件之家    浏览次数:1016
    导读

    摘要:针对采用单片机控制的真空差压铸造控制系统软件系统庞大、运行效率低、先进的控制算法程序难以实现以及人机交流拘于LED和普通按键等问题,本文基于PCI总线技术和C++面向对象的程序思想设计了真空差压铸造控制系统的硬件电路及控制软件,系统具

    针对软件系统庞大、运行效率低、高级控制算法程序难以实现、人机通信受限于LED和普通按钮等问题,基于PCI总线技术和C面向对象编程思想,设计了真空差压铸造控制系统的硬件电路和控制软件。该系统电路简单,控制软件操作简单,处理速度快,抗干扰能力强。简介真空差压铸造技术采用真空条件下低压充型高压结晶的工艺原理,具有充型流体力学和凝固力学的优越条件。在航空航天、国防、汽车工业等领域的近过剩、大型、薄壁、复杂有色合金铸造中显示出强大的生命力。在真空差压铸造过程中,先进的控制技术是完成抽真空、充型、增压、保压和卸压等工序的关键环节。在合理设计工艺参数的基础上,对整个过程的精确控制成为获得优质高产铸件的关键。因此,开发先进的铸造控制系统是保证整个过程准确实施的基础。基于单片机的真空差压铸造控制系统虽然满足了一定的智能控制要求,并在实际中得到应用,但仍存在以下问题:所有功能都由单片机实现,庞大的软件系统降低了单片机的运行效率;单片机难以实现先进控制算法的复杂编程;人机交流停留在传统的LED和按键上,在工艺参数设置和工艺流程监控方面不足。工业以太网监控难以实现。针对上述问题,本文提出了基于PCI总线技术的面向对象C语言的设计思想,利用先进的压力传感器和气动薄膜调节阀设计了一套大型薄壁铝合金真空差压铸造智能控制系统。1.系统结构和工作原理。整个真空差压铸造控制系统的硬件由工控机、PCI-1716、基于PCI总线的高分辨率多功能数据采集处理卡、压力检测电路、调节阀控制电路、开关信号检测电路、开关阀驱动电路和DC稳压电源组成。系统的整体框图如图1所示。系统主控计算机采用燕化公司高性能工业控制计算机(CPU/P4 2.8G,Windows XP),是整个铸造控制系统的重要平台,主要负责工艺参数输入、运行状态显示、数据处理和存储,以及整个铸造过程的精确控制。压力检测与隔离电路由压力传感器、I/V转换与隔离电路和PCI-1716 A/D转换电路组成。PCI-1716数据采集卡是硬件的核心,主要完成模拟和数字数据的采集、存储和输出。是研华公司功能强大的高分辨率多功能PCI数据采集卡。PCI-1716可以提供16路单端模拟输入和8路差分模拟输入,也可以组合使用。它具有16位A/D转换器,采样速率高达250 ks/s;它还有两个16位数模输出通道和16个数字输入/输出通道。连接了32位DLL驱动程序。通过这个驱动程序,程序员可以通过VC、VB、DELPHI或C Builder等高级语言编程环境对硬件进行编程和控制。控制阀的控制电路由PCI-1716的D/A转换电路和V/I转换隔离电路组成,将工控机控制软件计算出的数字控制量转换成4~20mA模拟信号,控制气动薄膜控制阀的开度。信号检测电路完成对上下浇注槽锁紧到位、灌满、漏液等信号的检测,控制软件利用这些信号保证浇注系统的正常、安全、有序运行。阀门驱动电路利用功率驱动装置将工控机输出的数字信号放大成控制信号驱动两个

