全电动注塑机智能分析与控制平台的设计及实现

陈晓曼，刘桂雄，杨艳娟

（华南理工大学 机械与汽车工程学院 机械电子研究所，广州 510640）

0 引言

全电动注塑机是指使用交流伺服电动机，配以滚珠丝杠、齿形带以及齿轮等元器件来驱动各个机构的注塑机[1]。全电动注塑机智能分析与控制平台是提高全电动注塑过程安全性和可靠性的重要手段，它提供一个友好的人机交互操作界面，通过工艺参数的设定和存储、与下位伺服控制系统保持实时通讯、协调调度注塑生产各个环节的任务来保证生产过程的可靠性和安全性。目前欧美日等技术先进国家的全电动注塑机技术已经相当成熟，而我国国内的各大注塑机生产厂家对全电动注塑机控制系统的技术研究尚处于摸索阶段[2]。为提高我国国内全电动注塑机的控制精度，提高其实时性和稳定性，本文提出利用VB2008与SQL SERVER 2008结合的技术方法设计全电动注塑机智能分析与控制平台，以SQL SERVER2008数据库存储注塑过程参量，在VB2008上采用串口通讯完成平台与下位机的通讯，实现工艺参数设定、数据查询、曲线显示、警报监控及自动消除等功能。目标是能够实时反映全电动注塑机整个注塑过程的运行状态，满足在线监控系统的应用要求。

1 全电动注塑机智能分析与控制平台运行机制

1.1 全电动注塑机智能分析与控制平台结构框架

图1为所设计的全电动注塑机智能分析与控制平台结构框架，它由服务器端、执行器端及客户端三部分组成。服务器端主要用于存储数据库及运行相关服务程序；执行器端（包括PLC、伺服电机）按照系统设定控制注塑机动作；系统客户端一方面通过嵌入式SQL数据块与数据库连接，主要完成基于VB分析控制平台存储在数据库中的系统参数、执行机构运行状态、注塑产品品质参数及曲线等参量的显示及查询。另一方面通过串口通讯与执行器端连接，完成对执行器端的动作控制及采集执行器端返回的数据并存储及显示。

图1 全电动注塑机智能分析与控制平台结构框架

1.2 全电动注塑机任务划分及优先级确定

全电动注塑机的控制任务可划分为实时任务和非实时任务两部分。其中操作信息提示、工艺参数和状态信息显示及各种参数的设置等任务对实时性没有很强的要求，可归类为非实时任务；与下位机(PLC、伺服电机)的通讯、根据状态参数确定发送给机器的下一步指令，发送控制指令，安全监控，这些任务能否及时完成直接影响到产品质量及系统安全，需要绝对地保证其实时性，因此归为实时任务。对于非实时的任务，采用普通优先级，而对于实时任务，则使用远高于普通优先级的实时任务优先级。表1为各任务划分及其优先级。

表1 电动注塑机控制任务的划分及其优先级

1.3 全电动注塑机智能分析与控制平台运行机制

全电动注塑机的运行机制可归纳为以下五点：1）实时读取执行器各端口状态，检测伺服报警标志位是否置位，如置位则查询显示伺服报警信息并发送报警消除命令；2）在线监控注塑流程数据并由执行器通过串口发送到监控模块进行分析，一方面将与注塑机运行相关参量存储到服务器端数据库中，另一方面利用VB曲线分析工具将分析数据显示在客户端的曲线监控页面，方便用户直观地监控注塑机运行状态；3）若客户端触发分析控制平台参数设定图形控件，系统运行通讯模块将设定参数通过串口传送给执行器，控制注塑机各机构动作；4）用户可实时调用数据库数据查看注塑过程各参量及机器原始数据；5）系统客户端通过Internet将本机服务器存储信息发送给主监控系统，主要完成该时段数据的上传并将本机服务器数据清零。

2 智能分析与控制平台设计及实现方法

根据对全电动注塑机智能分析与控制平台运行机制分析可知，需要解决的关键问题有数据库管理、曲线智能分析、伺服驱动器报警及消除、平台各任务调度及功能实现方法。

2.1 基于VB的SQL关系数据库及结构化管理数据

为了更好地管理数据库，根据本平台的设计框架要求，注塑流程数据在SQL SERVER 2008中的树形结构框图如图2所示，由该图可知数据具有可读性、规范性，VB2008通过数据管理模块在该树形结构基础上操作，更新内容时无需改变整个树形结构。注塑流程数据数据库由七类表格组成，其中PLC有五个表格信息，其他电机(伺服电机及变频电机)分别有三个表格信息。总共有23个表格，利用SQL SERVER 2008关系数据库实现对数据的规范管理和分析。

VB2008访问SQL SERVER 2008是利用VB2008的数据管理模块，在VB2008编程时在类之前引入数据的sql客户处理空间并且在子程序里面与数据库连接，之后可通过VB2008直接对数据库中数据进行查找、插入、删除及更新等功能。

