嵌入式吹塑壁厚控制系统的设计与实现

朱丹张伟

(空军第一航空学院航空机械工程系，河南 信阳 464000)

0 引言

吹塑成型机是塑料机械的主导产品之一，80%以上的中空容器采用中空吹塑法成型［1］。试验数据表明，壁厚均匀的塑料中空制品使用原材料少、冷却时间短、耐冲击力强度高。因此，壁厚控制技术不仅是吹塑成型机中的关键技术，也是研制的难点所在。当前，我国在此项技术方面与国外还有一定差距，壁厚控制系统的大部分市场被国外厂商所占据。然而，由于国外产品针对性不强、价格昂贵，因此，无法满足我国塑料工业快速发展的需求。

本系统在研究国内外壁厚控制技术的基础上，结合目前热门的嵌入式技术、LCD显示和触摸屏技术以及RS-485远程传输技术，提出了一种以LPC2220微处理器为核心，以μC/OS-Ⅱ平台为基础的吹塑成型机壁厚控制系统。该系统具有结构简单、价格低廉、性能稳定、实时性好以及使用方便等优点。

1 系统工作原理与组成

壁厚控制系统采用闭环反馈设计，其主要任务是根据用户设定的型坯壁厚轴向变化曲线对挤塑机的出料流速进行控制，从而控制型坯壁厚的变化规律，以保证吹塑后塑料制品的壁厚均匀。

中空吹塑成型是将挤塑机挤出的处于半熔融状态的管状塑料型坯置于各种形状的成型模具中，然后闭合模具，通入压缩空气，利用空气的压力使坯料变形，并与模具壁贴合，经冷却定型后脱模，从而得到中空制品。

吹塑成型机各阶段的工作具体介绍如下。①进料阶段:进料口打开，出料口关闭，处于熔融状态的原料进入储料缸，储料缸的活塞上升;当活塞上升到预定位置时，进料口关闭，结束进料。②挤塑阶段:出料口打开，活塞向下移动将原料挤出，形成管状型坯。③成型阶段:挤塑的同时，吹风口通入压缩空气。当挤塑完成时，模具合模，产品成型［2］。

系统由位置采集单元、计算控制单元和驱动单元组成。位置采集单元通过两个直线位移传感器对储料缸活塞的位置和模芯位置进行实时数据采集。由储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间隙，并进一步得到出料流速。计算控制单元接收到采集的数据后，依据设定曲线，利用既定的控制算法，计算出控制量。驱动单元将根据计算控制单元的决策结果驱动执行机构(电液伺服阀)调整口模间隙(模芯位置)，从而控制出料流速。

2 系统硬件设计

系统硬件由微处理器LPC2220、外部存储器扩展电路、两路直线位移测量电路、输出控制电路、LCD液晶显示电路、触摸屏控制电路、开关量输出电路和RS-485通信电路组成。LPC2220是NXP公司研制的基于ARM7TDMI内核的32位高性能微处理器，它采用RISC结构，功耗低，且其主频可以达到75 MHz，具有64 kB的内部 RAM［3］。LPC2220内部没有集成Flash，所以外扩了2 MB的Flash芯片SST39VF1601。触摸屏采用四线电阻式触摸屏，其控制芯片为ADS7843。硬件电路在设计上充分考虑了系统的可靠性和抗干扰能力，A/D转换器AD7706和D/A转换器TLV5638与微处理器之间的通信电路采用高速光耦6N137进行隔离;RS-485接口电路采用了嵌入式隔离收发器RSM3485CHT，集成了电源隔离、电气隔离和总线保护器。系统硬件电路原理如图1所示。

图1 硬件电路原理图Fig.1 Principle of the hardware circuits

2.1 直线位移测量电路

直线位移测量电路的功能是将直线位移传感器传送过来的电信号按系统设计的要求进行调理，再送入A/D转换器。直线位移传感器又称电阻尺，它将机械位移转换成电压信号，并使该信号与机械运动成正比，其工作原理类似于滑动变阻器。本系统中采用的直线位移传感器的输出为0～5 V的电压。由于A/D转换器AD7706的基准电压为2.5 V，所以测量电压的最大值不能超过2.5 V。如果要测量0～5 V的电压信号，那么就必须将被测信号缩小为原来的一半，直线位移测量电路就是用来实现这个功能的。

