用于注塑系统的集成控制平台及其方法

专利名称：用于注塑系统的集成控制平台及其方法
技术领域：
本发明一般涉及一种用于控制注塑系统的集成控制平台，具体涉及一种使用单台既执行机器控制功能又执行人机界面功能的通用计算机对注塑系统进行控制的装置和方法。此种控制方案将不再需要使用现有技术中所要使用的模拟信号处理器和可编程逻辑控制器。
注塑系统广泛用于生产制造诸如能够被吹制成日常生活常见的各种饮料容器的塑料PET塑坯等廉价的塑料制品。此类注塑系统通常包括多种用于执行注塑操作的模拟和数字部件。例如，挤压机驱动器、比例流量控制阀、电动驱动器、加热及致冷元件、以及其它电动液压机械驱动器和电动机械驱动器，均是以熟知方式执行注塑功能的模拟部件。数字部件的例子则包括近控开关，合模压力极限换能传感器，数字电磁阀等。上述每一种模拟和数字部件不仅必须由合适的模拟和数字命令来进行控制，而且通常还需配备用于输出模拟和/或数字反馈信号的反馈传感器，它可以有效控制各种部件使系统能够快速高质地进行生产。例如，在对注塑部件中的实时变化(例如，温度设定点、注塑压强等)进行闭环控制时需要使用反馈信号。另外，反馈信号还用于在人机界面或操作员控制面板上向操作员显示操作信息(例如，工作状态、温度、零件计数等)。
在现有技术中，必需使用一种模拟信号处理器(ASP)来向注塑系统中的多种模拟部件提供实时控制。同样地，也必需配备一种可编程逻辑控制器(PLC)来对注塑系统中的各数字部件进行控制。作为既使用了ASP又使用了PLC来对注塑机进行控制的一个例子，可参阅美国专利No.5,062,052(作为参考文献收录于本说明书中)。尽管’052号专利中中也涉及到使用通用计算机，但其用途仅限于PLC与HMI之间的连接。仍然需要使用PLC和ASP来执行注塑操作。
现有注塑控制设计的局限性在于不能实时地对注塑部件实现重新配置。必须同时对ASP和PLC进行修正或重新进行编程才能实现配置的变更。由此使得在需要向注塑系统中引入新技术时，通常需要将整个系统断电以进行重新配置。另外，每种注塑系统的操作状态只能通过其HMI来确认。而且，各注塑机制造商在其PLC中通常采用各自的专利设计，这将会由于兼容性等问题而限制各种新型处理技术在此类机器上的应用。另外，使用多层结构的ASP和PLC处理控制将会对处理带来不良影响，并且所产生的处理瓶颈将会降低机器实现相应状态变化的响应速度。
因此，目前需要有一种新型注塑控制设计，其能够对注塑系统提供真正的实时控制，对系统部件进行快速重新配置，能方便使用最新的市售流行软件，并且能够将系统状态和控制信息传送到系统之外，例如传送到工厂办公室或甚至是公司总部。
本发明的一个目的是提供一种能够将现有最高技术水平的硬件和软件组件无缝地集成到一个控制器中的注塑控制设计。其另一个目的是提供一种能够提供真正的实时控制和网络功能的控制设计。本发明的再一个目的是提供一种能够将其它辅助设备以及扩展机器功能很容易地集成进来的开放型控制设计。其另外的一个目的是提供用于降低系统停机时间的智能诊断系统，以及用于从外部数据源输入知识和信息或将知识和信息输出到外部数据源中的远程访问能力。本发明的再一个目的是由单台通用计算机来同时提供注塑系统控制功能、人机界面功能、运动控制功能、顺序逻辑功能、连续处理控制功能、以及网络通信功能。
本发明另外的目的包括提供一种支持外部通信(诸如电子邮件，寻呼等，以用于进行监控，故障检修，以及系统和工厂管理之间的信息交换)的标准应用程序接口，提供具有内嵌处理知识的专家系统以辅助进行系统装配和生产处理，提供智能报警管理和系统诊断功能，以及提供具有内嵌功能选项的预定义模板用以辅助用户对注塑系统进行装配和操作。
根据本发明，上述目标和其它优点可以由一种对注塑系统进行控制的装置来实现，该装置由产生多种反馈信号的多个部件组成。该装置包括(i)一个优选地布置在与注塑系统相邻的位置上、并具有一个显示器以及至少一个操作员输入装置的人机界面；及(ii)一台与人机界面和多个注塑部件相连的通用计算机，其中的通用计算机用于根据多种命令和反馈信号对上述注塑部件进行实时闭环控制。
根据本发明的另一方面，单独一台计算机用于对注塑系统进行控制，该注塑系统具有多个用于完成注塑处理并提供反馈信号的注塑部件，以及具有一个显示器和至少一个用于输入操作员命令的手工输入装置的人机界面。该计算机包括(i)用于从一个(或多个)人机界面手工输入装置接收命令信号，以及向人机界面显示器提供显示信号的第一输入/输出，(ii)用于直接从这些注塑部件接收反馈信号，并向其提供实时控制信号的第二输入/输出，以及(iii)用于根据上述反馈信号和命令信号产生实时控制信号的CPU，该CPU对命令信号，显示信号，反馈信号和控制信号进行多任务处理。
本发明的另一方面是以某种注塑系统为特征的，这种注塑系统包括(i)多个接收实时控制信号并输出实时反馈信号以完成注塑操作的注塑部件，(ii)具有一个显示器和至少一个操作员输入装置的人机界面，以及(iii)从上述多个注塑部件接收实时反馈信号并从操作员输入装置接收命令信号的单一处理器，该处理器根据多种预定的注塑控制程序和显示程序对所接收到的多种信号进行多任务处理，以及根据多种预定的注塑控制程序和显示程序向上述多个注塑部件输出实时控制信号以及向人机界面显示器输出显示信号，并安装有一种能够运行商用软件的操作系统。