图2 注塑流程数据树形结构框图

2.2 伺服驱动器报警自动消除及曲线智能分析的实现

全电动注塑机智能分析与控制平台采用的驱动器为松下的MINAS-A4系列，该驱动器具有各种保护功能。当出现伺服报警时，对应检测到的伺服报警的错误号，通过弹出窗口将具体的警报信息显示在平台中央提醒用户，同时将警报信息存储进数据库，并由VB智能分析与监控平台发送警报消除命令，可实现对该警报的自动消除。自动消除报警命令关键程序为：

ReDim c(4)

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

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

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

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

曲线监控模块通过监测四个电机的工作曲线，采用智能的方法实现对曲线的智能分析，以模具保护为例，首先求出锁模边界线，由电机转矩公式：

其中，P为锁模电机输出功率，单位KW，n是锁模电机转速，单位r/min。

由式(1)计算求得正常锁模时的最大转矩Tmax，即可得锁模边界线。然后利用VB2008的绘图控件Mschart的强大的制作图表功能，构建智能分析模块[3]。控件Mschart在使用前需先安装方可在工具箱里面找到。

模具保护智能控制的工作原理为：1）实时检测开锁模电机的转矩数据并用曲线显示供用户监控；2）当开锁模电机正常运行时曲线部分位于内部设定锁模边界线之间；3）如锁模时出现障碍物锁模压力突然增大，转矩曲线超出内部设定锁模边界线，此时监控平台发送开模命令，锁模电机自动开模，以免造成对模具的损坏。

2.3 智能分析与控制平台各任务调度及功能实现方法

由以上任务划分可知，全电动注塑机智能分析与控制平台要完成大数据量的实时传输与处理，如要实现实时读取执行器状态则会导致CPU被高度占用。解决的方法是采用VB的多线程编程机制实现进程内各个子任务并行执行，以同步完成多项任务，提高资源使用效率来提高系统的效率[4]。各任务调度在VB2008上的实现采用了VB2008的api定时器以及后台工作者组件相结合的方法开启新线程使平台异步与执行器通讯，以解决CPU被高度占用的问题。此方法使得线程的使用更容易而且更安全了，其关键代码如下：

2.4 VB2008智能分析与控制平台基本功能实现

在解决平台的各个关键问题的基础上，图3给出VB2008全电动注塑机智能分析与控制平台功能流程图。首先通过多个api定时器实现多线程并行读取多个伺服驱动器及PLC控制器状态并将数据存储进数据库，此后根据用户操作分时实现如下三方面功能：1）参数设定功能，该功能将要传送数据打包，一方面通过串口将数据传送至PLC，另一方面存进数据库；2）曲线显示功能，它通过导入数据库，对要显示的数据进行分析之后，利用VB2008的Mschart在后台进行绘图，之后完成曲线的分析显示；3）系统数据查阅功能，主要是对导入数据库的数据进行分析，实现系统数据的查阅显示。

图3 VB2008全电动注塑机智能分析与控制平台功能流程图

2.5 平台运行功能测试

在所有硬件设备连接正常的基础上进行平台功能测试，对PLC输入输出状态监测功能、报警及自动消除功能、模具保护功能进行测试。1）对PLC输入输出状态端口进行实时监控，测试证明采用串口通讯并利用多线程编程方法可行，且实时性强，其获取数据的最小周期为17ms；2）对伺服驱动器报警检测及消除进行测试：实验中通过手动制造“伺服1过载”警报之后，监控平台上出现了对应的警报窗口，点击其上的确定按钮后平台可自动发送警报消除命令，实现了智能控制；3）图4为模具保护功能测试界面。根据锁模的锁模边界线上限设为10N·m，下限为-40N·m，测试可知在平台对伺服电机数据准确采集的基础上，动态曲线显示稳定无闪烁，在采用纸板作合模障碍物时，由图4可见锁模曲线超出边界线，此时开锁模电机由锁模状态自动切换到开模状态，模具实现自动开模，达到模具保护的目的。

图4 模具保护功能测试界面

3 结论

通过实验证明，本文设计的平台在运行时能根据实时指令执行相应程序，系统具有比较好的在线实时监控性能；以模块化形式实现系统功能，采用串口通讯完成平台与下位机通讯，利用多线程方式实现各功能并行运行，同时利用SQL

SERVER 2008实时存储注塑参数，满足全电动注塑机的在线监控实时性和稳定性要求，基本实现了对全电动注塑机的注塑过程进行智能分析与控制功能，对推进我国全电动注塑机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] 张庆灿.基于Linux的电动注塑机上位控制器开发与任务调度研究[D].广州:华南理工大学工业装备与控制工程学院,2007.

[3] 刘笃喜,王彩霞.VB在智能仪表的数据采集与数据处理中的应用[J].仪表技术与传感器,2008(12):44-45.

[4] 洪一新.Visual Basic 2008程序设计完全自学教程[M].北京:清华大学出版社,2009.