專利名稱：一種注塑系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種注塑系統(tǒng)，具體涉及一種由單臺既執(zhí)行機器控制功能又執(zhí)行人機界面功能的通用計算機控制的注塑系統(tǒng)。所述的控制系統(tǒng)將不再需要使用現(xiàn)有技術(shù)中所要使用的模擬信號處理器和可編程邏輯控制器來進行控制。
注塑系統(tǒng)廣泛用于生產(chǎn)制造諸如能夠被吹制成日常生活常見的各種飲料容器的塑料PET塑坯等廉價的塑料制品。此類注塑系統(tǒng)通常包括多種用于執(zhí)行注塑操作的模擬和數(shù)字裝置。例如，擠壓機驅(qū)動器、比例流量控制閥、電動驅(qū)動器、加熱及致冷元件、以及其它電動液壓機械驅(qū)動器和電動機械驅(qū)動器，均是以熟知方式執(zhí)行注塑功能的模擬裝置。數(shù)字裝置的例子則包括近控開關(guān)，合模壓力極限換能傳感器，數(shù)字電磁閥等。上述每一種模擬和數(shù)字裝置不僅必須由合適的模擬和數(shù)字命令來進行控制，而且通常還需配備用于輸出模擬和/或數(shù)字反饋信號的反饋傳感器，它可以有效控制各種裝置使系統(tǒng)能夠快速高質(zhì)地進行生產(chǎn)。例如，在對注塑裝置中的實時變化(例如，溫度設(shè)定點、注塑壓強等)進行閉環(huán)控制時需要使用反饋信號。另外，反饋信號還用于在人機界面或操作員控制面板上向操作員顯示操作信息(例如，工作狀態(tài)、溫度、零件計數(shù)等)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，必需使用一種模擬信號處理器(ASP)來向注塑系統(tǒng)中的多種模擬裝置提供實時控制。同樣地，也必需配備一種可編程邏輯控制器(PLC)來對注塑系統(tǒng)中的各數(shù)字裝置進行控制。作為既使用了ASP又使用了PLC來對注塑機進行控制的一個例子，可參閱美國專利No.5,062,052(作為參考文獻收錄于本說明書中)。盡管’052號專利中也涉及到使用通用計算機，但其用途僅限于PLC與HMI之間的連接。仍然需要使用PLC和ASP來執(zhí)行注塑操作。
現(xiàn)有注塑控制設(shè)計的局限性在于不能實時地對注塑裝置實現(xiàn)重新配置。必須同時對ASP和PLC進行修正或重新進行編程才能實現(xiàn)配置的變更。由此使得在需要向注塑系統(tǒng)中引入新技術(shù)時，通常需要將整個系統(tǒng)斷電以進行重新配置。另外，每種注塑系統(tǒng)的操作狀態(tài)只能通過其HMI來確認。而且，各注塑機制造商在其PLC中通常采用各自的專利設(shè)計，這將會由于兼容性等問題而限制各種新型處理技術(shù)在此類機器上的應用。另外，使用多層結(jié)構(gòu)的ASP和PLC處理控制將會對處理帶來不良影響，并且所產(chǎn)生的處理瓶頸將會降低機器實現(xiàn)相應狀態(tài)變化的響應速度。
因此，目前需要有一種新型注塑控制設(shè)計，其能夠?qū)ψ⑺芟到y(tǒng)提供真正的實時控制，對系統(tǒng)裝置進行快速重新配置，能方便使用最新的市售流行軟件，并且能夠?qū)⑾到y(tǒng)狀態(tài)和控制信息傳送到系統(tǒng)之外，例如傳送到工廠辦公室或甚至是公司總部。
本發(fā)明的一個目的是提供一種能夠?qū)F(xiàn)有最高技術(shù)水平的硬件和軟件組件無縫地集成到一個控制器中的注塑控制設(shè)計。其另一個目的是提供一種能夠提供真正的實時控制和網(wǎng)絡功能的控制設(shè)計。本發(fā)明的再一個目的是提供一種能夠?qū)⑵渌o助設(shè)備以及擴展機器功能很容易地集成進來的開放型控制設(shè)計。其另外的一個目的是提供用于降低系統(tǒng)停機時間的智能診斷系統(tǒng)，以及用于從外部數(shù)據(jù)源輸入知識和信息或?qū)⒅R和信息輸出到外部數(shù)據(jù)源中的遠程訪問能力。本發(fā)明的再一個目的是由單臺通用計算機來同時提供注塑系統(tǒng)控制功能、人機界面功能、運動控制功能、順序邏輯功能、連續(xù)處理控制功能、以及網(wǎng)絡通信功能。
本發(fā)明另外的目的包括提供一種支持外部通信(諸如電子郵件，尋呼等，以用于進行監(jiān)控，故障檢修，以及系統(tǒng)和工廠管理之間的信息交換)的標準應用程序接口，提供具有內(nèi)嵌處理知識的專家系統(tǒng)以輔助進行系統(tǒng)裝配和生產(chǎn)處理，提供智能報警管理和系統(tǒng)診斷功能，以及提供具有內(nèi)嵌功能選項的預定義模板用以輔助用戶對注塑系統(tǒng)進行裝配和操作。
根據(jù)本發(fā)明，上述目標和其它優(yōu)點可以由一種注塑系統(tǒng)來實現(xiàn)，其包括用于執(zhí)行注塑操作的多個注塑裝置，所述多個注塑裝置接收實時控制信號和輸出實時反饋信號；一個具有一個顯示器和至少一個操作員輸入裝置的人機界面；以及單獨一個處理器，用于(i)從所述多個注塑裝置接收實時反饋信號和從所述至少一個操作員輸入裝置接收命令信號；(ii)根據(jù)多個預定的注塑控制程序和顯示程序?qū)λ邮盏男盘栠M行多任務處理，(iii)根據(jù)所述多個預定注塑控制程序和顯示程序向所述多個注塑裝置輸出實時控制信號以及向人機界面顯示器輸出顯示信號，和(iv)具有一種能夠運行商用軟件的操作系統(tǒng)。
如上所述的系統(tǒng)，所述單一處理器具有Windows NT操作系統(tǒng)，并且使用最新流行的實時擴展內(nèi)核執(zhí)行多任務處理。
