用于注塑系統的集成控制平臺及其方法

專利名稱：用于注塑系統的集成控制平臺及其方法
技術領域：
本發明一般涉及一種用于控制注塑系統的集成控制平臺，具體涉及一種使用單臺既執行機器控制功能又執行人機界面功能的通用計算機對注塑系統進行控制的裝置和方法。此種控制方案將不再需要使用現有技術中所要使用的模擬信號處理器和可編程邏輯控制器。
注塑系統廣泛用于生產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。此類注塑系統通常包括多種用于執行注塑操作的模擬和數字部件。例如，擠壓機驅動器、比例流量控制閥、電動驅動器、加熱及致冷元件、以及其它電動液壓機械驅動器和電動機械驅動器，均是以熟知方式執行注塑功能的模擬部件。數字部件的例子則包括近控開關，合模壓力極限換能傳感器，數字電磁閥等。上述每一種模擬和數字部件不僅必須由合適的模擬和數字命令來進行控制，而且通常還需配備用于輸出模擬和/或數字反饋信號的反饋傳感器，它可以有效控制各種部件使系統能夠快速高質地進行生產。例如，在對注塑部件中的實時變化(例如，溫度設定點、注塑壓強等)進行閉環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、溫度、零件計數等)。
在現有技術中，必需使用一種模擬信號處理器(ASP)來向注塑系統中的多種模擬部件提供實時控制。同樣地，也必需配備一種可編程邏輯控制器(PLC)來對注塑系統中的各數字部件進行控制。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來執行注塑操作。
現有注塑控制設計的局限性在于不能實時地對注塑部件實現重新配置。必須同時對ASP和PLC進行修正或重新進行編程才能實現配置的變更。由此使得在需要向注塑系統中引入新技術時，通常需要將整個系統斷電以進行重新配置。另外，每種注塑系統的操作狀態只能通過其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計，這將會由于兼容性等問題而限制各種新型處理技術在此類機器上的應用。另外，使用多層結構的ASP和PLC處理控制將會對處理帶來不良影響，并且所產生的處理瓶頸將會降低機器實現相應狀態變化的響應速度。
因此，目前需要有一種新型注塑控制設計，其能夠對注塑系統提供真正的實時控制，對系統部件進行快速重新配置，能方便使用最新的市售流行軟件，并且能夠將系統狀態和控制信息傳送到系統之外，例如傳送到工廠辦公室或甚至是公司總部。
本發明的一個目的是提供一種能夠將現有最高技術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絡功能的控制設計。本發明的再一個目的是提供一種能夠將其它輔助設備以及擴展機器功能很容易地集成進來的開放型控制設計。其另外的一個目的是提供用于降低系統停機時間的智能診斷系統，以及用于從外部數據源輸入知識和信息或將知識和信息輸出到外部數據源中的遠程訪問能力。本發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控制功能、人機界面功能、運動控制功能、順序邏輯功能、連續處理控制功能、以及網絡通信功能。
本發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，以用于進行監控，故障檢修，以及系統和工廠管理之間的信息交換)的標準應用程序接口，提供具有內嵌處理知識的專家系統以輔助進行系統裝配和生產處理，提供智能報警管理和系統診斷功能，以及提供具有內嵌功能選項的預定義模板用以輔助用戶對注塑系統進行裝配和操作。
根據本發明，上述目標和其它優點可以由一種對注塑系統進行控制的裝置來實現，該裝置由產生多種反饋信號的多個部件組成。該裝置包括(i)一個優選地布置在與注塑系統相鄰的位置上、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部件相連的通用計算機，其中的通用計算機用于根據多種命令和反饋信號對上述注塑部件進行實時閉環控制。
根據本發明的另一方面，單獨一臺計算機用于對注塑系統進行控制，該注塑系統具有多個用于完成注塑處理并提供反饋信號的注塑部件，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部件接收反饋信號，并向其提供實時控制信號的第二輸入/輸出，以及(iii)用于根據上述反饋信號和命令信號產生實時控制信號的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。
本發明的另一方面是以某種注塑系統為特征的，這種注塑系統包括(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部件，(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)從上述多個注塑部件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，該處理器根據多種預定的注塑控制程序和顯示程序對所接收到的多種信號進行多任務處理，以及根據多種預定的注塑控制程序和顯示程序向上述多個注塑部件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。
根據本發明的另一方面，一種用于對完成注塑處理并提供反饋信號的多個注塑部件，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部件和控制面板顯示器進行控制。