根据本发明的另一方面，一种用于对完成注塑处理并提供反馈信号的多个注塑部件，以及具有一个显示器和至少一个操作员输入装置的人机界面的注塑机进行控制的方法包括如下步骤(i)将反馈信号和来自一个或多个操作员输入装置的信号输入到单一处理器中，(ii)利用该单一处理器实时地对注塑部件和控制面板显示器进行控制。
本发明的另一方面的特征在于至少具有一个计算机可读存储介质，它用于存储能使通用计算机对注塑系统(其包括多个用于执行注塑处理并产生有多种反馈信号的注塑部件，以及具有一个显示器和至少一个操作员输入装置的人机界面)进行控制的计算机可读数据。该种计算机可读存储介质将使通用计算机(i)从一个或多个人机界面手工输入装置接收反馈信号及其它信号，以及(ii)执行多任务处理以对注塑部件和人机界面进行实时控制，上述多任务处理在“后台”执行具有相对较低优先级的人机界面功能，而在“前台”执行具有相对较高优先级的注塑部件功能。
参照附图对本发明进行说明，其中

图1所示为根据本发明的注塑系统的简要方框图；图2所示为根据本发明的人机界面和通用计算机的简要方框图；图3所示为根据本发明的软件控制模块的简要示意图；图4所示为根据本发明的控制设计的简要示意图。
以下将以塑料注塑系统或注塑机为例对本发明的优越性进行详细说明。然而，本发明并不仅仅局限于此方案，而可以应用于附加权利要求所涵盖范围内的任何类型的注塑技术。
根据本发明的控制设计既提供了对注塑系统的实时控制，又提供了由操作员控制的实时界面。该设计还包括对注塑系统进行操作和监控所必需的人机界面(HMI)，以及和工厂及公司总部进行信息交换的接口。软件和硬件的集成使一般的通用计算机变为系统控制器，该系统控制器不仅能够对机器功能和操作员控制进行控制，还具有能够很容易地集成进任何其它辅助设备并与外部系统和网络进行信息交换的开放型设计。此外，通过附加的硬件和软件扩展了该通用计算机的功能，提供用以实现高性能的和智能化制造单元(manufacturing cell)的注塑系统的确定的实时控制。
因此，依据本发明的灵活的、可重新配置的制造系统能够容易地适应新的技术和处理，并将关键的、实时的性能数据传送到生产现场的人机界面之外，如工厂的其它部门和公司总部以向本单位的所有部门提供实时信息。采用商用的通用计算机(PC)技术使其能够使用更快更好的CPU，更强大的操作系统，更多类型的外设，更广范围的通信和网络能力，并且能够将对机器的控制从生产现场延伸到远程站点。
关于注塑系统控制设计图1所示为用于显示根据本发明的注塑系统控制设计的一般特性的简要方框图。图1中，注塑系统或机器10利用数字部件12，14，16和18及模拟部件20和22，以众所周知的方式实现注塑处理。每个数字和模拟部件均优选地包括一个用于驱动器控制的输入，以及一个向各部件的闭环控制提供反馈信号的输出。数字部件12，14和模拟部件20，22优选地从现场总线24接收控制信号或将反馈信号输出到其上(详见下文)；而数字部件16和18则从数字总线26接收控制信号或将反馈信号输出到其上(详见下文)。当然，根据所控制的特定注塑系统，现场总线24和数字总线26可传输所有必需的控制和反馈信号来控制注塑处理。
操作员利用人机界面(或控制面板或控制站)30来输入控制数据并观察处理反馈信息。HMI 30具有一个键盘32和一个指向装置(即方位输入装置，如鼠标)34，使操作员可利用其来输入数据。根据所控制的系统，操作员还可以使用一种系统功能辅助键盘(其可以包括一个LED显示器)装置36来输入特殊的机器命令。显示器38向操作员提供了至少一种用于观测基于反馈信号的数据显示的观察装置，并提供了用于手工输入数据的接口。控制面板30上还可以安装有活动存储装置驱动器40(如软驱)以让操作员输入所编制好的控制信息，以及新的控制程序，或也可用于将反馈数据下载到活动存储装置上。控制面板30还包括用于在HMI 30与通用计算机44之间多路复用各种控制和反馈数据的多工器42(详见下文)。
通用计算机44优选采用具有CPU 46，ROM 48和RAM 50的成品个人计算机。优选地，计算机44包括通过一条传输速率大于1Gbit/s的双向串行总线链路54(详见下文)耦合到HMI 30的多工器42上的控制面板接口52。接口52优选采用Beckhoff工业电子公司的CP-Link PC多工器。尽管未示出，通用计算机44还可以装配有诸如CRT，键盘，磁盘驱动器，CD-ROM驱动器，鼠标，触摸屏，光笔等类型的外设。
计算机44还具有通过接线58耦合到数字总线26上的数字接口56。同样地，计算机44也具有通过接线62耦合到现场总线24上的接口60。
计算机44还包括可以耦合到工厂内所使用的局域网(例如，以太网；未示出)上的局域网接口64。另外，计算机44还可以包括调制解调器或其它可用来将计算机44连到，诸如因特网或内联网上的外部接口66。