如上所述的系統(tǒng)，所述多個注塑裝置包括模擬裝置和數(shù)字裝置，其中所述單一處理器同時對所述模擬裝置和所述數(shù)字裝置進行控制。
如上所述的系統(tǒng)，所述處理器被放置在遠離所述控制面板和所述多個注塑裝置的位置上。
如上所述的系統(tǒng)，所述單一處理器具有用于向遠程處理器發(fā)送信號或從中接收信號的接口。
如上所述的系統(tǒng)，所述單一處理器對所述多個注塑裝置以及所控制面板顯示器進行實時控制。
根據(jù)本發(fā)明，上述目標和其它優(yōu)點還可以由一種對注塑系統(tǒng)進行控制的裝置來實現(xiàn)，該裝置由產(chǎn)生多種反饋信號的多個裝置組成。該裝置包括(i)一個優(yōu)選地布置在與注塑系統(tǒng)相鄰的位置上、并具有一個顯示器以及至少一個操作員輸入裝置的人機界面；及(ii)一臺與人機界面和多個注塑裝置相連的通用計算機，其中的通用計算機用于根據(jù)多種命令和反饋信號對上述注塑裝置進行實時閉環(huán)控制。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，單獨一臺計算機用于對注塑系統(tǒng)進行控制，該注塑系統(tǒng)具有多個用于完成注塑處理并提供反饋信號的注塑裝置，以及具有一個顯示器和至少一個用于輸入操作員命令的手工輸入裝置的人機界面。該計算機包括(i)用于從一個(或多個)人機界面手工輸入裝置接收命令信號，以及向人機界面顯示器提供顯示信號的第一輸入/輸出，(ii)用于直接從這些注塑裝置接收反饋信號，并向其提供實時控制信號的第二輸入/輸出，以及(iii)用于根據(jù)上述反饋信號和命令信號產(chǎn)生實時控制信號的CPU，該CPU對命令信號，顯示信號，反饋信號和控制信號進行多任務處理。
本發(fā)明的另一方面是以某種注塑系統(tǒng)為特征的，這種注塑系統(tǒng)包括(i)多個接收實時控制信號并輸出實時反饋信號以完成注塑操作的注塑裝置，(ii)具有一個顯示器和至少一個操作員輸入裝置的人機界面，以及(iii)從上述多個注塑裝置接收實時反饋信號并從操作員輸入裝置接收命令信號的單一處理器，該處理器根據(jù)多種預定的注塑控制程序和顯示程序?qū)λ邮盏降亩喾N信號進行多任務處理，以及根據(jù)多種預定的注塑控制程序和顯示程序向上述多個注塑裝置輸出實時控制信號以及向人機界面顯示器輸出顯示信號，并安裝有一種能夠運行商用軟件的操作系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于對完成注塑處理并提供反饋信號的多個注塑裝置，以及具有一個顯示器和至少一個操作員輸入裝置的人機界面的注塑機進行控制的方法包括如下步驟(i)將反饋信號和來自一個或多個操作員輸入裝置的信號輸入到單一處理器中，(ii)利用該單一處理器實時地對注塑裝置和控制面板顯示器進行控制。
本發(fā)明的另一方面的特征在于至少具有一個計算機可讀存儲介質(zhì)，它用于存儲能使通用計算機對注塑系統(tǒng)(其包括多個用于執(zhí)行注塑處理并產(chǎn)生有多種反饋信號的注塑裝置，以及具有一個顯示器和至少一個操作員輸入裝置的人機界面)進行控制的計算機可讀數(shù)據(jù)。該種計算機可讀存儲介質(zhì)將使通用計算機(i)從一個或多個人機界面手工輸入裝置接收反饋信號及其它信號，以及(ii)執(zhí)行多任務處理以對注塑裝置和人機界面進行實時控制，上述多任務處理在“后臺”執(zhí)行具有相對較低優(yōu)先級的人機界面功能，而在“前臺”執(zhí)行具有相對較高優(yōu)先級的注塑裝置功能。
參照附圖對本發(fā)明進行說明，其中

圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的注塑系統(tǒng)的簡要方框圖；圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的人機界面和通用計算機的簡要方框圖；圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的軟件控制模塊的簡要示意圖；圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的控制設(shè)計的簡要示意圖。
以下將以塑料注塑系統(tǒng)或注塑機為例對本發(fā)明的優(yōu)越性進行詳細說明。然而，本發(fā)明并不僅僅局限于此方案，而可以應用于附加權(quán)利要求所涵蓋范圍內(nèi)的任何類型的注塑技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的控制設(shè)計既提供了對注塑系統(tǒng)的實時控制，又提供了由操作員控制的實時界面。該設(shè)計還包括對注塑系統(tǒng)進行操作和監(jiān)控所必需的人機界面(HMI)，以及和工廠及公司總部進行信息交換的接口。軟件和硬件的集成使一般的通用計算機變?yōu)橄到y(tǒng)控制器，該系統(tǒng)控制器不僅能夠?qū)C器功能和操作員控制進行控制，還具有能夠很容易地集成進任何其它輔助設(shè)備并與外部系統(tǒng)和網(wǎng)絡進行信息交換的開放型設(shè)計。此外，通過附加的硬件和軟件擴展了該通用計算機的功能，提供用以實現(xiàn)高性能的和智能化制造單元(manufacturing cell)的注塑系統(tǒng)的確定的實時控制。