本發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，它用于存儲能使通用計算機對注塑系統(其包括多個用于執行注塑處理并產生有多種反饋信號的注塑部件，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據。該種計算機可讀存儲介質將使通用計算機(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)執行多任務處理以對注塑部件和人機界面進行實時控制，上述多任務處理在“后臺”執行具有相對較低優先級的人機界面功能，而在“前臺”執行具有相對較高優先級的注塑部件功能。
參照附圖對本發明進行說明，其中

圖1所示為根據本發明的注塑系統的簡要方框圖；圖2所示為根據本發明的人機界面和通用計算機的簡要方框圖；圖3所示為根據本發明的軟件控制模塊的簡要示意圖；圖4所示為根據本發明的控制設計的簡要示意圖。
以下將以塑料注塑系統或注塑機為例對本發明的優越性進行詳細說明。然而，本發明并不僅僅局限于此方案，而可以應用于附加權利要求所涵蓋范圍內的任何類型的注塑技術。
根據本發明的控制設計既提供了對注塑系統的實時控制，又提供了由操作員控制的實時界面。該設計還包括對注塑系統進行操作和監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為系統控制器，該系統控制器不僅能夠對機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備并與外部系統和網絡進行信息交換的開放型設計。此外，通過附加的硬件和軟件擴展了該通用計算機的功能，提供用以實現高性能的和智能化制造單元(manufacturing cell)的注塑系統的確定的實時控制。
因此，依據本發明的靈活的、可重新配置的制造系統能夠容易地適應新的技術和處理，并將關鍵的、實時的性能數據傳送到生產現場的人機界面之外，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)技術使其能夠使用更快更好的CPU，更強大的操作系統，更多類型的外設，更廣范圍的通信和網絡能力，并且能夠將對機器的控制從生產現場延伸到遠程站點。
關于注塑系統控制設計圖1所示為用于顯示根據本發明的注塑系統控制設計的一般特性的簡要方框圖。圖1中，注塑系統或機器10利用數字部件12，14，16和18及模擬部件20和22，以眾所周知的方式實現注塑處理。每個數字和模擬部件均優選地包括一個用于驅動器控制的輸入，以及一個向各部件的閉環控制提供反饋信號的輸出。數字部件12，14和模擬部件20，22優選地從現場總線24接收控制信號或將反饋信號輸出到其上(詳見下文)；而數字部件16和18則從數字總線26接收控制信號或將反饋信號輸出到其上(詳見下文)。當然，根據所控制的特定注塑系統，現場總線24和數字總線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來輸入控制數據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據。根據所控制的系統，操作員還可以使用一種系統功能輔助鍵盤(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據顯示的觀察裝置，并提供了用于手工輸入數據的接口。控制面板30上還可以安裝有活動存儲裝置驅動器40(如軟驅)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據下載到活動存儲裝置上。控制面板30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據的多工器42(詳見下文)。
通用計算機44優選采用具有CPU 46，ROM 48和RAM 50的成品個人計算機。優選地，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優選采用Beckhoff工業電子公司的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，磁盤驅動器，CD-ROM驅動器，鼠標，觸摸屏，光筆等類型的外設。
計算機44還具有通過接線58耦合到數字總線26上的數字接口56。同樣地，計算機44也具有通過接線62耦合到現場總線24上的接口60。
計算機44還包括可以耦合到工廠內所使用的局域網(例如，以太網；未示出)上的局域網接口64。另外，計算機44還可以包括調制解調器或其它可用來將計算機44連到，諸如因特網或內聯網上的外部接口66。
利用如上所述的結構，根據本發明的控制設計，不需要使用現有技術所必須的PLC或ASP，卻能對注塑部件12-22進行真正的實時閉環控制。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部件高優先級閉環控制指令進行處理，在后臺處理較低優先級的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。
關于通用計算機如上所述，根據本發明的單獨一臺通用計算機包括與標準通用商業或工業計算機的結構相類似的硬件結構，并且優選地在諸如Window NT(Tm)等通用操作系統的環境下進行操作。計算機44優選采用Beckhoff電子公司所出品的C6150型號的工業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內存。該計算機還可以配備CD ROM驅動器，1.44M和/或1.20M磁盤驅動器，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。將用作局域網和/或因特網/內聯網連接的接口優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，即注塑系統的控制，HMI的控制，并且用作全廠范圍的網絡服務器。
