“十二五”塑料机械自主创新的分析研究(十七)

张友根

(宁波海达塑料机械有限公司)

(上接2014年《塑料包装》第2期)

12 塑机智能化科学发展

智能化科技极大的改变着塑机，同时塑机正在全方位的走向智能化。塑料机械被工信部、科技部、财政部和国资委列入《重大技术装备自主创新指导目录》，《国家战略性新兴产业发展“十二五”规划》中明确提出，“十二五”期间，要实现重点领域制造过程智能化水平显著提升，智能制造装备国内市场占有率达到30%。这为塑机行业指引了创新创造的发展方向，表征融入更多的电子技术、网络技术，能实现自动控制、自动诊断、自动调节、自动补偿功能的智能化技术的塑机将会成为未来市场的主角。

12.1 塑机智能化内涵［39］

塑机智能化指以成型加工塑料制品的质量为目标，具有感知、分析、推理、决策、控制功能的“人脑”智能，自动检测制品的质量、自动修正成型工艺参数、“智”适应成型加工环境，实现人为设定的预期目标，它是先进制造技术、信息技术、微电子技术、电子技术、网络技术、检测技术的集成和深度融合。

智能化系统是一种人机一体化的系统，它是一种混合型的智能系统，并不是单纯的人工智能，即来自人工智能又高于人工智能。在这个系统中人占据了核心地位，使人在智能化设备的配合下充分的发挥出了人的潜力，也使得人的智能和设备的智能能够充分的结合起来，实现人工智能无法实现的智能。智能化系统可以根据成型加工的各种需要，自动的生成一种最佳的制造模式，以使得设备以最优的方式进行运转。智能化是存在虚拟性的，而智能制造系统的虚拟制造使得该系统又上升到了一个全新的界面。

智能系统通过技术与装备集成，实现新型塑料制品及塑料制品新型加工的方法与机理、加工工艺与技术的多技术交叉融合。基于温度、压力、流量、体积、流速、强度、应力等多工艺参数数据的深度融合，并及时对外部指令作出响应、完成指令动作，实现对设备自身状态的调节、控制、监控和诊断。

智能系统基于网络技术及无线技术将设备系统的动态参数传递出去，与其余设备系统共享数据，实时采集数据、软件远程自动升级，实现运行、服务的新模式。

智能化控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上。控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构也不同。

12.2 塑机智能化规范

塑机智能化没有统一的规范，而且很难制定一个统一的标准。

塑机的应用范围广和多元化，品种多型式多样化，被成型加工的各种塑料制品对成型加工技术的要求也不同，所以各种型式的塑机实施智能化技术也各不相同。

塑机设备智能化成型加工的技术要素多而不确定性。成型加工是把塑料原料变为制品的过程，设备涉及主机、辅机、模具、检测仪器等，塑料原料有粒料、粉料、糊状料等型式、有单一料、复合料等组成，各种塑料原料的熔融性能、收缩变形物理性能等千差万别。

12.3 塑机智能化的开发理念及特点

塑机智能化的开发理念。智能化技术的研发与应用，推动塑机的科技进步，创新创造新颖的成型加工技术与设备，促进高端制造业的可持续发展，这是塑机发展的客观存在的必然道路，谁回避谁就走向死胡同。目前在国内塑机制造行业对实现塑机设备智能化的理念，没有紧迫感、生存感，没有从智能化是实现“潜在需求”的成型加工的科技进步、走向“中国智造”、领先于世界的高度来考虑，这些理念成了智能化开发和应用的首要障碍。

塑机智能化现代化科技含量高。塑机智能化科技含量远比金加工设备智能化要高。例如，注塑制品终端成型过程中产生内应力，内应力影响到高端的工程塑料精密制品的几何和尺寸的精度。金加工设备是把金属粗制件加工为精制件，加工的技术要素是实现几何及尺寸精度，产品的内应力在加工前已通过热处理得到消除，智能化的目的是提高加工效率和加工精度、避免人为的操作误差。

