基于PCI总线的真空差压铸造控制系统设计

0 引言 　　

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，具有优越的充型流 体力学和凝固力学条件，在航空航天、国防和汽车工业领域的近无余量、大型、薄壁、复杂 有色合金铸造方面显示了巨大的生命力。而在真空差压铸造的过程中，先进的控制技术是完 成抽真空、充型、升压、保压和卸压等工艺阶段的关键环节，在合理设计工艺参数的基础上， 对整个工艺过程的准确控制就成了获得高质量、高成品率铸件的关键，因此研制先进的铸造 控制系统是保证整个工艺过程得以准确实施的基础。基于单片微型计算机控制的真空差压铸 造控制系统虽然达到了一定的智能控制要求，并在实际得到了应用，但其还存在以下问题： ①所有功能都通过单片机来实现，软件系统庞大，使单片微型计算机运行效率下降；②单片 机难以实现先进控制算法复杂的程序设计；③人机交流停留在传统的 LED和按键，这样在 工艺参数设置和工艺流程运行状况监控等方面存在不足；④在实现工业以太网监测与控制上 存在一定难度。针对以上问题本课题提出了基于 PCI 总线技术、面向对象的C++语言的设 计思想，并配以先进的压力传感器和气动薄膜调节阀设计一套适用于大型薄壁铝合金的真空 差压铸造智能控制系统。

1、系统结构及工作原理 　　

整个真空差压铸造控制系统的硬件由工业控制计算机、基于 PCI 总线高分辨率多功能 数据采集处理卡PCI-1716、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、和直流稳压电源等部分组成，系统整体框图如图1 所示。系统主控计算机采用研 华公司高性能工业控制计算机（CPU/P4 2.8G、Windows XP），它是整个铸造控制系统的重 要平台，主要负责整个铸造控制系统的工艺参数输入、运行状态显示、数据处理与保存以及 对整个铸造过程的工艺运行精确控制。压力检测隔离电路由压力传感器、I/V 转换与隔离电 路和PCI-1716 的A/D 转换电路组成。PCI-1716 数据采集卡是硬件部分的核心，主要完成模拟量、数字量数据的采集、存储和输出。它是研华公司一款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 路单端模拟量输入和8 路差分模拟量输入，也可组合输 入；它带有一个采样速率最高达250KS/s 的16 位A/D 转换器；它还带有2 个16 位D/A 输 出通道、16 路数字量输入/输出通道；并附有32 位DLL 驱动程序，通过这个驱动程序，编 程人员可以通过VC++、VB、DELPHI 或C++Builder 等高级语言编程环境对硬件进行编程 控制。调节阀控制电路由PCI-1716 的D/A 转换电路和V/I 转换及隔离电路组成，它将工控 机控制软件计算的数字控制量转换成4~20mA 模拟信号控制气动薄膜调节阀的开启度。开关 信号检测电路完成上下铸罐锁紧到位、充型到顶和漏液等信号的检测，控制软件利用这些信 号保证铸造系统正常、安全、有序的运行。开关阀驱动电路利用功率驱动器件将工控机输出 的数字信号放大成驱动二位三通电磁阀的控制信号，实现对气动薄膜开关阀的控制。直流稳 压电源为接口电路和传感器等提供所需的直流稳压电源。

图 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 的A/D 转换电路 组成。其中，压力传感器检测电路测量上、下铸罐和上、下储气罐共四路压力值，铸罐内为 绝压传感器，储气罐内为表压传感器。压力传感器测量范围0~1.0MPa，输出信号为4~20mA 电流值，电流经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，经PCI-1716 的16 位高分辨率A/D 模块转成数字量被控制软件采集，控制软件的 压力测量分辨率可达15.0Pa。控制软件根据采集到的压力值按照设定的工艺曲线，经控制算 法计算输出相应的数字与模拟控制信号完成开关阀与气动薄膜调节阀的调控，压力检测电路 如图2 所示。

3、调节阀控制电路 　　

气动薄膜调节阀是通过调节其开度来控制进气量的，对调节阀的准确快速控制是对铸罐 内部压力控制的关键，这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 模块输出端输出0~5V 电压经V/I 隔离转换模块ISO-U1-P1-O1 转换成 4~20mA 的电流信号来完成气动薄膜调节阀开度的控制。控制系统具有两路调节阀控制电 路，分别实现对上、下铸罐进气量的控制。调节阀控制电路如图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，对 PCI-1716 控制和先进智能控制算法的程 序实现又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、调试等工作。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。