利用如上所述的结构，根据本发明的控制设计，不需要使用现有技术所必须的PLC或ASP，却能对注塑部件12-22进行真正的实时闭环控制。另外，操作员能够通过计算机44在HMI 30处控制注塑处理。计算机44具有足够快的处理速度以及足够强的能力来对注塑功能和HMI功能进行多任务处理。例如，计算机44可以在前台处理对注塑部件高优先级闭环控制指令进行处理，在后台处理较低优先级的HMI功能指令。因此，计算机44将轮流对机器控制功能和HMI功能进行处理。
关于通用计算机如上所述，根据本发明的单独一台通用计算机包括与标准通用商业或工业计算机的结构相类似的硬件结构，并且优选地在诸如Window NT(Tm)等通用操作系统的环境下进行操作。计算机44优选采用Beckhoff电子公司所出品的C6150型号的工业PC。此PC特征在于具有一个PentiumII微处理器，一个2G大小(或更高容量)的硬盘，以及一个64M RAM内存。该计算机还可以配备CD ROM驱动器，1.44M和/或1.20M磁盘驱动器，4个串行接口，一个打印机接口，以及多个(如7个)扩展卡插槽。将用作局域网和/或因特网/内联网连接的接口优化安装在额外的插槽中。该计算机能够同时对至少3种功能进行多任务处理，即注塑系统的控制，HMI的控制，并且用作全厂范围的网络服务器。
为了通过现场总线24接收模拟反馈信号并提供模拟控制信号，计算机44执行A/D和D/A功能。因而，计算机44是以数字方式来对控制程序、HMI程序和网络程序进行处理的。通过以数字方式来进行操作，与常规模拟电路相比，计算机44能够提供性能更好和精度更高的解决方案。计算机44高效的计算能力以及充分大的工作内存，再加上软件实时扩展内核(详见下文)可以为机器控制，HMI功能和网络功能提供实时性能。由于实时扩展内核是以微秒级的速率来进行操作的，所以计算机44可以用作所有计算机功能的多任务调度器。即计算机44可以利用多任务处理，同时对所有的注塑部件进行控制。另外，机器控制功能可以与HMI功能和/或网络功能一起被多任务地执行。该系统能够以微秒的数量级来实现注塑部件控制回路的控制更新，而使其不必再使用对注塑部件进行实时控制的模拟闭环控制器。
因此，计算机44能够利用多种预定的设备控制程序(例如，充填料注入，模具合模操作等)对注塑部件进行控制，以及利用多种预定的HMI程序(例如，显示器，键盘，鼠标，辅助键盘等)对HMI 30进行控制。计算机44还通过局域网(和/或因特网)利用多种预定程序，如因特网浏览器，字处理程序，电子表格处理等程序与其它计算装置进行网络通信。计算机44不仅对多个此类控制和网络程序进行操作，其还可以根据预定的优先级，如按关键注塑部件第一位、反馈和状态装置第二位、HMI装置第三位、网络通信功能最后一位的顺序，通过多任务处理来进行操作。另外，计算机44的开放型设计还允许用户根据具体需要对这些预定的控制和网络程序的任何一项进行修正，升级，安装或调换。
计算机44不仅免除了对ASP的需要，其同时也取代了现有技术中所用的PLC。计算机44易于在其中安装新的应用程序的能力提供了一种能够将处理输入/输出映射为可以向操作员显示的图象的方法。计算机44另外还具有作为其通用操作系统和编程软件扩展的且同时符合国际工业标准如IEC1131-3的输入和输出权能以及实时内核。因此，计算机44取代了通常所用的用于对各种注塑系统部件的工序进行控制以执行所需的注塑功能的PLC或专用控制器。除了用作对机器功能进行控制的主控器，计算机44还可用作将全部机器装置操作信息和机器状态集中到一起(随后将其传送给工厂监控系统)的信息档案库。
关于实时扩展内核如上所述，根据本发明的计算机44对操作系统如Windows NT优选地运行一种实时扩展内核。此内核允许对机器功能，HMI功能和网络功能进行速度更快地多任务处理。现在市面上有许多种商用自动化解决方案软件包，其中均提供了对通用计算机的实时控制。这些实时扩展内核允许进行独立处理，但也可以利用通用计算机不断提高的处理能力。本优选实施例所采用的是由Beckhoff工业电子公司所开发的TwinCAT实时内核扩展。TwinCAT内核扩展提供了PLC和运动控制解决方案的基础。TwinCAT内核是一种具有程序实时执行功能，编程工具，分析工具和配置管理功能的运行时系统(run time system)。所有Windows程序(例如，可视化工具和办公软件产品)均可以通过标准的Microsoft接口与TwinCAT进行交互以互换数据及控制服务程序。因此，根据本发明的实时扩展内核允许进行多任务处理，并被完全集成到操作系统中，同时仍使所有的Windows NT操作系统标准特性保持不变，其还能够在实时控制任务和用户NT操作之间共享CPU处理能力，并在不另外需要其它硬件的情况下提供纯软件的解决方案。
关于人机界面HMI(或控制面板或控制站)30用于输入对注塑部件12-22进行控制的控制信息，并接收来自显示、存储或传输装置的反馈。HMI 30包括诸如键盘32，指向装置(鼠标)34，辅助键盘36，活动存储装置40，显示器38和多工器42等在内的标准控制设备。HMI 30优选采用Beckhoff公司的CP7000控制面板，其上安装有特殊的PLC按键、LED显示器、触摸屏，15英寸TFT显示器，PC键盘，3.5英寸软驱以及CP-Link接口。