塑机智能化系统包括了很多的子系统，各个子系统集成起来成为一个全方位的智能化整体。实现分支的智能化，才能实现全方位的智能化。塑机智能化指设备装备了某一项或多项智能化技术。塑机智能化成型加工链中包括智能周边设备、智能辅佐设备等与成型加工有关的装备。塑机设备智能化内含的各个分支智能化，依据不同的功能可进行独立开发。根据塑机成型加工对象其内涵不同，根据“现实需求”和“潜在需求”开发及应用。塑机成型加工对象不同，智能化的型式及科技含量也不同，我们切不可一讲智能化，塑机设备为同一模式的智能化，个性化的智能化技术更显得重要。例如，通用化的注塑设备，所成型加工塑料制品的技术含量需求不高，可考虑开发环保、节能、绿色化等注塑外围的智能化技术，而精密注塑设备，所成型加工塑料制品的技术含量高，为提高精密件的质量水平，可考虑开发直接涉及注塑成型加工的智能化技术，如注塑压力、速度、背压、计量等高端的智能化技术。

12.4 塑机智能化3C技术

智能化核心是3C技术(计算机技术、通信技术、控制技术)。塑机使用计算机控制技术，使智能化控制成型加工的工艺过程各参数达到最佳成为可能，同时控制方式也发生了从开环到闭环的转变。3C技术随着科学技术的发展而不断完善和丰富。实现塑机智能化3C技术就是把当今先进的3C技术融合到成型加工中去，开发出符合成型加工的3C技术。当今的3C技术已完全满足塑机智能化的需要，关键是融合，谁走在前面，谁就能成为“智造”的高端。

12.4.1 网络技术的应用及研发

随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，工业控制系统也发生了巨大的技术变革。网络化集成控制技术把现场总线、工业以太网、工业无线网、企业局域网、互联网同现代控制设备(包括工业PC、可编程序控制器PLC、人机界面HMI、输入输出模块、交换机、网关、通信接口、伺服控制电机等)结合，形成基于通信与控制紧密融合、多种网络协议合理组合、有线与无线相互衔接、管理与控制一体化的控制系统。

12.4.1.1 工业以太网

工业以太网以其开放性和兼容性，易于Internet连接，丰富的可用资源，成本低廉，通信速率高，支持多种物理介质和拓扑结构等特点，工业以太网技术的发展，为控制系统提供了更好的实时性和兼容性，使得设备更接近IT，成为工业网络的发展的必然趋势。

12.4.1.2 现场总线控制系统(FCS)

现场总线控制系统将工业现场具有通信特点的智能化仪器仪表、PLC控制器、执行机构等现场设备和通信设备连接成网络系统，通过网络实现现场设备之间由模拟量交换变为可靠的数据交换。整个过程都由一台计算机完成，控制器与控制器、控制器与上位机(操作员站或工程师站)之间建立了计算机控制网络，使得操作员在上位机中能够对被控系统的实时运行状态进行监控，某个控制回路的控制策略的设计也可以在上位机中组态完成，通过控制网络下载到对应的控制器中实时运行，大大提高了控制系统的可靠性，并实现了集中管理和分散控制。其主要优点表现在:

1)一对传输线将传感器、变送器和执行器等现场设备互联起来，可靠性、实时性和灵活性等方面具有突出的优良性能，数字化的数据传输使系统具有很高的传输速度和抗干扰能力，使信号传输更为准确、稳定;

2)开放式的互联，既可以同层网络互联，也可以通过网络互联设备与车间甚至整个企业的控制级和信息级网络互联，共享资源，统一调度;

3)能处理大量数据信息，实时显示和记录机组所有参数的运行状况，监控生产过程。

宁波海达塑料机械有限公司运用现场总线技术取得了很好的控制效果，处于国内领先技术。

12.4.1.3 无线通讯技术

有线信号传输系统往往稳定性不足，特别在运动部位，使用一段时间后，屏蔽层发生破损，连接处易出故障。无线信号传输技术是一种无磨损的数据信号传输技术，具有降低维修费用、提高可靠性。

工业化的蓝牙和WLAN技术渐渐成熟。无线通讯技术不但节省了传感器和接收器之间的大量信号线，也为灵活配置控制系统提供了方便，同时有利于清洁生产。蓝牙技术为工业应用领域提供了一种抗干扰的数据通讯方式，一种短距离无线网络的连接方式。意大利Weidmuller公司基于蓝牙技术的传感器—接收器的SAI无线通讯模块，内部评判分析单元，可以把传感器检测到的数据发送给上一级主控系统，保证了相关的运行工序的位置正确性，有96个无线输入和输出端，能够与6个子工作组进行无线通讯，发射功率可以无极调节，通讯距离为50m，安全变化等级达到IP67，并能实现即插即用、与多种不同系统很好的耦合，在不使用在线耦合器的条件下集成到Profibus D现场总线系统中。ROCKWELLAUTOMATION公司无线Power Monitor W250功率测量仪，能够多点监测采集生产过程中特定耗能型应用的数据，自动生成的无线网络即可将能耗信息直接传送到Rockwell Software RSenergyMetrix软件，便于用户直接查看能耗信息及采取相关技术措施降低能耗，这样不但降低了网络成本，还能够更加方便采集数据。

