嵌入式吹塑壁厚控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱丹張偉

(空軍第一航空學(xué)院航空機(jī)械工程系，河南 信陽(yáng) 464000)

0 引言

吹塑成型機(jī)是塑料機(jī)械的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，80%以上的中空容器采用中空吹塑法成型［1］。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，壁厚均勻的塑料中空制品使用原材料少、冷卻時(shí)間短、耐沖擊力強(qiáng)度高。因此，壁厚控制技術(shù)不僅是吹塑成型機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)，也是研制的難點(diǎn)所在。當(dāng)前，我國(guó)在此項(xiàng)技術(shù)方面與國(guó)外還有一定差距，壁厚控制系統(tǒng)的大部分市場(chǎng)被國(guó)外廠商所占據(jù)。然而，由于國(guó)外產(chǎn)品針對(duì)性不強(qiáng)、價(jià)格昂貴，因此，無(wú)法滿足我國(guó)塑料工業(yè)快速發(fā)展的需求。

本系統(tǒng)在研究國(guó)內(nèi)外壁厚控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前熱門的嵌入式技術(shù)、LCD顯示和觸摸屏技術(shù)以及RS-485遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，提出了一種以LPC2220微處理器為核心，以μC/OS-Ⅱ平臺(tái)為基礎(chǔ)的吹塑成型機(jī)壁厚控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)工作原理與組成

壁厚控制系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋設(shè)計(jì)，其主要任務(wù)是根據(jù)用戶設(shè)定的型坯壁厚軸向變化曲線對(duì)擠塑機(jī)的出料流速進(jìn)行控制，從而控制型坯壁厚的變化規(guī)律，以保證吹塑后塑料制品的壁厚均勻。

中空吹塑成型是將擠塑機(jī)擠出的處于半熔融狀態(tài)的管狀塑料型坯置于各種形狀的成型模具中，然后閉合模具，通入壓縮空氣，利用空氣的壓力使坯料變形，并與模具壁貼合，經(jīng)冷卻定型后脫模，從而得到中空制品。

吹塑成型機(jī)各階段的工作具體介紹如下。①進(jìn)料階段:進(jìn)料口打開(kāi)，出料口關(guān)閉，處于熔融狀態(tài)的原料進(jìn)入儲(chǔ)料缸，儲(chǔ)料缸的活塞上升;當(dāng)活塞上升到預(yù)定位置時(shí)，進(jìn)料口關(guān)閉，結(jié)束進(jìn)料。②擠塑階段:出料口打開(kāi)，活塞向下移動(dòng)將原料擠出，形成管狀型坯。③成型階段:擠塑的同時(shí)，吹風(fēng)口通入壓縮空氣。當(dāng)擠塑完成時(shí)，模具合模，產(chǎn)品成型［2］。

系統(tǒng)由位置采集單元、計(jì)算控制單元和驅(qū)動(dòng)單元組成。位置采集單元通過(guò)兩個(gè)直線位移傳感器對(duì)儲(chǔ)料缸活塞的位置和模芯位置進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。由儲(chǔ)料缸活塞的位置可以得到料位信息;由模芯位置可以得到口模間隙，并進(jìn)一步得到出料流速。計(jì)算控制單元接收到采集的數(shù)據(jù)后，依據(jù)設(shè)定曲線，利用既定的控制算法，計(jì)算出控制量。驅(qū)動(dòng)單元將根據(jù)計(jì)算控制單元的決策結(jié)果驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電液伺服閥)調(diào)整口模間隙(模芯位置)，從而控制出料流速。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由微處理器LPC2220、外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、兩路直線位移測(cè)量電路、輸出控制電路、LCD液晶顯示電路、觸摸屏控制電路、開(kāi)關(guān)量輸出電路和RS-485通信電路組成。LPC2220是NXP公司研制的基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位高性能微處理器，它采用RISC結(jié)構(gòu)，功耗低，且其主頻可以達(dá)到75 MHz，具有64 kB的內(nèi)部 RAM［3］。LPC2220內(nèi)部沒(méi)有集成Flash，所以外擴(kuò)了2 MB的Flash芯片SST39VF1601。觸摸屏采用四線電阻式觸摸屏，其控制芯片為ADS7843。硬件電路在設(shè)計(jì)上充分考慮了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，A/D轉(zhuǎn)換器AD7706和D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638與微處理器之間的通信電路采用高速光耦6N137進(jìn)行隔離;RS-485接口電路采用了嵌入式隔離收發(fā)器RSM3485CHT，集成了電源隔離、電氣隔離和總線保護(hù)器。系統(tǒng)硬件電路原理如圖1所示。