在本发明中，由于将操作员界面和机器控制功能集成到单独一台通用计算机内，从而消除了通常由现有技术中HMI，PLC和ASP之间的通信链路所产生的处理瓶颈，由此使得HMI 30与计算机44之间的通信效率有了较大程度地提高。
如图2所示，HMI 30通过传输速率大于1Gbit/s的串行总线链路54与计算机44相连。由于在HMI 30和计算机44之间使用了如此高速率的双向多路复用总线，所以可以确确实实地将操作员控制部件和显示元件与计算机44分离开来。本优选方案中，尽管链路54的长度也可以稍短而仅有10米，但所选用的长度为50米。通过将HMI 30放置在远离计算机44的位置上，可以使所有易受损的计算机装置，如硬盘、调制解调器、CPU等得到保护而不受在注塑环境中所常会遇到的高温，振动和冲击等作用的损害。使用此种高速链路，便可以将HMI 30安装在靠近计算机44并与其保持足够间隔而易于进行操作的最佳位置上。为此，应在满足能够通过键盘32、指向装置34和功能辅助键盘36来显示数据、输入数据以及更加容易地手工输入命令的前提下，尽可能减少HMI内的电子器件数。
图2中，HMI显示器优选地采用一种TFT显示器382，尽管也可以采用LED，LCD，CRT或其它类型的显示装置。HMI 30还包括一种或多种指向装置342，包括鼠标，光笔，触摸屏装置等等。键盘32优选采用标准的PC键盘，尽管也可以使用具有专用功能按键的专用键盘。机器功能按键和LED显示器36与现有注塑系统中所常用的相同。活动存储装置40被用来输入控制程序或设定点信息，或用于存储反馈信号。上述输入和输出装置通过传输速率大于1Gbit/s的串行总线链路54与用于将所传输的信息多路复用的HMI多工器42相连。多工器42同时控制一个5伏电源(未示出)。最后，HMI 30还可以包括一个可以被用来在紧急情况下使注塑部件停止操作的急停按钮或部件80。急停按钮80与通过接口依次与计算机44相连的安全电路82相连。
链路54可以提供HMI与计算机44之间的双向通信，由此大大简化了系统设计并提高了系统的可靠性。双向链路54将HMI 30与计算机44连在一起以进行视频控制和数据输入。随后由计算机44而不是HMI 30对大量的HMI信息进行处理。HMI 30与计算机44之间的通信速率在Gbit/s的范围内，这使得计算机44能够对由操作员所引起的机器部件12-22的状态变化作出实时的响应。链路54可以由诸如PaneLink，以及基于国际工业标准IEEE P139b的产品或Beckhoff工业电子公司出品的CP-Link等类型的市售链路来实施。在优选方案中采用Beckhoff出品的CP-Link。
因此只要求HMI 30具有最低的处理能力，优选地只需具有显示数据，输入数据，通过功能键36执行手工控制功能，以及通过图形，文本和视频显示与操作员进行通信所需的那些功能即可。由于计算机44可以远离HMI 30放置在受控环境中以保护易受损的计算机装置，所以操作员控制和显示功能部件可以离注塑系统更近，从而能够让操作员更近距离地观测机器功能。
双向链路54可以由双线同轴电缆，两条单线同轴电缆，一条或多条光纤电缆，或其它的通信器材构成。链路54通常不需要另设电源。电缆接口可由与标准个人计算机总线(例如，ISA或PCI总线)相连的印刷电路板构成，因此其可用于任意类型的通用计算机中。
如图2所示，计算机44可以包括除图1所示之外的附加结构。具体地说，计算机44还优选地包括用于控制显示器382的LCD图形控制器插板84。控制器84优选地包括一个LCD接口。计算机44还包括用于键盘32的键盘接口86，以及用于控制活动存储装置40的活动存储装置控制器90。串行接口88则用于控制串行通信端口。
来自LCD，键盘，指向装置，通信端口，以及活动存储装置的计算机接口的信号，由PC接口链路插板52转化为随后通过链路54传送给HMI30的高频串行信号。由HMI多工器42将串行信号转化为最初由计算机接口所生产的信号，并随即将其传送给用于进行控制和反馈的各部件。因此，HMI 30上的部件可以由计算机44在远长于目前所能达到的距离之外进行控制。由于链路54优选地具有至少两条独立的信道，所以控制面板30和计算机44之间每个通信方向上均有一条链路信道。如图1所示，计算机44还包括用于通过数字总线26与数字部件16和18直接相连(如果需要)的接口56。优选地，接口56是一种SERCOS(串行实时通信系统)。并且，计算机44的开放型设计允许直接通过数字总线26，或另选通过现场总线24来对注塑部件16和18进行控制。
关于现场总线图1中，计算机44通过现场总线24与数字注塑部件12，14和模拟注塑部件20，22相连。优选地，现场总线24是一种标准的工业现场总线，如CANopen总线，Lightbus，Interbus，Controlnet总线，ProfibusDP/FMS，或某种等价类型的总线。本优选方案所采用的是以12Mbit/s的速率进行操作的Profibus DP。如上所述，计算机44还可以使用数字总线26(优选地采用SERCOS)来引接数字伺服驱动器和其它数字部件16，18。
