基于物聯(lián)網(wǎng)的注塑裝備行業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控智能化管理平臺

滕振芳，李 潔

（保定職業(yè)技術學院，河北省保定市 071000）

化工生產(chǎn)過程具有高溫、高壓、易燃、易爆、易污染等特點，生產(chǎn)風險極高，傷亡事故頻發(fā)。隨著自動化、信息化技術的發(fā)展，逐漸由機器設備生產(chǎn)取代人工生產(chǎn)，不僅提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量，還減少了事故發(fā)生率［1］。因此，注塑設備廣泛應用在塑料、橡膠等生產(chǎn)中。然而，由于我國對該項技術的研究起步較晚，現(xiàn)有監(jiān)控管理平臺還不足以應對生產(chǎn)中的各種需求。針對這種情況，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的注塑裝備行業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控智能化管理平臺。該生產(chǎn)監(jiān)控智能化管理平臺將物聯(lián)網(wǎng)技術應用其中，以期改善一般監(jiān)控管理平臺響應時間（即用戶感受軟件平臺為其服務所耗費的時間）慢、魯棒性（在輸入錯誤、磁盤故障、網(wǎng)絡過載或有意攻擊情況下，平臺是否能夠正常運行的性能）差的問題［2］。本工作采用三層架構模式平臺，集數(shù)據(jù)采集、分析、顯示、反饋等多功能為一體，對注塑設備生產(chǎn)狀態(tài)進行全方位的監(jiān)測與管理。

1 注塑裝備行業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控智能化管理平臺設計

目前，我國每年塑料消耗總量達到60 Mt以上，為滿足人們的日常所需，傳統(tǒng)人工制備方法已基本淘汰，機械設備自動化生產(chǎn)廣泛應用［3］。應用在注塑生產(chǎn)中的設備主要包括注塑機、擠出機、中空成型機等。其中，注塑機是最重要的設備，一般由注射裝置、合模裝置、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成（見圖1）。

圖1 注塑機組成示意Fig.1 Structure of injection molding machine

化工產(chǎn)品的注塑成型是一個較為復雜的過程，需要經(jīng)歷定量加料→熔融塑化→施壓注射→充模冷卻→啟模取件等步驟［4］。首先，將原料利用料斗加入到定量供料裝置中，加熱使物料均勻塑化，然后利用注射裝置，在注射油缸的推力作用下，將塑化好的處在熔融狀態(tài)的物料注射到模具型腔內，再對型腔內的熔融物料進行保壓、冷卻、固化，完成產(chǎn)品定型，最后開啟模具，將定型后的產(chǎn)品利用頂桿從模具中頂出，合模裝置閉模，完成產(chǎn)品生產(chǎn)［5］。以上為一個完整的注塑周期，在這一過程中，溫度、壓力、速度、時間、體積及開關量等工藝參數(shù)決定了注塑制品的質量。為保證產(chǎn)品質量，對注塑裝備運行過程中的狀態(tài)進行智能化監(jiān)控管理具有重要意義。為此，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的注塑裝備行業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控智能化管理平臺，該平臺設計需要滿足如下需求：（1）注塑機型號和詳細設計參數(shù)的保存；（2）注塑設備運行狀態(tài)監(jiān)控；（3）注塑工藝參數(shù)監(jiān)控和管理；（4）注塑設備故障預警；（5）監(jiān)控與管理過程中，歷史數(shù)據(jù)以圖表的形式生成。

1.1 平臺整體框架設計

目前，平臺架構模式主要有C/S（C為客戶機，S為服務器）架構模式和B/S（B為瀏覽器）架構模式［6］。C/S架構模式為兩層架構模式，包括C/S、客戶端/S，這種模式極易導致業(yè)務邏輯執(zhí)行不一致，從而造成平臺程序運行錯誤，導致平臺崩潰，這對于一個監(jiān)控管理平臺來說是致命的。在此背景下，提出了B/S架構模式，它是一種三層架構模式，比C/S架構更具優(yōu)勢，可以實現(xiàn)平臺分布式管理。另外，該模式可以極大減少平臺維護成本并方便平臺優(yōu)化和升級；不需要另設一個客戶端用于人機交互，只需通過一個瀏覽器就可以實現(xiàn)［7］。此外，該架構模式可與通信網(wǎng)絡直接相連，擴大了平臺服務范圍。因此，本平臺整體框架設計采用B/S架構模式，將平臺框架分為三個層次，見圖2。

