門雅范，余曉霞

（河南信息工程學校，河南省鄭州市 450011）

在化工產(chǎn)品生產(chǎn)加工領域，注塑是其中一個重要分支，主要作用是將熱塑材料利用模具制成各種產(chǎn)品。傳統(tǒng)注塑主要通過人工完成，不僅效率低，且對溫度控制不精準，導致產(chǎn)品存在質量問題，更重要的是，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，高溫環(huán)境危害工作人員的身體健康，且一旦發(fā)生事故，將產(chǎn)生不可估量的后果。因此，隨著科學技術的不斷進步，注塑生產(chǎn)逐漸向著智能化、自動化發(fā)展，而注塑機器人就是最明顯的體現(xiàn)［1］。注塑機器人是模擬人類思維與行為的一種智能化注塑設備，它既可以接收人類的指揮，又可以按照預先設定的程序執(zhí)行任務。在注塑機器人組成當中，監(jiān)控系統(tǒng)決定著機器人生產(chǎn)的穩(wěn)定性和準確性，因此，研究一種有效的智能監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。以往研究的注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)，如基于CAN總線和基于Web的兩種傳統(tǒng)注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)，存在的最大問題在于傳輸能力與數(shù)據(jù)處理能力不足，導致注塑機器人無法完全按照預期標準完成任務，從而造成產(chǎn)品質量達不到預期效果，影響了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［2］。針對上述問題，設計了一種基于ZigBee拓撲結構的注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)借鑒瀏覽器（B）/服務器（S）三層結構，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層以及數(shù)據(jù)顯示層，在此基礎上根據(jù)各層需要選擇硬件組成設備，如傳感器、ZigBee通信網(wǎng)絡、中心處理芯片、驅動器、顯示器等，最后根據(jù)硬件組成設計相應的軟件運行程序，為硬件運行提供指導，并對該系統(tǒng)性能進行仿真測試。

1 基于ZigBee的注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)設計

隨著注塑加工行業(yè)的迅速發(fā)展及科技的不斷進步，注塑成型設備的自動化水平越來越高。許多企業(yè)為滿足需求，將注塑機器人應用到產(chǎn)品生產(chǎn)加工中，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)盈利［3］。此外，注塑機器人可以代替人工完成多個危險程序，尤其在對聚乙烯、聚氨酯等材料進行高溫注塑時，可以極大改善勞動條件，減少事故發(fā)生率。注塑機器人生產(chǎn)工藝流程一般為四個步驟：填充、保壓、冷卻、脫模。在這一過程中，注塑保壓和冷卻是關鍵步驟。而在這兩個步驟中，注射壓力、注射溫度兩個參數(shù)控制是重中之重［4］。一般人工控制是很難精準掌握的，為此，研究注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。

1.1 系統(tǒng)框架構成

所謂B/S三層結構，是指由數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務邏輯層以及表示層組成的分層式結構。其中，數(shù)據(jù)訪問層為基礎層，主要作用是對數(shù)據(jù)進行保存和讀?。粯I(yè)務邏輯層處于訪問層與表示層之間，是系統(tǒng)設計中的關鍵，主要負責數(shù)據(jù)的分析與處理，同時也起到上下兩個層次的連接作用；表示層是人機交互層，在接受訪問請求的同時，以圖表的形式呈現(xiàn)結果數(shù)據(jù)［5］。

本工作借鑒B/S結構，將框架也分為三個層次，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層以及數(shù)據(jù)顯示層，見圖1。在上述系統(tǒng)三層結構中，每一層都是獨立的，相互不干涉，但又相互連接，上一層為下一層服務，下一層承接上一層的操作結果。具體過程為：采集層采集數(shù)據(jù)，利用ZigBee將其傳輸給數(shù)據(jù)分析層，得出分析結果，并實現(xiàn)自動預警，最后根據(jù)用戶請求指令，將結果傳輸呈現(xiàn)給用戶，實現(xiàn)人機交互［6］。

圖1 系統(tǒng)整體框架Fig.1 Overall framework of system

1.2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件，即組成系統(tǒng)的各實體部件，主要發(fā)揮計算、控制、存儲、輸入和輸出功能，為整體系統(tǒng)運行提供載體［7］。根據(jù)系統(tǒng)框架，系統(tǒng)硬件包括傳感器、ZigBee通信網(wǎng)絡、中心處理芯片、驅動器、顯示器等。