来自各注塑部件，传感器的输入与用于传动器和数字驱动器的控制输出的集成是通过计算机44的一个开放型装置网络接口来实现的。计算机44的控制平台支持所有主要设备的现场总线。本发明利用以容错协议进行操作的具有高速多路复用信号总线的工业级现场总线取代了现有技术中所用的多路专用导线。由此避免了与专用导线相关的成本高昂和可靠性差的问题。现场总线的接口协议是利用微控制器优选地实施的。此类微控制器能够对诸如信号噪声的有害作用直接进行处理，并还能够对命令进行可行性检测。另外，将现场总线接口与专用控制器集成在一起可以形成所谓的“控制岛”。控制岛包括专用输入/输出并具有局域化处理能力以实现分布式的控制设计，其通过改善网际边缘的信令能力和响应性，可以使控制者更靠近所正控制的系统。这种局域化解决问题的能力减小了网络主干(即计算机中的CPU)上的通信量负担。由于可以将注塑功能分散到多个边界分明且聚集成组的控制元件的专用子系统中，所以利用控制岛来对子系统进行控制将大大提高控制系统模块化的程度以及系统的性能。控制岛通过物理现场总线连接与系统控制器相连。这些连接提供了逻辑连接，消息；控制岛与系统控制器松散地耦合使得控制系统具有可伸缩性。
关于控制软件图3所示为根据本发明的优选控制软件模块的示意图。图3是以计算机44所用的软件控制设计的功能模块图的形式来进行显示的。图3中，控制软件300包括用于顺序控制的软件模块302，用于数据记录的软件模块304，以及用于报警管理(详见下文)的软件模块306。与上述3个软件模块相连的有初始化与处理控制模块308，操作模式模块310，同步与协调控制模块312和输入信号处理模块314。初始化与处理控制模块308向注塑系统10发送控制信号316，而来自注塑系统10的传感器信号318则被提供给输入信号处理模块314。模块314还接收来自其它软件控制模块(未示出)的传感器信号。
来自HMI 30的操作员输入320被提供给向模块302，304和306提供输入的操作模式模块310。其它的HMI接口信号322则被提供给也与模块302，304和306相连的同步与协调控制模块312。此种软件控制设计在升级和/或修正现有软件方面具有很大的灵活性。
图4所示为根据本发明的控制设计的功能方框图。图4中，注塑处理400利用注塑系统10来进行注塑操作。注塑元件402包括由通过现场总线24所接收的数字和模拟输出404进行驱动的部件12-22。与机器元件402相关的反馈传感器406通过现场总线24来提供数字和模拟反馈信号。
由伺服电机410驱动的一个或多个位置测量装置408可提供对实际处理位置的度量。输入和输出414与位置测量装置408耦合，而其信息则通过数字总线26传送到向计算机44传送或从计算机44接收信号的数字驱动控制器412。
计算机44在现场总线主控器420的控制下通过现场总线24传送数字和模拟信号。同样地，计算机44在数字总线主控器422的控制下通过数字总线26传送数字信号。到HMI 30的或源自HMI 30的信号是经由接口52通过链路54来传送的，诸如一个PC多工器。计算机44安装有基于软件的用于执行如下功能的程序输入和输出映射424；温度控制426；可编程逻辑控制428；液压机械运动控制430；电动机械运动控制432；以及处理控制434。另外，计算机44还可以具有其它基于诸如工程和商业软件工具436以及HMI应用软件438等软件的功能。
可以从诸如磁盘，CD ROM，磁带，磁光磁盘等计算机可读存储介质中或通过LAN或因特网连接远程地将控制软件，控制程序，HMI程序，以及其它的软件装入到计算机44中。
图4所示的控制设计集成了实时命令，程序控制命令，以及手工命令。由于其特征在于具有开放型设计的通用计算机，所以可以很方便地对所有这些命令的进行修正和升级。通用操作系统中所运行的实时内核在多任务处理中提供了与程序控制和手工输入相互交错在一起的实时注塑系统控制。该实时内核赋予系统控制有较高的优先级并提供了用于处理通用信息的窗口。
该种控制设计具有在该内核的多任务调度器控制下进行处理而每个层次自身分别执行其特定功能的多个层次。与紧急停机和顺序关机功能一起，以最高优先级执行实时闭环系统控制以及响应于系统元件的反馈信号的实时高速开关转换。软件提供了可编程逻辑控制器的功能以对系统工序进行控制。尽管计算机的通信速度和处理能力实际上可以允许真正实时地来执行HMI功能，但计算机仍以后台方式执行HMI功能。各种机器控制功能与HMI功能之间共享一个公共数据库，由此消除了现有技术中存在的多处理器瓶颈问题，从而提高了信息处理的吞吐率。
该种通用计算机能够与多种类型的外设相连，例如CD ROM和用于内联网/因特网或远程连接的调制解调器，以及诸如以太网等类型的用于在工厂范围内进行通信的局域网。因此，通过所安装的系统部件局域地或通过前往/来自其它站点的通信方式远程地发送命令，从HMI或从联网的客户接收输入数据，并控制HMI上的显示，单独一台计算机便能够执行注塑系统的闭环控制功能。
关于附加能力由于该种通用计算机具有很强的处理能力，其还可以提供可用于注塑环境中的其它能力。例如，通用计算机还可以对信息进行智能滤波，提供一种用于改进处理设置和操作的专家系统，以及提供一种报警管理系统。