圖2 基于B/S的平臺架構Fig.2 Platform framework based on B/S

平臺表示層是用戶與平臺交互的唯一窗口，主要功能是為用戶提供訪問通道以及內容展示界面。當用戶身份驗證通過后，平臺會直接加載出主頁到客戶端，并通過瀏覽器界面展示出來以供用戶查詢使用。業(yè)務邏輯層為表示層與數(shù)據(jù)訪問層之間的連接層，主要負責為平臺運行提供各種功能服務，如安全性校驗工作的開展、用戶請求的處理、訪問層數(shù)據(jù)分析以及各設備的調用與協(xié)調控制等，因此該層是平臺架構中的核心層［8］。數(shù)據(jù)訪問層位于平臺架構中的底層，主要用于數(shù)據(jù)的訪問與讀取，以便為中心任務提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 平臺硬件設計

根據(jù)平臺功能需求與框架組成，選擇平臺構建所需的實體組成部件，包括數(shù)據(jù)采集設備、傳輸設備、中心控制處理設備、人機交互設備等［9］。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集設備

數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用采集裝置從平臺外部采集電信號并輸入到平臺中進行數(shù)據(jù)分析的過程。注塑裝備運行狀態(tài)采集主要依靠傳感器完成。由于注塑生產(chǎn)中涉及多個目標參數(shù)的監(jiān)測，所以傳感采集設備需要用到溫度傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、質量傳感器等。除了傳感器外，采集部分還需要設置一種開關狀態(tài)顯示儀，監(jiān)控注塑機啟停狀態(tài)、手自動狀態(tài)及合模機構啟閉狀態(tài)等。選用上海滬彬電子科技有限公司的TP2800-A型開關狀態(tài)智能顯示儀，該顯示儀集一次回路模擬圖、斷路器位置、開關狀態(tài)、接地刀閘位置、彈簧儲能狀態(tài)、高壓帶電閉鎖、高壓驗電等多項功能于一體［10］。開關狀態(tài)顯示儀采用嵌入式，安裝便捷。另外，該顯示儀還具有良好的環(huán)境耐受能力、電磁兼容性能以及較強的抗干擾性能，足以應對注塑過程中惡劣的環(huán)境。

1.2.2 傳輸設備

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，是一種讓所有具有獨立功能的普通物體實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡。本設計監(jiān)控智能化管理平臺主要圍繞物聯(lián)網(wǎng)建設而成，以物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇楹突A。在物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)關是核心部件，起到網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉換器的作用［11］。當采集設備采集完數(shù)據(jù)后，會利用工業(yè)以太網(wǎng)將其傳輸給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，網(wǎng)關接收數(shù)據(jù)后按照傳輸協(xié)議，將其轉發(fā)給平臺中心控制處理設備，進行數(shù)據(jù)分析。本工作采用SymGate E102型網(wǎng)關。SymGate E102型網(wǎng)關是北京旋思科技有限公司自主研發(fā)的“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關”產(chǎn)品家族成員，是一款基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構設計的工業(yè)級嵌入式軟硬一體設備，可實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場多種設備的數(shù)據(jù)接入和轉發(fā)推送功能，具備1路網(wǎng)口及2路串口，每路端口均可作為采集或者轉發(fā)通道，靈活配置實現(xiàn)多點采集轉發(fā)。該網(wǎng)關還具備全新的遠程協(xié)助能力，可隨時隨地將千里之外的現(xiàn)場設備虛擬到身邊，實現(xiàn)設備診斷維護，極大降低了傳統(tǒng)模式所帶來的維護管理成本。

1.2.3 中心控制處理設備

中心控制處理設備是平臺的核心硬件，主要作用是協(xié)調平臺各組成硬件，對數(shù)據(jù)進行分析處理。采用荷蘭恩智浦公司的LPC2478型嵌入式微處理芯片作為注塑裝備行業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控智能化管理平臺的核心。該芯片包括4 kB容量的ROM，128 B容量的RAM，2個16位定時/計數(shù)器，4個8位并行接口，全雙工串口等，具有處理功能強、速度快、低電壓、低功耗、可靠性高等優(yōu)點［12］。

1.2.4 人機交互設備

觸控面板是一種高新技術產(chǎn)品，在平臺中主要作為人機交互設備，其優(yōu)點在于：可以作為模擬鍵盤，更為靈活，節(jié)省鍵盤所占用的空間；可以作為模擬鼠標，只要輕觸屏幕就可以完成功能選擇［13］。選擇宜昌市能達通用電氣股份合作公司的SGW-3型自動旋光儀作為人機交互設備。SGW-3型自動旋光儀采用發(fā)光二極管作光源，避免了頻繁更換鈉光燈的麻煩，測試旋光度可達±89°，半導體帕爾貼裝置具有加熱及冷卻功能，如果使用控溫型試管可以對試樣進行控溫測量。儀器上的大屏幕觸摸液晶顯示器提供Windows操作界面，簡便直觀、穩(wěn)定可靠。

