基于ZigBee拓扑结构的注塑机器人监控系统

门雅范，余晓霞

（河南信息工程学校，河南省郑州市 450011）

在化工产品生产加工领域，注塑是其中一个重要分支，主要作用是将热塑材料利用模具制成各种产品。传统注塑主要通过人工完成，不仅效率低，且对温度控制不精准，导致产品存在质量问题，更重要的是，产品生产过程中，高温环境危害工作人员的身体健康，且一旦发生事故，将产生不可估量的后果。因此，随着科学技术的不断进步，注塑生产逐渐向着智能化、自动化发展，而注塑机器人就是最明显的体现［1］。注塑机器人是模拟人类思维与行为的一种智能化注塑设备，它既可以接收人类的指挥，又可以按照预先设定的程序执行任务。在注塑机器人组成当中，监控系统决定着机器人生产的稳定性和准确性，因此，研究一种有效的智能监控系统具有重要的现实意义。以往研究的注塑机器人监控系统，如基于CAN总线和基于Web的两种传统注塑机器人监控系统，存在的最大问题在于传输能力与数据处理能力不足，导致注塑机器人无法完全按照预期标准完成任务，从而造成产品质量达不到预期效果，影响了企业的可持续发展［2］。针对上述问题，设计了一种基于ZigBee拓扑结构的注塑机器人监控系统。该系统借鉴浏览器（B）/服务器（S）三层结构，将系统分为数据采集层、数据分析层以及数据显示层，在此基础上根据各层需要选择硬件组成设备，如传感器、ZigBee通信网络、中心处理芯片、驱动器、显示器等，最后根据硬件组成设计相应的软件运行程序，为硬件运行提供指导，并对该系统性能进行仿真测试。

1 基于ZigBee的注塑机器人监控系统设计

随着注塑加工行业的迅速发展及科技的不断进步，注塑成型设备的自动化水平越来越高。许多企业为满足需求，将注塑机器人应用到产品生产加工中，提高了生产效率和产品质量，降低了生产成本，提高了企业盈利［3］。此外，注塑机器人可以代替人工完成多个危险程序，尤其在对聚乙烯、聚氨酯等材料进行高温注塑时，可以极大改善劳动条件，减少事故发生率。注塑机器人生产工艺流程一般为四个步骤：填充、保压、冷却、脱模。在这一过程中，注塑保压和冷却是关键步骤。而在这两个步骤中，注射压力、注射温度两个参数控制是重中之重［4］。一般人工控制是很难精准掌握的，为此，研究注塑机器人监控系统具有现实意义。

1.1 系统框架构成

所谓B/S三层结构，是指由数据访问层、业务逻辑层以及表示层组成的分层式结构。其中，数据访问层为基础层，主要作用是对数据进行保存和读取；业务逻辑层处于访问层与表示层之间，是系统设计中的关键，主要负责数据的分析与处理，同时也起到上下两个层次的连接作用；表示层是人机交互层，在接受访问请求的同时，以图表的形式呈现结果数据［5］。

本工作借鉴B/S结构，将框架也分为三个层次，即数据采集层、数据分析层以及数据显示层，见图1。在上述系统三层结构中，每一层都是独立的，相互不干涉，但又相互连接，上一层为下一层服务，下一层承接上一层的操作结果。具体过程为：采集层采集数据，利用ZigBee将其传输给数据分析层，得出分析结果，并实现自动预警，最后根据用户请求指令，将结果传输呈现给用户，实现人机交互［6］。

图1 系统整体框架Fig.1 Overall framework of system

1.2 系统硬件设计

系统硬件，即组成系统的各实体部件，主要发挥计算、控制、存储、输入和输出功能，为整体系统运行提供载体［7］。根据系统框架，系统硬件包括传感器、ZigBee通信网络、中心处理芯片、驱动器、显示器等。