為了通過現場總線24接收模擬反饋信號并提供模擬控制信號，計算機44執行A/D和D/A功能。因而，計算機44是以數字方式來對控制程序、HMI程序和網絡程序進行處理的。通過以數字方式來進行操作，與常規模擬電路相比，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存，再加上軟件實時擴展內核(詳見下文)可以為機器控制，HMI功能和網絡功能提供實時性能。由于實時擴展內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度器。即計算機44可以利用多任務處理，同時對所有的注塑部件進行控制。另外，機器控制功能可以與HMI功能和/或網絡功能一起被多任務地執行。該系統能夠以微秒的數量級來實現注塑部件控制回路的控制更新，而使其不必再使用對注塑部件進行實時控制的模擬閉環控制器。
因此，計算機44能夠利用多種預定的設備控制程序(例如，充填料注入，模具合模操作等)對注塑部件進行控制，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(和/或因特網)利用多種預定程序，如因特網瀏覽器，字處理程序，電子表格處理等程序與其它計算裝置進行網絡通信。計算機44不僅對多個此類控制和網絡程序進行操作，其還可以根據預定的優先級，如按關鍵注塑部件第一位、反饋和狀態裝置第二位、HMI裝置第三位、網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的開放型設計還允許用戶根據具體需要對這些預定的控制和網絡程序的任何一項進行修正，升級，安裝或調換。
計算機44不僅免除了對ASP的需要，其同時也取代了現有技術中所用的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將處理輸入/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和編程軟件擴展的且同時符合國際工業標準如IEC1131-3的輸入和輸出權能以及實時內核。因此，計算機44取代了通常所用的用于對各種注塑系統部件的工序進行控制以執行所需的注塑功能的PLC或專用控制器。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集中到一起(隨后將其傳送給工廠監控系統)的信息檔案庫。
關于實時擴展內核如上所述，根據本發明的計算機44對操作系統如Windows NT優選地運行一種實時擴展內核。此內核允許對機器功能，HMI功能和網絡功能進行速度更快地多任務處理。現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。本優選實施例所采用的是由Beckhoff工業電子公司所開發的TwinCAT實時內核擴展。TwinCAT內核擴展提供了PLC和運動控制解決方案的基礎。TwinCAT內核是一種具有程序實時執行功能，編程工具，分析工具和配置管理功能的運行時系統(run time system)。所有Windows程序(例如，可視化工具和辦公軟件產品)均可以通過標準的Microsoft接口與TwinCAT進行交互以互換數據及控制服務程序。因此，根據本發明的實時擴展內核允許進行多任務處理，并被完全集成到操作系統中，同時仍使所有的Windows NT操作系統標準特性保持不變，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。
關于人機界面HMI(或控制面板或控制站)30用于輸入對注塑部件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等在內的標準控制設備。HMI 30優選采用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英寸軟驅以及CP-Link接口。
在本發明中，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，從而消除了通常由現有技術中HMI，PLC和ASP之間的通信鏈路所產生的處理瓶頸，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部件和顯示元件與計算機44分離開來。本優選方案中，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、調制解調器、CPU等得到保護而不受在注塑環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來顯示數據、輸入數據以及更加容易地手工輸入命令的前提下，盡可能減少HMI內的電子器件數。