智能滤波是一种选择性地对由CPU所处理的信号进行滤波的处理技术，它可以限制在高优先级多任务处理级别上过载的信号。这是用于对数据作进一步处理的信息选择级别的处理。当网络管理级别升高时系统可以拒绝接收非关键的数据，以使得最高层次的网络管理控制台能够集中精力来进行诸如趋势分析和容量规划的更高级别处理。这样做将减轻网络的负担并提高整个网络的通信吞吐率。本发明的通用计算机可以包括此类智能滤波处理，从而使预定系统级别的信号不必通过网络来传输。
根据本发明的单独一台通用计算机的高处理能力使其能够用于专家系统以对注塑系统进行管理。此类专家系统通过对处理中断进行诊断，产生更精确的操作员信息，以及辅助实施校正操作(诸如以无线方式对系统进行重新配置)可以改善报警管理系统(详见下文)的性能。其结果是可以得到更强大的报警管理系统以帮助操作员安全、高效地对处理中断进行管理，并使系统的停机时间减小到最小。这种专家系统还能够根据计算机存储器中存储的、专用于本系统的知识向操作员提供推荐的处理参数来改善处理设置。这种计算机还能够对其相关模具的材料信息进行存档，或也可以通过内联网/因特网访问将此信息存储到远程存储单元上。
专家系统是人工智能的应用，其采用了推理机，模糊逻辑技术以及/或其它的适用方法来实时地对诸如注塑过程中所用的那些动态处理中所发生的事件进行推理。推理机是根据由经验数据导出的知识库中所定义的特殊预定规则以及操作员的输入来进行推理的。
根据本发明至少可以以两种方式在专家系统中实时使用通用计算机，即作为顾问系统或作为监控系统。在顾问型应用中，专家系统对处理数据中的动态变化进行推理，根据处理事件作决策，并向操作员公布结论和理由。专家系统由此可以针对处理事件以及待解决的问题提供及时而准确的建议。在监控型应用中，根据本发明的专家系统通过调节设定点及变换离散设备的接通或断开状态，前摄地(pro-actively)辅助操作员解决问题、优化模塑操作、或实现该知识库中所定义的其它目的，如预测维护调节。正是根据本发明的通用计算机的高处理能力才使得在注塑环境中实现专家系统成为可能。
许多注塑系统均具有一种能够向操作员示警以表明系统出现故障并执行诸如逐级关机，操作减速等功能的系统功能集的报警系统。根据本发明的单独一台通用计算机具有足够的处理能力以允许计算机来管理智能报警系统，即能够对报警状态进行故障诊断推理的报警系统。这允许计算机或用户能够将更高级别的逻辑应用于系统功能，使系统不被简单地关断，从而避免因系统简单关断对系统性能和生产能力的不良影响。即，如果报警分析显示只出现诸如轻微超温等类型的非严重问题，则计算机仍可以以较低的速率继续对注塑系统进行操作。
根据本发明的智能报警系统因此能够准确地捕捉住注塑系统在不同的报警状态下所出现的动态变化。例如，可以自动地控制系统停机或者是仅仅以较低的速率进行生产；或者也可以提示操作员另外输入数据以对产生报警的状态进行校正。另外，如果计算机还需要与报警状态有关的附加信息，则操作员可以在HMI处根据显示器上所出现的反馈信息来输入所需的这些数据。操作员还可以查阅在线手册(存储在计算机存储器中)以便及时为此报警状态提供校正信息。此类报警管理信息可以以文字，图形，音频或甚至视频的形式提供给操作员。
根据本发明的智能报警管理系统能够提供用于诸如报警启用，报警确认以及报警中止的任何状态的预定应对操作。这些应对操作的范围涵盖了从简单咨询的文本消息，到寻呼工厂中的操作员，或通过网络向维护部门，工厂监控人员或其它的工程人员发送电子邮件的多种方式。
由于根据本发明的计算机可以安装通用的操作系统，因此在最新流行的应用软件，如电子表格处理软件或关系数据库管理软件中均可以使用实时的或经存储的反馈信号。因此，利用本发明的计算机，或通过网络耦合到该计算机上的另一台服务器可以实现统计处理分析以及预防性或预测性维护功能。另外，由于本发明的计算机优选采用计算机行业中所常用的开放型数据通信标准，因此其将不再需要目前在注塑行业中所一直使用的专用驱动程序。即使某些制造商仍需要用于某种注塑部件的专用驱动程序，其也可以通过因特网和调制解调器66将所需的专用驱动程序快速地下载到计算机44上。
优选地，根据本发明的计算机包括多种以易懂方式来指导操作员完成软件安装操作的预定安装程序(向导)。例如，为了输入特定系统所需参数，可以向操作员出示一系列允许用户在数据区选项中进行选择的预定义模板。可以为每种单独系统分别提供此类向导，或也可以为整个系统一起提供安装向导，并且也可以通过因特网或局域网来进行升级。
因此，上文所述的用于注塑系统的单独一台通用计算机消除了对可编程逻辑控制器或模拟信号处理器的需要，同时还能够对注塑功能和HMI功能进行多任务处理，并提供与局域网和/或因特网的开放型通信。这是提高注塑系统自身精度和生产效率的有力工具，同时也能够改善对系统操作的管理途径以及对系统操作的控制。
当然，本领域的技术人员也可以设计出本发明的其它方案。例如，本发明的通用计算机可以对多于一台的注塑系统进行控制，它也可以同时对注塑系统以及一个或多个诸如传送带，机械手或产品装卸设备等辅助机器进行控制。将对这些机器的控制集成到本发明的单一处理器中可以实现产品在工厂中的平稳运送。
另外，每种系统的HMI不是必须彼此紧邻地排列的。例如，中央控制台可以配备有多部来自多种系统的控制面板，以使操作员可以同时对多种注塑和辅助机器进行控制。在此种配置中，通用计算机可以位于中央控制台上，也可以位于远程位置上。通过进一步扩展此配置，可以看出计算机44(或甚至是HMI)也可以被安放在工厂的办公室中，以使管理员能够立即接收到操作信息并能够快速地对注塑操作进行重新配置。