1.2.1 传感器

在注塑工艺中，保压和冷却是最难控制的环节。保压环节中，在对模腔持续施加压力时，超过挤压段的设定压力，熔体成型就可能产生毛边，而一旦达不到设定压力，产品就会出现凹痕；而在冷却环节，冷却温度掌控不精准，就会导致冷却不均匀，进一步造成产品翘曲变形。为此，实时监测注射压力、注射温度两个参数具有重要作用。为有效完成这一任务，需要在注塑机器人上安装两种传感器，即压力传感器和温度传感器，完成对注射压力、注射温度的监控。传感器是一种能够感受到被测量目标的相关信息，并按一定规律将信息变换成电信号，其组成包括敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源［8］。选用青岛奥博仪表设备有限公司的YBY型压力传感器，该传感器由固态压力传感器和低漂移高精度单片二线制仪表放大器组装而成，由于传感器被封装在316不锈钢隔离膜片内，通过硅油传递压力，使仪表能耐大多数腐蚀性介质的侵蚀，可用来测量高温液体、气体和蒸汽压力，并将其转换成4～20 mA标准电流输出信号。而温度传感器选用美国Dallas半导体公司的DS1821型高温数字传感器，其工作原理是利用铂金属在温度变化时自身电阻也随着变化的特性来测量温度，然后采用二线传送方式进行传输，可用来测量各种液体、气体的温度［9］，具有精度高、分辨率好，安全可靠、使用方便等优点。DS1821型高温数字传感器是带有用户可编程触发点的独立恒温器和1线数字接口的8位温度传感器。恒温器触发点存储在非易失性存储器中，因此，DS1821型高温数字传感器单元可以在系统插入前编程，以实现真正的独立运行。DS1821型高温数字传感器的工作温度为-55～125 ℃，在0～85 ℃可精确到±1 ℃。

1.2.2 ZigBee通信网络

传感器位于系统基础数据采集层中，当需要将采集到的数据传输给上层数据分析层进行分析时，会以通信网络为载体进行传输。目前，通信网络应用最广泛的有光纤、CAN总线、无线宽带、蓝牙、Web等，但这些通信手段并不适用于注塑生产监测中，因此，本工作采用ZigBee通信网络进行数据传输，该传输方式适用于近距离传输，只需很少的能耗就能完成一个节点到另一个节点的数据传输，通信效率较高［10］。ZigBee通信网络根据拓扑结构的形状可以将其分为三种类型：星型、树型和网状型，见图2。

图2 ZigBee通信网络拓扑结构Fig.2 Structure of ZigBee communication network topological structure

在上述3种方法中，网状型通信网络拓扑结构的连接形式最为简单，所用线缆最短，增加或移除电缆比较灵活，个别节点即使发生故障，也不会影响网络中其他节点的正常工作。因此，本系统通信选用网状型拓扑网络结构作为载体，以改善通信延时，加快系统响应速度，提高注塑产品精度。

1.2.3 中心处理芯片

在系统设计中，中心处理芯片是核心硬件，负责最大限度地挖掘系统软硬件之间的并发性，协调软硬件体系结构，以使系统工作保持在最佳工作状态，是整个系统硬件设备运行的大脑［11］。在本系统设计中，选择德州仪器半导体公司的CC2430F128RTCR型芯片作为中心处理芯片，其最大特点是可以满足以ZigBee为基础的2.4 GHz无线频段应用。

1.2.4 驱动器

经过中心处理芯片分析后，会得出压力与温度控制的结果，当这一控制结果不符合设定标准，中心处理芯片会发出调整命令，驱动现场设备对注射压力参数或温度参数进行调整［12］。这时，驱动器起到重要作用。根据注塑设备，选用济南科亚电子科技有限公司的220DP04 BL/AL型驱动器。该伺服驱动器采用全方位保护设计，具有高效率传动性能，且具有控制精度高、运行平稳、可靠、响应时间快、采用全隔离方式控制等特点，尤其在低转速运行下有较高的扭矩及良好的性能。与其他驱动器相比，该驱动器马达运转噪音小、高效率、低维护、可更好地提高直流马达的使用寿命；且通过简单的无源开关量或晶体管集电极开路就可以实现其中某一项功能。