1.2.1 傳感器

在注塑工藝中，保壓和冷卻是最難控制的環(huán)節(jié)。保壓環(huán)節(jié)中，在對模腔持續(xù)施加壓力時，超過擠壓段的設定壓力，熔體成型就可能產(chǎn)生毛邊，而一旦達不到設定壓力，產(chǎn)品就會出現(xiàn)凹痕；而在冷卻環(huán)節(jié)，冷卻溫度掌控不精準，就會導致冷卻不均勻，進一步造成產(chǎn)品翹曲變形。為此，實時監(jiān)測注射壓力、注射溫度兩個參數(shù)具有重要作用。為有效完成這一任務，需要在注塑機器人上安裝兩種傳感器，即壓力傳感器和溫度傳感器，完成對注射壓力、注射溫度的監(jiān)控。傳感器是一種能夠感受到被測量目標的相關信息，并按一定規(guī)律將信息變換成電信號，其組成包括敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源［8］。選用青島奧博儀表設備有限公司的YBY型壓力傳感器，該傳感器由固態(tài)壓力傳感器和低漂移高精度單片二線制儀表放大器組裝而成，由于傳感器被封裝在316不銹鋼隔離膜片內，通過硅油傳遞壓力，使儀表能耐大多數(shù)腐蝕性介質的侵蝕，可用來測量高溫液體、氣體和蒸汽壓力，并將其轉換成4～20 mA標準電流輸出信號。而溫度傳感器選用美國Dallas半導體公司的DS1821型高溫數(shù)字傳感器，其工作原理是利用鉑金屬在溫度變化時自身電阻也隨著變化的特性來測量溫度，然后采用二線傳送方式進行傳輸，可用來測量各種液體、氣體的溫度［9］，具有精度高、分辨率好，安全可靠、使用方便等優(yōu)點。DS1821型高溫數(shù)字傳感器是帶有用戶可編程觸發(fā)點的獨立恒溫器和1線數(shù)字接口的8位溫度傳感器。恒溫器觸發(fā)點存儲在非易失性存儲器中，因此，DS1821型高溫數(shù)字傳感器單元可以在系統(tǒng)插入前編程，以實現(xiàn)真正的獨立運行。DS1821型高溫數(shù)字傳感器的工作溫度為-55～125 ℃，在0～85 ℃可精確到±1 ℃。

1.2.2 ZigBee通信網(wǎng)絡

傳感器位于系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)采集層中，當需要將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上層數(shù)據(jù)分析層進行分析時，會以通信網(wǎng)絡為載體進行傳輸。目前，通信網(wǎng)絡應用最廣泛的有光纖、CAN總線、無線寬帶、藍牙、Web等，但這些通信手段并不適用于注塑生產(chǎn)監(jiān)測中，因此，本工作采用ZigBee通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，該傳輸方式適用于近距離傳輸，只需很少的能耗就能完成一個節(jié)點到另一個節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，通信效率較高［10］。ZigBee通信網(wǎng)絡根據(jù)拓撲結構的形狀可以將其分為三種類型：星型、樹型和網(wǎng)狀型，見圖2。

圖2 ZigBee通信網(wǎng)絡拓撲結構Fig.2 Structure of ZigBee communication network topological structure

在上述3種方法中，網(wǎng)狀型通信網(wǎng)絡拓撲結構的連接形式最為簡單，所用線纜最短，增加或移除電纜比較靈活，個別節(jié)點即使發(fā)生故障，也不會影響網(wǎng)絡中其他節(jié)點的正常工作。因此，本系統(tǒng)通信選用網(wǎng)狀型拓撲網(wǎng)絡結構作為載體，以改善通信延時，加快系統(tǒng)響應速度，提高注塑產(chǎn)品精度。

1.2.3 中心處理芯片

在系統(tǒng)設計中，中心處理芯片是核心硬件，負責最大限度地挖掘系統(tǒng)軟硬件之間的并發(fā)性，協(xié)調軟硬件體系結構，以使系統(tǒng)工作保持在最佳工作狀態(tài)，是整個系統(tǒng)硬件設備運行的大腦［11］。在本系統(tǒng)設計中，選擇德州儀器半導體公司的CC2430F128RTCR型芯片作為中心處理芯片，其最大特點是可以滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz無線頻段應用。

1.2.4 驅動器

經(jīng)過中心處理芯片分析后，會得出壓力與溫度控制的結果，當這一控制結果不符合設定標準，中心處理芯片會發(fā)出調整命令，驅動現(xiàn)場設備對注射壓力參數(shù)或溫度參數(shù)進行調整［12］。這時，驅動器起到重要作用。根據(jù)注塑設備，選用濟南科亞電子科技有限公司的220DP04 BL/AL型驅動器。該伺服驅動器采用全方位保護設計，具有高效率傳動性能，且具有控制精度高、運行平穩(wěn)、可靠、響應時間快、采用全隔離方式控制等特點，尤其在低轉速運行下有較高的扭矩及良好的性能。與其他驅動器相比，該驅動器馬達運轉噪音小、高效率、低維護、可更好地提高直流馬達的使用壽命；且通過簡單的無源開關量或晶體管集電極開路就可以實現(xiàn)其中某一項功能。