因此，依據(jù)本發(fā)明的靈活的、可重新配置的制造系統(tǒng)能夠容易地適應新的技術(shù)和處理，并將關(guān)鍵的、實時的性能數(shù)據(jù)傳送到生產(chǎn)現(xiàn)場的人機界面之外，如工廠的其它部門和公司總部以向本單位的所有部門提供實時信息。采用商用的通用計算機(PC)技術(shù)使其能夠使用更快更好的CPU，更強大的操作系統(tǒng)，更多類型的外設(shè)，更廣范圍的通信和網(wǎng)絡能力，并且能夠?qū)C器的控制從生產(chǎn)現(xiàn)場延伸到遠程站點。
關(guān)于注塑系統(tǒng)控制設(shè)計圖1所示為用于顯示根據(jù)本發(fā)明的注塑系統(tǒng)控制設(shè)計的一般特性的簡要方框圖。圖1中，注塑系統(tǒng)或機器10利用數(shù)字裝置12，14，16和18及模擬裝置20和22，以眾所周知的方式實現(xiàn)注塑處理。每個數(shù)字和模擬裝置均優(yōu)選地包括一個用于驅(qū)動器控制的輸入，以及一個向各裝置的閉環(huán)控制提供反饋信號的輸出。數(shù)字裝置12，14和模擬裝置20，22優(yōu)選地從現(xiàn)場總線24接收控制信號或?qū)⒎答佇盘栞敵龅狡渖?詳見下文)；而數(shù)字裝置16和18則從數(shù)字總線26接收控制信號或?qū)⒎答佇盘栞敵龅狡渖?詳見下文)。當然，根據(jù)所控制的特定注塑系統(tǒng)，現(xiàn)場總線24和數(shù)字總線26可傳輸所有必需的控制和反饋信號來控制注塑處理。
操作員利用人機界面(或控制面板或控制站)30來輸入控制數(shù)據(jù)并觀察處理反饋信息。HMI 30具有一個鍵盤32和一個指向裝置(即方位輸入裝置，如鼠標)34，使操作員可利用其來輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)所控制的系統(tǒng)，操作員還可以使用一種系統(tǒng)功能輔助鍵盤(其可以包括一個LED顯示器)裝置36來輸入特殊的機器命令。顯示器38向操作員提供了至少一種用于觀測基于反饋信號的數(shù)據(jù)顯示的觀察裝置，并提供了用于手工輸入數(shù)據(jù)的接口?？刂泼姘?0上還可以安裝有活動存儲裝置驅(qū)動器40(如軟驅(qū))以讓操作員輸入所編制好的控制信息，以及新的控制程序，或也可用于將反饋數(shù)據(jù)下載到活動存儲裝置上?？刂泼姘?0還包括用于在HMI 30與通用計算機44之間多路復用各種控制和反饋數(shù)據(jù)的多工器42(詳見下文)。
通用計算機44優(yōu)選采用具有CPU 46，ROM 48和RAM 50的成品個人計算機。優(yōu)選地，計算機44包括通過一條傳輸速率大于1Gbit/s的雙向串行總線鏈路54(詳見下文)耦合到HMI 30的多工器42上的控制面板接口52。接口52優(yōu)選采用Beckhoff工業(yè)電子公司的CP-Link PC多工器。盡管未示出，通用計算機44還可以裝配有諸如CRT，鍵盤，磁盤驅(qū)動器，CD-ROM驅(qū)動器，鼠標，觸摸屏，光筆等類型的外設(shè)。
計算機44還具有通過接線58耦合到數(shù)字總線26上的數(shù)字接口56。同樣地，計算機44也具有通過接線62耦合到現(xiàn)場總線24上的接口60。
計算機44還包括可以耦合到工廠內(nèi)所使用的局域網(wǎng)(例如，以太網(wǎng)；未示出)上的局域網(wǎng)接口64。另外，計算機44還可以包括調(diào)制解調(diào)器或其它可用來將計算機44連到，諸如因特網(wǎng)或內(nèi)聯(lián)網(wǎng)上的外部接口66。
利用如上所述的結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的控制設(shè)計，不需要使用現(xiàn)有技術(shù)所必須的PLC或ASP，卻能對注塑裝置12-22進行真正的實時閉環(huán)控制。另外，操作員能夠通過計算機44在HMI 30處控制注塑處理。計算機44具有足夠快的處理速度以及足夠強的能力來對注塑功能和HMI功能進行多任務處理。例如，計算機44可以在前臺處理對注塑裝置高優(yōu)先級閉環(huán)控制指令進行處理，在后臺處理較低優(yōu)先級的HMI功能指令。因此，計算機44將輪流對機器控制功能和HMI功能進行處理。
關(guān)于通用計算機如上所述，根據(jù)本發(fā)明的單獨一臺通用計算機包括與標準通用商業(yè)或工業(yè)計算機的結(jié)構(gòu)相類似的硬件結(jié)構(gòu)，并且優(yōu)選地在諸如Window NT(Tm)等通用操作系統(tǒng)的環(huán)境下進行操作。計算機44優(yōu)選采用Beckhoff電子公司所出品的C6150型號的工業(yè)PC。此PC特征在于具有一個PentiumII微處理器，一個2G大小(或更高容量)的硬盤，以及一個64M RAM內(nèi)存。該計算機還可以配備CD ROM驅(qū)動器，1.44M和/或1.20M磁盤驅(qū)動器，4個串行接口，一個打印機接口，以及多個(如7個)擴展卡插槽。將用作局域網(wǎng)和/或因特網(wǎng)/內(nèi)聯(lián)網(wǎng)連接的接口優(yōu)化安裝在額外的插槽中。該計算機能夠同時對至少3種功能進行多任務處理，即注塑系統(tǒng)的控制，HMI的控制，并且用作全廠范圍的網(wǎng)絡服務器。
