1、自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期行业应用与交流Industrial Applications and CommunicationsTechniques ofAutomation&Applications收稿日期:2021-09-17DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）08-0153-04.低压注塑机网络管理系统研究徐少峰（扬州大学，江苏 扬州 225000）摘要:传统低压注塑机是一个单体，生产及维护过程中需要消耗大量的资源，为此提出低压注塑机网络管理系统，可实时获得生产数据和设备状态信息，同时对设备生产参数进行设置管理。首先对系统网络拓扑和数据类型进
2、行研究，设计合适的网络结构；根据系统结构要求设计控制器端网络接口电路及RT-Thread平台中LWIP协议通信线程；为提高人机交互友好程度，设计基于C#语言的服务器端管理系统软件。应用表明所述系统降低生产成本的同时有效提高生产部、设备部等部门的工作效率。关键词:低压注塑机；网络管理系统；LWIP协议；C#中图分类号：TP393文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)08-0153-04Research on Network Management System of Low PressureInjection Molding MachineXU Shao-feng(Yangzhou
3、 University,Yangzhou 225000 China)Abstract:The traditional low-pressure injection molding machine is a single body,need to consume a lot of resources in the process of pro-duction and maintenance,this paper presents a structure of network management system,this system can obtain the production da-ta
4、 and equipment status information in real time,at the same time can be set on the device parameters of production management.This paper first conducts the research to the system network topology and data types,and then designs the communication threadLWIP protocol controller terminal network interfa
5、ce circuit and RT-Thread platform,finally introduces the software of servermanagement system C#language development.The system can reduce the production cost and improve the efficiency of produc-tion department,equipment department and other departments.Keywords:Low pressure Injection;Network Manage
6、ment System;LWIP Protocol；C#1引言传统低压注塑机是一个单体，对生产数据及设备状态的监控、管理及记录需耗费大量人力物力资源。同时生产过程中也不能对机器运行状态进行实时评估，导致对机器故障及突发事件处理存在时间上的滞后1。本文针对苏州康尼格电子科技股份有限公司的HM400型低压注塑设备进行设计，设备工艺温度范围为180-240。基于嵌入式技术低压注塑机控制器的网络接口，将注塑机控制系统接入局域网，并编写上位机软件实现了对低压注塑机生产信息的统一监控及管理，节省资源的同时也提高了生产效率。由于接入局域网，可以实现生产信息资源共享，各部门管理人员不必亲临现场就能及时了解生产
7、情况，做出相应决策；同时开发人员也可以对系统进行统一在线升级2。2低压注塑机管理系统出于注塑机生产安全性考虑，本系统通过网络路由器建立局域网，并将低压注塑机控制器及装有监控软件的上位机通过以太网方式接入网络，系统总体结构如图1所示。图1系统总体结构典型网络拓扑关系有星型、树形和网状三种，针对在管理系统中通过上位机监控软件可以访问任意节点注塑机的生产数据和控制生产状态的特点，选择星型拓扑结构3。由于低压注塑机生产成型过程是一个复杂的多参数控制过程，其中涉及很多实时、准实时及非实时控制4，153行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化