圖1 硬件電路原理圖Fig.1 Principle of the hardware circuits

2.1 直線位移測(cè)量電路

直線位移測(cè)量電路的功能是將直線位移傳感器傳送過(guò)來(lái)的電信號(hào)按系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行調(diào)理，再送入A/D轉(zhuǎn)換器。直線位移傳感器又稱電阻尺，它將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并使該信號(hào)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)成正比，其工作原理類似于滑動(dòng)變阻器。本系統(tǒng)中采用的直線位移傳感器的輸出為0～5 V的電壓。由于A/D轉(zhuǎn)換器AD7706的基準(zhǔn)電壓為2.5 V，所以測(cè)量電壓的最大值不能超過(guò)2.5 V。如果要測(cè)量0～5 V的電壓信號(hào)，那么就必須將被測(cè)信號(hào)縮小為原來(lái)的一半，直線位移測(cè)量電路就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的。

測(cè)量電路原理如圖2所示。

圖2 測(cè)量電路原理圖Fig.2 Principle of the measuring circuit

圖2中，D2為5 V的穩(wěn)壓二極管，當(dāng)輸入電壓超過(guò)5 V，D2就將電壓穩(wěn)定在5 V;C28為濾波電容。

2.2 輸出控制電路

本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電液伺服閥。電液伺服閥是電液轉(zhuǎn)換元件，也是功率放大元件，它將小功率的電輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的大功率液壓信號(hào)(如流量、壓力)，使執(zhí)行元件跟隨輸入信號(hào)而動(dòng)作。根據(jù)電液伺服閥的輸入電流-輸出流量特性曲線可知，輸入電流的大小決定流量的大小，輸入電流的方向決定液流的方向，所以驅(qū)動(dòng)電液伺服閥需要可變的電流源。

本系統(tǒng)選用的電液伺服閥的驅(qū)動(dòng)電流為－40～40 mA。系統(tǒng)采用TLV5638和INA128產(chǎn)生 －4～4 V的電壓，然后利用兩個(gè)運(yùn)算放大器將這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換成－40～40 mA的電流。輸出控制電路原理如圖3所示。

圖3 輸出控制電路原理圖Fig.3 Schematic of output control circuit

TLV5638是TI公司生產(chǎn)的12位雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器，INA128為BB公司生產(chǎn)的儀表放大器。TLV5638通過(guò)SPI總線(引腳1和2)與LPC2220通信，輸出通道A與INA128的負(fù)輸入端相連，輸出通道B與其正輸入端相連。調(diào)整RG使得INA128的放大倍數(shù)為4。TLV5638的通道A始終輸出1 V的參考電壓，當(dāng)通道B輸出0～2 V的電壓時(shí)，INA128的輸出端(引腳6)就可輸出－4～4 V的電壓UO。

將圖3中的五個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)為 A、B、C、D、E，其節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)為 UA、UB、UC、UD、UE。由運(yùn)算放大器“虛斷”和“虛短”的特性可知，電阻R13兩端的電壓為:

節(jié)點(diǎn)電壓UB為:

由 UD=2UA=2UB、UE=UC，可知節(jié)點(diǎn)電壓 UD為:

