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1 引言
铸造是人类掌握早的一种金属热加工成形工艺，已有约6000年的历史，是现代机械制造工业的基础工艺。铸造过程是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件(零件或毛坯)的工艺过程。铸造生产的毛坯成本低廉，对于形状复杂、特别是具有复杂内腔的零件，更能显示出它的经济性；它的适应性较广，且具有较好的综合机械性能。
低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，叫做低压铸造。其工艺过程是：在密封的坩埚(或电炉)中，通入干燥的压缩空气，金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔(金属型)，并保持坩埚(或电炉)内液面上的气体压力，经过一段时间的保压，直到铸件完全凝固为止。解除液面上的气体压力，使升液管中未凝固的金属液流坩埚(电炉)，再由气缸开型并推出铸件。低压铸造独特的优点表现在以下几个方面：液体金属充型比较平稳；铸件成形性好，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，对于大型薄壁铸件的成形更为有利；铸件组织致密，机械性能高。低压铸造是一种低压强与
低速度的充型铸造方法，利用压缩空气作为充型动力，液体金属充型要求平稳；保压性好，铸件成形性好，轮廓清晰、铸件表面光洁；要求模具冷却性好，铸件组织致密，机械性能高。
2 低压铸造自动化系统
2.1 系统结构
工控机和plc在低压铸造中的系统构成为了满足低压铸造的要求，把工控机和plc组成一个有机系统，如图1所示。本系统采用分级控制方式。由工控机完成液面压力控制和铸型温度(冷却)控压铸造的要求。
图1 低压铸造自动化系统
2.2 系统原理
低压铸造机压力/温度控制系统的计算机控制系统原理如图2所示。
图2 系统原理
(1)压力控制：低压铸造机压力控制系统的气动原理如图3所示，工控机和由其控制的液面压力i/o模板对数字组合阀岛进行控制，实现了低压铸造压力控制。工控机系统采用灵敏的压力传感器和软件式pid控制器，在计算机屏幕上显示铸造过程的设定压力曲线和实际控制压力曲线，并进行叠加比较。在计算机屏幕上以四种颜色显示四个测温点的实时温度曲线。用图形来指示保温炉内铝液液面情况，以提醒操作人员注意：当炉内金属液少于低限时，系统自动停止加压。
图3 压力控制系统
y1～y9：调节阀(常闭)；
y11：进气主阀(常闭)；
y13：炉子慢泄压(常开)；
y14：炉子全部泄压(常开)；
yk1：压力开关，监测“0”mbar时的炉内压力。出厂时调节为约50mbar；
yk2：压力开关，监测大炉内压力，出厂时调节为约950mbar；
b1：压力传感器，0～1600mbar，4～20ma。检测炉膛压力；
b2：压力传感器，0～7000mbar，4～20ma。检测进气管气源压力。
(2)冷却控制：工控机和由其控制的冷却控制i/o模板控制了12个(5路风冷、7路风冷+水冷)冷却通道，可任意选择若干个通道工作。对每路冷却通道均提供了“on”、“off”、“auto”三种工作方式和按时间控制、按温度控制两种控制模式。人机界面有冷却画面，可任意开关调整电磁阀的通断。
2.3 硬件配置
低压控制系统配置如下：
(1)panel870面板式工控机：piii700以上cpu、40g硬盘、128m内存、12〞液晶显示屏、触摸键盘、带软驱和dvd光驱、usb接口和rj45接口；
(2) 板卡：813b a/d板一套、1751di/o板一套、7216继电器板一套(包括odc5或idc5b固态继电器)、785继电器板一套；
(3) s7-300 系列plc：
