基于ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)

門雅范，余曉霞

（河南信息工程學(xué)校，河南省鄭州市 450011）

在化工產(chǎn)品生產(chǎn)加工領(lǐng)域，注塑是其中一個(gè)重要分支，主要作用是將熱塑材料利用模具制成各種產(chǎn)品。傳統(tǒng)注塑主要通過人工完成，不僅效率低，且對溫度控制不精準(zhǔn)，導(dǎo)致產(chǎn)品存在質(zhì)量問題，更重要的是，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，高溫環(huán)境危害工作人員的身體健康，且一旦發(fā)生事故，將產(chǎn)生不可估量的后果。因此，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，注塑生產(chǎn)逐漸向著智能化、自動化發(fā)展，而注塑機(jī)器人就是最明顯的體現(xiàn)［1］。注塑機(jī)器人是模擬人類思維與行為的一種智能化注塑設(shè)備，它既可以接收人類的指揮，又可以按照預(yù)先設(shè)定的程序執(zhí)行任務(wù)。在注塑機(jī)器人組成當(dāng)中，監(jiān)控系統(tǒng)決定著機(jī)器人生產(chǎn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此，研究一種有效的智能監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。以往研究的注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，如基于CAN總線和基于Web的兩種傳統(tǒng)注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，存在的最大問題在于傳輸能力與數(shù)據(jù)處理能力不足，導(dǎo)致注塑機(jī)器人無法完全按照預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)完成任務(wù)，從而造成產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到預(yù)期效果，影響了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［2］。針對上述問題，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)借鑒瀏覽器（B）/服務(wù)器（S）三層結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層以及數(shù)據(jù)顯示層，在此基礎(chǔ)上根據(jù)各層需要選擇硬件組成設(shè)備，如傳感器、ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)、中心處理芯片、驅(qū)動器、顯示器等，最后根據(jù)硬件組成設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件運(yùn)行程序，為硬件運(yùn)行提供指導(dǎo)，并對該系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真測試。

1 基于ZigBee的注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著注塑加工行業(yè)的迅速發(fā)展及科技的不斷進(jìn)步，注塑成型設(shè)備的自動化水平越來越高。許多企業(yè)為滿足需求，將注塑機(jī)器人應(yīng)用到產(chǎn)品生產(chǎn)加工中，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)盈利［3］。此外，注塑機(jī)器人可以代替人工完成多個(gè)危險(xiǎn)程序，尤其在對聚乙烯、聚氨酯等材料進(jìn)行高溫注塑時(shí)，可以極大改善勞動條件，減少事故發(fā)生率。注塑機(jī)器人生產(chǎn)工藝流程一般為四個(gè)步驟：填充、保壓、冷卻、脫模。在這一過程中，注塑保壓和冷卻是關(guān)鍵步驟。而在這兩個(gè)步驟中，注射壓力、注射溫度兩個(gè)參數(shù)控制是重中之重［4］。一般人工控制是很難精準(zhǔn)掌握的，為此，研究注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.1 系統(tǒng)框架構(gòu)成

所謂B/S三層結(jié)構(gòu)，是指由數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層以及表示層組成的分層式結(jié)構(gòu)。其中，數(shù)據(jù)訪問層為基礎(chǔ)層，主要作用是對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和讀取；業(yè)務(wù)邏輯層處于訪問層與表示層之間，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析與處理，同時(shí)也起到上下兩個(gè)層次的連接作用；表示層是人機(jī)交互層，在接受訪問請求的同時(shí)，以圖表的形式呈現(xiàn)結(jié)果數(shù)據(jù)［5］。

本工作借鑒B/S結(jié)構(gòu)，將框架也分為三個(gè)層次，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層以及數(shù)據(jù)顯示層，見圖1。在上述系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)中，每一層都是獨(dú)立的，相互不干涉，但又相互連接，上一層為下一層服務(wù)，下一層承接上一層的操作結(jié)果。具體過程為：采集層采集數(shù)據(jù)，利用ZigBee將其傳輸給數(shù)據(jù)分析層，得出分析結(jié)果，并實(shí)現(xiàn)自動預(yù)警，最后根據(jù)用戶請求指令，將結(jié)果傳輸呈現(xiàn)給用戶，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互［6］。

圖1 系統(tǒng)整體框架Fig.1 Overall framework of system

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件，即組成系統(tǒng)的各實(shí)體部件，主要發(fā)揮計(jì)算、控制、存儲、輸入和輸出功能，為整體系統(tǒng)運(yùn)行提供載體［7］。根據(jù)系統(tǒng)框架，系統(tǒng)硬件包括傳感器、ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)、中心處理芯片、驅(qū)動器、顯示器等。