蓝牙无线通讯技术在注塑设备上还未得到应用，但在比注塑设备通讯更复杂的塑机上已得到应用，值得在注塑设备上开发。意大利Macchi公司与西门子电子产品公司合作推出的吹塑薄膜生产线的控制系统，使用一种新的无线操控面板来启动和控制整条生产线的运转，生产操作人员可根据需要进行简单的操控和特定的控制这套操控面板包含有一显示屏系统，通过无线(声频和视频)连接到生产线上，操作人员无论身处何处，都可清楚了解并且解决生产线运转过程存在的故障，及时解决故障，提高运转效率。

12.4.1.4 局域网

设备联网实现群控。通过对设备联网组成局域网，可在任何一台设备上对其它设备实现编程、设定、监控、诊断、修改等操作，并且不同设备的画面可以同时显示在每一台设备的屏幕上，及时解决故障，不但缩短了停机时间，还节约了大量时间，同时节约了设备的经营成本。

网络服务系统可实现实时、准确、双向、高效、全面系统地掌握所有监视设备的运行情况，为指挥调控管理人员提供及时、直观的信息，从而对整个设备系统的运行情况做出准确判断并及时响应。深圳求卓科技有限公司自主研发的ChiefiMES系列制造执行管理系统通过自主研发的数据采集器，该采集器采用ARM内核进行开发，具有高精度、高稳定性、存储空间大、数据存储时间长、通讯方式多、传输速率快、故障报警、自动检测、远程自动升级等优点，连接简单，无需修改注塑机自身电脑电路。采集器将采集回来的数据实时、准确地传输到数据服务器进行后台数据处理，通过Chief-iMES前端管理软件可以实时查看到整个注塑车间的机器运行状况、模具状态、工艺成型参数、物料消耗、订单生产进度等信息，从而实现生产车间现场的透明化管理。系统提供强大的报表功能，使用户能快速地得到生产车间的统计分析报表。

12.4.2 3G通讯技术的应用及开发

我国注塑机产量世界第一，为我国开发智能化远程网络管理提供了丰富的发展资源。3G通讯技术综合应用了目前均处于快速发展时期的智能图像处理与识别技术，数字图像传输技术、数字图像压缩编解码技术、自动化智能控制技术和网络通信技术等先进技术。

海天塑机集团联合宁波联通公司共同建设的国内注塑机行业第一个智慧制造项目—注塑机3G定位及远程服务系统。该系统基于3G通讯技术，集数据收发、海量存储、智能传感、智能分析、智能控制、多媒体通讯等功能于一体，实现塑机运行生产全过程的智能化监管，为塑机终端用户与机械制造商之间提供方便、快捷、直接的沟通桥梁，以及信息化、智能化、网络化。促进了企业由传统的经营模式到信息化、网络化的转变，优化了企业管理，降低了运作成本，提高了企业形象与生产效率，并为社会节省资源，节能减排，为国家发展高精尖工业设备打下坚实的实践基础。

12.4.3 实时通讯技术的应用及研发［1］

实时的含义是对一个给定的应用，保证在确定的时间内对信号做出回答。随着设备智能化的发展，对传感器和执行设备之间的数据交换，系统对响应时间的实时性要求更为苛刻，传统的现场总线越来越表现出了其本身的局限性，实时通讯技术(Real Time Communication)显得更为重要。

注塑设备智能化高速数据交换特点是:1数据量更大，对于数据的负载能力提出了更高的要求;2传输速度的要求，由于运动控制、多CPU数据交换需要更快的传输数据;3复合同步运动中，为能够实现高精度的位置与速度、压力等关系的绑定，必须有高速的总线为其提供实时的数据通讯;4由于与管理层的数据交换的需要，必须有能够支撑更为开放的通讯系统。

12.4.4 开放式结构的应用及研发

通用型开放式闭环控制模式。采用通用计算机组成的模块化、总线式、嵌入式、开放式的体系结构，便于系统的裁剪、扩展与升级。由于制造过程为一个具有多变量控制与加工工艺综合作用的复杂过程，所以为了实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制。同时，在过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于把计算机实时智能技术、自适应控制、动态仿真等高新技术融于一体。