8、技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期Techniques ofAutomation&Applications因此可将控制系统分为三个层次：信息管理层、现场控制层、设备层5。本文设计了针对信息管理层及现场控制层之间的数据流管理系统。低压注塑机在生产过程中会产生大量数据，而仅有一部分数据是管理人员需要掌握的，在这部分数据中又分为实时数据以及非实时数据，故根据数据特点将其分为系统预设参数、运行状态参数以及生产状态参数三种，其分类情况见表1。表1通信数据分类系统预设参数运行状态参数生产状态参数实时数据胶缸/胶管/胶枪温度、当前转速、安全光幕、气缸/顶杆上下限位、急停按键、枪进退、加热接触器、变
9、频器故障非实时数据低压注塑机型号、系统时间、预设产量、温度补偿参数、预设生产温度、注胶延时、枪退延时、泵启温度、超温报警等注胶时间、冷却时间、保压时间、顶杆时间、注胶转速、模下转速、保压转速、指示灯状态、保温温度、操作员信息当前产量、总产量、系统工作/待机时间、胶量上下限兼顾系统实时性的特点以及网络负载能力将数据分类，实时数据由控制器主动发送至上位机端，而非实时数据由上位机定时向控制器查询。此方案可以均衡网络负载，从而可在同一系统中接入更多终端设备。3管理系统硬件设计低压注塑机控制器与上位机通过接入路由器建立的局域网实现数据交互，现有企业级路由器可提供多达200个LAN接口的局域网组建服务，完
10、全可以满足中小规模加工现场的需求6。考虑到工业现场环境复杂以及生产状态和生产数据的安全性，由于电磁干扰及恶意入侵，WIFI接入网络可能会导致连接不稳定以及生产安全受到威胁，故选用稳定性及安全性更高的有线以太网方式接入局域网。现有的嵌入式网络连接方案中，处理器通过PHY芯片连接DTE型RJ45插孔模块接入网络是最稳定可靠的选择，它同时兼顾了高速与低成本的优点，根据选择PHY芯片的不同可实现IEEE 802.3协议下10 Mbps和100Mbps的通信速率。本设计中注塑机控制器处理器选用意法半导体公司生产的STM32F407型芯片，作为互联型产品具有MII及RMII两种接口的以太网MAC控制器可方
11、便的连接各型号PHY芯片，同时其具有的串口、flash、RTC时钟、逻辑GPIO等丰富的外设接口保证了低压注塑机生产过程的稳定控制。以太网控制PHY芯片选用DP83848，其支持10/100 Mbps单路物理层以太网通信，由于低压低功耗的特点广泛应用于工业控制及工厂自动化等领域。其硬件连接如图2。图2网络硬件连接图本系统将STM32F407处理器通过RMII标准接口连接至DP83848型PHY芯片，并通过RJ45模块接入网络以实现网络通信功能。通讯过程中为保证数据的有效性，需要对系统时钟进行统一，在此采用50 MHz有源晶振产生高精度稳定时钟信号，分别接入处理器芯片的RX_CLK引脚以及PHY
12、芯片的时钟差分引脚；由于在此PHY芯片及RJ45模块中分别内置了LPF低通滤波器和10M/100M BASE-T收发器，故在连接时无需其他外围芯片7-8。4网络通信软件设计4.1控制器网络通信软件低压注塑机控制系统对生产过程控制需满足稳定性好、响应速度快、可靠性高、生产效率高等特点。由于低压注塑工艺生产过程是多单元协同工作，内部逻辑控制复杂，故有必要基于实时操作系统进行开发。在此选用嵌入式操作系统RT-Thread平台进行开发，其具有实时内核、us级线程快速切换响应、全功能的协议栈、多类型用户及平台接口等优势，在十余年的开发及工业商业应用中对其实时性和稳定性进行了有效的检验。作为市场上优秀的免
13、费操作系统平台之一，此系统完全可以满足本次设计需求。RT-Thread系统有着完善的BSP支持，本设计中所用芯片在均在其支持列表内，故无需进行驱动程序开发。同时其内置轻量型嵌入式网络协议栈LWIP，通过简单设置即可实现网络通信功能，为保证数据实时性，传输层选用TCP/IP 协议中的UDP端口以保证终端设备响应速度，同时适合系统内网络数据大多为短消息且拥有大量client的特点。LWIP协议栈移植过程主要为修改系统相关接口函数（信号量操作函数、邮箱操作函数、临界保护函数、sys_thread_new()、sys_arch_timeouts()函数），同时本系统采用C-S（客户端-服务器）模式，故
14、需通过变量指定系统地址及相关缓冲区大小等信息，具体见表2。154自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期行业应用与交流Industrial Applications and CommunicationsTechniques ofAutomation&Applications表2网络连接参数变量RT_LWIP_IPADDRRT_LWIP_GWADDRRT_LWIT_MAKADDRRT_LWIP_TCPTHREAD_PRIORITYRT_LWIP_TCPTHREAD_MBOX_SIZERT_LWIP_TCPTHREAD_STACKSIZE值192.168.1.1/254192.168.1
