全電動注塑機智能分析與控制平臺的設計及實現

陳曉曼，劉桂雄，楊艷娟

（華南理工大學 機械與汽車工程學院 機械電子研究所，廣州 510640）

0 引言

全電動注塑機是指使用交流伺服電動機，配以滾珠絲杠、齒形帶以及齒輪等元器件來驅動各個機構的注塑機[1]。全電動注塑機智能分析與控制平臺是提高全電動注塑過程安全性和可靠性的重要手段，它提供一個友好的人機交互操作界面，通過工藝參數的設定和存儲、與下位伺服控制系統保持實時通訊、協調調度注塑生產各個環節的任務來保證生產過程的可靠性和安全性。目前歐美日等技術先進國家的全電動注塑機技術已經相當成熟，而我國國內的各大注塑機生產廠家對全電動注塑機控制系統的技術研究尚處于摸索階段[2]。為提高我國國內全電動注塑機的控制精度，提高其實時性和穩定性，本文提出利用VB2008與SQL SERVER 2008結合的技術方法設計全電動注塑機智能分析與控制平臺，以SQL SERVER2008數據庫存儲注塑過程參量，在VB2008上采用串口通訊完成平臺與下位機的通訊，實現工藝參數設定、數據查詢、曲線顯示、警報監控及自動消除等功能。目標是能夠實時反映全電動注塑機整個注塑過程的運行狀態，滿足在線監控系統的應用要求。

1 全電動注塑機智能分析與控制平臺運行機制

1.1 全電動注塑機智能分析與控制平臺結構框架

圖1為所設計的全電動注塑機智能分析與控制平臺結構框架，它由服務器端、執行器端及客戶端三部分組成。服務器端主要用于存儲數據庫及運行相關服務程序；執行器端（包括PLC、伺服電機）按照系統設定控制注塑機動作；系統客戶端一方面通過嵌入式SQL數據塊與數據庫連接，主要完成基于VB分析控制平臺存儲在數據庫中的系統參數、執行機構運行狀態、注塑產品品質參數及曲線等參量的顯示及查詢。另一方面通過串口通訊與執行器端連接，完成對執行器端的動作控制及采集執行器端返回的數據并存儲及顯示。

圖1 全電動注塑機智能分析與控制平臺結構框架

1.2 全電動注塑機任務劃分及優先級確定

全電動注塑機的控制任務可劃分為實時任務和非實時任務兩部分。其中操作信息提示、工藝參數和狀態信息顯示及各種參數的設置等任務對實時性沒有很強的要求，可歸類為非實時任務；與下位機(PLC、伺服電機)的通訊、根據狀態參數確定發送給機器的下一步指令，發送控制指令，安全監控，這些任務能否及時完成直接影響到產品質量及系統安全，需要絕對地保證其實時性，因此歸為實時任務。對于非實時的任務，采用普通優先級，而對于實時任務，則使用遠高于普通優先級的實時任務優先級。表1為各任務劃分及其優先級。

表1 電動注塑機控制任務的劃分及其優先級

1.3 全電動注塑機智能分析與控制平臺運行機制

全電動注塑機的運行機制可歸納為以下五點：1）實時讀取執行器各端口狀態，檢測伺服報警標志位是否置位，如置位則查詢顯示伺服報警信息并發送報警消除命令；2）在線監控注塑流程數據并由執行器通過串口發送到監控模塊進行分析，一方面將與注塑機運行相關參量存儲到服務器端數據庫中，另一方面利用VB曲線分析工具將分析數據顯示在客戶端的曲線監控頁面，方便用戶直觀地監控注塑機運行狀態；3）若客戶端觸發分析控制平臺參數設定圖形控件，系統運行通訊模塊將設定參數通過串口傳送給執行器，控制注塑機各機構動作；4）用戶可實時調用數據庫數據查看注塑過程各參量及機器原始數據；5）系統客戶端通過Internet將本機服務器存儲信息發送給主監控系統，主要完成該時段數據的上傳并將本機服務器數據清零。

2 智能分析與控制平臺設計及實現方法

根據對全電動注塑機智能分析與控制平臺運行機制分析可知，需要解決的關鍵問題有數據庫管理、曲線智能分析、伺服驅動器報警及消除、平臺各任務調度及功能實現方法。

2.1 基于VB的SQL關系數據庫及結構化管理數據

為了更好地管理數據庫，根據本平臺的設計框架要求，注塑流程數據在SQL SERVER 2008中的樹形結構框圖如圖2所示，由該圖可知數據具有可讀性、規范性，VB2008通過數據管理模塊在該樹形結構基礎上操作，更新內容時無需改變整個樹形結構。注塑流程數據數據庫由七類表格組成，其中PLC有五個表格信息，其他電機(伺服電機及變頻電機)分別有三個表格信息。總共有23個表格，利用SQL SERVER 2008關系數據庫實現對數據的規范管理和分析。

VB2008訪問SQL SERVER 2008是利用VB2008的數據管理模塊，在VB2008編程時在類之前引入數據的sql客戶處理空間并且在子程序里面與數據庫連接，之后可通過VB2008直接對數據庫中數據進行查找、插入、刪除及更新等功能。

