CN103057072A - 一种总线式全电动注塑机控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种总线式全电动注塑机控制器，包括人机交互单元和主控制单元；现场总线主站功能模块从双端口数据存储器中读取嵌入式微处理器写入的指令数据，并按照现场总线协议的格式对指令数据进行封装后输出，封装后的指令数据经第一网络芯片和第一网络接口后发送至从站；从站对指令数据进行处理后，将反馈数据从第二网络接口和第二网络芯片上传至现场总线主站功能模块，现场总线主站功能模块对上传的反馈数据进行解包，并将解包后的反馈数据写入双端口数据存储器中；嵌入式微处理器从双端口数据存储器中读取上传的反馈数据并提交给人机交互单元显示，同时进行各种控制运算，将运算得到的控制指令数据写入双端口数据存储器。
Description
技术领域
本发明属于注塑机控制技术领域，具体而言，涉及一种总线式全电动注塑机的控制器，用于全电动注塑机控制。
背景技术
近年来随着新型合成材料的涌现、高精度注塑件需求增加，以及绿色环保意识的增强，人们对注塑机的要求越来越高；采用数控技术和高性能伺服驱动技术的全电动注塑机已经成为全球注塑机产业和技术的发展方向；相比于传统定量泵液压注塑机，全电动注塑机平均可节能70%左右，其功能、性能也大大地优于液压注塑机，而且清洁环保；目前欧美及日本等地注塑机厂商均以生产全电动注塑机为主。
我国已经成为注塑机的生产和使用大国，注塑机年产量居世界第一，但是，目前国产的注塑机绝大部分是液压注塑机，国内生产全电动注塑机的厂家屈指可数，而且这些厂家使用的全电动注塑机控制器均为进口产品，国外企业掌握全电动注塑机的核心控制技术，国内注塑机企业只能以高价购进其全电动注塑机控制器产品的使用权，这严重地制约着我国注塑机产业和技术的发展。
目前国产全电动注塑机数控技术还处于起步阶段，国内也还没有成熟的全电动注塑机控制器产品；现有的普通注塑机控制器一般采用模拟量指令接口或脉冲指令接口，只能实现开环或半闭环控制，严重影响了系统的控制精度，而且模拟量或脉冲指令信号抗干扰能力差，从而导致系统的可靠性不高，这些问题都导致现有的普通注塑机控制器无法满足全电动注塑机的控制需求，研究基于现场总线的全电动注塑机控制器，实现注塑机的全数字化控制，已成为中国注塑机控制技术升级换代的关键所在。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种总线式全电动注塑机的控制器，旨在解决现有的普通注塑机控制器采用模拟量指令接口或脉冲指令接口只能实现开环或半闭环控制，严重影响了系统的控制精度且模拟量或脉冲指令信号抗干扰能力差从而导致系统的可靠性不高的问题。
本发明提供了一种总线式全电动注塑机控制器，包括人机交互单元以及主控制单元，所述主控制单元包括：嵌入式微处理器，将人机交互单元传来的工艺数据、控制指令和系统参数进行运算处理后输出，同时处理现场总线从站的反馈数据；双端口数据存储器，与所述嵌入式微处理器连接，用于存储所述嵌入式微处理器的输出；现场总线主站功能模块，与所述双端口数据存储器连接，从所述双端口数据存储器中读取指令数据并按照现场总线协议的格式对指令数据进行封装后输出；与所述现场总线主站功能模块连接的第一网络芯片；与所述第一网络芯片和从站连接的第一网络接口；与所述从站连接的第二网络接口；以及与所述第二网络接口和所述现场总线主站功能模块连接的第二网络芯片；由现场总线主站功能模块封装后的指令数据经所述第一网络芯片和所述第一网络接口后发送至从站；从站对接收的指令数据进行处理后，分别通过第二网络接口和第二网络芯片将反馈数据上传至现场总线主站功能模块，所述现场总线主站功能模块对上传的反馈数据进行解包处理并将解包后的数据写入所述双端口数据存储器中；所述嵌入式微处理器从双端口数据存储器中读取上传的反馈数据并提交给人机交互单元显示，同时进行位置、速度、压力、温度等控制运算，将运算得到的控制指令数据写入双端口数据存储器。
更进一步地，所述双端口数据存储器和所述现场总线主站功能模块设置于FPGA上。
更进一步地，所述嵌入式微处理器为基于x86架构的CPU、ARM处理器、DSP或单片机。
更进一步地，所述现场总线主站功能模块为NCUC-Bus现场总线主站功能模块。
更进一步地，所述主控单元通过NCUC-Bus现场总线与所述从站连接。
更进一步地，所述嵌入式微处理器通过系统总线与所述双端口数据存储器连接。
更进一步地，所述系统总线包括PCI总线、PCIe总线或ISA总线。
更进一步地，所述嵌入式微处理器与现场总线主站功能模块之间的数据交换采用中断方式实现。