15、.1255.255.255.01241024接口函数修改完成以及LWIP相关参数设定后，通过命令ping对局域网内控制器终端进行连通测试，以及通过网络调试助手进行指定IP地址端口数据传输测试验证其连接稳定性及数据有效性。数据交互过程依靠各单元间数据帧的交互实现，上位机与控制器终端通过协定好的数据帧格式进行通信。IEEE 802.3协议下最大传输单元（MTU）为1 492字节，除去IP信息（20字节）和ICMP信息（8字节）后不分片上限为1 464字节9，故低压注塑机运行状态数据小包完全可通过单次发送完成。数据帧由帧头、数据部分、帧尾组成，由于在帧头及帧尾中包含了同步信息以及地址信息和差错控制信
16、息，故在数据部分中将注塑机生产数据合理有效的封装决定了局域网内各单元间通信的效率10。图3为控制器端向上发送的实时数据帧结构，其中低压注塑机温度数据各占2字节的长度，可保证高达0.01的传输精度；转速数据占用2字节的长度；其余逻辑变量可压缩在4个字节长度中，以传输32位逻辑变量数据；预留四位字节空间作为拓展位。图4查询指令帧格式图4为上位机向控制器发送的查询指令数据帧，其中时间数据占4字节，作为服务器向控制器端时间同步的基准，以ms为单位可以实现50天的计时；帧类型占一字节的长度，用来描述本帧实现的功能；数据长度在帧类型中描述，内容由实现的功能决定。数据返回帧格式与实时数据帧类似，在此不再赘述
17、。在RT-Thread系统中，通过新建网络通信线程实现数据交互功能。主要通过软件定时器及中断实现，其逻辑如图5所示。其实时上传数据由软件定时器实现，接收中断完成帧数据解析及返回数据包的构建和发送功能。4.2上位机监控软件C#语言是微软公司编程语言，是一种面向对象的编程语言。其语法简单，开发周期短，本系统采用C#语言进行开发。图5通信线程流程作为管理人员和开发人员主要关注系统的生产数据及设备的运行状态，并且也需要对设备生产及运行状态进行统一管理，故在监控软件端对相关数据进行采集及显示，同时有控制指令的下达的功能。本软件设计包括登录界面、生产数据查询界面、设备状态统一管理界面，以满足使用者需求。由
18、于此生产数据需分送至不同部门，同时考虑到控制器在生产过程中，既要保证通信畅通，还要满足对生产过程控制的高实时性，故由控制器将数据发送至局域网内指定计算机，此计算机再将数据分发至其他终端，以C-S模式实现数据采集。由于设备的IP地址已预设在系统内，管理指令可通过各终端直接下达至控制器，同时需将控制指令发送至服务器端进行操作记录存储。图6所示为登录界面，登录信息包括账号和密码，键入正确用户信息后即可进入管理界面。图6登录界面图7和图8为管理界面，上方选项栏可对生产数据、设备状态设置页面进行选择。生产数据页需进入设备分页进行状态查看，当控制器启动时向管理系统发送注册信息，此时页面左侧分页显示相应设备
19、号。设备状态设置界面为统一管理，可通过勾选设备号图3实时数据帧格式155行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期Techniques ofAutomation&Applications化平台设计与实现J.中国安全生产科学技术,2019,15(1):187-192.4 赵恒.基于智能快递终端存取方案的农机信息化管理系统J.农机化研究,2020,42(4):245-249.5 朱传安,张瑶,王霞,等.基于绩效管理的信息化运行管理平台建设及运行的探索与实践J.中国医院,2020(3):72-7
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21、26(5):1233-1245.作者简介:李颂（1988-），男，中级工程师，本科，研究方向：医院后勤与基本建设管理。(上接第118页)进行批量生产任务下发及设备参数设置，同时可对任意设备设置信息进行读取。同时此系统也具有自动导出生产数据功能，方便将数据以Excel表格保存以便阅读及管理。图7生产数据界面图8设备状态设置界面5结束语本文所介绍的基于LWIP协议和C#语言开发的服务器端管理系统，具有良好的扩展性、通用性、开发简单、灵活、高效等优点。通过本系统可提高多部门生产效率，如生产部门的数据统计；设备维护部门对设备故障的响应速度；设备研发人员对设备运行状态数据的采集。同时由于C#语言丰富的可
22、拓展性，可方便的对生产数据进行分析，从而准确的调整生产计划。通过网络连接状态测试表明，本系统服务器端及客户端是一个集通用性和拓展性于一体的网络管理系统，可以移植到各类平台。系统在运行效率和实时性方面还有进一步提高的空间，对此，将在下一步开发过程中对其进行改进和完善。参考文献:1 徐勇.基于数据驱动的注塑机液压故障智能诊断系统研究与设计D.广州：华南理工大学,2019.2 吴建华.嵌入式网络注塑机人机界面设计D.杭州：浙江大学,2005.3 郑守全.HR公司注塑车间管理系统的规划与实施D.成都：西南交通大学,2015.4 张磊.注塑机控制系统的研究与设计D.长沙：湖南科技大学,2017.5 沈艳
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