電阻R12兩端的電壓為:

接插件CON4接負(fù)載，負(fù)載電流就是電阻R12上流過(guò)的電流為:

由式(5)可知，此電路最終得到了一個(gè)輸出范圍為－40～40 mA的控制電流。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的智能儀表的軟件程序大部分是采用前后臺(tái)方式編寫的，后臺(tái)是一個(gè)大的循環(huán)程序，前臺(tái)為多個(gè)中斷程序。這種方式規(guī)模大、系統(tǒng)功能較為復(fù)雜，尤其當(dāng)系統(tǒng)的并發(fā)規(guī)模較多時(shí)，很難保證多任務(wù)測(cè)量和控制的實(shí)時(shí)性［4］。而操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供了一個(gè)使用方便并且可擴(kuò)展的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。用戶只需根據(jù)需求，將所要完成的工作合理地劃分成不同的任務(wù)，明確并建立各個(gè)任務(wù)間的協(xié)調(diào)關(guān)系即可。綜合考慮用戶需求和硬件條件，系統(tǒng)最終采用了μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)。

3.1 應(yīng)用程序

μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)環(huán)境下應(yīng)用程序的編寫是以任務(wù)為模塊的，每個(gè)任務(wù)的主體都是無(wú)限循環(huán)的特殊函數(shù)［5］。

利用操作系統(tǒng)的任務(wù)機(jī)制，可將整個(gè)應(yīng)用程序按系統(tǒng)功能劃分為以下八個(gè)任務(wù)。

①觸摸屏任務(wù):它用來(lái)接受用戶的輸入，判斷用戶所按下的按鍵，根據(jù)按鍵值或上位機(jī)的命令來(lái)控制喚醒或掛起不同的任務(wù)，并且將按鍵值通過(guò)消息郵箱發(fā)送給界面，進(jìn)行界面更新;除此之外，觸摸屏任務(wù)還將用戶對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置保存在一個(gè)全局結(jié)構(gòu)體中，供所有的任務(wù)使用。

②界面更新任務(wù):它負(fù)責(zé)根據(jù)觸摸屏發(fā)送來(lái)的按鍵值實(shí)時(shí)進(jìn)行界面更新;接收?qǐng)?bào)警任務(wù)發(fā)來(lái)的報(bào)警信息并顯示;接收時(shí)鐘任務(wù)發(fā)送的日期和時(shí)間并顯示。

③時(shí)鐘任務(wù):它負(fù)責(zé)日期與時(shí)間的設(shè)置，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間更新時(shí)，將其數(shù)值通過(guò)消息郵箱發(fā)送給界面，進(jìn)行界面更新。

④RS-485通信任務(wù):它負(fù)責(zé)接收其他任務(wù)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并按通信協(xié)議打包發(fā)送給上位機(jī);同時(shí)，接收上位機(jī)的命令并將解碼發(fā)送給觸摸屏任務(wù)。

⑤報(bào)警任務(wù):它負(fù)責(zé)根據(jù)數(shù)據(jù)采集任務(wù)發(fā)送過(guò)來(lái)信息判斷報(bào)警類型，并以不同的方式進(jìn)行報(bào)警，即將報(bào)警信息顯示在液晶屏上，同時(shí)點(diǎn)亮報(bào)警燈。

⑥位置采集任務(wù):它負(fù)責(zé)每隔10 ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波后送至數(shù)據(jù)處理任務(wù)，如果數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警界限，將信息發(fā)送至報(bào)警任務(wù)。

⑦數(shù)據(jù)處理任務(wù):它負(fù)責(zé)利用變速積分PID控制算法，依據(jù)用戶設(shè)定的曲線和采樣數(shù)據(jù)計(jì)算出控制量，并將其發(fā)送給控制輸出任務(wù)。