1.2.5 显示器

显示器是系统人机交互唯一的窗口，主要作用有：显示相关数据信息；注塑过程监测与跟踪；用户结果查询与浏览；写入和修改工艺程序；设定和修改参数；输出指令，控制设备运作［13］。选择美国霍尼韦尔国际公司的HIMA-TS MIMA-TS-S07型触摸屏作为显示设备。该触摸屏采用工业级设计，前面板具有IP65防水等级。通过不同的通信方式可与不同类型控制器交互，且可自由编辑用户显示界面，使操作者轻松便捷地对设备进行监控。

1.3 系统软件设计

系统软件是指控制和协调计算机及外部设备，支持应用软件开发和运行的系统，主要功能是将各种独立的硬件集合为一体，来协调和控制硬件设备。本系统软件程序运行流程见图3。系统启动后，进行初始化操作，首先利用安装在注塑机器人上的压力传感器和温度传感器采集注塑过程中保压环节和冷却环节中压力和温度数据，并将其转换成电信号，然后利用传感器中的数字信号处理元件对电信号进行处理，包括放大、去噪、解调等，为后续数据分析奠定基础，再利用ZigBee通信网络将电信号传输给数据分析层中的中心处理芯片，利用该芯片强大的运算分析功能，将采集到的压力数据或温度数据与预先设定好的标准进行对比，当压力或温度不符合标准时，一方面会触动预警装置，提醒工作人员当前注塑生产出现问题，以便及时进行调整，另一方面会将结果以表格、图形等形式传输给表示层中的触摸屏，这时工作人员会根据得到的结果输出决策指令，并下达给中心处理芯片，而中心处理芯片会根据指令启动驱动器，接着驱动器会驱动现场设备进行相应调整，使注射压力和温度达到设定的标准［14］。

图3 系统主程序运行流程Fig.3 Operation flow of main program of system

2 系统性能仿真测试

主要验证系统的传输性能与数据处理性能。传输性能指信号传输延时与丢包率；而数据处理性能指系统的吞吐量，即在单位时间内能处理多少个事务/请求/单位数据等［15］。测试对象包括基于ZigBee拓扑结构的注塑机器人监控系统、基于CAN总线和基于Web的两种传统注塑机器人监控系统。

2.1 搭建系统测试平台

系统测试平台主要由计算机、传感器、显示器、通信线路以及注塑机器人等组成，见图4。该平台参数设置见表1。

图4 系统测试平台Fig.4 Test platform of system

表1 测试平台参数设置Tab.1 Parameter settings of test platform

2.2 性能测试

2.2.1 传输性能

测试信号强度为100%，与路由器距离为120 m，测试20次，分别记录传输延迟的最大、最小、平均值以及超时丢包次数。从表2可以看出：基于ZigBee拓扑结构的注塑机器人监控系统应用下，传输延迟的最大值为0.87 s，最小值为0.12 s，平均值为0.45 s，无超时丢包，与基于CAN总线和基于Web的两种传统注塑机器人监控系统相比，各项参数均更优越。这说明基于ZigBee拓扑结构的注塑机器人监控系统解决了两种传统系统在传输性能方面的问题。

表2 系统的传输性能Tab.2 Transmission performance of system

2.2.2 处理性能

评价系统吞吐量的几个重要参数包括：每秒的请求/事务数量；并发数，即系统同时处理的请求/事务数量；响应时间，系统平均响应时间。从表3可以看出：利用基于ZigBee拓扑结构的注塑机器人监控系统处理1 600 B数据包，事务数量为158，较基于CAN总线和基于Web的两种传统注塑机器人监控系统分别高71和70；并发数为8，较基于CAN总线和基于Web两种传统注塑机器人监控系统均高3； 响应时间为0.54 s，较基于CAN总线和基于Web两种传统注塑机器人监控系统分别少0.31，0.43 s。由此可知，基于ZigBee拓扑结构的注塑机器人监控系统的吞吐量更高，说明在单位时间内，ZigBee系统能更多、更快速地处理事物，处理能力更好。

表3 系统处理性能Tab.3 Processing performance of system

3 结论

a）设计了一种基于ZigBee拓扑结构的注塑机器人监控系统。

b）该系统利用ZigBee通信网络传输数据信息，改善了系统传输性能，系统响应时间缩短，丢包率降低，同时，系统吞吐量提高，信息处理性能增强。