陳曉曼，劉桂雄，楊艷娟

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 機(jī)械電子研究所，廣州 510640）

0 引言

全電動(dòng)注塑機(jī)是指使用交流伺服電動(dòng)機(jī)，配以滾珠絲杠、齒形帶以及齒輪等元器件來驅(qū)動(dòng)各個(gè)機(jī)構(gòu)的注塑機(jī)[1]。全電動(dòng)注塑機(jī)智能分析與控制平臺(tái)是提高全電動(dòng)注塑過程安全性和可靠性的重要手段，它提供一個(gè)友好的人機(jī)交互操作界面，通過工藝參數(shù)的設(shè)定和存儲(chǔ)、與下位伺服控制系統(tǒng)保持實(shí)時(shí)通訊、協(xié)調(diào)調(diào)度注塑生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的任務(wù)來保證生產(chǎn)過程的可靠性和安全性。目前歐美日等技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的全電動(dòng)注塑機(jī)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而我國(guó)國(guó)內(nèi)的各大注塑機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)全電動(dòng)注塑機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)研究尚處于摸索階段[2]。為提高我國(guó)國(guó)內(nèi)全電動(dòng)注塑機(jī)的控制精度，提高其實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，本文提出利用VB2008與SQL SERVER 2008結(jié)合的技術(shù)方法設(shè)計(jì)全電動(dòng)注塑機(jī)智能分析與控制平臺(tái)，以SQL SERVER2008數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)注塑過程參量，在VB2008上采用串口通訊完成平臺(tái)與下位機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)查詢、曲線顯示、警報(bào)監(jiān)控及自動(dòng)消除等功能。目標(biāo)是能夠?qū)崟r(shí)反映全電動(dòng)注塑機(jī)整個(gè)注塑過程的運(yùn)行狀態(tài)，滿足在線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

1 全電動(dòng)注塑機(jī)智能分析與控制平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制

1.1 全電動(dòng)注塑機(jī)智能分析與控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)框架

圖1為所設(shè)計(jì)的全電動(dòng)注塑機(jī)智能分析與控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)框架，它由服務(wù)器端、執(zhí)行器端及客戶端三部分組成。服務(wù)器端主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫及運(yùn)行相關(guān)服務(wù)程序；執(zhí)行器端（包括PLC、伺服電機(jī)）按照系統(tǒng)設(shè)定控制注塑機(jī)動(dòng)作；系統(tǒng)客戶端一方面通過嵌入式SQL數(shù)據(jù)塊與數(shù)據(jù)庫連接，主要完成基于VB分析控制平臺(tái)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)參數(shù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)、注塑產(chǎn)品品質(zhì)參數(shù)及曲線等參量的顯示及查詢。另一方面通過串口通訊與執(zhí)行器端連接，完成對(duì)執(zhí)行器端的動(dòng)作控制及采集執(zhí)行器端返回的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)及顯示。

圖1 全電動(dòng)注塑機(jī)智能分析與控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)框架

1.2 全電動(dòng)注塑機(jī)任務(wù)劃分及優(yōu)先級(jí)確定

全電動(dòng)注塑機(jī)的控制任務(wù)可劃分為實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)兩部分。其中操作信息提示、工藝參數(shù)和狀態(tài)信息顯示及各種參數(shù)的設(shè)置等任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性沒有很強(qiáng)的要求，可歸類為非實(shí)時(shí)任務(wù)；與下位機(jī)(PLC、伺服電機(jī))的通訊、根據(jù)狀態(tài)參數(shù)確定發(fā)送給機(jī)器的下一步指令，發(fā)送控制指令，安全監(jiān)控，這些任務(wù)能否及時(shí)完成直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量及系統(tǒng)安全，需要絕對(duì)地保證其實(shí)時(shí)性，因此歸為實(shí)時(shí)任務(wù)。對(duì)于非實(shí)時(shí)的任務(wù)，采用普通優(yōu)先級(jí)，而對(duì)于實(shí)時(shí)任務(wù)，則使用遠(yuǎn)高于普通優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)任務(wù)優(yōu)先級(jí)。表1為各任務(wù)劃分及其優(yōu)先級(jí)。

表1 電動(dòng)注塑機(jī)控制任務(wù)的劃分及其優(yōu)先級(jí)

1.3 全電動(dòng)注塑機(jī)智能分析與控制平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制