圖2中，HMI顯示器優選地采用一種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與現有注塑系統中所常用的相同。活動存儲裝置40被用來輸入控制程序或設定點信息，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與用于將所傳輸的信息多路復用的HMI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部件停止操作的急停按鈕或部件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設計并提高了系統的可靠性。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據輸入。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，這使得計算機44能夠對由操作員所引起的機器部件12-22的狀態變化作出實時的響應。鏈路54可以由諸如PaneLink，以及基于國際工業標準IEEE P139b的產品或Beckhoff工業電子公司出品的CP-Link等類型的市售鏈路來實施。在優選方案中采用Beckhoff出品的CP-Link。
因此只要求HMI 30具有最低的處理能力，優選地只需具有顯示數據，輸入數據，通過功能鍵36執行手工控制功能，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部件可以離注塑系統更近，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成。鏈路54通常不需要另設電源。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所示之外的附加結構。具體地說，計算機44還優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將串行信號轉化為最初由計算機接口所生產的信號，并隨即將其傳送給用于進行控制和反饋的各部件。因此，HMI 30上的部件可以由計算機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還包括用于通過數字總線26與數字部件16和18直接相連(如果需要)的接口56。優選地，接口56是一種SERCOS(串行實時通信系統)。并且，計算機44的開放型設計允許直接通過數字總線26，或另選通過現場總線24來對注塑部件16和18進行控制。
關于現場總線圖1中，計算機44通過現場總線24與數字注塑部件12，14和模擬注塑部件20，22相連。優選地，現場總線24是一種標準的工業現場總線，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還可以使用數字總線26(優選地采用SERCOS)來引接數字伺服驅動器和其它數字部件16，18。
來自各注塑部件，傳感器的輸入與用于傳動器和數字驅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絡接口來實現的。計算機44的控制平臺支持所有主要設備的現場總線。本發明利用以容錯協議進行操作的具有高速多路復用信號總線的工業級現場總線取代了現有技術中所用的多路專用導線。由此避免了與專用導線相關的成本高昂和可靠性差的問題。現場總線的接口協議是利用微控制器優選地實施的。此類微控制器能夠對諸如信號噪聲的有害作用直接進行處理，并還能夠對命令進行可行性檢測。另外，將現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”。控制島包括專用輸入/輸出并具有局域化處理能力以實現分布式的控制設計，其通過改善網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。這種局域化解決問題的能力減小了網絡主干(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中，所以利用控制島來對子系統進行控制將大大提高控制系統模塊化的程度以及系統的性能。控制島通過物理現場總線連接與系統控制器相連。這些連接提供了邏輯連接，消息；控制島與系統控制器松散地耦合使得控制系統具有可伸縮性。
關于控制軟件圖3所示為根據本發明的優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，用于數據記錄的軟件模塊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，同步與協調控制模塊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10發送控制信號316，而來自注塑系統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相連的同步與協調控制模塊312。此種軟件控制設計在升級和/或修正現有軟件方面具有很大的靈活性。
圖4所示為根據本發明的控制設計的功能方框圖。圖4中，注塑處理400利用注塑系統10來進行注塑操作。注塑元件402包括由通過現場總線24所接收的數字和模擬輸出404進行驅動的部件12-22。與機器元件402相關的反饋傳感器406通過現場總線24來提供數字和模擬反饋信號。
由伺服電機410驅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接收信號的數字驅動控制器412。
計算機44在現場總線主控器420的控制下通過現場總線24傳送數字和模擬信號。同樣地，計算機44在數字總線主控器422的控制下通過數字總線26傳送數字信號。到HMI 30的或源自HMI 30的信號是經由接口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中或通過LAN或因特網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。通用操作系統中所運行的實時內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控制。該實時內核賦予系統控制有較高的優先級并提供了用于處理通用信息的窗口。
