高性能智能化多层共挤吹塑装备关键技术的研究

明五一，沈娣丽，郭建文，张臻，陈志，李贺

(1.东莞华科精机有限公司，广东东莞523808;2.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉430074;3.中州大学工程技术学院，河南郑州450015;4.东莞华中科技大学制造工程研究院，广东省制造装备数字化重点实验室，广东东莞523808)

0 前言

制造装备在整个制造业中具有基础性和战略性地位，而数控技术是一个国家制造业核心竞争力和整体制造技术水平的重要标志。随着数控技术的不断发展，其应用范围几乎覆盖所有的制造业领域，且优势越来越明显。除制造装备外，国民经济各行各业以及军工业中的众多机械产品都可以通过应用数控技术实现升级换代。

目前，我国包装工业已形成以纸、塑料、金属、玻璃、印刷和包装机械等为主要产品的独立、完整、门类齐全的工业体系，2011年其总产值突破13 000亿元大关，成为仅次于美国的世界第二包装大国。包装产业链的重要一环是包装印刷，与此同时印刷包装机械广泛存在高速点位控制、同步控制、数字伺服驱动、电子凸轮以及张力控制等数控技术需求。而我国由于缺乏这些技术积累，实现这些行业的核心控制装置完全被欧美公司所垄断。因此，吸收消化国外的先进技术，打破国外技术封锁和产品垄断，研发具有自主知识产权的印刷包装机械数控系统的核心技术，降低设备成本，实现印刷包装控制装置的高性能和智能化有着重要的科学和社会意义。

多层共挤膜是多种塑料原料分许多层同时从一个口模挤出成形的薄膜，采用此种生产方式可以充分发挥不同材料的优点。多层共挤技术就是将多种物料在熔融状态下，通过特殊的机头挤出后形成一种新型的功能薄膜加工方式，这种多功能薄膜是由多层阻隔层(1 ～3 层阻隔层)多种组合共挤，可以吹出能够满足市场任何需求的薄膜。目前大部分食品包装膜都是该种共挤复合膜，然而高端多层共挤吹塑装备仍需要进口，因此，设计、制造一种高性能智能化具有自主知识产权的多层共挤吹塑装备，降低下游用户企业的生产成本，提高整个行业的附加值，对整个行业的发展具有重要意义，而该装备研发成功与否取决于数控系统是否成功开发。

1 总体设计思想

高性能智能化多层共挤吹塑装备关键技术总体设计思想如图1所示。首先是研究该装备必需的底层支撑算法;其次，在支撑算法研究的基础上，基于片上优化技术，将运行于上位机的算法改造成能够在芯片上实现的硬件算法;再次，基于研制的核心芯片，扩展成具备独立功能的控制器;最后，通过系统集成实现吹塑装备。

图1 高性能智能化多层共挤吹塑装备关键技术总体设计思想

2 算法研究

目前，国内外专家主要完成了“基于群智能的总线调度算法”、“基于进化计算与模糊融合的智能控制算法”和“基于谱聚类与流形学习的智能故障诊断算法”三类底层支撑算法。CHIOU J P，朱亚琪，崔娇等人［1－3］对基于群智能算法做了深入研究;李军、何加浪［4－5］等对基于进化计算算法进行了深入研究，并有一定的应用成果;杨锋等人［6］研究了基于改进谱聚类与粒子群优化算法在图像分割中的应用。作者总结上述相关研究成果，针对吹塑装备的特点，再结合人工智能、控制与控制领域的最新成果，研究出具有针对性的、高效的适合于大型吹塑装备的总线调度、控制与故障诊断算法。

评价3 类底层算法执行效果的优劣性、效率的高低以及鲁棒性的强弱，需要对算法做一些必要的测试与分析，主要包括:收敛性分析、参数影响分析、复杂度分析、标准测试、数据测试与仿真等。通过上述的工作不仅从理论上保证这3 类算法正确性，而且通过数字、物理仿真进一步验证了算法的运行过程中的稳定性、运行效率等性能。

3 芯片级开发研究

为完成上述3 类算法的改造，且在运行时序、运行速度以及系统资源的需求上能够满足大规模集成电路的要求，并通过设计合理数字电路在资源与性能之间获得最大的平衡。芯片级开发研究中以并行计算理论和数字电路设计理论等为理论支撑。通过并行计算理论可以将原算法的顺序时序改为平行的并行时序，提高算法计算速度，从而达到系统实时性的要求;与此同时数字电路设计理论不仅能够保证多级压缩机故障监测算法的正确性，还可以避免数字电路中“竞争”和“冒险”现象，以及实现芯片硬件资源的合理分配和优化。以进化计算为例，其平行流水线型算法结构如图2所示。