力士乐致力于电控扩展性、一致性及开放性。IndraMotion系统软件实现高性能的运动控制，IndraLogic以符合IEC规范的PLC解决方案实现智能自动化生产控制，并可兼容SERCOSIII、PROFIBUS、PROFINETIO、Ethernet/IP、Device Net、Ethernet TCP/IP以及备有RS232通讯接口，利于客户整合一体化生产。IndraControll L控制系统便于分布式连接通讯及IndraControll V工业级计算机带操作面板功能(人机接口)，大大提高了自动化生产的可塑性。PILZ安全模块开放式系统结构可以通过安全网络联入设备系统网络，并通过以太网协议与其他装置进行通讯，例如可通过Profibus DP接口整合到现有自动化系统中。

12.4.5 生产流程集成架构的应用及研发

采用 IEC61131、PLCopen Motion、B＆R 等已有的库函数来实现系统的开发，Automation Studio是目前为止在自动化领域内最为强大的工程设计平台，能够使得开发者实现设备的全流程和全部对象的设计，从项目的管理、版本管理、项目配置、编程、仿真到调试诊断与维护。提供整个工厂的解决方案，硬件已显得不再那么重要，设备的连线变得更加重要，需能提供整个生产管理与优化系统软件及解决方案。Krones的整厂管理系统架构，各个生产单元的数据如机器状态、批次控制数据等通过标准的数据总线到了上位，而设备的配置参数、配方数据、主控数据等也通过标准总线下达到生产设备级、生产计划数据、操作控制、文档、维护、分析、优化等在上一级来实现，通过用户接口与ERP系统进行连接，实现整个工厂的数据管理。整个生产过程得到有效监控，影响产品质量与效率的各种因素也量化并提交给上位分析工具，以便管理人员能够及时获得现场设备及工艺存在的问题并给与及时修正，包括能够对成本降低进行有效的分析，从而提高整体生产率。

12.4.6 标准化软件的应用及研发

软件赋予机器更为灵活的功能:在硬件不变的情况下，或硬件变化不大的情况下，软件使得机器能够实现更为丰富的功能，能够充分地将硬件的潜力得到最大的发挥，赋予机器更多的功能设计;软件赋予机器更高的附加值，也赋予机器更高的竞争力。

标准化的软件设计正在成为潮流。在不同的机器流程以及不同的机器功能设计里，提取具有共性的功能块，通过这项工作，在未来，它的目标在于参数化设置而无需编程，将调试时间(time to market)缩短，节省整个开发和调试的成本。

12.4.7 专用控制软件的研发

专用控制软件是know-how的封装容器，它使得那些制造商对于工艺的深度封装起来，不易被复制，而这些构成了机器的竞争力的核心。

东芝机械制造有限公司EC—SX智能化全电动注塑机，采用了东芝机械最新型的处理控制器，能够更精确地控制注塑机，而运算速度提高 了40%。自行研发的智能化DST控制软件用于控制注射和合模过程，可保持加工稳定性，保证每个部件的重量偏差维持在非常低的水平，在使用再生料进行加工的情况下其优势特别明显。东芝机械制造有限公司为防止智能化DST控制软件外泄，DST控制软件仅限在日本国内使用。

控制软件自主化，不但有利于保护知识产权，更有利于适应市场多变的特点。宁波伟立机器人科技有限公司机械手的智能化软件实现自主化，不但实现了我国注塑机机械手达到国际水平，而且处于国际同行的有力竞争地位。

12.4.8 视觉技术的应用及研发

视觉技术是实现类似人类视觉(眼睛+视觉神经中枢+视觉神经细胞)的功能，机器视觉是实现真正意义的智能化检测和重要的质量控制技术。视觉系统由镜头，像机和控制器构成的机器视觉替代人工，根据物体在一定环境下得到的画面进行尺寸、缺陷、种类、匹配、文字等各种参数的测量和判别，在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。作为高精度、非接触的测量系统，视觉系统涉及到视觉、光学和图像处理，机器视觉与运动控制、智能通信等先进技术的结合正在推动着工业自动化生产的面貌的提升，视觉技术与注塑成型加工相结合，成为实现注塑智能化不可缺少的技术。