权利要求
1.用于对具有多种可产生相应的多种反馈信号的注塑部件的注塑系统进行控制的装置，其特征在于所述装置包括具有一个显示器和至少一个操作员输入装置的人机界面；以及耦合到所述人机界面以及多种注塑部件上的通用计算机，所述通用计算机用于根据多种反馈信号对所述的多种注塑部件进行实时的闭环控制。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述通用计算机根据从操作员输入装置接收来的数据对所述的多种注塑部件进行实时的闭环控制。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述通用计算机执行所述多种注塑部件闭环控制的多任务处理。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述通用计算机执行(i)所述多种注塑部件的闭环控制，以及(ii)从操作员输入装置接收数据的多任务处理。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述通用计算机具有用于运行与注塑机的控制有关的最新流行软件的开放型设计。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述通用计算机具有用于将所述通用计算机与局域网和因特网中的至少一种进行耦合的接口。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述通用计算机可以在没有模拟信号处理器和可编程逻辑控制器的情况下来对所述多种注塑部件进行实时闭环控制。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述通用计算机被放置在远离所述操作员控制模板的位置上。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于另外包括将所述通用计算机连到所述多种注塑部件上的一个现场总线；以及将所述通用计算机连到所述操作员控制面板上的一个串行总线链路；
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于所述现场总线由用于将所述多种反馈信号传送给所述通用计算机以及将所述通用计算机的实时控制信号传送给所述多种注塑部件的高速多路复用信号总线构成。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于所述串行总线由能够在所述通用计算机与所述操作员控制面板之间传送多路复用数据的双向、千兆字节速率的串行总线构成。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述串行总线的长度超过10米，并以大约1Gbit/s以上的速率进行操作。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述通用计算机对所述反馈信号进行智能滤波，并根据滤波后的反馈信号进行报警管理。
14.用于对具有(i)执行注塑处理并提供反馈信号的多种注塑部件，以及(ii)具有一个显示器和至少一个用于输入操作员命令的手工输入装置的人机界面的注塑系统进行控制的单独一台计算机，其特征在于包括用于从所述人机界面手工输入装置接收命令信号以及向人机界面显示器提供显示信号的第一输入/输出；用于直接从多种注塑部件接收反馈信号并直接向多种注塑部件提供实时控制信号的第二输入/输出；以及一个用于根据所述反馈信号和所述命令信号产生实时控制信号的CPU，所述CPU对所述命令信号、所述显示信号、所述反馈信号、以及所述控制信号执行多任务处理。
15.如权利要求14所述的一台计算机，其特征在于所述CPU根据预定的任务优先级执行所述多任务处理。
16.如权利要求15所述的一台计算机，其特征在于所述CPU运行最新流行的，实时扩展内核来执行所述多任务处理。
17.如权利要求14所述的一台计算机，其特征在于所述CPU在没有模拟信号处理器情况下对多种注塑部件进行控制。
18.如权利要求14所述的一台计算机，其特征在于所述CPU根据所述反馈信号来对多种注塑部件进行实时闭环控制。
19.如权利要求14所述的一台计算机，其特征在于还包括用于向局域网和因特网中的至少一种传送注塑信号或从中接收注塑信号的第三输入/输出。
20.如权利要求14所述的一台计算机，其特征在于所述CPU具有能够运行与所述多种注塑部件的控制无关的最新流行软件的开放型设计。
21.一种注塑系统，其特征在于包括用于执行注塑操作的多种注塑部件，所述多种注塑部件接收实时控制信号并输出实时反馈信号；一个具有一个显示器和至少一个操作员输入装置的人机界面；以及单独一个处理器，其用于(i)从所述多种注塑部件接收实时反馈信号以及从所述至少一个操作员输入装置接收命令信号；(ii)根据多种预定的注塑控制程序和显示程序对所接收的信号进行多任务处理，(iii)根据所述多种预定注塑控制程序和显示程序向所述多种注塑部件输出实时控制信号以及向人机界面显示器输出显示信号，并且(iv)具有一种能够运行商用软件的操作系统。
