4U高 上架式工控机

　　抗震动驱动器托架设计可安装3个5.25”和1个3.5”磁盘驱动器

　　前置USB接口

　　前置过滤冷却风扇符合的空气流向

　　友好界面的前置空气过滤装置易于用户维护

　　可锁式前舱门杜绝未授权的使用

　　CPU： Intel-PIV 3.0G

　　本文采用工控机完成压铸机的控制系统，设计出相应的硬件电路、编制控制软件，为提高压铸件的质量，提出了用自适应模糊控制理论对压铸过程重要参数—压射速度进行控制，计算机仿真结果表明，此控制方法是切实可行的。

　　高压和高速是压力铸造工艺的二大特征，铸件充型完好，轮廓清晰主要取决于压射速度（即压射过程），而铸件的内部质量和机械性能主要取决于增压效果（即增压过程），要想获得高质量的压铸件，必须根据不同的情况对压铸过程中的所有工艺参数如压射压力和压射速度等进行恰到好处的控制。相对国外的高科技，国内压铸工艺技术还很落后，针对这一现状，国家计委设立“J11280型压铸机系统”为“八五”科技攻关项目之一。

　　J11280型28000KN( 卧式冷室压铸机是国内压铸机厂设计试制的新产品，控制系统完成后，用户厂家对机器的使用性能表示非常满意。并且通过了国家计委鉴定，它是目前国产、的压铸机。

　　1、 J11280型卧式冷室压铸机概述

　　1.1 机器的组成部分

　　J11280型卧式冷室压铸机主要由机身、电气系统、压射机构、合型机构、液压系统五部分组成。其压射系统工作原理图如图1所示。

　　图1 压铸机压射系统原理图

　　1.2 压铸机工作机理的分析

　　完成一个铸件的工艺过程为：动1插芯-动2插芯-合型-低压合型-系统压力锁型-合型完成-静插芯-慢压-一快-二快（同时增压）-（冷却时间到）静抽芯-开型-动2抽出-动1抽出-顶出前延时-顶出-顶出后延时-压回-顶回-恢复原位-延时卸荷。如此重复循环进行铸件生产。压铸机的每一个动作过程都可通过电磁阀的通断，改变液压系统的状态，进行控制。

　　2 、工控机控制压铸机系统硬件系统设计

　　2.1 硬件系统总体设计

　　压铸机控制系统主要由工控机、开关量输入板、开关量输出板、模拟量输入板、继电器板及外围辅助电路构成。其结构框图见图2。

　　图2 压铸机控制系统结构

　　工控机主要完成控制指令的发出和模拟量的运算。具体控制过程为：由行程开关和控制按钮发出的开关信号指示出目前压铸机所做的动作，经过开关量输入板进入工控机，通过定期读取工控机相应端口，可检测到压铸机工作的状态，通过逻辑运算，形成相应的开关量输出，再通过输出继电器板来控制压铸机电磁阀通断电，控制压铸机的动作。开关量输入和输出为防止干扰均采用光电隔离输入输出，为32路入和26路出。

　　2.2 工控机配置

　　工业现场条件相对恶劣，最常见的问题是粉尘、辐射、电气干扰等。在一些环境下还要防潮、防震、抗冲击等。设计选用CONTEC公司生产的通用型工控机系列，它具有高可靠性电源装置、高功率双冷风扇制冷系统、带滤网全钢标准机箱、减震加固压条装置、14个插槽供I/O扩展，能够适应生产环境的要求。详见表1。

　　2.3 系统仿真

　　由于系统存在许多非线性环节，如：液压油、伺服阀等，这给系统的理论分析及优化设计带来一定的困难，只能借助与计算机对系统进行仿真研究。由于压射过程油缸活塞所受的阻力很小，在仿真过程中近似地认为压射速度与进入油缸液压油的体积成正比，即为比例环节。查阅相关手册，确定参数。系统仿真结果如图3所示。