本发明基于NCUC-Bus现场总线，实现了全电动注塑机控制器与各伺服驱动单元、PLC单元之间的所有数据传输的全数字化，从而保证全电动注塑机各部件的实时运动位置、速度、注射压力等信息能实时地传送到控制器，可以方便地实现全电动注塑机位置、压力的全闭环控制，提高系统的性能；同时还提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的稳定性和可靠性；利用NCUC-Bus现场总线实现了全电动注塑机控制器的强实时性，提升了全电动注塑机数控系统的动态响应能力，从而可以保证注塑机的高速高精性能；利用NCUC-Bus现场总线的开放性，提升了全电动注塑机数控系统的开放性，增加了全电动注塑机数控系统的可扩展能力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的总线式全电动注塑机控制器的模块结构示意图；
图2是本发明实施例提供的总线式全电动注塑机控制器具体应用实例示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所设计的全电动注塑机控制器核心硬件采用嵌入式微处理器加现场可编程门阵列（FPGA）的结构，其中嵌入式微处理器可以是x86架构CPU、ARM处理器、数字信号处理器（DSP）、单片机等，但不局限于此；嵌入式微处理器与FPGA之间的数据交换通过系统总线进行，而控制器与伺服驱动、PLC控制单元等之间的数据交换通过NCUC-Bus现场总线（NCUnion of China Field Bus，数控系统现场总线技术标准联盟总线）进行；本发明在FPGA中利用硬件描述语言设计了NCUC-Bus现场总线主站功能模块，实现了NCUC-Bus现场总线主站功能，全电动注塑机各部件实时的运动位置、速度、注射压力等信息可以在全电动注塑机控制器与伺服驱动、PLC控制单元之间通过NCUC-Bus现场总线实时传输，实现了全电动注塑机控制器的全数字化，提升了全电动注塑机控制器的性能。
在本发明实施例中，所使用的现场总线可以为NCUC-Bus现场总线，还可以为EtherCAT（Real Time Ethernet Control Automation Technology）现场总线、FF HSE（Foundation Fieldbus High Speed Ethernet）现场总线等；为了便于说明，现以NCUC-Bus现场总线为例并结合图1说明如下：
本发明提出的总线式全电动注塑机控制器主要包括人机交互单元和主控单元两大部分。
其中人机交互单元主要由通信及数据交换接口（包括USB、RS232、Ethernet等多种接口）、LCD显示器、操作面板等组成，人机交互单元主要用于用户操作，包括系统参数配置、工艺参数设置、外部数据存储、各种操作模式选择、手动操作、联网控制等。
主控单元主要由嵌入式微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）、两个网络芯片（第一网络芯片和第二网络芯片）、两个网络接口（第一网络接口和第二网络接口）等组成，主控单元的嵌入式微处理器是整个控制器的核心，运行实时Linux操作系统及注塑工艺控制软件，用于所有数据的运算处理、各种注塑工艺动作的控制等；本发明所设计的控制器硬件还包括其他各种辅助元件，如电源管理芯片、电阻、电容、电感等，在此不做详细说明。
主控单元的FPGA中设计了NCUC-Bus现场总线主站功能模块，该模块基于硬件描述语言实现了NCUC-Bus现场总线主站的功能，负责对需要发往从站的数据进行封装、对总线从站返回的数据进行解包处理，同时负责总线数据的重发、纠错、监控、总线状态机切换等；在FPGA中设计了一块双端口数据存储器，用于嵌入式微处理器与FPGA中的NCUC-Bus现场总线主站功能模块之间的数据交换，双方的数据交换过程通过嵌入式微处理器的系统总线（包括PCI总线、PCIe总线、ISA总线等，但不局限于这几类系统总线）接口进行；嵌入式微处理器与FPGA中的NCUC-Bus现场总线主站功能模块之间的数据交换可以采用轮询的方式或中断的方式进行，本发明采用中断方式实现。