1.2.1 傳感器

在注塑工藝中，保壓和冷卻是最難控制的環(huán)節(jié)。保壓環(huán)節(jié)中，在對模腔持續(xù)施加壓力時(shí)，超過擠壓段的設(shè)定壓力，熔體成型就可能產(chǎn)生毛邊，而一旦達(dá)不到設(shè)定壓力，產(chǎn)品就會出現(xiàn)凹痕；而在冷卻環(huán)節(jié)，冷卻溫度掌控不精準(zhǔn)，就會導(dǎo)致冷卻不均勻，進(jìn)一步造成產(chǎn)品翹曲變形。為此，實(shí)時(shí)監(jiān)測注射壓力、注射溫度兩個(gè)參數(shù)具有重要作用。為有效完成這一任務(wù)，需要在注塑機(jī)器人上安裝兩種傳感器，即壓力傳感器和溫度傳感器，完成對注射壓力、注射溫度的監(jiān)控。傳感器是一種能夠感受到被測量目標(biāo)的相關(guān)信息，并按一定規(guī)律將信息變換成電信號，其組成包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源［8］。選用青島奧博儀表設(shè)備有限公司的YBY型壓力傳感器，該傳感器由固態(tài)壓力傳感器和低漂移高精度單片二線制儀表放大器組裝而成，由于傳感器被封裝在316不銹鋼隔離膜片內(nèi)，通過硅油傳遞壓力，使儀表能耐大多數(shù)腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，可用來測量高溫液體、氣體和蒸汽壓力，并將其轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。而溫度傳感器選用美國Dallas半導(dǎo)體公司的DS1821型高溫?cái)?shù)字傳感器，其工作原理是利用鉑金屬在溫度變化時(shí)自身電阻也隨著變化的特性來測量溫度，然后采用二線傳送方式進(jìn)行傳輸，可用來測量各種液體、氣體的溫度［9］，具有精度高、分辨率好，安全可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。DS1821型高溫?cái)?shù)字傳感器是帶有用戶可編程觸發(fā)點(diǎn)的獨(dú)立恒溫器和1線數(shù)字接口的8位溫度傳感器。恒溫器觸發(fā)點(diǎn)存儲在非易失性存儲器中，因此，DS1821型高溫?cái)?shù)字傳感器單元可以在系統(tǒng)插入前編程，以實(shí)現(xiàn)真正的獨(dú)立運(yùn)行。DS1821型高溫?cái)?shù)字傳感器的工作溫度為-55～125 ℃，在0～85 ℃可精確到±1 ℃。

1.2.2 ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)

傳感器位于系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層中，當(dāng)需要將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上層數(shù)據(jù)分析層進(jìn)行分析時(shí)，會以通信網(wǎng)絡(luò)為載體進(jìn)行傳輸。目前，通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最廣泛的有光纖、CAN總線、無線寬帶、藍(lán)牙、Web等，但這些通信手段并不適用于注塑生產(chǎn)監(jiān)測中，因此，本工作采用ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該傳輸方式適用于近距離傳輸，只需很少的能耗就能完成一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，通信效率較高［10］。ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形狀可以將其分為三種類型：星型、樹型和網(wǎng)狀型，見圖2。

圖2 ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of ZigBee communication network topological structure

在上述3種方法中，網(wǎng)狀型通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接形式最為簡單，所用線纜最短，增加或移除電纜比較靈活，個(gè)別節(jié)點(diǎn)即使發(fā)生故障，也不會影響網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的正常工作。因此，本系統(tǒng)通信選用網(wǎng)狀型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為載體，以改善通信延時(shí)，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高注塑產(chǎn)品精度。

1.2.3 中心處理芯片

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，中心處理芯片是核心硬件，負(fù)責(zé)最大限度地挖掘系統(tǒng)軟硬件之間的并發(fā)性，協(xié)調(diào)軟硬件體系結(jié)構(gòu)，以使系統(tǒng)工作保持在最佳工作狀態(tài)，是整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)備運(yùn)行的大腦［11］。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇德州儀器半導(dǎo)體公司的CC2430F128RTCR型芯片作為中心處理芯片，其最大特點(diǎn)是可以滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz無線頻段應(yīng)用。

1.2.4 驅(qū)動器

經(jīng)過中心處理芯片分析后，會得出壓力與溫度控制的結(jié)果，當(dāng)這一控制結(jié)果不符合設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，中心處理芯片會發(fā)出調(diào)整命令，驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備對注射壓力參數(shù)或溫度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整［12］。這時(shí)，驅(qū)動器起到重要作用。根據(jù)注塑設(shè)備，選用濟(jì)南科亞電子科技有限公司的220DP04 BL/AL型驅(qū)動器。該伺服驅(qū)動器采用全方位保護(hù)設(shè)計(jì)，具有高效率傳動性能，且具有控制精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠、響應(yīng)時(shí)間快、采用全隔離方式控制等特點(diǎn)，尤其在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行下有較高的扭矩及良好的性能。與其他驅(qū)動器相比，該驅(qū)動器馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音小、高效率、低維護(hù)、可更好地提高直流馬達(dá)的使用壽命；且通過簡單的無源開關(guān)量或晶體管集電極開路就可以實(shí)現(xiàn)其中某一項(xiàng)功能。