　　图3 系统仿真图

　　3、 工控机控制压铸机系统软件系统设计

　　其程序模块包括：压铸机驱动程序模块、数字量检测模块、状态显示模块、速度压力曲线显示模块、故障诊断模块、参数调整模块、打印模块、帮助模块。

　　本系统的设计中采用BORLAND c++作为程序开发语言。其中断服务程序中的Interrupt[_]app()函数主要功能是由当前的输入状态依据逻辑规则形成新的控制字节，并送到相应的输出端口，从而驱动相应的电磁阀得失电，达到完成压铸工艺过程的目的。因而Interrupt[_]app()函数主要由三个顺序的部分组成：读输入状态、进行逻辑运算形成控制字节、输出控制字节。其设计由PLC梯形图演化而来。如PLC梯形图4。

　　图4 PLC梯形图

　　其相应的转换程序如下：

　　if((R0[0>&&‖R0[7>)&&counter[TC31>.TC)‖Ro[1>)

　　R17[4>=1;

　　else

　　R17[4>=0;

　　if (R16[7>&&!R0[3>)

　　Start[_]counter(TC31);

　　else

　　End[_]counter(TC31);

　　Counter是一个如下的数据结构，它对应计时器：

　　Struct counter

　　{ int TC; /*表示其触点*/

　　int use; /*表示counter当前是否启动标志*/

　　unsigned long counter[_]max; /*定时时间*/

　　unsigned count; /*记数值*/

　　} counter;

　　延时断开则为：counter.use=1时，counter.TC＝1,counter.count每隔一定时间加1,与count[_]max相等时，counter.TC=0,停止计数；

　　延时闭合则为counter.use=1时，counter.TC＝0,当计时时间到后，令counter.TC＝1,停止计数。

　　压铸机具有调整、联动两种工作机制，每种工作制都有一定的动作顺序。因而有两种设计方案：

　　1）步进制设计方案：在这种设计方案下，首先要研究控制压铸机动作的PLC流程图，进而推导出每一种动作的可执行条件。在程序设计时，基于当前的工作状态的基础上，进行相应下一步动作的控制。

　　2）按PLC控制机理进行设计方案：这种工作方式下，只需要将PLC梯形图转换成相应的程序语言，然后模拟按PLC的工作机理进行驱动程序设计。

　　第二种工作方案采用的PLC流程图在现场运行很长时间，容易保证控制的正确性，并且易于被现场技术工人理解和掌握。因而采用第二种设计方案。

　　PLC的基本工作方式是在系统软件的控制下，采用周期工作方式，也即扫描工作方式。它的操作系统是一个小型的实时系统软件，具有自身的结构和特点，PLC在每次扫描期间，除了读入各输入点的状态，用户逻辑输出控制信号外，还进行故障自诊断和处理与编程器、计算机等的通讯要求。

　　4、 结束语

　　本文所设计出的系统有如下特点：①每秒2000次的状态检测，可以检测到状态的瞬息变化，并进行相应实时的控制；②系统中的状态监控、故障诊断、压力速度曲线显示等功能，用户可以对系统的工作状况有一个及时全面的了解；③系统具有简单的程序接口，用户能够很方便的进行系统的二次开发；④具有良好的用户界面和简单的系统操作。

　　该项目为2008年北京绿色奥运项目之一，目的是为奥运会期间提供充足的电源，并使用1500KW直驱永磁风力发电机组。前期阶段使用研华ARK-3380系列工控机，主要用于风力发电的两个核心部件之一的风力机的监控和控制方面。

　　2008年奥运会是中华民族的一大盛事，而且该项目对使用的性能和稳定性等方面要求都比较高，而且使用环境比较严苛，所以对于所采用的产品必须进行严格的挑选。

　　SCADA系统是以计算机为基础基于工业以太网的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。各种采集信号及控制信号通过工业以太网汇总到其中最前端的数据汇总处理机-研华的严苛计算机ARK-3380系列。

　　ARK-3380系列可以提供4个以太网的接口，在前端可以汇集更多的数据，在网络方面可以采用链路聚合以及LAN Bypass的网络技术，有效地提高了网络的传输效率和传输的可靠性。