本发明设计的总线式全电动注塑机控制器各部件在数据处理过程中的详细功能如下：主控单元接收从人机交互单元传来的工艺数据、控制指令、系统参数等信息，经过嵌入式微处理器进行运算处理后，由嵌入式微处理器通过系统总线接口（包括PCI总线、PCIe总线、ISA总线等，但不局限于这几类系统总线）写入到FPGA中的双端口数据存储器中；FPGA中的NCUC-Bus现场总线主站功能模块从双端口数据存储器中读取数据，并按照NCUC-Bus现场总线协议的格式对数据进行封装后，经过第一网络芯片及第一网络接口发送给NCUC-Bus现场总线的各个从站（包括m个伺服单元、n个PLC单元）；各个从站处理完相关数据后，将需要反馈给控制器的数据（包括位置、速度、压力、温度、开关量等信息）通过第二网络接口上传，上传数据经过第二网络芯片送到FPGA，FPGA中的NCUC-Bus现场总线主站功能模块对上传的总线数据进行解包处理，解包后的数据被写入到双端口数据存储器中；写入完成后，FPGA向嵌入式微处理器发送中断申请信号，嵌入式微处理器收到中断申请信号后，首先向FPGA中写入中断清除命令以清除中断申请信号，然后从双端口数据存储器中读取上传的数据，并调用注塑工艺控制软件对数据进行相关的运算处理，尤其是对位置、压力等信息进行控制运算处理，实现位置、压力的全闭环控制，嵌入式微处理器处理完数据后，将需要下发的数据再次写入到双端口数据存储器中，同时将处理结果在LCD显示器的人机界面上显示，完成一个周期的数据交换。
本发明基于NCUC-Bus现场总线，实现了全电动注塑机控制器与各伺服驱动单元、PLC单元之间的所有数据传输的全数字化，提高了系统的抗干扰能力，提升了系统的稳定性和可靠性；同时，由于NCUC-Bus现场总线的控制扫描周期最小可达0.125ms，具有很强的实时性能，因此本发明还可提升全电动注塑机数控系统的动态响应能力，从而可以保证注塑机的高速高精性能；NCUC-Bus总线从站可以根据需要任意裁剪和增加，达到即插即用的效果，具有很大的灵活性，这也使得全电动注塑机数控系统的开放性更好，增加了系统的可扩展能力。
本发明基于NCUC-Bus现场总线，实现了全电动注塑机控制器与各伺服驱动单元、PLC单元之间的所有数据传输的全数字化，从而保证全电动注塑机各部件的实时运动位置、速度、注射压力等信息能实时地传送到控制器，可以方便地实现全电动注塑机位置、压力的全闭环控制，提高系统的性能；同时还提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的稳定性和可靠性。利用NCUC-Bus现场总线实现了全电动注塑机控制器的强实时性，提升了全电动注塑机数控系统的动态响应能力，从而可以保证注塑机的高速高精性能。利用NCUC-Bus现场总线的开放性，提升了全电动注塑机数控系统的开放性，增加了全电动注塑机数控系统的可扩展能力。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的总线式全电动注塑机控制器，现结合图2所示的具体实例详述如下：
基于NCUC-Bus现场总线的全电动注塑机控制器人机交互单元主要由通信及数据交换接口、显示屏、操作面板等组成，其中人机交互单元主要用于用户操作，包括系统参数配置、工艺参数设置、外部数据存储、各种操作模式选择、手动操作、联网控制等；本实例的通信及数据交换接口使用了USB和Ethernet接口，通过Ethernet接口联网实现了远程监控功能。
主控单元主要由嵌入式x86微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）、两个网络芯片（第一网络芯片和第二网络芯片）、两个网络接口（第一网络接口和第二网络接口）等组成，主控单元的嵌入式x86微处理器是整个控制器的核心，嵌入式x86微处理器运行实时Linux操作系统及注塑工艺控制软件，用于所有数据的运算处理、各种注塑工艺动作的控制等。本发明的主控单元所使用的嵌入式微处理器可以是嵌入式x86微处理器，但不限于此，也可以是ARM处理器、数字信号处理器（DSP）、单片机等；该实例所设计的控制器硬件还包括其他各种辅助元件，如电源管理芯片、电阻、电容、电感等，在此不做详细说明。
主控单元的FPGA利用硬件描述语言实现NCUC-BUS总线协议主站的全部功能；在FPGA中开辟了一块可读写的双端口数据存储器，用于嵌入式x86微处理器与FPGA中的NCUC-Bus现场总线主站功能模块之间的数据交换，嵌入式x86微处理器与FPGA之间的数据数据交换基于PCI总线实现，PCI总线接口在FPGA中使用硬件描述语言实现，本发明中嵌入式x86微处理器与FPGA之间的数据交换可以采用PCI总线，但是不限于此，也可以是ISA总线、PCIe总线等。
