1、智能化型砂性能測控系統的研制 張立光 李彤 吳浚郊（清華大學機械工程系，北京 100084）劉升遷（青島天恒機械有限公司，山東省平度市 266721）    摘要 本文介紹了一套智能化型砂性能在線檢測與控制系統的設計原理及其工業現場應用。實踐證明，該系統能夠準確地測量型砂的緊實率、濕壓強度，并能夠將型砂的緊實率波動控制在±3的范圍之內，使型砂質量保持穩定，應用效果良好。關鍵詞 型砂；緊實率；在線檢測；質量控制    Abstract: A green sand on-line test and contr

2、ol system has been developed for foundry sand preparation plants. It is used to test the properties of the moulding sand on-line and to control the actual sand compactability within the preset production-adapted tolerance zone by controlling the water additions. Its application in foundry shops has

3、achieved wonderful results.    目前，粘土砂濕型鑄造依然是全世界應用最廣泛的鑄造方法。在粘土砂濕型鑄造生產過程中，型砂的性能對鑄件質量、廢品率有著極大的影響，據資料統計，鑄造車間的廢品有 4555% 可歸因于型砂的成分變化和質量波動。日益加劇的市場競爭要求現代化的鑄造企業必需生產出質量更好、可靠性更高、壁厚更薄、價格更低的近終形鑄件，要想實現這一目標，必須嚴格控制型砂質量。    計算機技術和自動控制技術引進到鑄造生產線上，大幅度提高了鑄造車間的機械化和自動化程度。各種高效造型生產線的

4、應用，大大提高了造型效率，要求混砂機的混砂效率相應地提高，對型砂性能、質量也提出了更加嚴格的要求。    國內一些大中型機械、汽車企業的鑄造車間，已經引進了一系列先進的造型生產線，但大部分沒有引進配套的質量管理系統，型砂性能檢測和物料補加量的計算仍然主要依靠人工憑經驗進行，無法滿足現代化生產的要求，迫切需要一套有效實的時計算機集成監控系統。    在此前提之下，清華大學與青島天泰機械有限公司合作開發了C1812智能化型砂性能測控系統，并在華源萊動內燃機有限公司鑄造分廠（以下簡稱“萊動廠”）進行了一年多的生產驗證。&

5、#160;   1. 智能化型砂性能測控系統的設計原理現代化的高效造型線要求砂處理工部提供性能、質量穩定的型砂，目前型砂質量控制發展趨勢是將組分控制的思想和在線檢測、控制技術相結合，從砂系統總量平衡出發確定物料的補加量。由于生產過程的不確定性以及參數檢測的偏差，常需根據每一碾砂的檢測數據修正系統的物料補加值，開發實時、在線的型砂性能檢測與控制系統就成了實現組分穩定控制的關鍵。    對于粘土砂而言，型砂中的水分是影響型砂性能和質量的最重要的因素之一。緊實率是表示型砂中粘土與調勻水的比例是否適當并且適宜于造型的一種綜合性指標，

6、與水分有關，與其它成分也有著間接的聯系。一般認為：緊實率反映型砂的可緊實性、韌性和對水分的敏感性，即反映了型砂的調性程度，是最重要的指標之一。實踐證明，通過檢測緊實率，可以調整加水量；把緊實率控制在一定的范圍，即可保證水分的相對穩定，同時使型砂獲得一定的濕壓強度、韌性和流動性等最佳綜合性能。    在死粘土含量及緊實率一定的情況下，濕壓強度可以作為反映型砂有效膨潤土的含量指標，因此緊實率和濕壓強度是最具有代表性的型砂性能指標。Volkmann通過多年的型砂試驗證明，若緊實率和濕壓強度值在規定的范圍內，其有效粘土含量一定比較合適；隨水分變化的濕壓強度的測量

7、值可以指示出粘土泥分的大小。他認為需要經常檢測的性能只有三個：濕壓強度、水分、緊實率。    基于上述研究，清華大學與青島天泰機械有限公司結合國內鑄造廠家的砂處理系統的實際情況，從結構簡單、實用可靠的角度出發，合作研制了一套實用的“C1812智能化型砂性能測控系統”，能夠在線檢測型砂的緊實率、濕壓強度和型砂溫度與環境溫度的差值，并根據緊實率和水分的關系實時控制混砂機內水的補加量，從而將型砂緊實率控制在工藝規范要求的范圍之內，保證型砂質量的基本穩定，滿足后續工序的需要。    2. 智能化型砂性能測控系統的設計框架&