　　工控机系统需求

　　能够提供3个以上的网络接口，有良好的兼容特性，可以通过工业以太网和前端的设备有机的连接。

　　主频必须PM  1G以上的，并且能够配合用户的程序稳定的运行。

　　至少2个RS-232的接口，一个USB的接口。

　　尺寸要求能够嵌入在风机的设备里面，重量轻。

　　AT供电模式，直流供电，不能干扰其他的设备。

　　由于设备要在风塔内无人值守运行，风塔内的环境比较严苛，要求温度-20到60度，抗高灰尘，无风扇设计，24小时不停机稳定运行。

　　根据该项目要求，向用户提供研华的严苛产品ARK-3380系列和ELO的触屏，并根据用户的特殊要求进行了系统整合。

　　ARK-3380系列特点：适合无人值守工作站

　　由于风扇是在恶略环境下最容易出问题故障点，ARK系列工控机的无风扇特性大大提高了机器的MTTF(平均无故障时间)。

　　传导散热使拥有良好的密封性  ，可以有效的隔绝灰尘\腐蚀性气体对信号传导点的氧化作用而导致的宕机，减少维护费用，适合在电力监控点及DCS应用的高灰尘，温度变化比较大无人职守场合使用。

　　ARK-3380系列使用的集成多网口all in one方案，不用再通过扩展方式，可以帮用户节省成本。

　　外型坚固，体积小，安装 搬运 维护简单。

　　风电场的监控系统

　　由于风电场单机容量小，数量多，为了确保各台风力机的安全运行，风电场设置有先进的计算机监控系统，该系统一般由就地监控(LCS)和中央监控(CMCS遥控)两部分组成，就地监控包括如下功能：

　　(1) 运行人员可以从就地控制盘前计算机屏幕上了解到的各台风力机的运行状况，如：该风力机处风速、发电机电压、电流、功率因数、主轴转速、齿轮箱及轴承温度等等。

　　(2) 可以通过控制盘上的键盘，方便地修改风力机的保护定值，如过压保护整定范围，频率保护整定范围，风速极限值的修改等等。

　　(3) 该控制系统能根据自己所检测到的风速、风向情况自动发出自动适应风向(即自动偏航)或停机的控制命令，同时还能进行自我诊断风力机是否存在故障是否需要停机。该系统还能对电网进行检测，如发现电网电压、频率工作不正常则立即停机，待电网恢复正常后自动起动。

　　(4) 该控制系统具有先进的记录功能，能记录所有发生过的故障或不正常运行状态，并告诉运行人员发生故障的时间。该系统还能进行产量报告，能记录该风力机的月发电量， 及累计发电量和运行小时数。

　　中央控制系统设在控制室内，通过监视器  我们可以了解到整个风场各台风力机的运行状况。中央控制系统除主机外，还有一套备用设备，可供主机故障时投入，可随时向人们提供所需的报告。

　　事实证明，ARK-3380系列+ELO的组合使用一年来，稳定可靠，比传统一体化产品有更高的稳定性、可靠性，得到了用户高度肯定，也增强研华持续专注于国内重大基础设施项目建设的信心和热情。

　　2000年世界上工控机市场估计为300~400亿美元，其中DCS60亿美元，嵌入式系统60~70亿美元， FCS20~30亿美元，IPC70~80亿美元，PLC70~80亿美元，数控70~80亿美元。并且每年以10％~15％的速度增长。

　　1、DCS(集散控制系统)的发展趋势

　　虽然以现场总线为基础的FCS发展很快，并将最终取代传统的DCS，但Fcs发展有很多工作要做，如统一标准，仪表智能化等。另外传统控制系统的维护和改造还需要DCS，因此FCS完全取代传统的DCS还需要一个较长的过程。

　　当前工控机仍以大系统、分散对象、连续生产过程(如：冶金、石化、电力)为主，采用分布式系统结构的分散型控制系统仍在发展。由于开放结构和集成技术的发展，促使大型分散型控制系统销售增加。 DCSl997年销售为45亿美元。在工控机中DCS是受计算机技术影响、反应最快的一种

　　。 DCS主要发展趋势为：

　　(1) 向综合方向发展

　　由于标准化数据通信线路和通信网络的发展，将各种单(多)回路调节器、PLC、工业比、 NC等工控设备构成大系统，以满足工厂自动化要求，并适应开放化的大趋势。

　　(2) 向智能化方向发展

　　由于数据库系统、推理机能等的发展，尤其是知识库系统(KBS)和专家系统(ES)的应用，如自学习控制、远距离诊断和自寻优等，人工智能会在DCS各级实现。和FF现场总线类似，以微处理器为基础的智能设备，如智能I／O智能PID控制、智能传感器、变送器、执行器、智能人接口及可编程调节器相继出现。

