嵌入式吹塑壁厚控制系統的設計與實現

朱丹張偉

(空軍第一航空學院航空機械工程系，河南 信陽 464000)

0 引言

吹塑成型機是塑料機械的主導產品之一，80%以上的中空容器采用中空吹塑法成型［1］。試驗數據表明，壁厚均勻的塑料中空制品使用原材料少、冷卻時間短、耐沖擊力強度高。因此，壁厚控制技術不僅是吹塑成型機中的關鍵技術，也是研制的難點所在。當前，我國在此項技術方面與國外還有一定差距，壁厚控制系統的大部分市場被國外廠商所占據。然而，由于國外產品針對性不強、價格昂貴，因此，無法滿足我國塑料工業快速發展的需求。

本系統在研究國內外壁厚控制技術的基礎上，結合目前熱門的嵌入式技術、LCD顯示和觸摸屏技術以及RS-485遠程傳輸技術，提出了一種以LPC2220微處理器為核心，以μC/OS-Ⅱ平臺為基礎的吹塑成型機壁厚控制系統。該系統具有結構簡單、價格低廉、性能穩定、實時性好以及使用方便等優點。

1 系統工作原理與組成

壁厚控制系統采用閉環反饋設計，其主要任務是根據用戶設定的型坯壁厚軸向變化曲線對擠塑機的出料流速進行控制，從而控制型坯壁厚的變化規律，以保證吹塑后塑料制品的壁厚均勻。

中空吹塑成型是將擠塑機擠出的處于半熔融狀態的管狀塑料型坯置于各種形狀的成型模具中，然后閉合模具，通入壓縮空氣，利用空氣的壓力使坯料變形，并與模具壁貼合，經冷卻定型后脫模，從而得到中空制品。

吹塑成型機各階段的工作具體介紹如下。①進料階段:進料口打開，出料口關閉，處于熔融狀態的原料進入儲料缸，儲料缸的活塞上升;當活塞上升到預定位置時，進料口關閉，結束進料。②擠塑階段:出料口打開，活塞向下移動將原料擠出，形成管狀型坯。③成型階段:擠塑的同時，吹風口通入壓縮空氣。當擠塑完成時，模具合模，產品成型［2］。

系統由位置采集單元、計算控制單元和驅動單元組成。位置采集單元通過兩個直線位移傳感器對儲料缸活塞的位置和模芯位置進行實時數據采集。由儲料缸活塞的位置可以得到料位信息;由模芯位置可以得到口模間隙，并進一步得到出料流速。計算控制單元接收到采集的數據后，依據設定曲線，利用既定的控制算法，計算出控制量。驅動單元將根據計算控制單元的決策結果驅動執行機構(電液伺服閥)調整口模間隙(模芯位置)，從而控制出料流速。

2 系統硬件設計

系統硬件由微處理器LPC2220、外部存儲器擴展電路、兩路直線位移測量電路、輸出控制電路、LCD液晶顯示電路、觸摸屏控制電路、開關量輸出電路和RS-485通信電路組成。LPC2220是NXP公司研制的基于ARM7TDMI內核的32位高性能微處理器，它采用RISC結構，功耗低，且其主頻可以達到75 MHz，具有64 kB的內部 RAM［3］。LPC2220內部沒有集成Flash，所以外擴了2 MB的Flash芯片SST39VF1601。觸摸屏采用四線電阻式觸摸屏，其控制芯片為ADS7843。硬件電路在設計上充分考慮了系統的可靠性和抗干擾能力，A/D轉換器AD7706和D/A轉換器TLV5638與微處理器之間的通信電路采用高速光耦6N137進行隔離;RS-485接口電路采用了嵌入式隔離收發器RSM3485CHT，集成了電源隔離、電氣隔離和總線保護器。系統硬件電路原理如圖1所示。