為了通過現(xiàn)場總線24接收模擬反饋信號并提供模擬控制信號，計算機44執(zhí)行A/D和D/A功能。因而，計算機44是以數(shù)字方式來對控制程序、HMI程序和網(wǎng)絡程序進行處理的。通過以數(shù)字方式來進行操作，與常規(guī)模擬電路相比，計算機44能夠提供性能更好和精度更高的解決方案。計算機44高效的計算能力以及充分大的工作內(nèi)存，再加上軟件實時擴展內(nèi)核(詳見下文)可以為機器控制，HMI功能和網(wǎng)絡功能提供實時性能。由于實時擴展內(nèi)核是以微秒級的速率來進行操作的，所以計算機44可以用作所有計算機功能的多任務調(diào)度器。即計算機44可以利用多任務處理，同時對所有的注塑裝置進行控制。另外，機器控制功能可以與HMI功能和/或網(wǎng)絡功能一起被多任務地執(zhí)行。該系統(tǒng)能夠以微秒的數(shù)量級來實現(xiàn)注塑裝置控制回路的控制更新，而使其不必再使用對注塑裝置進行實時控制的模擬閉環(huán)控制器。
因此，計算機44能夠利用多種預定的設(shè)備控制程序(例如，充填料注入，模具合模操作等)對注塑裝置進行控制，以及利用多種預定的HMI程序(例如，顯示器，鍵盤，鼠標，輔助鍵盤等)對HMI 30進行控制。計算機44還通過局域網(wǎng)(和/或因特網(wǎng))利用多種預定程序，如因特網(wǎng)瀏覽器，字處理程序，電子表格處理等程序與其它計算裝置進行網(wǎng)絡通信。計算機44不僅對多個此類控制和網(wǎng)絡程序進行操作，其還可以根據(jù)預定的優(yōu)先級，如按關(guān)鍵注塑裝置第一位、反饋和狀態(tài)裝置第二位、HMI裝置第三位、網(wǎng)絡通信功能最后一位的順序，通過多任務處理來進行操作。另外，計算機44的開放型設(shè)計還允許用戶根據(jù)具體需要對這些預定的控制和網(wǎng)絡程序的任何一項進行修正，升級，安裝或調(diào)換。
計算機44不僅免除了對ASP的需要，其同時也取代了現(xiàn)有技術(shù)中所用的PLC。計算機44易于在其中安裝新的應用程序的能力提供了一種能夠?qū)⑻幚磔斎?輸出映射為可以向操作員顯示的圖象的方法。計算機44另外還具有作為其通用操作系統(tǒng)和編程軟件擴展的且同時符合國際工業(yè)標準如IEC1131-3的輸入和輸出權(quán)能以及實時內(nèi)核。因此，計算機44取代了通常所用的用于對各種注塑系統(tǒng)裝置的工序進行控制以執(zhí)行所需的注塑功能的PLC或?qū)Ｓ每刂破?。除了用作對機器功能進行控制的主控器，計算機44還可用作將全部機器裝置操作信息和機器狀態(tài)集中到一起(隨后將其傳送給工廠監(jiān)控系統(tǒng))的信息檔案庫。
關(guān)于實時擴展內(nèi)核如上所述，根據(jù)本發(fā)明的計算機44對操作系統(tǒng)如Windows NT優(yōu)選地運行一種實時擴展內(nèi)核。此內(nèi)核允許對機器功能，HMI功能和網(wǎng)絡功能進行速度更快地多任務處理?，F(xiàn)在市面上有許多種商用自動化解決方案軟件包，其中均提供了對通用計算機的實時控制。這些實時擴展內(nèi)核允許進行獨立處理，但也可以利用通用計算機不斷提高的處理能力。本優(yōu)選實施例所采用的是由Beckhoff工業(yè)電子公司所開發(fā)的TwinCAT實時內(nèi)核擴展。TwinCAT內(nèi)核擴展提供了PLC和運動控制解決方案的基礎(chǔ)。TwinCAT內(nèi)核是一種具有程序?qū)崟r執(zhí)行功能，編程工具，分析工具和配置管理功能的運行時系統(tǒng)(run time system)。所有Windows程序(例如，可視化工具和辦公軟件產(chǎn)品)均可以通過標準的Microsoft接口與TwinCAT進行交互以互換數(shù)據(jù)及控制服務程序。因此，根據(jù)本發(fā)明的實時擴展內(nèi)核允許進行多任務處理，并被完全集成到操作系統(tǒng)中，同時仍使所有的Windows NT操作系統(tǒng)標準特性保持不變，其還能夠在實時控制任務和用戶NT操作之間共享CPU處理能力，并在不另外需要其它硬件的情況下提供純軟件的解決方案。
關(guān)于人機界面HMI(或控制面板或控制站)30用于輸入對注塑裝置12-22進行控制的控制信息，并接收來自顯示、存儲或傳輸裝置的反饋。HMI 30包括諸如鍵盤32，指向裝置(鼠標)34，輔助鍵盤36，活動存儲裝置40，顯示器38和多工器42等在內(nèi)的標準控制設(shè)備。HMI 30優(yōu)選采用Beckhoff公司的CP7000控制面板，其上安裝有特殊的PLC按鍵、LED顯示器、觸摸屏，15英寸TFT顯示器，PC鍵盤，3.5英寸軟驅(qū)以及CP-Link接口。
在本發(fā)明中，由于將操作員界面和機器控制功能集成到單獨一臺通用計算機內(nèi)，從而消除了通常由現(xiàn)有技術(shù)中HMI，PLC和ASP之間的通信鏈路所產(chǎn)生的處理瓶頸，由此使得HMI 30與計算機44之間的通信效率有了較大程度地提高。
如圖2所示，HMI 30通過傳輸速率大于1Gbit/s的串行總線鏈路54與計算機44相連。由于在HMI 30和計算機44之間使用了如此高速率的雙向多路復用總線，所以可以確確實實地將操作員控制裝置和顯示元件與計算機44分離開來。本優(yōu)選方案中，盡管鏈路54的長度也可以稍短而僅有10米，但所選用的長度為50米。通過將HMI 30放置在遠離計算機44的位置上，可以使所有易受損的計算機裝置，如硬盤、調(diào)制解調(diào)器、CPU等得到保護而不受在注塑環(huán)境中所常會遇到的高溫，振動和沖擊等作用的損害。使用此種高速鏈路，便可以將HMI 30安裝在靠近計算機44并與其保持足夠間隔而易于進行操作的最佳位置上。為此，應在滿足能夠通過鍵盤32、指向裝置34和功能輔助鍵盤36來顯示數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)以及更加容易地手工輸入命令的前提下，盡可能減少HMI內(nèi)的電子器件數(shù)。