全電動(dòng)注塑機(jī)的運(yùn)行機(jī)制可歸納為以下五點(diǎn)：1）實(shí)時(shí)讀取執(zhí)行器各端口狀態(tài)，檢測(cè)伺服報(bào)警標(biāo)志位是否置位，如置位則查詢顯示伺服報(bào)警信息并發(fā)送報(bào)警消除命令；2）在線監(jiān)控注塑流程數(shù)據(jù)并由執(zhí)行器通過串口發(fā)送到監(jiān)控模塊進(jìn)行分析，一方面將與注塑機(jī)運(yùn)行相關(guān)參量存儲(chǔ)到服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫中，另一方面利用VB曲線分析工具將分析數(shù)據(jù)顯示在客戶端的曲線監(jiān)控頁面，方便用戶直觀地監(jiān)控注塑機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；3）若客戶端觸發(fā)分析控制平臺(tái)參數(shù)設(shè)定圖形控件，系統(tǒng)運(yùn)行通訊模塊將設(shè)定參數(shù)通過串口傳送給執(zhí)行器，控制注塑機(jī)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作；4）用戶可實(shí)時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)查看注塑過程各參量及機(jī)器原始數(shù)據(jù)；5）系統(tǒng)客戶端通過Internet將本機(jī)服務(wù)器存儲(chǔ)信息發(fā)送給主監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成該時(shí)段數(shù)據(jù)的上傳并將本機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)清零。

2 智能分析與控制平臺(tái)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)對(duì)全電動(dòng)注塑機(jī)智能分析與控制平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制分析可知，需要解決的關(guān)鍵問題有數(shù)據(jù)庫管理、曲線智能分析、伺服驅(qū)動(dòng)器報(bào)警及消除、平臺(tái)各任務(wù)調(diào)度及功能實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 基于VB的SQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫及結(jié)構(gòu)化管理數(shù)據(jù)

為了更好地管理數(shù)據(jù)庫，根據(jù)本平臺(tái)的設(shè)計(jì)框架要求，注塑流程數(shù)據(jù)在SQL SERVER 2008中的樹形結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，由該圖可知數(shù)據(jù)具有可讀性、規(guī)范性，VB2008通過數(shù)據(jù)管理模塊在該樹形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上操作，更新內(nèi)容時(shí)無需改變整個(gè)樹形結(jié)構(gòu)。注塑流程數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫由七類表格組成，其中PLC有五個(gè)表格信息，其他電機(jī)(伺服電機(jī)及變頻電機(jī))分別有三個(gè)表格信息?？偣灿?3個(gè)表格，利用SQL SERVER 2008關(guān)系數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的規(guī)范管理和分析。

VB2008訪問SQL SERVER 2008是利用VB2008的數(shù)據(jù)管理模塊，在VB2008編程時(shí)在類之前引入數(shù)據(jù)的sql客戶處理空間并且在子程序里面與數(shù)據(jù)庫連接，之后可通過VB2008直接對(duì)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行查找、插入、刪除及更新等功能。

圖2 注塑流程數(shù)據(jù)樹形結(jié)構(gòu)框圖

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器報(bào)警自動(dòng)消除及曲線智能分析的實(shí)現(xiàn)

全電動(dòng)注塑機(jī)智能分析與控制平臺(tái)采用的驅(qū)動(dòng)器為松下的MINAS-A4系列，該驅(qū)動(dòng)器具有各種保護(hù)功能。當(dāng)出現(xiàn)伺服報(bào)警時(shí)，對(duì)應(yīng)檢測(cè)到的伺服報(bào)警的錯(cuò)誤號(hào)，通過彈出窗口將具體的警報(bào)信息顯示在平臺(tái)中央提醒用戶，同時(shí)將警報(bào)信息存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫，并由VB智能分析與監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送警報(bào)消除命令，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該警報(bào)的自動(dòng)消除。自動(dòng)消除報(bào)警命令關(guān)鍵程序?yàn)椋?/p>

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(jiān)控模塊通過監(jiān)測(cè)四個(gè)電機(jī)的工作曲線，采用智能的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)曲線的智能分析，以模具保護(hù)為例，首先求出鎖模邊界線，由電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式：

其中，P為鎖模電機(jī)輸出功率，單位KW，n是鎖模電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min。

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

模具保護(hù)智能控制的工作原理為：1）實(shí)時(shí)檢測(cè)開鎖模電機(jī)的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)并用曲線顯示供用戶監(jiān)控；2）當(dāng)開鎖模電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)曲線部分位于內(nèi)部設(shè)定鎖模邊界線之間；3）如鎖模時(shí)出現(xiàn)障礙物鎖模壓力突然增大，轉(zhuǎn)矩曲線超出內(nèi)部設(shè)定鎖模邊界線，此時(shí)監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送開模命令，鎖模電機(jī)自動(dòng)開模，以免造成對(duì)模具的損壞。