cpu模块：cpu314一套，flash eprom内存卡(64k)一个，ps307电源5a一个，sm321输入模块(32点 24v dc)3套，sm322输出模块(16点 24vdc)4套，40针端子3个，20针端子4个，480mm导轨1个。
3 项目评价
(1)控制系统实现对机器运行、液压机械动作、铸造工艺过程、保温炉加热、铸型冷却过程中包括压力、温度、时间、位置在内的工艺参数进行有效控制。系统具有数据保存功能，能够存取、调整和管理铸造参数。
(2)控制精度高，充型、保压阶段压力偏差值≤3mbar，升液阶段压力偏差值≤5mbar，升压阶段压力偏差值≤10mbar。
(3)具有压力自动补偿能力，保温炉内的压力可以根据设定的曲线jingque、重复再现，而不受保温炉泄漏、供气管路气压波动和金属液位变动的影响(保温炉严重泄漏除外)。
(4)可根据工艺需要自由设定多达八段的升压曲线和一段保压曲线。对于炉膛容积≤800l的炉型，大升压速度可达100mbar/s。
(5) 具有友好的人机界面，可以方便的输入各类工艺参数。
(6)具有数据保存及调用功能。每个轮型的铸造工艺参数可以输入并确认后自动保存，以后可以直接从系统中调用。
(7) 低压铸造控制系统具有故障自检功能，维修方便。
4 结束语
我国工业控制自动化技术飞速发展，特别是工控机和plc的应用更为成熟，经过近三年的努力，我们成功把工控机和plc应用在轮毂低压铸造机中。
目前该嵌入式PLC模块已成功应用于清华大学精仪系制造工程研究所THHP-III数控系统(基于RedHatLinux8.0+RTLinux3.1)中,该模块可以满足对普通数控系统和加工中心PLC控制要求。在数控机床中,通常用可编程控制器(PLC)对机床开关量信号进行控制。PLC可靠性高,使用方便。但在大多数数控机床,特别是经济型数控机床中,要求的输入输出点数并不多,通常在60点以下,为了降低数控机床成本,在基于工业PC机的数控系统中,可以采用开关量I/O板加外接继电器,配合主机的软件对机床开关进行控制。但如果PC机采用单任务操作系统(如DOS),数控系统的所有任务运行都置于一个总体的消息循环中,软件的模块化和可维护性较差,系统故障的风险相对集中,不能充分利用PC机系统资源。而采用非实时多任务操作系统(如bbbbbbs)时,Win32API的设计没有考虑到实时环境的开发用途,其系统调用的效率不高,不能满足数控系统PLC控制的实时性要求。
为此,本文提出一种基于RT-Linux操作系统的嵌入式PLC,利用RT-Linux的开放性、模块化和可扩展性的系统结构特性和多线程/多任务的系统环境,在保证实时性的使故障风险相对分散。
数控系统嵌入式PLC的硬件结构
数控系统硬件建立在通用工业PC的开放体系之上,数控系统嵌入式PLC硬件包括:工控机及其外围设备,基于ISA总线的开关量输入输出接口卡,光电隔离模块,继电器输出模块。其结构如图1所示。
工控机采用RedHatLinux810+RTLinux311操作系统,数控系统的人机界面、数控代码处理、轨迹规划、参数管理以及PLC控制都通过工控机由软件来实现,不需要独立的PLC控制器,减少了数控系统对硬件的依赖,有利于提高系统的开放性。
I/O输入输出信息通过PC机I/O接口卡实现主机与伺服接口模块和I/O接口模块之间的信息交换,PC机I/O接口卡基于ISA或者PCI总线。
RT-Linux的体系结构
RT-Linux是基于Linux系统并可运行于多种硬件平台的32位硬实时操作系统(hardreal-timeoperatingsystem)。
它继承了MERT系统的设计思想,即以通用操作系统为基础,在同一操作系统中既提供严格意义上的实时服务,又提供所有的标准POSIX服务。RT-Linux源代码公开,易于修改,使系统成本降低,源代码的公开使数控系统的开发摆脱了对国外软件公司的依赖,有利于提高数控软件国产化程度。