圖2中，HMI顯示器優(yōu)選地采用一種TFT顯示器382，盡管也可以采用LED，LCD，CRT或其它類型的顯示裝置。HMI 30還包括一種或多種指向裝置342，包括鼠標，光筆，觸摸屏裝置等等。鍵盤32優(yōu)選采用標準的PC鍵盤，盡管也可以使用具有專用功能按鍵的專用鍵盤。機器功能按鍵和LED顯示器36與現(xiàn)有注塑系統(tǒng)中所常用的相同?；顒哟鎯ρb置40被用來輸入控制程序或設(shè)定點信息，或用于存儲反饋信號。上述輸入和輸出裝置通過傳輸速率大于1Gbit/s的串行總線鏈路54與用于將所傳輸?shù)男畔⒍嗦窂陀玫腍MI多工器42相連。多工器42同時控制一個5伏電源(未示出)。最后，HMI 30還可以包括一個可以被用來在緊急情況下使注塑裝置停止操作的急停按鈕或裝置80。急停按鈕80與通過接口依次與計算機44相連的安全電路82相連。
鏈路54可以提供HMI與計算機44之間的雙向通信，由此大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計并提高了系統(tǒng)的可靠性。雙向鏈路54將HMI 30與計算機44連在一起以進行視頻控制和數(shù)據(jù)輸入。隨后由計算機44而不是HMI 30對大量的HMI信息進行處理。HMI 30與計算機44之間的通信速率在Gbit/s的范圍內(nèi)，這使得計算機44能夠?qū)τ刹僮鲉T所引起的機器裝置12-22的狀態(tài)變化作出實時的響應。鏈路54可以由諸如PaneLink，以及基于國際工業(yè)標準IEEE P139b的產(chǎn)品或Beckhoff工業(yè)電子公司出品的CP-Link等類型的市售鏈路來實施。在優(yōu)選方案中采用Beckhoff出品的CP-Link。
因此只要求HMI 30具有最低的處理能力，優(yōu)選地只需具有顯示數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)，通過功能鍵36執(zhí)行手工控制功能，以及通過圖形，文本和視頻顯示與操作員進行通信所需的那些功能即可。由于計算機44可以遠離HMI 30放置在受控環(huán)境中以保護易受損的計算機裝置，所以操作員控制和顯示功能裝置可以離注塑系統(tǒng)更近，從而能夠讓操作員更近距離地觀測機器功能。
雙向鏈路54可以由雙線同軸電纜，兩條單線同軸電纜，一條或多條光纖電纜，或其它的通信器材構(gòu)成。鏈路54通常不需要另設(shè)電源。電纜接口可由與標準個人計算機總線(例如，ISA或PCI總線)相連的印刷電路板構(gòu)成，因此其可用于任意類型的通用計算機中。
如圖2所示，計算機44可以包括除圖1所示之外的附加結(jié)構(gòu)。具體地說，計算機44還優(yōu)選地包括用于控制顯示器382的LCD圖形控制器插板84。控制器84優(yōu)選地包括一個LCD接口。計算機44還包括用于鍵盤32的鍵盤接口86，以及用于控制活動存儲裝置40的活動存儲裝置控制器90。串行接口88則用于控制串行通信端口。
來自LCD，鍵盤，指向裝置，通信端口，以及活動存儲裝置的計算機接口的信號，由PC接口鏈路插板52轉(zhuǎn)化為隨后通過鏈路54傳送給HMI30的高頻串行信號。由HMI多工器42將串行信號轉(zhuǎn)化為最初由計算機接口所生產(chǎn)的信號，并隨即將其傳送給用于進行控制和反饋的各裝置。因此，HMI 30上的裝置可以由計算機44在遠長于目前所能達到的距離之外進行控制。由于鏈路54優(yōu)選地具有至少兩條獨立的信道，所以控制面板30和計算機44之間每個通信方向上均有一條鏈路信道。如圖1所示，計算機44還包括用于通過數(shù)字總線26與數(shù)字裝置16和18直接相連(如果需要)的接口56。優(yōu)選地，接口56是一種SERCOS(串行實時通信系統(tǒng))。并且，計算機44的開放型設(shè)計允許直接通過數(shù)字總線26，或另選通過現(xiàn)場總線24來對注塑裝置16和18進行控制。
關(guān)于現(xiàn)場總線圖1中，計算機44通過現(xiàn)場總線24與數(shù)字注塑裝置12，14和模擬注塑裝置20，22相連。優(yōu)選地，現(xiàn)場總線24是一種標準的工業(yè)現(xiàn)場總線，如CANopen總線，Lightbus，Interbus，Controlnet總線，ProfibusDP/FMS，或某種等價類型的總線。本優(yōu)選方案所采用的是以12Mbit/s的速率進行操作的Profibus DP。如上所述，計算機44還可以使用數(shù)字總線26(優(yōu)選地采用SERCOS)來引接數(shù)字伺服驅(qū)動器和其它數(shù)字裝置16，18。
來自各注塑裝置，傳感器的輸入與用于傳動器和數(shù)字驅(qū)動器的控制輸出的集成是通過計算機44的一個開放型裝置網(wǎng)絡接口來實現(xiàn)的。計算機44的控制平臺支持所有主要設(shè)備的現(xiàn)場總線。本發(fā)明利用以容錯協(xié)議進行操作的具有高速多路復用信號總線的工業(yè)級現(xiàn)場總線取代了現(xiàn)有技術(shù)中所用的多路專用導線。由此避免了與專用導線相關(guān)的成本高昂和可靠性差的問題?，F(xiàn)場總線的接口協(xié)議是利用微控制器優(yōu)選地實施的。此類微控制器能夠?qū)χT如信號噪聲的有害作用直接進行處理，并還能夠?qū)γ钸M行可行性檢測。另外，將現(xiàn)場總線接口與專用控制器集成在一起可以形成所謂的“控制島”?？刂茘u包括專用輸入/輸出并具有局域化處理能力以實現(xiàn)分布式的控制設(shè)計，其通過改善網(wǎng)際邊緣的信令能力和響應性，可以使控制者更靠近所正控制的系統(tǒng)。這種局域化解決問題的能力減小了網(wǎng)絡主干(即計算機中的CPU)上的通信量負擔。由于可以將注塑功能分散到多個邊界分明且聚集成組的控制元件的專用子系統(tǒng)中，所以利用控制島來對子系統(tǒng)進行控制將大大提高控制系統(tǒng)模塊化的程度以及系統(tǒng)的性能?？刂茘u通過物理現(xiàn)場總線連接與系統(tǒng)控制器相連。這些連接提供了邏輯連接，消息；控制島與系統(tǒng)控制器松散地耦合使得控制系統(tǒng)具有可伸縮性。