該種控制設計具有在該內核的多任務調度器控制下進行處理而每個層次自身分別執行其特定功能的多個層次。與緊急停機和順序關機功能一起，以最高優先級執行實時閉環系統控制以及響應于系統元件的反饋信號的實時高速開關轉換。軟件提供了可編程邏輯控制器的功能以對系統工序進行控制。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行HMI功能，但計算機仍以后臺方式執行HMI功能。各種機器控制功能與HMI功能之間共享一個公共數據庫，由此消除了現有技術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相連，例如CD ROM和用于內聯網/因特網或遠程連接的調制解調器，以及諸如以太網等類型的用于在工廠范圍內進行通信的局域網。因此，通過所安裝的系統部件局域地或通過前往/來自其它站點的通信方式遠程地發送命令，從HMI或從聯網的客戶接收輸入數據，并控制HMI上的顯示，單獨一臺計算機便能夠執行注塑系統的閉環控制功能。
關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置和操作的專家系統，以及提供一種報警管理系統。
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，它可以限制在高優先級多任務處理級別上過載的信號。這是用于對數據作進一步處理的信息選擇級別的處理。當網絡管理級別升高時系統可以拒絕接收非關鍵的數據，以使得最高層次的網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劃的更高級別處理。這樣做將減輕網絡的負擔并提高整個網絡的通信吞吐率。本發明的通用計算機可以包括此類智能濾波處理，從而使預定系統級別的信號不必通過網絡來傳輸。
根據本發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以對注塑系統進行管理。此類專家系統通過對處理中斷進行診斷，產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進行重新配置)可以改善報警管理系統(詳見下文)的性能。其結果是可以得到更強大的報警管理系統以幫助操作員安全、高效地對處理中斷進行管理，并使系統的停機時間減小到最小。這種專家系統還能夠根據計算機存儲器中存儲的、專用于本系統的知識向操作員提供推薦的處理參數來改善處理設置。這種計算機還能夠對其相關模具的材料信息進行存檔，或也可以通過內聯網/因特網訪問將此信息存儲到遠程存儲單元上。
專家系統是人工智能的應用，其采用了推理機，模糊邏輯技術以及/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處理中所發生的事件進行推理。推理機是根據由經驗數據導出的知識庫中所定義的特殊預定規則以及操作員的輸入來進行推理的。
根據本發明至少可以以兩種方式在專家系統中實時使用通用計算機，即作為顧問系統或作為監控系統。在顧問型應用中，專家系統對處理數據中的動態變化進行推理，根據處理事件作決策，并向操作員公布結論和理由。專家系統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。在監控型應用中，根據本發明的專家系統通過調節設定點及變換離散設備的接通或斷開狀態，前攝地(pro-actively)輔助操作員解決問題、優化模塑操作、或實現該知識庫中所定義的其它目的，如預測維護調節。正是根據本發明的通用計算機的高處理能力才使得在注塑環境中實現專家系統成為可能。
許多注塑系統均具有一種能夠向操作員示警以表明系統出現故障并執行諸如逐級關機，操作減速等功能的系統功能集的報警系統。根據本發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，即能夠對報警狀態進行故障診斷推理的報警系統。這允許計算機或用戶能夠將更高級別的邏輯應用于系統功能，使系統不被簡單地關斷，從而避免因系統簡單關斷對系統性能和生產能力的不良影響。即，如果報警分析顯示只出現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對注塑系統進行操作。
根據本發明的智能報警系統因此能夠準確地捕捉住注塑系統在不同的報警狀態下所出現的動態變化。例如，可以自動地控制系統停機或者是僅僅以較低的速率進行生產；或者也可以提示操作員另外輸入數據以對產生報警的狀態進行校正。另外，如果計算機還需要與報警狀態有關的附加信息，則操作員可以在HMI處根據顯示器上所出現的反饋信息來輸入所需的這些數據。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。
根據本發明的智能報警管理系統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，或通過網絡向維護部門，工廠監控人員或其它的工程人員發送電子郵件的多種方式。
由于根據本發明的計算機可以安裝通用的操作系統，因此在最新流行的應用軟件，如電子表格處理軟件或關系數據庫管理軟件中均可以使用實時的或經存儲的反饋信號。因此，利用本發明的計算機，或通過網絡耦合到該計算機上的另一臺服務器可以實現統計處理分析以及預防性或預測性維護功能。另外，由于本發明的計算機優選采用計算機行業中所常用的開放型數據通信標準，因此其將不再需要目前在注塑行業中所一直使用的專用驅動程序。即使某些制造商仍需要用于某種注塑部件的專用驅動程序，其也可以通過因特網和調制解調器66將所需的專用驅動程序快速地下載到計算機44上。