RT-Linux是基于Linux并可运行于多种硬件平台的多任务实时操作系统。通过修改Linux内核的硬件层,采用中断仿真技术,在内核和硬件之间实现了一个小而高效的实时内核,并在实时内核的基础上形成了小型的实时系统,而Linux内核仅作为实时系统低优先级的任务运行。对于普通X86的硬件结构,RT-Linux拥有出色的实时性和稳定性,其大中断延迟时间不超过15μs,大任务切换误差不超过35μs。这些实时参数与系统负载无关,而取决于计算机的硬件,如在PII350,64M内存的普通PC机上,系统大延迟时间不超过1μs。RT-Linux按实时性不同分为实时域和非实时域,其结构如图2所示。
实时域在设计上遵循实时操作系统的设计原则,即系统具有透明性、模块化和可扩展性。RT-Linux的实时内核由一个核心部分和多个可选部分组成,核心部分只负责高速中断处理,支持SMP操作且不会被底层同步或中断例程延迟或重入。其它功能则由可动态加载的模块扩充。RT-Linux把不影响系统实时性的操作(即非实时域的操作)都留给了非实时的Linux系统完成。基于多任务环境的Linux为软件开发提供了丰富的系统资源,如多种进程间通讯机制,灵活的内存管理机制。
嵌入式PLC的设计及实现
嵌入式PLC的模块组成
数控系统的PLC控制模块实时性要求较高,必须在系统的实时域内运行。根据通用数控系统的PLC控制以及数控系统软件模块化设计的要求,将数控系统的PLC控制模块作为RT-Linux系统的实时任务之一,其优先级和调用周期取决于数控系统各任务的实时性要求以及控制要求的响应时间。PLC控制模块主要完成数控系统的逻辑控制,而被控制的输入输出也就是I/O的输入输出由PC机I/O接口卡输入输出模块来完成,即完成数控系统的PLC控制需要两个RT-Linux实时任务,如图3所示,这两个任务分别为RT-Task1(以下称“适配卡输入输出”)、RT-Task2(以下称“PLC控制”)。
图3是基于RT-Linux系统的嵌入式PLC实时任务关系图,其中适配卡输入输出主要是完成数控系统的输入输出,即各轴位置控制命令的输出、I/O的输出、I/O输入以及位置反馈输入,它实际上是数控系统控制卡的设备驱动模块,其优先级在数控系统的各实时任务中为。根据其硬件特征以及运动控制要求,其响应周期为100μs,响应时钟周期由PC机I/O接口卡上的硬件定时器产生。根据RT-Linux系统对硬件中断的响应机制,输入输出控制任务的实时性是可以保证的,这一点在我们的数控系统已经得到验证。
图3中PLC控制主要是完成数控系统的PLC控制功能,其任务优先级低于适配卡输入输出,也低于数控系统的精插补实时任务和位置伺服实时任务。根据通用数控系统的PLC控制要求,确定其响应周期为5ms,响应周期由RT-Linux的软件定时器产生,根据RT-Linux系统的实时多任务调度机制,PLC控制任务的实时性是可以保证的。在实际应用中也得到验证。
嵌入式PLC的实时任务模块数据通讯
完成数控系统PLC控制的两个实时任务之间由于需要输入输出的数据量(一般情况下为64输入,64输出,但输入输出根据需要还可以扩展)不太大,采用共享内存的通讯方式,在适配卡输入输出和PLC控制
两个实时任务之间开两块共享内存,一块用于适配卡向PLC控制传输I/O口状态信息,另一块用于PLC控制向适配卡输入输出任务传输经PLC逻辑处理后的控制信息。
在这里,两个实时任务间不采用RT-FIFO进行通讯的原因在于这两个实时任务间通讯的数据量不是很大,而这两个实时任务运行周期差别较大,采用RT-FIFO传输数据,为了避免FIFO的阻塞,相应地要增加两个任务间的协调机制,这样的通讯效果未必比采用共享内存好,共享内存的读写速度比FIFO相对较快。
嵌入式PLC的实时任务的实现