關(guān)于控制軟件圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選控制軟件模塊的示意圖。圖3是以計算機44所用的軟件控制設(shè)計的功能模塊圖的形式來進行顯示的。圖3中，控制軟件300包括用于順序控制的軟件模塊302，用于數(shù)據(jù)記錄的軟件模塊304，以及用于報警管理(詳見下文)的軟件模塊306。與上述3個軟件模塊相連的有初始化與處理控制模塊308，操作模式模塊310，同步與協(xié)調(diào)控制模塊312和輸入信號處理模塊314。初始化與處理控制模塊308向注塑系統(tǒng)10發(fā)送控制信號316，而來自注塑系統(tǒng)10的傳感器信號318則被提供給輸入信號處理模塊314。模塊314還接收來自其它軟件控制模塊(未示出)的傳感器信號。
來自HMI 30的操作員輸入320被提供給向模塊302，304和306提供輸入的操作模式模塊310。其它的HMI接口信號322則被提供給也與模塊302，304和306相連的同步與協(xié)調(diào)控制模塊312。此種軟件控制設(shè)計在升級和/或修正現(xiàn)有軟件方面具有很大的靈活性。
圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的控制設(shè)計的功能方框圖。圖4中，注塑處理400利用注塑系統(tǒng)10來進行注塑操作。注塑元件402包括由通過現(xiàn)場總線24所接收的數(shù)字和模擬輸出404進行驅(qū)動的裝置12-22。與機器元件402相關(guān)的反饋傳感器406通過現(xiàn)場總線24來提供數(shù)字和模擬反饋信號。
由伺服電機410驅(qū)動的一個或多個位置測量裝置408可提供對實際處理位置的度量。輸入和輸出414與位置測量裝置408耦合，而其信息則通過數(shù)字總線26傳送到向計算機44傳送或從計算機44接收信號的數(shù)字驅(qū)動控制器412。
計算機44在現(xiàn)場總線主控器420的控制下通過現(xiàn)場總線24傳送數(shù)字和模擬信號。同樣地，計算機44在數(shù)字總線主控器422的控制下通過數(shù)字總線26傳送數(shù)字信號。到HMI 30的或源自HMI 30的信號是經(jīng)由接口52通過鏈路54來傳送的，諸如一個PC多工器。計算機44安裝有基于軟件的用于執(zhí)行如下功能的程序輸入和輸出映射424；溫度控制426；可編程邏輯控制428；液壓機械運動控制430；電動機械運動控制432；以及處理控制434。另外，計算機44還可以具有其它基于諸如工程和商業(yè)軟件工具436以及HMI應用軟件438等軟件的功能。
可以從諸如磁盤，CD ROM，磁帶，磁光磁盤等計算機可讀存儲介質(zhì)中或通過LAN或因特網(wǎng)連接遠程地將控制軟件，控制程序，HMI程序，以及其它的軟件裝入到計算機44中。
圖4所示的控制設(shè)計集成了實時命令，程序控制命令，以及手工命令。由于其特征在于具有開放型設(shè)計的通用計算機，所以可以很方便地對所有這些命令的進行修正和升級。通用操作系統(tǒng)中所運行的實時內(nèi)核在多任務處理中提供了與程序控制和手工輸入相互交錯在一起的實時注塑系統(tǒng)控制。該實時內(nèi)核賦予系統(tǒng)控制有較高的優(yōu)先級并提供了用于處理通用信息的窗口。
該種控制設(shè)計具有在該內(nèi)核的多任務調(diào)度器控制下進行處理而每個層次自身分別執(zhí)行其特定功能的多個層次。與緊急停機和順序關(guān)機功能一起，以最高優(yōu)先級執(zhí)行實時閉環(huán)系統(tǒng)控制以及響應于系統(tǒng)元件的反饋信號的實時高速開關(guān)轉(zhuǎn)換。軟件提供了可編程邏輯控制器的功能以對系統(tǒng)工序進行控制。盡管計算機的通信速度和處理能力實際上可以允許真正實時地來執(zhí)行HMI功能，但計算機仍以后臺方式執(zhí)行HMI功能。各種機器控制功能與HMI功能之間共享一個公共數(shù)據(jù)庫，由此消除了現(xiàn)有技術(shù)中存在的多處理器瓶頸問題，從而提高了信息處理的吞吐率。
該種通用計算機能夠與多種類型的外設(shè)相連，例如CD ROM和用于內(nèi)聯(lián)網(wǎng)/因特網(wǎng)或遠程連接的調(diào)制解調(diào)器，以及諸如以太網(wǎng)等類型的用于在工廠范圍內(nèi)進行通信的局域網(wǎng)。因此，通過所安裝的系統(tǒng)裝置局域地或通過前往/來自其它站點的通信方式遠程地發(fā)送命令，從HMI或從聯(lián)網(wǎng)的客戶接收輸入數(shù)據(jù)，并控制HMI上的顯示，單獨一臺計算機便能夠執(zhí)行注塑系統(tǒng)的閉環(huán)控制功能。