　　(3) 工业PC化

　　由于巩组成此S成为一大趋势， PC作为DCS的操作站或节点机已经很普遍．PC—PLC、PC—S，19、 Pc—Nc等就是Pc—Dcs先驱。

　　(4) 化

　　DCS为更适合各相应领域的应用，就要进一步了解这个的工艺和应用要求，以逐步形成如核电站此S，变电钻DGS、玻璃DCS及水泥DCS等。

　　自动化英才网朱先生建议，大家要根据自己的实际情况选择自己的发展方向。

　　2、数控装置的发展趋势

　　80年代以来，为适应FMC、FMS、CAM、CIMS的发展需要，数控装置采用大规模、超大规模集成电路，提高了柔性，功能和效率。

　　(1) PC化

　　由于大规模集成电路制造技术的高度发展， PC硬件结构做得更小， CPU的运行速度越来越高，存储容量很大。 PC机大批量生产，成本大大降低，可靠性不断提高。 PC机的开放性， Windows的应用，更多的技术人员的应用和*，使PC机的软件极为丰富。 PC机功能已经很强，CAD／CAM的软件已大量由小型机，工作站向PC机移植，三维图形显示工艺数据已经在PC机上建立。因此， PC机已成为开发CNC系统的重要资源与途径。

　　(2) 交流伺服化

　　交流伺服系统恒功率范围已做到1：4，速度范围可达到1：1000，基本与直流伺服相当。交流伺服体积小，价格低，可靠性高，应用越来越广泛。

　　(3) 高功能的数控系统向综合自动化方向发展

　　为适应FMS、 CIMS、无人工厂的要求，发展与机器人、自动化小车、自动诊断跟踪监视系统等的相互联合，发展控制与管理集成系统，已成为国际上数控系统的方向。

　　(4) 方便使用

　　改善人机接口，简化编程、操作面板使用符号键，尽量采用对话方式等，以方便用户使用。

　　(5) 柔性化和系统化

　　目前数控系统均采用模块结构，其功能覆盖面大，从三轴两联动的机床到多达24轴以上的柔性加工单元。

　　(6) 小型化

　　由于半导体电路高度集成化、封装三维化和电路板插三维化，使NC装置进一步小型化。在NC装置的操作单元用TFT(薄膜晶体管)彩色液品显示器、触模屏取代CRT，厚度仅为CRT的1／4等。

　　(7) 高速化

　　为实现高速加工，主轴必须高速化，从主轴电动机速为18000Or／min。进给速度120m/min以上。

　　(8) 高效化

　　实现高效加工，缩短非切削时间和加工周期的关键是提高PMC(可编程机床控制器)的处理器，随着处理内容复杂化， PMC的编程语言成了问题，虽然C语言和PASCAL从已经实用化，但为置换梯形图语言，还需要使用帧控流程图(Src)那样的视图用语言。

　　(9) 高精度

　　提高加工精度，高分1辨率旋转编码器必不可少。为在超精密加工领域能实现0.O01um的精度，必须开发超高分辨率的编码器， O．0001um最小设定单位的NC装置。为在加工中即使负荷变动伺服系统的特性也保持不变，还需采用控制和鲁棒(Robust)控制。在伺服系统的控制中，用高速微处理器，采用基于现代控制论前馈控制、二自由度控制、学习控制等。其数字控制系统的跟踪误差不超过2um。

　　(10) 机械智能化

　　它在NC领域内是一种新技术，所谓机械智能化功能，是指机械自身可补偿温度、机械负荷等引起的机械变形的功能。这就需要检测主轴负荷、主轴及机座变形的传感器和处理传感器输出信号的电路。

　　(11) 诊断维修智能化

　　故障的诊断与维修是NC的重要技术。基于AI专家系统的故障诊断已存在，现在主要是建立用于诊断故障的数据库。把NC装置通过internet和Internet与中央计算机相连接，使其具有远距离诊断的功能。

　　进一步的发展是预维修系统，即在故障将要发生前把将要发生故障的部件更换下来的系统，它需要通过智能传感器、高速PMC及大型数据库来实现。