圖1 硬件電路原理圖Fig.1 Principle of the hardware circuits

2.1 直線位移測量電路

直線位移測量電路的功能是將直線位移傳感器傳送過來的電信號按系統設計的要求進行調理，再送入A/D轉換器。直線位移傳感器又稱電阻尺，它將機械位移轉換成電壓信號，并使該信號與機械運動成正比，其工作原理類似于滑動變阻器。本系統中采用的直線位移傳感器的輸出為0～5 V的電壓。由于A/D轉換器AD7706的基準電壓為2.5 V，所以測量電壓的最大值不能超過2.5 V。如果要測量0～5 V的電壓信號，那么就必須將被測信號縮小為原來的一半，直線位移測量電路就是用來實現這個功能的。

測量電路原理如圖2所示。

圖2 測量電路原理圖Fig.2 Principle of the measuring circuit

圖2中，D2為5 V的穩壓二極管，當輸入電壓超過5 V，D2就將電壓穩定在5 V;C28為濾波電容。

2.2 輸出控制電路

本系統的執行機構為電液伺服閥。電液伺服閥是電液轉換元件，也是功率放大元件，它將小功率的電輸入信號轉換為相應的大功率液壓信號(如流量、壓力)，使執行元件跟隨輸入信號而動作。根據電液伺服閥的輸入電流-輸出流量特性曲線可知，輸入電流的大小決定流量的大小，輸入電流的方向決定液流的方向，所以驅動電液伺服閥需要可變的電流源。

本系統選用的電液伺服閥的驅動電流為－40～40 mA。系統采用TLV5638和INA128產生 －4～4 V的電壓，然后利用兩個運算放大器將這個電壓轉換成－40～40 mA的電流。輸出控制電路原理如圖3所示。

圖3 輸出控制電路原理圖Fig.3 Schematic of output control circuit

TLV5638是TI公司生產的12位雙通道數模轉換器，INA128為BB公司生產的儀表放大器。TLV5638通過SPI總線(引腳1和2)與LPC2220通信，輸出通道A與INA128的負輸入端相連，輸出通道B與其正輸入端相連。調整RG使得INA128的放大倍數為4。TLV5638的通道A始終輸出1 V的參考電壓，當通道B輸出0～2 V的電壓時，INA128的輸出端(引腳6)就可輸出－4～4 V的電壓UO。

將圖3中的五個節點設為 A、B、C、D、E，其節點電壓設為 UA、UB、UC、UD、UE。由運算放大器“虛斷”和“虛短”的特性可知，電阻R13兩端的電壓為:

節點電壓UB為:

由 UD=2UA=2UB、UE=UC，可知節點電壓 UD為:

電阻R12兩端的電壓為:

接插件CON4接負載，負載電流就是電阻R12上流過的電流為:

由式(5)可知，此電路最終得到了一個輸出范圍為－40～40 mA的控制電流。

3 系統軟件設計

傳統的智能儀表的軟件程序大部分是采用前后臺方式編寫的，后臺是一個大的循環程序，前臺為多個中斷程序。這種方式規模大、系統功能較為復雜，尤其當系統的并發規模較多時，很難保證多任務測量和控制的實時性［4］。而操作系統為應用程序提供了一個使用方便并且可擴展的開發平臺。用戶只需根據需求，將所要完成的工作合理地劃分成不同的任務，明確并建立各個任務間的協調關系即可。綜合考慮用戶需求和硬件條件，系統最終采用了μC/OS-Ⅱ操作系統作為軟件平臺。

3.1 應用程序

μC/OS-Ⅱ操作系統環境下應用程序的編寫是以任務為模塊的，每個任務的主體都是無限循環的特殊函數［5］。

利用操作系統的任務機制，可將整個應用程序按系統功能劃分為以下八個任務。

①觸摸屏任務:它用來接受用戶的輸入，判斷用戶所按下的按鍵，根據按鍵值或上位機的命令來控制喚醒或掛起不同的任務，并且將按鍵值通過消息郵箱發送給界面，進行界面更新;除此之外，觸摸屏任務還將用戶對系統的設置保存在一個全局結構體中，供所有的任務使用。