圖2 注塑流程數據樹形結構框圖

2.2 伺服驅動器報警自動消除及曲線智能分析的實現

全電動注塑機智能分析與控制平臺采用的驅動器為松下的MINAS-A4系列，該驅動器具有各種保護功能。當出現伺服報警時，對應檢測到的伺服報警的錯誤號，通過彈出窗口將具體的警報信息顯示在平臺中央提醒用戶，同時將警報信息存儲進數據庫，并由VB智能分析與監控平臺發送警報消除命令，可實現對該警報的自動消除。自動消除報警命令關鍵程序為：

ReDim c(4)

c(0) = Val("&H" & 0)

c(1) = Val("&H" & 1)

c(2) = Val("&H" & 49)

c(3) = Val("&H" & "b6")

曲線監控模塊通過監測四個電機的工作曲線，采用智能的方法實現對曲線的智能分析，以模具保護為例，首先求出鎖模邊界線，由電機轉矩公式：

其中，P為鎖模電機輸出功率，單位KW，n是鎖模電機轉速，單位r/min。

由式(1)計算求得正常鎖模時的最大轉矩Tmax，即可得鎖模邊界線。然后利用VB2008的繪圖控件Mschart的強大的制作圖表功能，構建智能分析模塊[3]。控件Mschart在使用前需先安裝方可在工具箱里面找到。

模具保護智能控制的工作原理為：1）實時檢測開鎖模電機的轉矩數據并用曲線顯示供用戶監控；2）當開鎖模電機正常運行時曲線部分位于內部設定鎖模邊界線之間；3）如鎖模時出現障礙物鎖模壓力突然增大，轉矩曲線超出內部設定鎖模邊界線，此時監控平臺發送開模命令，鎖模電機自動開模，以免造成對模具的損壞。

2.3 智能分析與控制平臺各任務調度及功能實現方法

由以上任務劃分可知，全電動注塑機智能分析與控制平臺要完成大數據量的實時傳輸與處理，如要實現實時讀取執行器狀態則會導致CPU被高度占用。解決的方法是采用VB的多線程編程機制實現進程內各個子任務并行執行，以同步完成多項任務，提高資源使用效率來提高系統的效率[4]。各任務調度在VB2008上的實現采用了VB2008的api定時器以及后臺工作者組件相結合的方法開啟新線程使平臺異步與執行器通訊，以解決CPU被高度占用的問題。此方法使得線程的使用更容易而且更安全了，其關鍵代碼如下：

2.4 VB2008智能分析與控制平臺基本功能實現

在解決平臺的各個關鍵問題的基礎上，圖3給出VB2008全電動注塑機智能分析與控制平臺功能流程圖。首先通過多個api定時器實現多線程并行讀取多個伺服驅動器及PLC控制器狀態并將數據存儲進數據庫，此后根據用戶操作分時實現如下三方面功能：1）參數設定功能，該功能將要傳送數據打包，一方面通過串口將數據傳送至PLC，另一方面存進數據庫；2）曲線顯示功能，它通過導入數據庫，對要顯示的數據進行分析之后，利用VB2008的Mschart在后臺進行繪圖，之后完成曲線的分析顯示；3）系統數據查閱功能，主要是對導入數據庫的數據進行分析，實現系統數據的查閱顯示。

圖3 VB2008全電動注塑機智能分析與控制平臺功能流程圖

2.5 平臺運行功能測試

在所有硬件設備連接正常的基礎上進行平臺功能測試，對PLC輸入輸出狀態監測功能、報警及自動消除功能、模具保護功能進行測試。1）對PLC輸入輸出狀態端口進行實時監控，測試證明采用串口通訊并利用多線程編程方法可行，且實時性強，其獲取數據的最小周期為17ms；2）對伺服驅動器報警檢測及消除進行測試：實驗中通過手動制造“伺服1過載”警報之后，監控平臺上出現了對應的警報窗口，點擊其上的確定按鈕后平臺可自動發送警報消除命令，實現了智能控制；3）圖4為模具保護功能測試界面。根據鎖模的鎖模邊界線上限設為10N·m，下限為-40N·m，測試可知在平臺對伺服電機數據準確采集的基礎上，動態曲線顯示穩定無閃爍，在采用紙板作合模障礙物時，由圖4可見鎖模曲線超出邊界線，此時開鎖模電機由鎖模狀態自動切換到開模狀態，模具實現自動開模，達到模具保護的目的。

圖4 模具保護功能測試界面

3 結論

通過實驗證明，本文設計的平臺在運行時能根據實時指令執行相應程序，系統具有比較好的在線實時監控性能；以模塊化形式實現系統功能，采用串口通訊完成平臺與下位機通訊，利用多線程方式實現各功能并行運行，同時利用SQL

SERVER 2008實時存儲注塑參數，滿足全電動注塑機的在線監控實時性和穩定性要求，基本實現了對全電動注塑機的注塑過程進行智能分析與控制功能，對推進我國全電動注塑機的控制研究有重要作用。

[1] Ong,Nan Shing,Koh,Yeow Hwee.Experimental Investigation into Micro Injection Molding of Plastic Par.Materials and Manufacturing Processes.2005,20(2):245-253.

[2] 張慶燦.基于Linux的電動注塑機上位控制器開發與任務調度研究[D].廣州:華南理工大學工業裝備與控制工程學院,2007.

[3] 劉篤喜,王彩霞.VB在智能儀表的數據采集與數據處理中的應用[J].儀表技術與傳感器,2008(12):44-45.

[4] 洪一新.Visual Basic 2008程序設計完全自學教程[M].北京:清華大學出版社,2009.