⑧控制輸出任務(wù):它負(fù)責(zé)控制D/A轉(zhuǎn)換器的輸出控制量。

應(yīng)用程序框架如圖4所示。圖中的箭頭表示對(duì)其他任務(wù)的控制，該控制通過(guò)信號(hào)量和消息郵箱來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4 應(yīng)用程序框架Fig.4 Framework of application program

3.2 控制算法

PID控制是目前世界上應(yīng)用廣泛的控制規(guī)律。當(dāng)采用常規(guī)的PID控制算法，在有較大的擾動(dòng)或者大幅度改變給定值時(shí)，由于短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，再加上系統(tǒng)有慣性和滯后，在積分項(xiàng)的作用下，往往會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)［6］。為此，提出了積分分離PID控制算法。但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，由于對(duì)積分項(xiàng)采取開(kāi)關(guān)控制，造成積分作用時(shí)有時(shí)無(wú)，系統(tǒng)的反應(yīng)速度降低，穩(wěn)定性也沒(méi)有從根本上得到改善，積分分離PID控制算法的控制效果并不理想。

電液伺服系統(tǒng)的典型特征是低阻尼、時(shí)變性和非線性，有較大慣性和滯后性，很難得到一個(gè)較好的數(shù)學(xué)模型。此外，壁厚控制要求口模間隙過(guò)渡平滑，避免躍變?；谝陨显颍鞠到y(tǒng)采用了變速積分PID控制算法，使積分系數(shù)的選取與偏差大小相對(duì)應(yīng)，偏差大時(shí)，積分系數(shù)減小，積分項(xiàng)作用減弱;反之，積分系數(shù)增大，積分項(xiàng)作用增強(qiáng)［7－10］。

變速積分PID控制算法的基本思想是，設(shè)置f［E(k)］為 E(k)的函數(shù)，當(dāng)|E(k)|增大時(shí)，f［E(k)］減小;反之，f［E(k)］則增大。每次采樣后，都用f［E(k)］乘以E(k)，再進(jìn)行累加，即:

f［E(k)］與|E［k］|呈線性關(guān)系，即:

式中:A和 B為兩種不同的比較值，且 A＞B。f［E(k)］的值在0～1區(qū)間內(nèi)變化，當(dāng)偏差大于所給分離區(qū)間(A+B)后，f［E(k)］=0，不再進(jìn)行累加;當(dāng)|E(k)|≤(A+B)時(shí)，f［E(k)］隨偏差的減小而增大，累加速度增大，直至偏差小于B后，累加速度達(dá)到最大值1。

將f［E(k)］代入PID算式，可得:

變速積分與積分分離控制方法很類似，但調(diào)節(jié)方式不同。積分分離對(duì)積分項(xiàng)采取“開(kāi)關(guān)”控制，在某一閾值完全取消。

變速積分則根據(jù)誤差的大小改變積分項(xiàng)大小，這屬于線性控制。因而，后者調(diào)節(jié)品質(zhì)大為提高，動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性都有所改進(jìn)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

在生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)整機(jī)所生產(chǎn)的兩種產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，它們分別是15 L和10 L塑料水桶。每種產(chǎn)品抽取五個(gè)批次(每批次2000只)，產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Inspection results of the products

由表1可知，±30 g的成品率均在99.3%以上，±15 g的成品率均在98.6%以上，說(shuō)明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠滿足生產(chǎn)需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于LPC2220微處理器和μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的吹塑壁厚控制系統(tǒng)，其電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、體積小、可靠性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、擁有人性化的交互界面且操作簡(jiǎn)便。此外，其還具有良好的可擴(kuò)展性，可根據(jù)用戶的需求，加裝GSM、GPRS等通信模塊，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化管理。本系統(tǒng)也可測(cè)量其他傳感器信號(hào)，亦可控制其他物理量，只要在現(xiàn)有的軟硬件基礎(chǔ)上稍加修改，就可應(yīng)用于其他工控領(lǐng)域，適應(yīng)性強(qiáng)。

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