22.如权利要求21所述的一个系统，其特征在于所述单一处理器具有一个Windows NT操作系统，并且使用最新流行的实时扩展内核执行多任务处理。
23.如权利要求21所述的一个系统，其特征在于所述多种注塑部件包括模拟部件和数字部件，其中所述单一处理器同时对所述模拟部件和所述数字部件进行控制。
24.如权利要求21所述的一个系统，其特征在于所述处理器被放置在远离所述控制面板和所述多种注塑部件的位置上。
25.如权利要求21所述的一个系统，其特征在于所述单一处理器具有用于向远程处理器发送信号或从中接收信号的接口。
26.如权利要求21所述的一个系统，其特征在于所述单一处理器对所述多种注塑部件以及所控制面板显示器进行实时控制。
27.一种用于对具有(i)用于执行注塑处理并提供反馈信号的多种注塑部件，以及(ii)具有一个显示器以及至少一个用于输入操作员命令的手工输入装置的人机界面的注塑系统进行控制的方法，其特征在于包括如下步骤将反馈信号和来自操作员输入装置的信号输入到单一处理器中；以及利用所述单一处理器来同时对所述多种注塑部件以及所述人机界面显示器进行实时控制。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于所述单一处理器对所述反馈信号和来自操作员输入装置的信号进行多任务处理。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于所述单一处理器具有能够运行商用软件的开放型设计。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于所述单一处理器利用实时扩展内核来执行多任务处理。
31.如权利要求27所述的方法，其特征在于所述单一处理器是在没有可编程逻辑控制器的情况下来同时对所述多种注塑部件和所述控制面板进行控制的。
32.如权利要求27所述的方法，其特征在于所述单一处理器被放置在远离所述注塑机的位置上。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于所述单一处理器以对信息进行多路复用的方法通过千兆字节速率的串行总线与所述控制面板进行通信。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于所述单一处理器通过具有纠错功能的现场总线来与所述多种注塑部件进行通信。
35.如权利要求27所述的方法，其特征在于所述单一处理器对所述注塑部件进行闭环控制。
36.至少一个用于存储能够引发单一通用计算机对(i)具有用于执行注塑操作并产生有多种反馈信号的多种注塑部件的注塑系统，以及(ii)具有显示器和操作员输入装置的人机界面进行控制的计算机可读数据的存储介质，所述计算机可读数据将使所述单一通用计算机接收反馈信号和来自人机界面操作员输入装置的信号；以及执行多任务处理来同时对注塑部件和人机界面进行实时控制，所述多任务处理在后台执行人机界面功能，而在前台执行注塑部件功能。
37.如权利要求36所述的至少一个存储介质，其特征在于所述计算机可读数据可以使所述单独一台通用计算机在没有可编程逻辑控制器和模拟信号处理器的情况下对所述注塑部件进行闭环控制。
38.如权利要求36所述的至少一个存储介质，其特征在于所述计算机可读数据可以使所述单独一台通用计算机利用一种具有多任务调度器的商用实时扩展内核来执行所述多任务处理。
39.如权利要求36所述的至少一个存储介质，其特征在于所述计算机可读数据可以使所述单独一台通用计算机对所述反馈信号和来自控制面板输入装置的信号执行纠错控制。
40.如权利要求36所述的至少一个存储介质，其特征在于所述计算机可读数据可以使所述单独一台通用计算机在所述控制面板显示器上显示与所反馈信号相对应的数据。
41.如权利要求36所述的至少一个存储介质，其特征在于所述计算机可读数据可以使所述单独一台通用计算机存储与所述反馈信号相对应的存档数据。
42.如权利要求36所述的至少一个存储介质，其特征在于所述计算机可读数据可以使所述单独一台通用计算机从局域网和因特网中的至少一种接收数据或将数据传送到其上。
43.如权利要求36所述的至少一个存储介质，其特征在于所述计算机可读数据可以使所述单独一台通用计算机利用模糊逻辑来对所述多种注塑部件进行控制。
全文摘要
用于对具有多种产生相应的多种反馈信号的装置的注塑系统进行控制的装置和方法,其包括用于提供一种具有一个显示器和至少一个操作员输入装置的操作员控制台的结构和步骤。单独一台通用计算机被同时耦合到操作员控制面板和多种注塑部件上,用于对注塑功能和操作员控制功能进行多任务控制。该计算机优选地在处理系统反馈信号和操作员输入信号的同时对注塑部件进行实时闭环控制。
文档编号G05B19/414GK1249989SQ99119750
公开日2000年4月12日 申请日期1999年9月29日 优先权日1998年10月5日
发明者克里斯托弗·崔 申请人:哈斯凯注塑系统有限公司