图2 进化计算的流水线并行算法

在进化计算的平行流水线型算法结构中，控制调度的主要功能是监视各个独立个体运算单元每一代的运算结果，从中选取出最优的个体信息，并统计运算的总代数与总时间等信息，与预先设定的参考信息进行比较，当达到预设的最大运算代数、最大运算时间或者是求得达到预定要求的最优值，则停止运算。控制调度层和单个个体的连接方式如图3所示。

图3 控制调度层连接示意图

将算法在运行时序、运行速度以及资源需求改造后就获得硬件级算法，但是其正确性与准确性还需通过实际测试来评估。该过程可以描述为:首先，通过硬件描述语言VHDL 描述硬件级算法;然后，对用VHDL 描述的模块进行功能验证，其验证过程如图4所示;最后，在特定的实际电路开发系统平台(如ALTERA 公司的DE2 平台)上进一步的验证。

图4 验证流程图

其中仿真平台可以由多种方式构建，业界最常用的平台软件是System C、System Verilog、Matlab、C、C++等，文中拟选择的C + +语言，在Visual C ++开发环境下编写验证平台。在该过程中，还要对硬件级算法及其电路设计进行算法效率测试，包括计算速度、资源消耗等多方面进行评估。总之，通过硬件算法与电路测试模块，希望能够发现算法在硬件化改造过程中所出现的问题，并进一步改善算法和电路设计，以实现提高运算效率，最终达到本课题的设计要求。

4 器件级应用开发

通过电路扩展，完成上述3 类核心芯片周边电路的扩展，达到能够具备一定功能的独立器件。以大型轻工装备故障诊断器为例，其在专用智能故障诊断芯片的基础上扩展外围接口驱动电路，其扩展模式可以有多种，图5所示为基于大型吹塑装备故障监测与诊断专用芯片的一类扩展方式。在基于大型轻工装备故障诊断智能专用芯片上分别扩展了数据采集通道A/D、开关量输入输出通道DI/DO、串口通讯接口、网卡通讯接口以及液显输出接口等。数据采集通道A/D 将大型轻工装备的温度、压力等信号转换为数字信号，并传输给专用芯片处理;开关量输入输出通道DI/DO 则是负责开关信息的交互;串口通讯接口、网卡通讯接口分别实现该嵌入式模块与其他设备(如:上位机)的低速和高速通讯，而液显输出接口将故障监测与诊断专用芯片对系统实时监测、诊断的信息实时加以显示。

图5 大型吹塑装备智能故障诊断芯片扩展图

5 结论

总结前人研究成果，针对吹塑装备的特点，再结合人工智能、控制与控制领域的最新成果，研究出具有针对性的、高性能和智能化的适合于大型吹塑装备的总线调度、控制与故障诊断算法，并且通过一些必要的测试与分析数据显示，该算法具有可行性、可靠性和高效性。在芯片级开发研究中，采用并行计算理论和数字电路设计理论，设计出能够硬件资源的合理分配和优化的高计算速度芯片。下一步工作是通过硬件算法与电路测试模块，希望能够发现算法在硬件化改造过程中出现的问题，并进一步改善算法和电路设计，以实现提高运算效率，最终达到本课题的设计要求。

［1］CHIOU J P，WANG F S.A Hybrid Method of Differential Evolution with Application to Optimal Control Problems ofa Bioprocess System［C］.Proc 1998 IEEE on Evolutionary Computation Conf，1998，1:627－632.

［2］朱亚琪，方建安.基于群智能混合算法的物流配送路径研究［J］.微型电脑应用.2012，28(10):1－4.

［3］崔娇，黄少荣.基于差分演化的自适应参数控制蚁群算法［J］.计算机工程，2011，37(6):190－193.

［4］李军，李艳辉，彭存银.基于自适应遗传算法的路径测试数据生成［J］.计算机工程，2009，35(2):203－205.

［5］何加浪，张琨，张宏.进化计算在软件智能修复中的应用［J］.计算机工程，2011，37(8):8－10.

［6］杨锋，柴毅.基于改进谱聚类与粒子群优化的图像分割算法［J］.微电子学与计算机，2013(7):51－55.