8、#160;   智能化型砂性能測控系統作為一套在線檢測與控制系統，其工作環境粉塵大、干擾多，條件十分惡劣，所以整套系統采用由一臺PC總線的工業控制計算機作為上位機，用可編程序控制器（PLC）作為下位機，加上以壓縮空氣為動力源的執行機構。圖1所示為本系統的整體設計框架。圖1 智能化型砂性能測控系統整體框架    工業PC具有一定的抗干擾能力，具有防塵、防強電、防電磁、防熱等特點，完全能夠應付鑄造車間的生產條件，而且操作簡便、直觀，數據處理能力強。PLC的功能齊全、應用靈活、操作方便、穩定可靠。系統選用OMRON的CQM1型PL

9、C作為中央控制元件，充分利用其響應速度快，操作準確，控制精度高的特點，同時具有聯網功能和與上位機的通訊功能，便于系統的通訊和進一步的開發，并為進一步的系統聯網與擴展做好準備。    本系統以工業PC作為上位機進行系統總體的管理、監控，同時進行數據運算和存儲，通過通訊接口管理下位控制機PLC，讀取PLC的相關數據，進行適當處理，并通過通訊接口把智能運算得到物料補加數值及其控制信號輸出給PLC，由PLC通過控制執行機構實現對型砂性能的檢測與控制。    軟件是集中體現系統控制理論的主體，是整個控制系統的核心。系統的軟件

10、主要包括兩部分：上位機的監控軟件和PLC的控制軟件。上位機的監控軟件用Microsoft Quick C 2.5編寫，主要功能是動態模擬系統工作狀態、進行總體系統監控、智能化數據統計處理與計算、提供友好的用戶界面和在線幫助系統，并且為系統的進一步開發，實現整個砂處理系統的閉環控制打下良好的基礎。PLC的控制軟件用梯形圖編制，可以通過PLC編程器寫入，也可用LSS編程軟件包由上位機傳入PLC，其主要作用是控制系統執行機構的各種動作、采集檢測數據、并接收來自上位機和混砂機的相關信號。    3. 智能化型砂性能測控系統的工作原理  

11、60; 作為智能化型砂性能測控系統，實時地獲得準確的型砂性能檢測數據是系統正常運行的關鍵。只有在正確的檢測數據的基礎之上，才能實現準確的性能控制。    圖2所示是本系統檢測機構工作流程示意圖：系統直接從混砂機內取樣（圖3B），由試樣筒運送氣缸和活動底板運送氣缸完成砂樣的搬運工作；壓實氣缸壓下使壓力達到設定值，控制氣缸的電磁閥換向使氣缸迅速提起。此時，位移傳感器所記錄下的位移量即反映型砂的緊實率（圖3C）；然后調整底板位置，壓實氣缸第二次壓下，將砂樣捅出試樣筒并壓碎，壓力傳感器檢測此壓力值由PLC和上位機進行處理得到精確的濕壓強度值（圖3D），

12、檢測結束，回到初始位置（圖3A）。系統結構設計緊湊，在一個工位即可完成緊實率、濕壓強度和型砂與室溫的溫差的檢測。圖2 型砂性能檢測裝置的工作流程圖    （1.位移傳感器；2.壓實氣缸；3.取樣門氣缸；4.混砂機；5.壓力傳感器；6.壓頭；7.試樣筒運送氣缸；8.試樣筒；9.活動底板運送氣缸；10.活動底板)    從混砂機到造型機之前，在型砂的運輸、存儲過程中會有水分散失，因此出砂時的型砂性能不能完全代表造型時的型砂性能，必需對出砂時的性能進行一定補償。影響水分散失的主要因素是型砂溫度、環境溫度和空氣的相對濕度。

13、本系統利用分別位于混砂機壁和檢測機構機殼上的兩個溫度傳感器檢測型砂溫度與環境溫度的溫差，并對加水量進行適當補償，保證造型時所用型砂的性能滿足工藝要求。    以上三組傳感器的輸出為電壓值，輸出電壓都是010V，直接采用OMRON的CQM1-AD041模擬輸入單元采集檢測數據信號，PLC采集到的信號先保存在PLC的DM區中，上位機通過通訊接口讀取PLC內部的數據，經過處理得到相應的濕壓強度、緊實率和溫差。在獲得準確的性能檢測值之后，由上位PC機自動計算所需的加水量，經通訊接口發送置PLC的DM區，PLC控制打開電磁水閥加水，由渦輪流量傳感器進行精確的加水定

14、量，流量傳感器可以發出與流量成正比的電脈沖信號，經過前置放大后送至CQM1型PLC的內置高速計數器，當計數器當前值達到設定值時，PLC輸出位中斷使電磁閥關閉，加水結束。之后要經過一段時間的混碾延遲，保證水分與其他物料充分混合均勻，然后進行下一次取樣、檢測和加水過程，直至檢測的緊實率達到控制范圍。    4. 智能化型砂性能測控系統的工作周期    系統正常運行的關鍵是要與混砂機的工作流程相協調，在不影響原混砂周期的情況下，實現系統的正常運轉，完成對型砂性能的在線檢測與控制。從測控系統的時序圖（圖3）可以看出，測控系