测量电路原理如图2所示。

图2 测量电路原理图Fig.2 Principle of the measuring circuit

图2中，D2为5 V的稳压二极管，当输入电压超过5 V，D2就将电压稳定在5 V;C28为滤波电容。

2.2 输出控制电路

本系统的执行机构为电液伺服阀。电液伺服阀是电液转换元件，也是功率放大元件，它将小功率的电输入信号转换为相应的大功率液压信号(如流量、压力)，使执行元件跟随输入信号而动作。根据电液伺服阀的输入电流-输出流量特性曲线可知，输入电流的大小决定流量的大小，输入电流的方向决定液流的方向，所以驱动电液伺服阀需要可变的电流源。

本系统选用的电液伺服阀的驱动电流为－40～40 mA。系统采用TLV5638和INA128产生 －4～4 V的电压，然后利用两个运算放大器将这个电压转换成－40～40 mA的电流。输出控制电路原理如图3所示。

图3 输出控制电路原理图Fig.3 Schematic of output control circuit

TLV5638是TI公司生产的12位双通道数模转换器，INA128为BB公司生产的仪表放大器。TLV5638通过SPI总线(引脚1和2)与LPC2220通信，输出通道A与INA128的负输入端相连，输出通道B与其正输入端相连。调整RG使得INA128的放大倍数为4。TLV5638的通道A始终输出1 V的参考电压，当通道B输出0～2 V的电压时，INA128的输出端(引脚6)就可输出－4～4 V的电压UO。

将图3中的五个节点设为 A、B、C、D、E，其节点电压设为 UA、UB、UC、UD、UE。由运算放大器“虚断”和“虚短”的特性可知，电阻R13两端的电压为:

节点电压UB为:

由 UD=2UA=2UB、UE=UC，可知节点电压 UD为:

电阻R12两端的电压为:

接插件CON4接负载，负载电流就是电阻R12上流过的电流为:

由式(5)可知，此电路最终得到了一个输出范围为－40～40 mA的控制电流。

3 系统软件设计

传统的智能仪表的软件程序大部分是采用前后台方式编写的，后台是一个大的循环程序，前台为多个中断程序。这种方式规模大、系统功能较为复杂，尤其当系统的并发规模较多时，很难保证多任务测量和控制的实时性［4］。而操作系统为应用程序提供了一个使用方便并且可扩展的开发平台。用户只需根据需求，将所要完成的工作合理地划分成不同的任务，明确并建立各个任务间的协调关系即可。综合考虑用户需求和硬件条件，系统最终采用了μC/OS-Ⅱ操作系统作为软件平台。

3.1 应用程序

μC/OS-Ⅱ操作系统环境下应用程序的编写是以任务为模块的，每个任务的主体都是无限循环的特殊函数［5］。

利用操作系统的任务机制，可将整个应用程序按系统功能划分为以下八个任务。

①触摸屏任务:它用来接受用户的输入，判断用户所按下的按键，根据按键值或上位机的命令来控制唤醒或挂起不同的任务，并且将按键值通过消息邮箱发送给界面，进行界面更新;除此之外，触摸屏任务还将用户对系统的设置保存在一个全局结构体中，供所有的任务使用。

②界面更新任务:它负责根据触摸屏发送来的按键值实时进行界面更新;接收报警任务发来的报警信息并显示;接收时钟任务发送的日期和时间并显示。

③时钟任务:它负责日期与时间的设置，当系统时间更新时，将其数值通过消息邮箱发送给界面，进行界面更新。

④RS-485通信任务:它负责接收其他任务传来的数据，并按通信协议打包发送给上位机;同时，接收上位机的命令并将解码发送给触摸屏任务。

⑤报警任务:它负责根据数据采集任务发送过来信息判断报警类型，并以不同的方式进行报警，即将报警信息显示在液晶屏上，同时点亮报警灯。

⑥位置采集任务:它负责每隔10 ms进行一次数据采集，将采集的数据进行数字滤波后送至数据处理任务，如果数据达到报警界限，将信息发送至报警任务。

⑦数据处理任务:它负责利用变速积分PID控制算法，依据用户设定的曲线和采样数据计算出控制量，并将其发送给控制输出任务。

⑧控制输出任务:它负责控制D/A转换器的输出控制量。

应用程序框架如图4所示。图中的箭头表示对其他任务的控制，该控制通过信号量和消息邮箱来实现。

图4 应用程序框架Fig.4 Framework of application program

3.2 控制算法

PID控制是目前世界上应用广泛的控制规律。当采用常规的PID控制算法，在有较大的扰动或者大幅度改变给定值时，由于短时间内会产生较大的偏差，再加上系统有惯性和滞后，在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动［6］。为此，提出了积分分离PID控制算法。但在实践中发现，由于对积分项采取开关控制，造成积分作用时有时无，系统的反应速度降低，稳定性也没有从根本上得到改善，积分分离PID控制算法的控制效果并不理想。