優選地，根據本發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(向導)。例如，為了輸入特定系統所需參數，可以向操作員出示一系列允許用戶在數據區選項中進行選擇的預定義模板。可以為每種單獨系統分別提供此類向導，或也可以為整個系統一起提供安裝向導，并且也可以通過因特網或局域網來進行升級。
因此，上文所述的用于注塑系統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，同時還能夠對注塑功能和HMI功能進行多任務處理，并提供與局域網和/或因特網的開放型通信。這是提高注塑系統自身精度和生產效率的有力工具，同時也能夠改善對系統操作的管理途徑以及對系統操作的控制。
當然，本領域的技術人員也可以設計出本發明的其它方案。例如，本發明的通用計算機可以對多于一臺的注塑系統進行控制，它也可以同時對注塑系統以及一個或多個諸如傳送帶，機械手或產品裝卸設備等輔助機器進行控制。將對這些機器的控制集成到本發明的單一處理器中可以實現產品在工廠中的平穩運送。
另外，每種系統的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。
權利要求
1.用于對具有多種可產生相應的多種反饋信號的注塑部件的注塑系統進行控制的裝置，其特征在于所述裝置包括具有一個顯示器和至少一個操作員輸入裝置的人機界面；以及耦合到所述人機界面以及多種注塑部件上的通用計算機，所述通用計算機用于根據多種反饋信號對所述的多種注塑部件進行實時的閉環控制。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述通用計算機根據從操作員輸入裝置接收來的數據對所述的多種注塑部件進行實時的閉環控制。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述通用計算機執行所述多種注塑部件閉環控制的多任務處理。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述通用計算機執行(i)所述多種注塑部件的閉環控制，以及(ii)從操作員輸入裝置接收數據的多任務處理。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述通用計算機具有用于運行與注塑機的控制有關的最新流行軟件的開放型設計。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述通用計算機具有用于將所述通用計算機與局域網和因特網中的至少一種進行耦合的接口。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述通用計算機可以在沒有模擬信號處理器和可編程邏輯控制器的情況下來對所述多種注塑部件進行實時閉環控制。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述通用計算機被放置在遠離所述操作員控制模板的位置上。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于另外包括將所述通用計算機連到所述多種注塑部件上的一個現場總線；以及將所述通用計算機連到所述操作員控制面板上的一個串行總線鏈路；
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于所述現場總線由用于將所述多種反饋信號傳送給所述通用計算機以及將所述通用計算機的實時控制信號傳送給所述多種注塑部件的高速多路復用信號總線構成。
11.如權利要求9所述的裝置，其特征在于所述串行總線由能夠在所述通用計算機與所述操作員控制面板之間傳送多路復用數據的雙向、千兆字節速率的串行總線構成。
12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于所述串行總線的長度超過10米，并以大約1Gbit/s以上的速率進行操作。
13.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述通用計算機對所述反饋信號進行智能濾波，并根據濾波后的反饋信號進行報警管理。
14.用于對具有(i)執行注塑處理并提供反饋信號的多種注塑部件，以及(ii)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的注塑系統進行控制的單獨一臺計算機，其特征在于包括用于從所述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；用于直接從多種注塑部件接收反饋信號并直接向多種注塑部件提供實時控制信號的第二輸入/輸出；以及一個用于根據所述反饋信號和所述命令信號產生實時控制信號的CPU，所述CPU對所述命令信號、所述顯示信號、所述反饋信號、以及所述控制信號執行多任務處理。
15.如權利要求14所述的一臺計算機，其特征在于所述CPU根據預定的任務優先級執行所述多任務處理。
16.如權利要求15所述的一臺計算機，其特征在于所述CPU運行最新流行的，實時擴展內核來執行所述多任務處理。
17.如權利要求14所述的一臺計算機，其特征在于所述CPU在沒有模擬信號處理器情況下對多種注塑部件進行控制。
18.如權利要求14所述的一臺計算機，其特征在于所述CPU根據所述反饋信號來對多種注塑部件進行實時閉環控制。