适配卡输入输出为动态可加载模块,适配卡输入输出模块(任务)以100μs为周期的硬件定时中断,完成各轴位置控制指令和I/O的输出、各轴位置反馈值和I/O的输入,适配卡输出值来自于位置伺服任务和PLC控制任务,输入值来自于适配卡的输入接口。PLC控制模块(任务)同样也是一个动态可加载模块,它以5ms的软定时,周期性地从它与总控模块通讯的RT-FIFO读取控制信息(如M指令,S指令及T指令),从它与适配卡输入输出模块通讯的共享内存中读取I/O信息,进行逻辑处理,后将结果写入共享内存供适配卡输入输出模块读取并输出。
一．使用设备
1. 使用2台GSM的modem，型号是BM2403A。其规格参数如下
2. 2张中国移动的手机SIM卡（需开通WAP和数据传真服务）
◆ MODEM产品特征
为数据、传真、短消息和语音传输而设计的GSM/GPRS MODEM
执行ETSI GSM Phase 2+的标准
类别4（2W @ 900MHz）
类别1（1W @ 1800/1900MHz）
活动SIM插槽
3V-5V SIM
◆ MODEM输出功率
2W-类别4，for GSM 900
1W-类别5，for GSM 1800
输入电压：5V-32V
输入电流：空闲<10mA，话音传输200mA for GSM 900 @ 12V
空闲<4.8mA，话音传输100mA for GSM 1800 @ 12V
温度：-20℃
-+55℃工作
-25℃ - +70℃存储
外部尺寸：98×54×25 mm
重量：130g
◆ MODEM附加服务
呼叫转移
多方通话
呼叫限制
电话簿
固定号码呼叫
呼叫等待或保持
呼叫线路认证
记费
红外线SIM数据传输
回声取消
SIM 工具包
SIM 锁
USSD
◆ MODEM基本特征
通话或紧急呼叫
高速率，升级高速率和半速率
双音多频功能（DTMF）
A5/1&A5/5加密算法
SMS：MT/MO/CB/PDU模式
◆ MODEM数据特征
数据线路异步传输和同步可达14,400 bits/s
波特率从300到115,200 bits/s
自动从2,400到19,200 bits/s
自动传真group3（class 1&2）
通话和传真转换 GPRS WAP
◆ MODEM接口
RS-232和声音通过15pin接口连接(RS-232针脚定义 2-Tx 3-Rx 5-Gnd)
电源通过4pin接都相连
SMA天线接口
活动SIM插槽
通过AT指令控制
3. 使用1台OMRON的C200HE-CPU42PLC（带标准RS232通讯口）.
4. 接线
计算机与MODEM的线是自带的，PLC与MODEM的接线如下
二．试验步骤
1. PLC向用户手机进行呼叫，即发送短信息给管理者的手机，用于PLC处理时自动发送报警信息给用户。不管用户在什么地方，只要手机在中国移动通讯的网络覆盖范围之内，就一定收到PLC的报警信息，从而做出相应的处理对策。
2. PLC设置
DM6645:1001（使用无协议方式发送AT指令）
DM6646:0803（与MODEM设为相同的波特率1，8，1, N）
梯形图程序如下
使用无协议方式发送AT指令给GSM MODEM,从而实现MODEM将你设定好的信息以短信的方式发送给用户手机。
前面的执行条件10.00可以是一个报警的启动条件，一旦程序触发，则将对应PLC内存中的报警内容以短信的方式发送给用户方。
发送内容为：
AT+CMGS=""
// 目的手机号码|结束符|内容 |发送符|
发送报警内容是：OK
将以上发送ASCII内容全部转为16进制,存放在PLC的DM100中，列表如下
则用户方手机收到短信息
OK (模拟报警信息)
FROM: 控制PLC1(可在手机中将GSM MODEM的SIM卡号码存为你熟悉的设备PLC名称)
9:11 12/4/03 (故障时间 月/日/年)
3.经过多次试验，PLC都可以通过内部的程序控制，将报警信息以短信的方式传送给管理人员的手机中。由于GSM手机现在已非常普及，其可适用场合非常多，使用的前景也非常广阔。