电液伺服系统的典型特征是低阻尼、时变性和非线性，有较大惯性和滞后性，很难得到一个较好的数学模型。此外，壁厚控制要求口模间隙过渡平滑，避免跃变。基于以上原因，本系统采用了变速积分PID控制算法，使积分系数的选取与偏差大小相对应，偏差大时，积分系数减小，积分项作用减弱;反之，积分系数增大，积分项作用增强［7－10］。

变速积分PID控制算法的基本思想是，设置f［E(k)］为 E(k)的函数，当|E(k)|增大时，f［E(k)］减小;反之，f［E(k)］则增大。每次采样后，都用f［E(k)］乘以E(k)，再进行累加，即:

f［E(k)］与|E［k］|呈线性关系，即:

式中:A和 B为两种不同的比较值，且 A＞B。f［E(k)］的值在0～1区间内变化，当偏差大于所给分离区间(A+B)后，f［E(k)］=0，不再进行累加;当|E(k)|≤(A+B)时，f［E(k)］随偏差的减小而增大，累加速度增大，直至偏差小于B后，累加速度达到最大值1。

将f［E(k)］代入PID算式，可得:

变速积分与积分分离控制方法很类似，但调节方式不同。积分分离对积分项采取“开关”控制，在某一阈值完全取消。

变速积分则根据误差的大小改变积分项大小，这属于线性控制。因而，后者调节品质大为提高，动态特性和稳定性都有所改进。

4 系统应用

在生产实践中，对整机所生产的两种产品进行检验，它们分别是15 L和10 L塑料水桶。每种产品抽取五个批次(每批次2000只)，产品检验结果如表1所示。

表1 产品检验结果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，说明系统工作稳定，能够满足生产需求。

5 结束语

基于LPC2220微处理器和μC/OS-Ⅱ操作系统的吹塑壁厚控制系统，其电路设计简洁、体积小、可靠性强、实时性好、拥有人性化的交互界面且操作简便。此外，其还具有良好的可扩展性，可根据用户的需求，加装GSM、GPRS等通信模块，从而实现远程监控和网络化管理。本系统也可测量其他传感器信号，亦可控制其他物理量，只要在现有的软硬件基础上稍加修改，就可应用于其他工控领域，适应性强。

［1］尹健晖，罗飞，蔡文远，等.中空吹塑成型机壁厚控制系统的发展［J］.工程塑料应用，2005，33(10):58 －60.

［2］梁魏东.基于ARM和μCLinux的测控系统的研制［D］.西安:西安理工大学，2006.

［3］周立功.ARM嵌入式系统基础教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005:132－135.

［4］刘冠宇，戴义保，朱丹.ARM7高精度双金属片形变检测系统［J］.自动化仪表，2009，30(9):67 －70.

［5］Labrosse J J.嵌入式实时操作系统—μC/OS-Ⅱ［M］.邵贝贝，译.北京:北京航空航天大学出版社，2003.

［6］乔元勋，曹衍龙.基于AT89C51的豆浆液温度控制系统［J］.组合机床与自动化加工技术，2008(5):45－47.

［7］姜文锐，卢泽生.基于变速积分模糊控制的微驱器建模与仿真［J］.系统仿真学报，2009，21(6):1553 －1556.

［8］曹光伟.基于变速积分PID的主蒸汽温度控制系统［J］.热电技术，2006(3):46－47.

［9］王歆，田雨波，王宝忠.基于变速积分PID的开关磁阻电动机调速系统［J］.微特电机，2008，36(11):50 －52.

［10］徐志强，秦付军.基于变速积分PID的电热锅炉温度控制系统设计与仿真［J］.机电工程技术，2009(12):24－25.