關(guān)于附加能力由于該種通用計算機具有很強的處理能力，其還可以提供可用于注塑環(huán)境中的其它能力。例如，通用計算機還可以對信息進行智能濾波，提供一種用于改進處理設(shè)置和操作的專家系統(tǒng)，以及提供一種報警管理系統(tǒng)。
智能濾波是一種選擇性地對由CPU所處理的信號進行濾波的處理技術(shù)，它可以限制在高優(yōu)先級多任務處理級別上過載的信號。這是用于對數(shù)據(jù)作進一步處理的信息選擇級別的處理。當網(wǎng)絡管理級別升高時系統(tǒng)可以拒絕接收非關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，以使得最高層次的網(wǎng)絡管理控制臺能夠集中精力來進行諸如趨勢分析和容量規(guī)劃的更高級別處理。這樣做將減輕網(wǎng)絡的負擔并提高整個網(wǎng)絡的通信吞吐率。本發(fā)明的通用計算機可以包括此類智能濾波處理，從而使預定系統(tǒng)級別的信號不必通過網(wǎng)絡來傳輸。
根據(jù)本發(fā)明的單獨一臺通用計算機的高處理能力使其能夠用于專家系統(tǒng)以對注塑系統(tǒng)進行管理。此類專家系統(tǒng)通過對處理中斷進行診斷，產(chǎn)生更精確的操作員信息，以及輔助實施校正操作(諸如以無線方式對系統(tǒng)進行重新配置)可以改善報警管理系統(tǒng)(詳見下文)的性能。其結(jié)果是可以得到更強大的報警管理系統(tǒng)以幫助操作員安全、高效地對處理中斷進行管理，并使系統(tǒng)的停機時間減小到最小。這種專家系統(tǒng)還能夠根據(jù)計算機存儲器中存儲的、專用于本系統(tǒng)的知識向操作員提供推薦的處理參數(shù)來改善處理設(shè)置。這種計算機還能夠?qū)ζ湎嚓P(guān)模具的材料信息進行存檔，或也可以通過內(nèi)聯(lián)網(wǎng)/因特網(wǎng)訪問將此信息存儲到遠程存儲單元上。
專家系統(tǒng)是人工智能的應用，其采用了推理機，模糊邏輯技術(shù)以及/或其它的適用方法來實時地對諸如注塑過程中所用的那些動態(tài)處理中所發(fā)生的事件進行推理。推理機是根據(jù)由經(jīng)驗數(shù)據(jù)導出的知識庫中所定義的特殊預定規(guī)則以及操作員的輸入來進行推理的。
根據(jù)本發(fā)明至少可以以兩種方式在專家系統(tǒng)中實時使用通用計算機，即作為顧問系統(tǒng)或作為監(jiān)控系統(tǒng)。在顧問型應用中，專家系統(tǒng)對處理數(shù)據(jù)中的動態(tài)變化進行推理，根據(jù)處理事件作決策，并向操作員公布結(jié)論和理由。專家系統(tǒng)由此可以針對處理事件以及待解決的問題提供及時而準確的建議。在監(jiān)控型應用中，根據(jù)本發(fā)明的專家系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)設(shè)定點及變換離散設(shè)備的接通或斷開狀態(tài)，前攝地(pro-actively)輔助操作員解決問題、優(yōu)化模塑操作、或?qū)崿F(xiàn)該知識庫中所定義的其它目的，如預測維護調(diào)節(jié)。正是根據(jù)本發(fā)明的通用計算機的高處理能力才使得在注塑環(huán)境中實現(xiàn)專家系統(tǒng)成為可能。
許多注塑系統(tǒng)均具有一種能夠向操作員示警以表明系統(tǒng)出現(xiàn)故障并執(zhí)行諸如逐級關(guān)機，操作減速等功能的系統(tǒng)功能集的報警系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的單獨一臺通用計算機具有足夠的處理能力以允許計算機來管理智能報警系統(tǒng)，即能夠?qū)缶癄顟B(tài)進行故障診斷推理的報警系統(tǒng)。這允許計算機或用戶能夠?qū)⒏呒墑e的邏輯應用于系統(tǒng)功能，使系統(tǒng)不被簡單地關(guān)斷，從而避免因系統(tǒng)簡單關(guān)斷對系統(tǒng)性能和生產(chǎn)能力的不良影響。即，如果報警分析顯示只出現(xiàn)諸如輕微超溫等類型的非嚴重問題，則計算機仍可以以較低的速率繼續(xù)對注塑系統(tǒng)進行操作。
根據(jù)本發(fā)明的智能報警系統(tǒng)因此能夠準確地捕捉住注塑系統(tǒng)在不同的報警狀態(tài)下所出現(xiàn)的動態(tài)變化。例如，可以自動地控制系統(tǒng)停機或者是僅僅以較低的速率進行生產(chǎn)；或者也可以提示操作員另外輸入數(shù)據(jù)以對產(chǎn)生報警的狀態(tài)進行校正。另外，如果計算機還需要與報警狀態(tài)有關(guān)的附加信息，則操作員可以在HMI處根據(jù)顯示器上所出現(xiàn)的反饋信息來輸入所需的這些數(shù)據(jù)。操作員還可以查閱在線手冊(存儲在計算機存儲器中)以便及時為此報警狀態(tài)提供校正信息。此類報警管理信息可以以文字，圖形，音頻或甚至視頻的形式提供給操作員。
根據(jù)本發(fā)明的智能報警管理系統(tǒng)能夠提供用于諸如報警啟用，報警確認以及報警中止的任何狀態(tài)的預定應對操作。這些應對操作的范圍涵蓋了從簡單咨詢的文本消息，到尋呼工廠中的操作員，或通過網(wǎng)絡向維護部門，工廠監(jiān)控人員或其它的工程人員發(fā)送電子郵件的多種方式。