19.如權利要求14所述的一臺計算機，其特征在于還包括用于向局域網和因特網中的至少一種傳送注塑信號或從中接收注塑信號的第三輸入/輸出。
20.如權利要求14所述的一臺計算機，其特征在于所述CPU具有能夠運行與所述多種注塑部件的控制無關的最新流行軟件的開放型設計。
21.一種注塑系統，其特征在于包括用于執行注塑操作的多種注塑部件，所述多種注塑部件接收實時控制信號并輸出實時反饋信號；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，其用于(i)從所述多種注塑部件接收實時反饋信號以及從所述至少一個操作員輸入裝置接收命令信號；(ii)根據多種預定的注塑控制程序和顯示程序對所接收的信號進行多任務處理，(iii)根據所述多種預定注塑控制程序和顯示程序向所述多種注塑部件輸出實時控制信號以及向人機界面顯示器輸出顯示信號，并且(iv)具有一種能夠運行商用軟件的操作系統。
22.如權利要求21所述的一個系統，其特征在于所述單一處理器具有一個Windows NT操作系統，并且使用最新流行的實時擴展內核執行多任務處理。
23.如權利要求21所述的一個系統，其特征在于所述多種注塑部件包括模擬部件和數字部件，其中所述單一處理器同時對所述模擬部件和所述數字部件進行控制。
24.如權利要求21所述的一個系統，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種注塑部件的位置上。
25.如權利要求21所述的一個系統，其特征在于所述單一處理器具有用于向遠程處理器發送信號或從中接收信號的接口。
26.如權利要求21所述的一個系統，其特征在于所述單一處理器對所述多種注塑部件以及所控制面板顯示器進行實時控制。
27.一種用于對具有(i)用于執行注塑處理并提供反饋信號的多種注塑部件，以及(ii)具有一個顯示器以及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的注塑系統進行控制的方法，其特征在于包括如下步驟將反饋信號和來自操作員輸入裝置的信號輸入到單一處理器中；以及利用所述單一處理器來同時對所述多種注塑部件以及所述人機界面顯示器進行實時控制。
28.如權利要求27所述的方法，其特征在于所述單一處理器對所述反饋信號和來自操作員輸入裝置的信號進行多任務處理。
29.如權利要求28所述的方法，其特征在于所述單一處理器具有能夠運行商用軟件的開放型設計。
30.如權利要求29所述的方法，其特征在于所述單一處理器利用實時擴展內核來執行多任務處理。
31.如權利要求27所述的方法，其特征在于所述單一處理器是在沒有可編程邏輯控制器的情況下來同時對所述多種注塑部件和所述控制面板進行控制的。
32.如權利要求27所述的方法，其特征在于所述單一處理器被放置在遠離所述注塑機的位置上。
33.如權利要求32所述的方法，其特征在于所述單一處理器以對信息進行多路復用的方法通過千兆字節速率的串行總線與所述控制面板進行通信。
34.如權利要求33所述的方法，其特征在于所述單一處理器通過具有糾錯功能的現場總線來與所述多種注塑部件進行通信。
35.如權利要求27所述的方法，其特征在于所述單一處理器對所述注塑部件進行閉環控制。
36.至少一個用于存儲能夠引發單一通用計算機對(i)具有用于執行注塑操作并產生有多種反饋信號的多種注塑部件的注塑系統，以及(ii)具有顯示器和操作員輸入裝置的人機界面進行控制的計算機可讀數據的存儲介質，所述計算機可讀數據將使所述單一通用計算機接收反饋信號和來自人機界面操作員輸入裝置的信號；以及執行多任務處理來同時對注塑部件和人機界面進行實時控制，所述多任務處理在后臺執行人機界面功能，而在前臺執行注塑部件功能。
37.如權利要求36所述的至少一個存儲介質，其特征在于所述計算機可讀數據可以使所述單獨一臺通用計算機在沒有可編程邏輯控制器和模擬信號處理器的情況下對所述注塑部件進行閉環控制。
38.如權利要求36所述的至少一個存儲介質，其特征在于所述計算機可讀數據可以使所述單獨一臺通用計算機利用一種具有多任務調度器的商用實時擴展內核來執行所述多任務處理。
39.如權利要求36所述的至少一個存儲介質，其特征在于所述計算機可讀數據可以使所述單獨一臺通用計算機對所述反饋信號和來自控制面板輸入裝置的信號執行糾錯控制。
40.如權利要求36所述的至少一個存儲介質，其特征在于所述計算機可讀數據可以使所述單獨一臺通用計算機在所述控制面板顯示器上顯示與所反饋信號相對應的數據。
41.如權利要求36所述的至少一個存儲介質，其特征在于所述計算機可讀數據可以使所述單獨一臺通用計算機存儲與所述反饋信號相對應的存檔數據。
42.如權利要求36所述的至少一個存儲介質，其特征在于所述計算機可讀數據可以使所述單獨一臺通用計算機從局域網和因特網中的至少一種接收數據或將數據傳送到其上。
43.如權利要求36所述的至少一個存儲介質，其特征在于所述計算機可讀數據可以使所述單獨一臺通用計算機利用模糊邏輯來對所述多種注塑部件進行控制。
全文摘要
用于對具有多種產生相應的多種反饋信號的裝置的注塑系統進行控制的裝置和方法,其包括用于提供一種具有一個顯示器和至少一個操作員輸入裝置的操作員控制臺的結構和步驟。單獨一臺通用計算機被同時耦合到操作員控制面板和多種注塑部件上,用于對注塑功能和操作員控制功能進行多任務控制。該計算機優選地在處理系統反饋信號和操作員輸入信號的同時對注塑部件進行實時閉環控制。
文檔編號G05B19/414GK1249989SQ99119750
公開日2000年4月12日 申請日期1999年9月29日 優先權日1998年10月5日
發明者克里斯托弗·崔 申請人:哈斯凱注塑系統有限公司