②界面更新任務:它負責根據觸摸屏發送來的按鍵值實時進行界面更新;接收報警任務發來的報警信息并顯示;接收時鐘任務發送的日期和時間并顯示。

③時鐘任務:它負責日期與時間的設置，當系統時間更新時，將其數值通過消息郵箱發送給界面，進行界面更新。

④RS-485通信任務:它負責接收其他任務傳來的數據，并按通信協議打包發送給上位機;同時，接收上位機的命令并將解碼發送給觸摸屏任務。

⑤報警任務:它負責根據數據采集任務發送過來信息判斷報警類型，并以不同的方式進行報警，即將報警信息顯示在液晶屏上，同時點亮報警燈。

⑥位置采集任務:它負責每隔10 ms進行一次數據采集，將采集的數據進行數字濾波后送至數據處理任務，如果數據達到報警界限，將信息發送至報警任務。

⑦數據處理任務:它負責利用變速積分PID控制算法，依據用戶設定的曲線和采樣數據計算出控制量，并將其發送給控制輸出任務。

⑧控制輸出任務:它負責控制D/A轉換器的輸出控制量。

應用程序框架如圖4所示。圖中的箭頭表示對其他任務的控制，該控制通過信號量和消息郵箱來實現。

圖4 應用程序框架Fig.4 Framework of application program

3.2 控制算法

PID控制是目前世界上應用廣泛的控制規律。當采用常規的PID控制算法，在有較大的擾動或者大幅度改變給定值時，由于短時間內會產生較大的偏差，再加上系統有慣性和滯后，在積分項的作用下，往往會產生較大的超調和長時間的波動［6］。為此，提出了積分分離PID控制算法。但在實踐中發現，由于對積分項采取開關控制，造成積分作用時有時無，系統的反應速度降低，穩定性也沒有從根本上得到改善，積分分離PID控制算法的控制效果并不理想。

電液伺服系統的典型特征是低阻尼、時變性和非線性，有較大慣性和滯后性，很難得到一個較好的數學模型。此外，壁厚控制要求口模間隙過渡平滑，避免躍變。基于以上原因，本系統采用了變速積分PID控制算法，使積分系數的選取與偏差大小相對應，偏差大時，積分系數減小，積分項作用減弱;反之，積分系數增大，積分項作用增強［7－10］。

變速積分PID控制算法的基本思想是，設置f［E(k)］為 E(k)的函數，當|E(k)|增大時，f［E(k)］減小;反之，f［E(k)］則增大。每次采樣后，都用f［E(k)］乘以E(k)，再進行累加，即:

f［E(k)］與|E［k］|呈線性關系，即:

式中:A和 B為兩種不同的比較值，且 A＞B。f［E(k)］的值在0～1區間內變化，當偏差大于所給分離區間(A+B)后，f［E(k)］=0，不再進行累加;當|E(k)|≤(A+B)時，f［E(k)］隨偏差的減小而增大，累加速度增大，直至偏差小于B后，累加速度達到最大值1。

將f［E(k)］代入PID算式，可得:

變速積分與積分分離控制方法很類似，但調節方式不同。積分分離對積分項采取“開關”控制，在某一閾值完全取消。

變速積分則根據誤差的大小改變積分項大小，這屬于線性控制。因而，后者調節品質大為提高，動態特性和穩定性都有所改進。

4 系統應用

在生產實踐中，對整機所生產的兩種產品進行檢驗，它們分別是15 L和10 L塑料水桶。每種產品抽取五個批次(每批次2000只)，產品檢驗結果如表1所示。

表1 產品檢驗結果Tab.1 Inspection results of the products

由表1可知，±30 g的成品率均在99.3%以上，±15 g的成品率均在98.6%以上，說明系統工作穩定，能夠滿足生產需求。

5 結束語

基于LPC2220微處理器和μC/OS-Ⅱ操作系統的吹塑壁厚控制系統，其電路設計簡潔、體積小、可靠性強、實時性好、擁有人性化的交互界面且操作簡便。此外，其還具有良好的可擴展性，可根據用戶的需求，加裝GSM、GPRS等通信模塊，從而實現遠程監控和網絡化管理。本系統也可測量其他傳感器信號，亦可控制其他物理量，只要在現有的軟硬件基礎上稍加修改，就可應用于其他工控領域，適應性強。

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