一種塑料袋制造全流程智能柔性生產(chǎn)控制系統(tǒng)

陳利偉，陳祥紅，衛(wèi)靜婷，袁敏康，黃燕洪

（廣東開放大學(xué)（廣東理工職業(yè)學(xué)院），廣東廣州，510091）

0 引言

“柔性”是指適應(yīng)變化的能力和特性。柔性生產(chǎn)是針對(duì)一個(gè)生產(chǎn)線適應(yīng)產(chǎn)品單一、難以及時(shí)應(yīng)對(duì)市場反饋等弊端提出的新型生產(chǎn)模型。目前柔性生產(chǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于定制家居生產(chǎn)線、家電套袋生產(chǎn)線、智能物流設(shè)備生產(chǎn)線等。塑料袋的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛導(dǎo)致塑料袋的生產(chǎn)參數(shù)需求不同，如大小、形狀、薄厚等。其在生產(chǎn)過程中具有差異化需求，因此塑料袋制造商在生產(chǎn)過程中也可以引入柔性生產(chǎn)控制系統(tǒng)。早期，由繼電器、開關(guān)和變頻器等電器元件組成的簡單電氣控制方式在塑料袋生產(chǎn)環(huán)節(jié)被廣泛采用，在單一制造環(huán)節(jié)，這種方式簡單可靠，但在塑料袋全流程生產(chǎn)中，由于每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)速度的不同，以及環(huán)境干擾因素導(dǎo)致不確定性增強(qiáng)，導(dǎo)致這種不帶物料緩沖控制和參數(shù)調(diào)整的簡單控制方式并不適用于塑料袋的全流程生產(chǎn)。利用PLC和觸摸屏相結(jié)合的稍復(fù)雜控制系統(tǒng)具有編程容易和運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。但在塑料袋全自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，會(huì)出現(xiàn)大量的傳感器數(shù)據(jù)、生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算和使用，這些并不是PLC的強(qiáng)項(xiàng)。因此，這種控制方式并不適用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)柔性和智能分析與制造。工業(yè)4.0是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，工廠將生產(chǎn)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)連接和傳感器集成到一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)平臺(tái)中，這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)可以監(jiān)督整個(gè)生產(chǎn)線流程并自主執(zhí)行決策。基于此，本文提出了一套具有生產(chǎn)數(shù)據(jù)管控，生產(chǎn)策略優(yōu)判和生產(chǎn)順序控制的柔性智能制造系統(tǒng)。并將從生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)、控制系統(tǒng)架構(gòu)、控制系統(tǒng)的運(yùn)行這三個(gè)方面展開闡述。

1 生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)

圖1展示了全自動(dòng)塑料袋生產(chǎn)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)由5個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)構(gòu)成，分別為自動(dòng)供料、吹膜機(jī)、印刷機(jī)、制袋機(jī)和自動(dòng)收納機(jī)組成，每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)機(jī)構(gòu)都由一套電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和信號(hào)采集板作為下位機(jī)，電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)著每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的電動(dòng)機(jī)變頻器、溫控裝置、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備。信號(hào)采集板專門用于采集生產(chǎn)過程中的電壓、電流、速度、溫度、位置和狀態(tài)信號(hào)。所有的下位機(jī)都通過MODBUS通訊總線接入一臺(tái)裝有“司南”智能控制系統(tǒng)軟件的上位機(jī)。該上位機(jī)監(jiān)督整個(gè)生產(chǎn)線流程并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整生產(chǎn)線狀態(tài)，控制著所有設(shè)備的運(yùn)行順序和瞬時(shí)性要求較低的控制邏輯（快速控制邏輯由電氣驅(qū)動(dòng)板完成）。

圖1 塑料袋生產(chǎn)控制框圖

2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)開發(fā)系統(tǒng)使用Python語言編寫數(shù)據(jù)分析層，C++編寫順序控制層，PHP和javascript語言完成顯示和編輯界面，采用了Mysql數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)所有邏輯關(guān)系和控制數(shù)據(jù)。

司南控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，由相互獨(dú)立又彼此關(guān)聯(lián)的四部分軟件組成：

圖2 司南控制系統(tǒng)架構(gòu)