1.2.5 顯示器

顯示器是系統(tǒng)人機(jī)交互唯一的窗口，主要作用有：顯示相關(guān)數(shù)據(jù)信息；注塑過程監(jiān)測與跟蹤；用戶結(jié)果查詢與瀏覽；寫入和修改工藝程序；設(shè)定和修改參數(shù)；輸出指令，控制設(shè)備運(yùn)作［13］。選擇美國霍尼韋爾國際公司的HIMA-TS MIMA-TS-S07型觸摸屏作為顯示設(shè)備。該觸摸屏采用工業(yè)級設(shè)計(jì)，前面板具有IP65防水等級。通過不同的通信方式可與不同類型控制器交互，且可自由編輯用戶顯示界面，使操作者輕松便捷地對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是指控制和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備，支持應(yīng)用軟件開發(fā)和運(yùn)行的系統(tǒng)，主要功能是將各種獨(dú)立的硬件集合為一體，來協(xié)調(diào)和控制硬件設(shè)備。本系統(tǒng)軟件程序運(yùn)行流程見圖3。系統(tǒng)啟動后，進(jìn)行初始化操作，首先利用安裝在注塑機(jī)器人上的壓力傳感器和溫度傳感器采集注塑過程中保壓環(huán)節(jié)和冷卻環(huán)節(jié)中壓力和溫度數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，然后利用傳感器中的數(shù)字信號處理元件對電信號進(jìn)行處理，包括放大、去噪、解調(diào)等，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)，再利用ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)將電信號傳輸給數(shù)據(jù)分析層中的中心處理芯片，利用該芯片強(qiáng)大的運(yùn)算分析功能，將采集到的壓力數(shù)據(jù)或溫度數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，當(dāng)壓力或溫度不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，一方面會觸動預(yù)警裝置，提醒工作人員當(dāng)前注塑生產(chǎn)出現(xiàn)問題，以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，另一方面會將結(jié)果以表格、圖形等形式傳輸給表示層中的觸摸屏，這時(shí)工作人員會根據(jù)得到的結(jié)果輸出決策指令，并下達(dá)給中心處理芯片，而中心處理芯片會根據(jù)指令啟動驅(qū)動器，接著驅(qū)動器會驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使注射壓力和溫度達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)［14］。

圖3 系統(tǒng)主程序運(yùn)行流程Fig.3 Operation flow of main program of system

2 系統(tǒng)性能仿真測試

主要驗(yàn)證系統(tǒng)的傳輸性能與數(shù)據(jù)處理性能。傳輸性能指信號傳輸延時(shí)與丟包率；而數(shù)據(jù)處理性能指系統(tǒng)的吞吐量，即在單位時(shí)間內(nèi)能處理多少個(gè)事務(wù)/請求/單位數(shù)據(jù)等［15］。測試對象包括基于ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)、基于CAN總線和基于Web的兩種傳統(tǒng)注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 搭建系統(tǒng)測試平臺

系統(tǒng)測試平臺主要由計(jì)算機(jī)、傳感器、顯示器、通信線路以及注塑機(jī)器人等組成，見圖4。該平臺參數(shù)設(shè)置見表1。

圖4 系統(tǒng)測試平臺Fig.4 Test platform of system

表1 測試平臺參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter settings of test platform

2.2 性能測試

2.2.1 傳輸性能

測試信號強(qiáng)度為100%，與路由器距離為120 m，測試20次，分別記錄傳輸延遲的最大、最小、平均值以及超時(shí)丟包次數(shù)。從表2可以看出：基于ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用下，傳輸延遲的最大值為0.87 s，最小值為0.12 s，平均值為0.45 s，無超時(shí)丟包，與基于CAN總線和基于Web的兩種傳統(tǒng)注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)相比，各項(xiàng)參數(shù)均更優(yōu)越。這說明基于ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)解決了兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)在傳輸性能方面的問題。

表2 系統(tǒng)的傳輸性能Tab.2 Transmission performance of system

2.2.2 處理性能

評價(jià)系統(tǒng)吞吐量的幾個(gè)重要參數(shù)包括：每秒的請求/事務(wù)數(shù)量；并發(fā)數(shù)，即系統(tǒng)同時(shí)處理的請求/事務(wù)數(shù)量；響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間。從表3可以看出：利用基于ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)處理1 600 B數(shù)據(jù)包，事務(wù)數(shù)量為158，較基于CAN總線和基于Web的兩種傳統(tǒng)注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)分別高71和70；并發(fā)數(shù)為8，較基于CAN總線和基于Web兩種傳統(tǒng)注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)均高3； 響應(yīng)時(shí)間為0.54 s，較基于CAN總線和基于Web兩種傳統(tǒng)注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)分別少0.31，0.43 s。由此可知，基于ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的吞吐量更高，說明在單位時(shí)間內(nèi)，ZigBee系統(tǒng)能更多、更快速地處理事物，處理能力更好。

表3 系統(tǒng)處理性能Tab.3 Processing performance of system

3 結(jié)論

a）設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的注塑機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)。

b）該系統(tǒng)利用ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信息，改善了系統(tǒng)傳輸性能，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間縮短，丟包率降低，同時(shí)，系統(tǒng)吞吐量提高，信息處理性能增強(qiáng)。