基于物联网的注塑装备行业生产监控智能化管理平台

滕振芳，李 洁

（保定职业技术学院，河北省保定市 071000）

化工生产过程具有高温、高压、易燃、易爆、易污染等特点，生产风险极高，伤亡事故频发。随着自动化、信息化技术的发展，逐渐由机器设备生产取代人工生产，不仅提高了生产效率和产品质量，还减少了事故发生率［1］。因此，注塑设备广泛应用在塑料、橡胶等生产中。然而，由于我国对该项技术的研究起步较晚，现有监控管理平台还不足以应对生产中的各种需求。针对这种情况，设计了一种基于物联网的注塑装备行业生产监控智能化管理平台。该生产监控智能化管理平台将物联网技术应用其中，以期改善一般监控管理平台响应时间（即用户感受软件平台为其服务所耗费的时间）慢、鲁棒性（在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，平台是否能够正常运行的性能）差的问题［2］。本工作采用三层架构模式平台，集数据采集、分析、显示、反馈等多功能为一体，对注塑设备生产状态进行全方位的监测与管理。

1 注塑装备行业生产监控智能化管理平台设计

目前，我国每年塑料消耗总量达到60 Mt以上，为满足人们的日常所需，传统人工制备方法已基本淘汰，机械设备自动化生产广泛应用［3］。应用在注塑生产中的设备主要包括注塑机、挤出机、中空成型机等。其中，注塑机是最重要的设备，一般由注射装置、合模装置、液压系统和电气控制系统等组成（见图1）。

图1 注塑机组成示意Fig.1 Structure of injection molding machine

化工产品的注塑成型是一个较为复杂的过程，需要经历定量加料→熔融塑化→施压注射→充模冷却→启模取件等步骤［4］。首先，将原料利用料斗加入到定量供料装置中，加热使物料均匀塑化，然后利用注射装置，在注射油缸的推力作用下，将塑化好的处在熔融状态的物料注射到模具型腔内，再对型腔内的熔融物料进行保压、冷却、固化，完成产品定型，最后开启模具，将定型后的产品利用顶杆从模具中顶出，合模装置闭模，完成产品生产［5］。以上为一个完整的注塑周期，在这一过程中，温度、压力、速度、时间、体积及开关量等工艺参数决定了注塑制品的质量。为保证产品质量，对注塑装备运行过程中的状态进行智能化监控管理具有重要意义。为此，设计了一种基于物联网的注塑装备行业生产监控智能化管理平台，该平台设计需要满足如下需求：（1）注塑机型号和详细设计参数的保存；（2）注塑设备运行状态监控；（3）注塑工艺参数监控和管理；（4）注塑设备故障预警；（5）监控与管理过程中，历史数据以图表的形式生成。

1.1 平台整体框架设计

目前，平台架构模式主要有C/S（C为客户机，S为服务器）架构模式和B/S（B为浏览器）架构模式［6］。C/S架构模式为两层架构模式，包括C/S、客户端/S，这种模式极易导致业务逻辑执行不一致，从而造成平台程序运行错误，导致平台崩溃，这对于一个监控管理平台来说是致命的。在此背景下，提出了B/S架构模式，它是一种三层架构模式，比C/S架构更具优势，可以实现平台分布式管理。另外，该模式可以极大减少平台维护成本并方便平台优化和升级；不需要另设一个客户端用于人机交互，只需通过一个浏览器就可以实现［7］。此外，该架构模式可与通信网络直接相连，扩大了平台服务范围。因此，本平台整体框架设计采用B/S架构模式，将平台框架分为三个层次，见图2。

图2 基于B/S的平台架构Fig.2 Platform framework based on B/S

平台表示层是用户与平台交互的唯一窗口，主要功能是为用户提供访问通道以及内容展示界面。当用户身份验证通过后，平台会直接加载出主页到客户端，并通过浏览器界面展示出来以供用户查询使用。业务逻辑层为表示层与数据访问层之间的连接层，主要负责为平台运行提供各种功能服务，如安全性校验工作的开展、用户请求的处理、访问层数据分析以及各设备的调用与协调控制等，因此该层是平台架构中的核心层［8］。数据访问层位于平台架构中的底层，主要用于数据的访问与读取，以便为中心任务提供数据支撑。

1.2 平台硬件设计

根据平台功能需求与框架组成，选择平台构建所需的实体组成部件，包括数据采集设备、传输设备、中心控制处理设备、人机交互设备等［9］。

1.2.1 数据采集设备

数据采集，又称数据获取，是利用采集装置从平台外部采集电信号并输入到平台中进行数据分析的过程。注塑装备运行状态采集主要依靠传感器完成。由于注塑生产中涉及多个目标参数的监测，所以传感采集设备需要用到温度传感器、压力传感器、速度传感器、质量传感器等。除了传感器外，采集部分还需要设置一种开关状态显示仪，监控注塑机启停状态、手自动状态及合模机构启闭状态等。选用上海沪彬电子科技有限公司的TP2800-A型开关状态智能显示仪，该显示仪集一次回路模拟图、断路器位置、开关状态、接地刀闸位置、弹簧储能状态、高压带电闭锁、高压验电等多项功能于一体［10］。开关状态显示仪采用嵌入式，安装便捷。另外，该显示仪还具有良好的环境耐受能力、电磁兼容性能以及较强的抗干扰性能，足以应对注塑过程中恶劣的环境。

