一种塑料袋制造全流程智能柔性生产控制系统

2021-06-16陈利伟陈祥红卫静婷袁敏康黄燕洪

电子制作 2021年4期

陈利伟，陈祥红，卫静婷，袁敏康，黄燕洪

（广东开放大学（广东理工职业学院），广东广州，510091）

0 引言

“柔性”是指适应变化的能力和特性。柔性生产是针对一个生产线适应产品单一、难以及时应对市场反馈等弊端提出的新型生产模型。目前柔性生产已经广泛应用于定制家居生产线、家电套袋生产线、智能物流设备生产线等。塑料袋的应用领域广泛导致塑料袋的生产参数需求不同，如大小、形状、薄厚等。其在生产过程中具有差异化需求，因此塑料袋制造商在生产过程中也可以引入柔性生产控制系统。早期，由继电器、开关和变频器等电器元件组成的简单电气控制方式在塑料袋生产环节被广泛采用，在单一制造环节，这种方式简单可靠，但在塑料袋全流程生产中，由于每个生产环节速度的不同，以及环境干扰因素导致不确定性增强，导致这种不带物料缓冲控制和参数调整的简单控制方式并不适用于塑料袋的全流程生产。利用PLC和触摸屏相结合的稍复杂控制系统具有编程容易和运行稳定的特点。但在塑料袋全自动化生产过程中，会出现大量的传感器数据、生产状态数据和运行参数数据的存储、计算和使用，这些并不是PLC的强项。因此，这种控制方式并不适用于实现生产柔性和智能分析与制造。工业4.0是以智能制造为主导的第四次工业革命，工厂将生产设备、网络信号连接和传感器集成到一个生态系统平台中，这个生态系统可以监督整个生产线流程并自主执行决策。基于此，本文提出了一套具有生产数据管控，生产策略优判和生产顺序控制的柔性智能制造系统。并将从生产系统架构、控制系统架构、控制系统的运行这三个方面展开阐述。

1 生产系统架构

图1展示了全自动塑料袋生产流程的各个环节，系统由5个生产环节构成，分别为自动供料、吹膜机、印刷机、制袋机和自动收纳机组成，每个生产环节机构都由一套电气驱动系统和信号采集板作为下位机，电气驱动系统驱动着每个生产环节的电动机变频器、温控装置、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等设备。信号采集板专门用于采集生产过程中的电压、电流、速度、温度、位置和状态信号。所有的下位机都通过MODBUS通讯总线接入一台装有“司南”智能控制系统软件的上位机。该上位机监督整个生产线流程并根据实际情况调整生产线状态，控制着所有设备的运行顺序和瞬时性要求较低的控制逻辑（快速控制逻辑由电气驱动板完成）。

图1 塑料袋生产控制框图

2 控制系统架构

整个开发系统使用Python语言编写数据分析层，C++编写顺序控制层，PHP和javascript语言完成显示和编辑界面，采用了Mysql数据库存储所有逻辑关系和控制数据。

司南控制系统架构如图2所示，由相互独立又彼此关联的四部分软件组成：

图2 司南控制系统架构

（1）LogicEdit软件完成生产流程编写和控制逻辑搭建。生产流程的编写采用绘制流程图的方式，这是一种不需要有很强的编程经验就可以完成的编写方式，简单明了的实现各种设备运行逻辑。

（2）LogicEXE用于执行已经编写好的逻辑文件，使用多线程运行的方式，可以让设备的每个机构被独立控制和并行运行，是一种非常高效的逻辑运行方式。

（3）RTMEdit软件是一套实现人机界编辑软件，也是一套组态软件，可以使用其实现生产数据的展现和需要控制流程的操作。

（4）RTMShow软件可以调用编写好的实时显示页面文件对生产系统的状态进行监视和对生产设备进行手动控制。

司南智能控制系统比较传统的控制系统能实现的功能：

（1）可以一台主机管理多台生产线，根据生产线状况和生产计划合理调整生产参数；

（2）可以根据生产过程中出现的产品质量劣化信息优化运行参数，并在不断的尝试中迅速找到最佳工作点；

（3）可以快速切换生产产品规格（同原料下）；

（4）可以及时的发现生产过程中每个环节需要人员干预的缺陷；

（5）对所有的重要生产数据进行存储，供系统进行参数优化和生成统计分析报表。

3 控制系统的运行

控制系统本着智能化的思想，利用集成智能化技术，使其具备自行解决推理判断和生产计划选择的能力。控制系统的运行流程如图3所示。在控制系统中，生产计划需要手动填写到系统任务池中（数据表），这种生产计划的添加没有特定的时间规定，可以在系统启动前或运行中添加。控制系统在启动后会从任务池中寻找目前要执行的生产计划。如果有多条生产计划，系统根据生产计划加入的时间顺序作为参考，根据当前生产状况、设备的使用率、预设的优先级别和设备值守人员的作息制度等诸多因素综合判断并选取将要执行的生产计划。当一个生产计划执行结束，系统会执行一套衔接程序，在不停机的情况下迅速选取并执行下一个生产计划，实现柔性生产的目的。上述控制系统在执行不同规格塑料袋的生产任务时，还依赖于机械结构设计的柔性。

图3 控制系统运行流程图

控制系统在连续运行时也会采集设备的运行参数和与产品质量相关的可感知参数，并对这些参数进行分析，当发现产品质量出现劣化时，利用有限调节手段通过系统内部算法尝试调节并对产品质量进行闭环查验。当品质恢复后，系统对质量劣化产品的信息进行记录，同时，对这次成功的调节方法进行学习记录。同时，用户可以通过在人机界面调取已经设定好的塑料袋生产参数快速添加生产计划，生产全程无需人员干预。