1.2.5 顯示器

顯示器是系統(tǒng)人機交互唯一的窗口，主要作用有：顯示相關數(shù)據(jù)信息；注塑過程監(jiān)測與跟蹤；用戶結果查詢與瀏覽；寫入和修改工藝程序；設定和修改參數(shù)；輸出指令，控制設備運作［13］。選擇美國霍尼韋爾國際公司的HIMA-TS MIMA-TS-S07型觸摸屏作為顯示設備。該觸摸屏采用工業(yè)級設計，前面板具有IP65防水等級。通過不同的通信方式可與不同類型控制器交互，且可自由編輯用戶顯示界面，使操作者輕松便捷地對設備進行監(jiān)控。

1.3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件是指控制和協(xié)調計算機及外部設備，支持應用軟件開發(fā)和運行的系統(tǒng)，主要功能是將各種獨立的硬件集合為一體，來協(xié)調和控制硬件設備。本系統(tǒng)軟件程序運行流程見圖3。系統(tǒng)啟動后，進行初始化操作，首先利用安裝在注塑機器人上的壓力傳感器和溫度傳感器采集注塑過程中保壓環(huán)節(jié)和冷卻環(huán)節(jié)中壓力和溫度數(shù)據(jù)，并將其轉換成電信號，然后利用傳感器中的數(shù)字信號處理元件對電信號進行處理，包括放大、去噪、解調等，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析奠定基礎，再利用ZigBee通信網(wǎng)絡將電信號傳輸給數(shù)據(jù)分析層中的中心處理芯片，利用該芯片強大的運算分析功能，將采集到的壓力數(shù)據(jù)或溫度數(shù)據(jù)與預先設定好的標準進行對比，當壓力或溫度不符合標準時，一方面會觸動預警裝置，提醒工作人員當前注塑生產(chǎn)出現(xiàn)問題，以便及時進行調整，另一方面會將結果以表格、圖形等形式傳輸給表示層中的觸摸屏，這時工作人員會根據(jù)得到的結果輸出決策指令，并下達給中心處理芯片，而中心處理芯片會根據(jù)指令啟動驅動器，接著驅動器會驅動現(xiàn)場設備進行相應調整，使注射壓力和溫度達到設定的標準［14］。

圖3 系統(tǒng)主程序運行流程Fig.3 Operation flow of main program of system

2 系統(tǒng)性能仿真測試

主要驗證系統(tǒng)的傳輸性能與數(shù)據(jù)處理性能。傳輸性能指信號傳輸延時與丟包率；而數(shù)據(jù)處理性能指系統(tǒng)的吞吐量，即在單位時間內能處理多少個事務/請求/單位數(shù)據(jù)等［15］。測試對象包括基于ZigBee拓撲結構的注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)、基于CAN總線和基于Web的兩種傳統(tǒng)注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 搭建系統(tǒng)測試平臺

系統(tǒng)測試平臺主要由計算機、傳感器、顯示器、通信線路以及注塑機器人等組成，見圖4。該平臺參數(shù)設置見表1。

圖4 系統(tǒng)測試平臺Fig.4 Test platform of system

表1 測試平臺參數(shù)設置Tab.1 Parameter settings of test platform

2.2 性能測試

2.2.1 傳輸性能

測試信號強度為100%，與路由器距離為120 m，測試20次，分別記錄傳輸延遲的最大、最小、平均值以及超時丟包次數(shù)。從表2可以看出：基于ZigBee拓撲結構的注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)應用下，傳輸延遲的最大值為0.87 s，最小值為0.12 s，平均值為0.45 s，無超時丟包，與基于CAN總線和基于Web的兩種傳統(tǒng)注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)相比，各項參數(shù)均更優(yōu)越。這說明基于ZigBee拓撲結構的注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)解決了兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)在傳輸性能方面的問題。

表2 系統(tǒng)的傳輸性能Tab.2 Transmission performance of system

2.2.2 處理性能

評價系統(tǒng)吞吐量的幾個重要參數(shù)包括：每秒的請求/事務數(shù)量；并發(fā)數(shù)，即系統(tǒng)同時處理的請求/事務數(shù)量；響應時間，系統(tǒng)平均響應時間。從表3可以看出：利用基于ZigBee拓撲結構的注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)處理1 600 B數(shù)據(jù)包，事務數(shù)量為158，較基于CAN總線和基于Web的兩種傳統(tǒng)注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)分別高71和70；并發(fā)數(shù)為8，較基于CAN總線和基于Web兩種傳統(tǒng)注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)均高3； 響應時間為0.54 s，較基于CAN總線和基于Web兩種傳統(tǒng)注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)分別少0.31，0.43 s。由此可知，基于ZigBee拓撲結構的注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)的吞吐量更高，說明在單位時間內，ZigBee系統(tǒng)能更多、更快速地處理事物，處理能力更好。

表3 系統(tǒng)處理性能Tab.3 Processing performance of system

3 結論

a）設計了一種基于ZigBee拓撲結構的注塑機器人監(jiān)控系統(tǒng)。

b）該系統(tǒng)利用ZigBee通信網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)信息，改善了系統(tǒng)傳輸性能，系統(tǒng)響應時間縮短，丟包率降低，同時，系統(tǒng)吞吐量提高，信息處理性能增強。