12.4.9 标准模块化技术的应用及研发

根据不同的功能需求，将C P U、存储器、P L C、通讯等基本的模块做成标准的系列化产品，通过积木方式实现功能裁剪及模块数量的增减，以构成不同档次不同功能的智能化控制系统。

12..4.10 PID智能化控制技术的应用及研发

经典的PID控制都建立在被控对象精确模型(传递函数和状态方程)的基础上，对多层共挤中空塑料成型机的复杂系统，特别是实现智能化控制系统，建立其数学模型比较困难，有时甚至是不可能的，明显呈现出控制性能的不足，也就无法实现期望的自动控制。在计算机技术的充分应用的前提下，在经典PID控制的基础上，把自矫正技术、模糊控制、专家控制、智能控制等用于PID，微分信号产生的质量更高，打破了经典PID控制系统的局限性，实现PID智能化控制的科学发展。

实时性是PID智能化控制的主要技术性能指标，包括两个内容:稳态精度，即稳态值与期望值之差;稳态时间，即系统阶跃快速收敛时间。

12.4.10.1 实时性温度控制算法及应用技术的开发

塑料成型加工离不开加热及温度控制。温度是一个非线性、大惯性、纯滞后、相邻段有较强耦合的难控对象，经典的PID控制使系统的超调量变大、过渡过程时间增长，实时性差。应用与开发实时性温度控制软件，实现实时性稳定控制。下面举二例实时性温度控制算法，供参考。

12.4.10.1.1 实时性温度控制的模糊变系数PID互联算法

模糊控制运用模糊集合论模拟操作人员的操作和决策，从而实现自动控制，相对于传统的PID控制具有更好的动态和静态性能，控制精度也大为提高。

将模糊控制和PID控制相结合为互联算法，采用以模糊控制方式在线调整PID参数的控制算法，能使模糊控制器根据工艺生产实际情况实时自动调整比例系数、积分系数和微分系数，以达到调节和控制作用的实时性最优。模糊变系数PID的过渡过程时间、最大偏差，余差等调节等动态和静态特性指标均明显优于PID控制，具有较好的自适应能力和鲁棒性，其超调量精度为0.3℃，稳态精度≤1℃，过渡过程的动、静态性能优良。

12.4.10.1.2 提高温度动态波动精度的统计过程控制系统(Statistician Process Control)

统计过程控制系统(Statistical Process Con-trol)是一种借助数理统计方法的过程控制工具。SPC通过对生产过程中的加热温度数据进行统计、分析、绘图以报告过程状态，并能够对异常状态预警、判定和给出建议的纠正措施。SPC的实施分为两个阶段，一是分析阶段，二是监控阶段。SPC监控阶段的实施则可以通过可控自动采集数据的SPC网络系统将每次塑化的实际测量温度、压力值回传至PC机。在自定义的时间间隔内对这些实际相关参数进行采样，可将塑化温度的波动控制在±1℃以内。

12.4.10.2 电液伺服控制系统的算法科学发展

电液伺服系统在塑机中得到广泛应用，如何提高其控制性能，一直是长期研究的课题。

非线性PID算法［40］。非线性PID的设计是在经典PID基础之上，使用一种新的非线性机构—非线性跟踪/微分器来产生控制新的基本要素，并利用这些新的要素的“非线性组合”方式来改进经典PID调节器，使其适应性和鲁棒性得以大幅度提高，有效地克服了电液伺服系统存在的大惯性、滞后性的缺陷，保证在误差较大时能够快速收敛，提高了跟踪能力，精确地实时控制要求。非线性PID控制系统存在着快速性与稳定性之间的矛盾，在未来的发展道路上，设计一些基于偏差的比例、积分和微分的非线性控制模块，并由这些模块以合适的方式组合出控制律是一个需要解决的课题。

回推非线性PID复合控制。回推算法采用反向递推的设计原则，把状态坐标的变化、不确定参数的自适应调节函数和已知Lyapunov函数的虚拟控制系统的镇定函数等联系起来，实现系统的全局调节或跟踪。在大误差下利用回推控制进行调节，使系统全局渐近稳定，同时防止出现溢出现象;误差较小时则利用非线性PID的自调整能力;误差设定值以外的情况，通过回推算法使得系统误差快速收敛到设定值以内，提高了跟踪能力，保证了非线性PID的调节作用。通过非线性PID的自调整能力，调节控制参数，以适应系统响应时间中系统位置的变化，减少了控制效果对人为因素的依赖，使电机达到比较理想的位置响应实时性能。