1.2.2 传输设备

物联网是互联网、传统电信网等信息承载体，是一种让所有具有独立功能的普通物体实现互联互通的网络。本设计监控智能化管理平台主要围绕物联网建设而成，以物联网作为数据传输的媒介和基础。在物联网中，网关是核心部件，起到网间连接器、协议转换器的作用［11］。当采集设备采集完数据后，会利用工业以太网将其传输给物联网网关，网关接收数据后按照传输协议，将其转发给平台中心控制处理设备，进行数据分析。本工作采用SymGate E102型网关。SymGate E102型网关是北京旋思科技有限公司自主研发的“工业物联网智能网关”产品家族成员，是一款基于工业物联网架构设计的工业级嵌入式软硬一体设备，可实现工业现场多种设备的数据接入和转发推送功能，具备1路网口及2路串口，每路端口均可作为采集或者转发通道，灵活配置实现多点采集转发。该网关还具备全新的远程协助能力，可随时随地将千里之外的现场设备虚拟到身边，实现设备诊断维护，极大降低了传统模式所带来的维护管理成本。

1.2.3 中心控制处理设备

中心控制处理设备是平台的核心硬件，主要作用是协调平台各组成硬件，对数据进行分析处理。采用荷兰恩智浦公司的LPC2478型嵌入式微处理芯片作为注塑装备行业生产监控智能化管理平台的核心。该芯片包括4 kB容量的ROM，128 B容量的RAM，2个16位定时/计数器，4个8位并行接口，全双工串口等，具有处理功能强、速度快、低电压、低功耗、可靠性高等优点［12］。

1.2.4 人机交互设备

触控面板是一种高新技术产品，在平台中主要作为人机交互设备，其优点在于：可以作为模拟键盘，更为灵活，节省键盘所占用的空间；可以作为模拟鼠标，只要轻触屏幕就可以完成功能选择［13］。选择宜昌市能达通用电气股份合作公司的SGW-3型自动旋光仪作为人机交互设备。SGW-3型自动旋光仪采用发光二极管作光源，避免了频繁更换钠光灯的麻烦，测试旋光度可达±89°，半导体帕尔贴装置具有加热及冷却功能，如果使用控温型试管可以对试样进行控温测量。仪器上的大屏幕触摸液晶显示器提供Windows操作界面，简便直观、稳定可靠。

1.3 平台软件设计

平台硬件设计完成后，需要为其提供逻辑指导，控制各设备协调运行。基于物联网的注塑装备行业生产监控智能化管理平台软件运行程序见图3。平台运行步骤：（1）平台通电，各设备初始化操作。（2）启动传感器设备与开关状态智能显示仪。在传感器采集信号后，要进行信号放大以及数模转换，转换完成后，对数据进行读取并储存。在这一过程中，为防止干扰波干扰，需要利用平均值滤波程序对信号进行滤波处理。结束后，将数据储存在寄存器中，等待打包传输。（3）利用物联网将数据传输给中心控制处理设备。（4）利用LPC2478型嵌入式微处理芯片对数据进行分析，判断注塑过程中各工艺参数（如温度、压力、速度、时间、体积及开关量等）是否满足预设值，若满足预设值，则保持当前运行状态，说明当前注塑状态良好。若不满足，则需要进行参数调整，然后再次判断调整后的参数是否符合预设值，若符合则进行下一步，若不符合，则会触发平台预警装置，同时检查注塑设备是否出现故障，如果发生故障，需要进行故障定位、故障检测、故障修复等，直到设备重新恢复运行［14］。（5）将以上过程中产生的历史数据传输给人机交互设备，并以图表的形式供用户阅览。用户可以根据得到的信息，发出指令，对注塑装备进行控制和管理。

图3 注塑装备生产监控管理平台软件运行程序Fig.3 Software operation procedure of production monitoring management platform in injection equipment

2 平台性能测试

2.1 平台测试环境

平台设计完成后，需要对其性能进行仿真测试，这是平台开发过程必不可少的环节。平台性能测试结果反映平台设计是否有效、合理［15］。此外，通过仿真测试可以找出平台开发过程中存在的问题，并进行优化，最终使平台达到稳定、安全运行的状态。平台测试环境见表1。

2.2 开发工具与测试工具

测试开发工具如下：工具软包为Microsoft visual studio. Net 2005企业版；绘图工具为Visio 2013软件；模型建立工具选择PowerDesigner12.1软件；数据库为SQL Server 2008软件；编程工具为JBuilder软件；实验测试工具为LoadRunner软件。

表1 平台测试环境Tab.1 Test environment of platform

2.3 测试指标

平台测试以需求为对象，检测本平台是否满足需求，即平台是否解决了传统平台响应时间慢、鲁棒性差的问题。所以本次测试指标为平台响应时间和鲁棒性。

2.4 测试结果

2.4.1 平台响应时间

响应时间为客户端响应时间、服务器端响应时间和网络响应时间总和。随着负载（即并发数）的增加，无论是本平台还是传统平台的响应时间都处于不断延长的状态；本平台在负载不断增加的状态下，最长响应时间为5.44 s，而传统注塑装备行业生产监控管理平台，最长响应时间为12.34 s。这说明本平台的响应速度远快于传统平台，平台的灵敏性更优越。

2.4.2 平台鲁棒性

从表2可以看出：随着负载的增加，本平台在并发数为42时失效；而传统注塑装备行业生产监控管理平台在并发数为35时失效。这说明本平台的鲁棒性远好于传统平台。

表2 平台鲁棒性测试结果Tab.2 Test results of platform robustness

3 结论

a）设计了一种基于物联网的注塑装备行业生产监控智能化管理平台。

b）与传统注塑装备行业生产监控管理平台相比，本平台的响应时间极大缩短、鲁棒性增强，弥补了传统平台的不足，为注塑生产奠定了基础。