15、統的一個檢測周期只有16秒，完全可以滿足高速混砂機的工作要求。圖3 測控系統的工作時序圖    本系統在經過理論研究和實驗室驗證之后，于1997年7月將第一臺樣機安裝運行于萊動廠氣沖線砂處理工部的S1420J混砂機上進行生產驗證；1998年8月又用第二臺樣機取代了第一臺樣機。由于該廠在實際生產中對型砂的濕壓強度要求較高，采用高強度粘土;而試驗表明，該廠所    采用的型砂配方在混砂機額定的150秒的混砂周期內是難于得到混碾均勻、性能穩定的型砂的。尤其是當混砂機加料結束，進行初次混碾時，需要較長的時間才能混碾均勻。表

16、1是經過第一次加水后，在生產現場實際檢測的混碾過程中緊實率和濕壓強度隨時間變化的情況。從表中數據可以看出,當混碾時間在120秒以上時，緊實率值才接近穩定，而當混碾時間為240秒270秒之間時，緊實率和濕壓強度達到最大。但是由于砂處理線的混砂能力有限，如果過分延長混砂周期，就會導致砂量供應不足，影響生產，因此必須保證在盡量短的時間內獲得性能相對較好的型砂，該廠在實際生產中采用的混砂周期為34分鐘。    表1 緊實率及濕壓強度隨混碾時間的變化    混砂時間(秒) 第一組 第二組 第三組緊實率(%) 濕壓強度(MPa

17、) 緊實率(%) 濕壓強度(MPa) 緊實率(%) 濕壓強度(MPa)0 25.7 0.1185 28.84 0.2186 26.27 0.101790 37.33 0.1654 34.75 0.2018 33.46 0.1929120 39.7 0.2117 36.00 0.1918 35.99 0.1845150 39.55 0.2471 35.31 0.2010 35.92 0.2089180 42.00 0.2204 35.42 0.2285 36.05 0.2520210 43.29 0.2054 36.28 0.1969 35.65 0.2104240 42.2 0.2861 36

18、.10 0.1997 33.78 0.2148270 41.16 0.2805 36.83 0.2028 33.64 0.2017300 42.45 0.1847 34.64 0.1540 34.09 0.2293    為了適應這種情況，本系統也采用變間隔檢測方式，在混砂剛剛開始時檢測初始緊實率，加水后經過較長時間間隔后再進行第二次檢測，如果緊實率不能滿足控制要求，則繼續加水，但是由于此時緊實率接近穩定值，同時緊實率可以較快的跟隨水分的變化而變化，可以轉為短時間間隔檢測，以保證在限定的時間范圍內完成混砂工作，適應生產需要。根據表1的實驗數據，將第一次檢

19、測間隔設定為120秒左右，其后的檢測間隔為30秒。如果在實際生產中的生產工藝或者型砂配方發生改變，可以根據實際的工藝要求方便地通過軟件界面隨時調整檢測間隔。    經過實際應用驗證，一般檢測兩次、加水一次即可使緊實率達到工藝要求，整個周期T41612016156秒，少數情況下若一次加水緊實率達不到要求，需要增加檢測和加水一次，T'1561630192秒，完全可以滿足該廠實際生產中34分鐘混砂周期的要求。    為了便于系統的運行和維護，另外還設計了一套手動控制程序：首先通過上位機設定加水量；當測控系統得到“

20、混砂開始”信號的時，就會按照設定值給混砂機定量加水，然后可以手動控制檢測型砂性能、手動進行水的補加。無論在手動狀態還是自動狀態，都可以用“手動出砂”按鈕強行讓測控系統發出“出砂”信號，由原混砂機的控制系統控制出砂，以免在出現意外情況時系統陷入死循環。    5. 工業現場應用效果    C1812智能化型砂性能測控系統檢測的型砂緊實率和濕壓強度的原理與常規方法不盡相同，所以檢測數據不能完全等價。在實際應用中，通過調整型砂性能測控系統的測試壓力，可以使其測出的緊實率與用標準試樣椿三下測得的緊實率等價；然后通過必要的換

21、算將系統測試所得的濕壓強度轉換成與標準試樣檢測基本一致的數值，這樣系統檢測數據即可與常規檢測數據相一致。表2給出了在生產現場利用本系統和常規檢測方法檢測數據的對照表，從中可以看出，兩種檢測方法的檢測結果是基本一致的。表2 本系統與常規檢測方法檢測緊實率及濕壓強度對比組號 緊實率(%) 濕壓強度（MPa）    儀器測定值 實驗室測值 儀器測定值 實驗室測定值1 21.81 21.5 0.0497 2 21.11 20 0.0487 3 36.35 35 0.1463 0.144 35.13 35 0.1406 0.1355 33.99 33 0.1768 0.166 34.42 34.5 0.1771 0.1657 41.56 40 0.1880 0.1