由于根據(jù)本發(fā)明的計算機可以安裝通用的操作系統(tǒng)，因此在最新流行的應用軟件，如電子表格處理軟件或關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理軟件中均可以使用實時的或經(jīng)存儲的反饋信號。因此，利用本發(fā)明的計算機，或通過網(wǎng)絡耦合到該計算機上的另一臺服務器可以實現(xiàn)統(tǒng)計處理分析以及預防性或預測性維護功能。另外，由于本發(fā)明的計算機優(yōu)選采用計算機行業(yè)中所常用的開放型數(shù)據(jù)通信標準，因此其將不再需要目前在注塑行業(yè)中所一直使用的專用驅(qū)動程序。即使某些制造商仍需要用于某種注塑裝置的專用驅(qū)動程序，其也可以通過因特網(wǎng)和調(diào)制解調(diào)器66將所需的專用驅(qū)動程序快速地下載到計算機44上。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的計算機包括多種以易懂方式來指導操作員完成軟件安裝操作的預定安裝程序(向?qū)?。例如，為了輸入特定系統(tǒng)所需參數(shù)，可以向操作員出示一系列允許用戶在數(shù)據(jù)區(qū)選項中進行選擇的預定義模板。可以為每種單獨系統(tǒng)分別提供此類向?qū)?，或也可以為整個系統(tǒng)一起提供安裝向?qū)В⑶乙部梢酝ㄟ^因特網(wǎng)或局域網(wǎng)來進行升級。
因此，上文所述的用于注塑系統(tǒng)的單獨一臺通用計算機消除了對可編程邏輯控制器或模擬信號處理器的需要，同時還能夠?qū)ψ⑺芄δ芎虷MI功能進行多任務處理，并提供與局域網(wǎng)和/或因特網(wǎng)的開放型通信。這是提高注塑系統(tǒng)自身精度和生產(chǎn)效率的有力工具，同時也能夠改善對系統(tǒng)操作的管理途徑以及對系統(tǒng)操作的控制。
當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可以設(shè)計出本發(fā)明的其它方案。例如，本發(fā)明的通用計算機可以對多于一臺的注塑系統(tǒng)進行控制，它也可以同時對注塑系統(tǒng)以及一個或多個諸如傳送帶，機械手或產(chǎn)品裝卸設(shè)備等輔助機器進行控制。將對這些機器的控制集成到本發(fā)明的單一處理器中可以實現(xiàn)產(chǎn)品在工廠中的平穩(wěn)運送。
另外，每種系統(tǒng)的HMI不是必須彼此緊鄰地排列的。例如，中央控制臺可以配備有多部來自多種系統(tǒng)的控制面板，以使操作員可以同時對多種注塑和輔助機器進行控制。在此種配置中，通用計算機可以位于中央控制臺上，也可以位于遠程位置上。通過進一步擴展此配置，可以看出計算機44(或甚至是HMI)也可以被安放在工廠的辦公室中，以使管理員能夠立即接收到操作信息并能夠快速地對注塑操作進行重新配置。
權(quán)利要求
1.一種注塑系統(tǒng)，其特征在于，包括用于執(zhí)行注塑操作的多個注塑裝置，所述多個注塑裝置接收實時控制信號和輸出實時反饋信號；一個具有一個顯示器和至少一個操作員輸入裝置的人機界面；以及單獨一個處理器，用于(i)從所述多個注塑裝置接收實時反饋信號和從所述至少一個操作員輸入裝置接收命令信號；(ii)根據(jù)多個預定的注塑控制程序和顯示程序?qū)λ邮盏男盘栠M行多任務處理，(iii)根據(jù)所述多個預定注塑控制程序和顯示程序向所述多個注塑裝置輸出實時控制信號以及向人機界面顯示器輸出顯示信號，和(iv)具有一種能夠運行商用軟件的操作系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的一個系統(tǒng)，其特征在于，所述單一處理器具有Windows NT操作系統(tǒng)，并且使用最新流行的實時擴展內(nèi)核執(zhí)行多任務處理。
3.如權(quán)利要求1所述的一個系統(tǒng)，其特征在于，所述多個注塑裝置包括模擬裝置和數(shù)字裝置，其中所述單一處理器同時對所述模擬裝置和所述數(shù)字裝置進行控制。
4.如權(quán)利要求1所述的一個系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器被放置在遠離所述控制面板和所述多個注塑裝置的位置上。
5.如權(quán)利要求1所述的一個系統(tǒng)，其特征在于，所述單一處理器具有用于向遠程處理器發(fā)送信號或從中接收信號的接口。
6.如權(quán)利要求1所述的一個系統(tǒng)，其特征在于，所述單一處理器對所述多個注塑裝置以及所控制面板顯示器進行實時控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種注塑系統(tǒng)，其由單臺既執(zhí)行機器控制功能又執(zhí)行人機界面功能的通用計算機控制。所述的注塑系統(tǒng)包括用于執(zhí)行注塑操作的多個注塑裝置；一個具有一個顯示器和至少一個操作員輸入裝置的人機界面；以及單獨一個處理器，用于(i)從所述多個注塑裝置接收實時反饋信號和從所述至少一個操作員輸入裝置接收命令信號；(ii)根據(jù)多個預定的注塑控制程序和顯示程序?qū)邮盏男盘栠M行多任務處理，(iii)根據(jù)所述多個預定注塑控制程序和顯示程序向所述多個注塑裝置輸出實時控制信號和向人機界面顯示器輸出顯示信號，和(iv)具有一種能夠運行商用軟件的操作系統(tǒng)。所述的控制系統(tǒng)不需要使用模擬信號處理器和可編程邏輯控制器來進行控制。
文檔編號B29C45/76GK1445071SQ0214132
公開日2003年10月1日 申請日期2002年7月5日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月5日
發(fā)明者克里斯托弗·崔 申請人:哈斯凱注塑系統(tǒng)有限公司