2.3 智能分析與控制平臺(tái)各任務(wù)調(diào)度及功能實(shí)現(xiàn)方法

由以上任務(wù)劃分可知，全電動(dòng)注塑機(jī)智能分析與控制平臺(tái)要完成大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)傳輸與處理，如要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀取執(zhí)行器狀態(tài)則會(huì)導(dǎo)致CPU被高度占用。解決的方法是采用VB的多線程編程機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程內(nèi)各個(gè)子任務(wù)并行執(zhí)行，以同步完成多項(xiàng)任務(wù)，提高資源使用效率來提高系統(tǒng)的效率[4]。各任務(wù)調(diào)度在VB2008上的實(shí)現(xiàn)采用了VB2008的api定時(shí)器以及后臺(tái)工作者組件相結(jié)合的方法開啟新線程使平臺(tái)異步與執(zhí)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(guān)鍵代碼如下：

2.4 VB2008智能分析與控制平臺(tái)基本功能實(shí)現(xiàn)

在解決平臺(tái)的各個(gè)關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)上，圖3給出VB2008全電動(dòng)注塑機(jī)智能分析與控制平臺(tái)功能流程圖。首先通過多個(gè)api定時(shí)器實(shí)現(xiàn)多線程并行讀取多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器及PLC控制器狀態(tài)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫，此后根據(jù)用戶操作分時(shí)實(shí)現(xiàn)如下三方面功能：1）參數(shù)設(shè)定功能，該功能將要傳送數(shù)據(jù)打包，一方面通過串口將數(shù)據(jù)傳送至PLC，另一方面存進(jìn)數(shù)據(jù)庫；2）曲線顯示功能，它通過導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，對(duì)要顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，利用VB2008的Mschart在后臺(tái)進(jìn)行繪圖，之后完成曲線的分析顯示；3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)查閱功能，主要是對(duì)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查閱顯示。

圖3 VB2008全電動(dòng)注塑機(jī)智能分析與控制平臺(tái)功能流程圖

2.5 平臺(tái)運(yùn)行功能測(cè)試

在所有硬件設(shè)備連接正常的基礎(chǔ)上進(jìn)行平臺(tái)功能測(cè)試，對(duì)PLC輸入輸出狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能、報(bào)警及自動(dòng)消除功能、模具保護(hù)功能進(jìn)行測(cè)試。1）對(duì)PLC輸入輸出狀態(tài)端口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，測(cè)試證明采用串口通訊并利用多線程編程方法可行，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，其獲取數(shù)據(jù)的最小周期為17ms；2）對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器報(bào)警檢測(cè)及消除進(jìn)行測(cè)試：實(shí)驗(yàn)中通過手動(dòng)制造“伺服1過載”警報(bào)之后，監(jiān)控平臺(tái)上出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的警報(bào)窗口，點(diǎn)擊其上的確定按鈕后平臺(tái)可自動(dòng)發(fā)送警報(bào)消除命令，實(shí)現(xiàn)了智能控制；3）圖4為模具保護(hù)功能測(cè)試界面。根據(jù)鎖模的鎖模邊界線上限設(shè)為10N·m，下限為-40N·m，測(cè)試可知在平臺(tái)對(duì)伺服電機(jī)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)曲線顯示穩(wěn)定無閃爍，在采用紙板作合模障礙物時(shí)，由圖4可見鎖模曲線超出邊界線，此時(shí)開鎖模電機(jī)由鎖模狀態(tài)自動(dòng)切換到開模狀態(tài)，模具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開模，達(dá)到模具保護(hù)的目的。

圖4 模具保護(hù)功能測(cè)試界面

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)在運(yùn)行時(shí)能根據(jù)實(shí)時(shí)指令執(zhí)行相應(yīng)程序，系統(tǒng)具有比較好的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控性能；以模塊化形式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，采用串口通訊完成平臺(tái)與下位機(jī)通訊，利用多線程方式實(shí)現(xiàn)各功能并行運(yùn)行，同時(shí)利用SQL

SERVER 2008實(shí)時(shí)存儲(chǔ)注塑參數(shù)，滿足全電動(dòng)注塑機(jī)的在線監(jiān)控實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)全電動(dòng)注塑機(jī)的注塑過程進(jìn)行智能分析與控制功能，對(duì)推進(jìn)我國(guó)全電動(dòng)注塑機(jī)的控制研究有重要作用。

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