1.3 平臺軟件設計

平臺硬件設計完成后，需要為其提供邏輯指導，控制各設備協(xié)調運行?；谖锫?lián)網(wǎng)的注塑裝備行業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控智能化管理平臺軟件運行程序見圖3。平臺運行步驟：（1）平臺通電，各設備初始化操作。（2）啟動傳感器設備與開關狀態(tài)智能顯示儀。在傳感器采集信號后，要進行信號放大以及數(shù)模轉換，轉換完成后，對數(shù)據(jù)進行讀取并儲存。在這一過程中，為防止干擾波干擾，需要利用平均值濾波程序對信號進行濾波處理。結束后，將數(shù)據(jù)儲存在寄存器中，等待打包傳輸。（3）利用物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給中心控制處理設備。（4）利用LPC2478型嵌入式微處理芯片對數(shù)據(jù)進行分析，判斷注塑過程中各工藝參數(shù)（如溫度、壓力、速度、時間、體積及開關量等）是否滿足預設值，若滿足預設值，則保持當前運行狀態(tài)，說明當前注塑狀態(tài)良好。若不滿足，則需要進行參數(shù)調整，然后再次判斷調整后的參數(shù)是否符合預設值，若符合則進行下一步，若不符合，則會觸發(fā)平臺預警裝置，同時檢查注塑設備是否出現(xiàn)故障，如果發(fā)生故障，需要進行故障定位、故障檢測、故障修復等，直到設備重新恢復運行［14］。（5）將以上過程中產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)傳輸給人機交互設備，并以圖表的形式供用戶閱覽。用戶可以根據(jù)得到的信息，發(fā)出指令，對注塑裝備進行控制和管理。

圖3 注塑裝備生產(chǎn)監(jiān)控管理平臺軟件運行程序Fig.3 Software operation procedure of production monitoring management platform in injection equipment

2 平臺性能測試

2.1 平臺測試環(huán)境

平臺設計完成后，需要對其性能進行仿真測試，這是平臺開發(fā)過程必不可少的環(huán)節(jié)。平臺性能測試結果反映平臺設計是否有效、合理［15］。此外，通過仿真測試可以找出平臺開發(fā)過程中存在的問題，并進行優(yōu)化，最終使平臺達到穩(wěn)定、安全運行的狀態(tài)。平臺測試環(huán)境見表1。

2.2 開發(fā)工具與測試工具

測試開發(fā)工具如下：工具軟包為Microsoft visual studio. Net 2005企業(yè)版；繪圖工具為Visio 2013軟件；模型建立工具選擇PowerDesigner12.1軟件；數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2008軟件；編程工具為JBuilder軟件；實驗測試工具為LoadRunner軟件。

表1 平臺測試環(huán)境Tab.1 Test environment of platform

2.3 測試指標

平臺測試以需求為對象，檢測本平臺是否滿足需求，即平臺是否解決了傳統(tǒng)平臺響應時間慢、魯棒性差的問題。所以本次測試指標為平臺響應時間和魯棒性。

2.4 測試結果

2.4.1 平臺響應時間

響應時間為客戶端響應時間、服務器端響應時間和網(wǎng)絡響應時間總和。隨著負載（即并發(fā)數(shù)）的增加，無論是本平臺還是傳統(tǒng)平臺的響應時間都處于不斷延長的狀態(tài)；本平臺在負載不斷增加的狀態(tài)下，最長響應時間為5.44 s，而傳統(tǒng)注塑裝備行業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控管理平臺，最長響應時間為12.34 s。這說明本平臺的響應速度遠快于傳統(tǒng)平臺，平臺的靈敏性更優(yōu)越。

2.4.2 平臺魯棒性

從表2可以看出：隨著負載的增加，本平臺在并發(fā)數(shù)為42時失效；而傳統(tǒng)注塑裝備行業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控管理平臺在并發(fā)數(shù)為35時失效。這說明本平臺的魯棒性遠好于傳統(tǒng)平臺。

表2 平臺魯棒性測試結果Tab.2 Test results of platform robustness

3 結論

a）設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的注塑裝備行業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控智能化管理平臺。

b）與傳統(tǒng)注塑裝備行業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控管理平臺相比，本平臺的響應時間極大縮短、魯棒性增強，彌補了傳統(tǒng)平臺的不足，為注塑生產(chǎn)奠定了基礎。