    1基于PCI总线的真空差压铸造控制系统硬件框图2。压力检测与隔离电路压力检测与隔离电路由压力传感器、I/V转换与隔离电路和PCI-1716 A/D转换电路组成。其中,压力传感器检测电路测量上、下铸箱和上、下储气罐的四个压力值,铸箱中有绝对压力传感器,储气罐中有表压传感器。传感器的压力测量范围为0~1.0MPa,输出信号为4~20mA电流值。电流由I/V隔离转换模块ISO-A4-P1-O4转换成与压力测量端完全隔离的0~5V电压信号,再由PCI-1716的16位高分辨率A/D模块转换成数字量,由控制软件采集。控制软件的压力测量分辨率可达15.0 Pa。控制软件根据采集的压力值和设定的过程曲线,通过控制算法计算并输出相应的数字和模拟控制信号,完成对开关阀和气动薄膜调节阀的调节。压力检测电路如图2所示。下一页3、控制阀的控制电路气动薄膜控制阀通过调节其开度来控制进气量。控制阀的准确快速控制是铸箱内压控制的关键,也是直接影响铸件质量的重要因素。控制软件通过PCI-1716数据采集卡的16位D/A模块输出0~5V电压,经V/I隔离转换模块ISO-U1-P1-O1转换成4~20mA电流信号,完成气动薄膜控制阀。控制系统有两个调节阀控制回路,分别控制上、下浇注槽的进气量。调节阀的控制电路如图3所示。4.软件结构控制软件是真空差压铸造控制系统的关键,PCI-1716控制和先进智能控制算法的实现是控制软件的核心技术。本设计采用面向对象的高级C语言,在Visual C 6.0下进行控制软件程序的代码编辑、编译和调试。软件结

    构如图4所示。

     

    (1)硬件管理模块:管理PCI-1716 数据采集卡及驱动程序,是连接控制软件与被控对象的 桥梁。本模块将PCI-1716 板卡驱动程序及数据结构封装成了CCardCtrl 类,在对板卡管理之前必须添加必要的库文件。首先安装研华设备管理器,然后在创建的VC++工程中添加 driver.h 头文件和adsapi32.lib 设备驱动库。

    (2)人机交互模块:主要完成工艺参数设置,显示铸造设备运行状态、所有参数信息,并 完成以下功能:在设置窗口设置工艺参数和修改管理员密码;在流程和实时数据显示窗口显 示各测点的实时数据;在跟踪曲线窗口实时绘制上下铸罐的压力走势图;在报警窗口显示报 警信息。

    (3)数据管理模块:定时存储铸造数据,即时完成表格、曲线等形式数据的打印等。该模块采用数据库技术,设计了CData 类来管理铸造数据,用数据文件的形式备份数据。设计 了CADOconn 类运用ADO 接口技术连接SQL Server 2000 数据库管理系统作为数据管理工 具。为了方便调用,提高程序运行效率,将采集的压力数据、阀门的处理数据和工步等信息 数据采用MFC 中已有的数据存储结构,方便快捷的处理数据。为了数据类型安全,防止内 存泄露,选择template 版本定义如下::CTypedPtrArray data。

    (4)控制模块:该模块是整个控制系统的核心,为了提高程序的执行效率,本设计采用了 多线程技术将定时采集控制与监控界面定时刷新分别放在两个线程。实时数据采集模块采用 Windows 多媒体定时器TimeSetEvent()函数,该函数定时精度可达1ms,将定时采样、工艺 控制定义在lpFunction 回调函数中,本系统采样间隔为50ms。另外,在定时器使用完毕后, 应及时调用TimeKillEvent()将之释放。工艺运行模块是控制模块的核心,它执行的精确与否 将直接影响铸件的质量。工艺运行模块根据采集到的压力值按照设定的工艺曲线,通过控制 算法计算出相应的数字与模拟控制数据经硬件管理模块完成开关阀与气动薄膜调节阀的精 确调控。

    5、结论

    硬件上4路压力检测电路和2 路调节阀控制电路达到了极高的线性度(非线性度<2%)。 压力测量范围为0~1.0MPa,测量分辨率15.0Pa;输出模拟量精度在±0.1%。软件上提供了 快捷的工艺参数设置,直观的实时压力数据、压力曲线和工艺进程跟踪,方便的历史数据记 录查询和灵活的声光电报警等功能。图5 为真空度24KPa、充型和保压压差40KPa、充型延 时10 秒、保压压力250KPa、保压时间40 秒的工艺参数模拟运行曲线。实验证明整个控制 系统运行稳定、人机交互性强、响应速度快、控制精度高、基本达到设计要求。

    本文作者的创新点是:将 PCI 总线技术引入到真空差压铸造控制系统中,避免了监测与控 制分开带来的硬件电路设计的复杂性;Visual C++和SQL Server 数据库技术的应用,使控 制软件操作简单、人机交互直观和方便历史数据的分析。

     
    (文/标准件之家)
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