（1）LogicEdit軟件完成生產(chǎn)流程編寫和控制邏輯搭建。生產(chǎn)流程的編寫采用繪制流程圖的方式，這是一種不需要有很強(qiáng)的編程經(jīng)驗(yàn)就可以完成的編寫方式，簡單明了的實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備運(yùn)行邏輯。

（2）LogicEXE用于執(zhí)行已經(jīng)編寫好的邏輯文件，使用多線程運(yùn)行的方式，可以讓設(shè)備的每個(gè)機(jī)構(gòu)被獨(dú)立控制和并行運(yùn)行，是一種非常高效的邏輯運(yùn)行方式。

（3）RTMEdit軟件是一套實(shí)現(xiàn)人機(jī)界編輯軟件，也是一套組態(tài)軟件，可以使用其實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的展現(xiàn)和需要控制流程的操作。

（4）RTMShow軟件可以調(diào)用編寫好的實(shí)時(shí)顯示頁面文件對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制。

司南智能控制系統(tǒng)比較傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能：

（1）可以一臺(tái)主機(jī)管理多臺(tái)生產(chǎn)線，根據(jù)生產(chǎn)線狀況和生產(chǎn)計(jì)劃合理調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)；

（2）可以根據(jù)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量劣化信息優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，并在不斷的嘗試中迅速找到最佳工作點(diǎn)；

（3）可以快速切換生產(chǎn)產(chǎn)品規(guī)格（同原料下）；

（4）可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中每個(gè)環(huán)節(jié)需要人員干預(yù)的缺陷；

（5）對(duì)所有的重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，供系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和生成統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。

3 控制系統(tǒng)的運(yùn)行

控制系統(tǒng)本著智能化的思想，利用集成智能化技術(shù)，使其具備自行解決推理判斷和生產(chǎn)計(jì)劃選擇的能力?？刂葡到y(tǒng)的運(yùn)行流程如圖3所示。在控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)計(jì)劃需要手動(dòng)填寫到系統(tǒng)任務(wù)池中（數(shù)據(jù)表），這種生產(chǎn)計(jì)劃的添加沒有特定的時(shí)間規(guī)定，可以在系統(tǒng)啟動(dòng)前或運(yùn)行中添加?？刂葡到y(tǒng)在啟動(dòng)后會(huì)從任務(wù)池中尋找目前要執(zhí)行的生產(chǎn)計(jì)劃。如果有多條生產(chǎn)計(jì)劃，系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃加入的時(shí)間順序作為參考，根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)狀況、設(shè)備的使用率、預(yù)設(shè)的優(yōu)先級(jí)別和設(shè)備值守人員的作息制度等諸多因素綜合判斷并選取將要執(zhí)行的生產(chǎn)計(jì)劃。當(dāng)一個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行結(jié)束，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行一套銜接程序，在不停機(jī)的情況下迅速選取并執(zhí)行下一個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)的目的。上述控制系統(tǒng)在執(zhí)行不同規(guī)格塑料袋的生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，還依賴于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的柔性。

圖3 控制系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

控制系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)也會(huì)采集設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和與產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的可感知參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)劣化時(shí)，利用有限調(diào)節(jié)手段通過系統(tǒng)內(nèi)部算法嘗試調(diào)節(jié)并對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行閉環(huán)查驗(yàn)。當(dāng)品質(zhì)恢復(fù)后，系統(tǒng)對(duì)質(zhì)量劣化產(chǎn)品的信息進(jìn)行記錄，同時(shí)，對(duì)這次成功的調(diào)節(jié)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)記錄。同時(shí)，用戶可以通過在人機(jī)界面調(diào)取已經(jīng)設(shè)定好的塑料袋生產(chǎn)參數(shù)快速添加生產(chǎn)計(jì)劃，生產(chǎn)全程無需人員干預(yù)。

4 結(jié)束語

本文提出了一種塑料袋全自動(dòng)智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)，并具有智能調(diào)節(jié)的功能。該智能控制系統(tǒng)在塑料袋的全自動(dòng)生產(chǎn)中可以極大的減少生產(chǎn)人員配置，提升產(chǎn)品質(zhì)量，提高設(shè)備使用率和降低生產(chǎn)成本。