主控单元的FPGA中设计了NCUC-Bus现场总线主站功能模块，该模块基于硬件描述语言实现NCUC-Bus现场总线主站的功能，负责对需要发往从站的数据进行封装、对总线从站返回的数据进行解包处理，同时负责总线数据的重发、纠错、监控、总线状态切换等；在FPGA中设计了一块双端口数据存储器，用于嵌入式x86微处理器与FPGA中的NCUC-Bus现场总线主站功能模块之间的数据交换，双方的数据交换过程通过嵌入x86微处理器的系统总线——PCI总线接口进行控制（本发明中嵌入式x86微处理器与FPGA之间的通信可以采用PCI总线，但是不限于此，也可以是ISA总线、PCIe总线等），基于PCI总线接口，嵌入式x86微处理器与FPGA中的NCUC-Bus现场总线主站功能模块之间的数据交换可以采用轮询的方式或中断的方式进行，本实例采用中断方式实现。
附图2所示的实例基于NCUC-Bus现场总线的全电动注塑机控制器各部件及模块在数据处理过程中的详细功能如下：主控单元接收从人机交互单元传来的工艺数据、控制指令、系统参数等信息，由嵌入式x86微处理器进行运算处理后通过PCI总线写入到FPGA中的双端口数据存储器中；FPGA中的NCUC-Bus现场总线主站功能模块从双端口数据存储器中读取数据，并按照NCUC-Bus现场总线协议的格式对数据进行封装后，经过第一网络芯片和第一网络接口发送给NCUC-BUS总线的各个从站（包括射胶伺服单元、计量伺服单元、锁模伺服单元、顶出伺服单元、PLC单元等）；各个从站处理完相关数据后，将需要反馈给控制器的数据（包括各伺服轴的位置、速度、射胶压力、以及注塑机各种开关量信息、温度信息等）通过第二网络接口上传，上传数据经过第二网络芯片送达FPGA；FPGA中的NCUC-Bus现场总线主站功能模块对上传的总线数据进行解包处理，解包后的数据将被写入到FPGA中的双端口数据存储器中，写入完成后，FPGA向嵌入式x86微处理器发送中断申请信号；嵌入式x86微处理器收到中断申请信号后，首先通过PCI总线的I/O通道向FPGA中写入中断清除命令以清除中断申请信号，然后从双端口数据存储器中读取上传的数据，并对数据进行相应的运算处理，特别是对各伺服轴的位置、射胶压力等信息进行控制运算处理，实现位置、压力的全闭环控制，嵌入式x86微处理器处理完数据后，将需要下发的数据通过PCI总线再次写入到双端口数据存储器中，同时将处理结果在LCD显示器的人机界面上显示，完成一个周期的数据交换。
本发明属于注塑机控制技术领域，具体而言，涉及一种总线式全电动注塑机控制器，用于全电动注塑机控制。该控制器主要包括人机交互单元和主控单元两大部分，其中人机交互单元主要由通信及数据交换接口、LCD显示器、操作面板等组成，人机交互单元主要用于用户操作；其主控单元采用嵌入式微处理器加现场可编程门阵列（FPGA）的基本架构，嵌入式微处理器与FPGA之间采用系统总线进行数据交换，而整个控制器与伺服驱动、PLC控制单元等之间的数据交换则通过NCUC-Bus现场总线（NC Unionof China Field Bus，数控系统现场总线技术标准联盟总线）进行，主控单元的嵌入式微处理器是整个控制器的核心，运行实时Linux操作系统及注塑工艺控制软件，用于所有控制信号及数据的运算处理等，主控单元的FPGA利用硬件描述语言实现NCUC-Bus现场总线主站功能。主控单元接收从人机交互单元传来的工艺数据、控制指令、系统参数等信息，由嵌入式微处理器对这些信息进行各种控制运算处理后，写入到FPGA中的双端口数据存储器，FPGA中的NCUC-Bus现场总线功能模块按照NCUC-Bus现场总线协议的格式对数据进行封装处理后，经过第一网络芯片及第一网络接口发送给NCUC-Bus现场总线的各个从站（NCUC-Bus总线从站包括伺服单元、PLC单元等），各个从站处理完相关数据后，将需要反馈给控制器的数据（包括实时的运动位置、速度、注射压力等信息）通过第二网络接口上传，上传数据经过第二网络芯片送入FPGA，FPGA中的NCUC-Bus现场总线功能模块对总线数据进行解包处理，处理完成后的应用数据写入到双端口数据存储器中，由嵌入式微处理器通过系统总线读取。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种总线式全电动注塑机控制器，包括人机交互单元以及主控制单元，其特征在于，所述主控制单元包括：
嵌入式微处理器，将人机交互单元传来的工艺数据、控制指令和系统参数进行运算处理后输出，同时处理现场总线从站的反馈数据；
双端口数据存储器，与所述嵌入式微处理器连接，用于存储所述嵌入式微处理器的输出；
现场总线主站功能模块，与所述双端口数据存储器连接，从所述双端口数据存储器中读取指令数据并按照现场总线协议的格式对指令数据进行封装后输出；
与所述现场总线主站功能模块连接的第一网络芯片；
与所述第一网络芯片和从站连接的第一网络接口；
与所述从站连接的第二网络接口；以及
与所述第二网络接口和所述现场总线主站功能模块连接的第二网络芯片；
由现场总线主站功能模块封装后的指令数据经所述第一网络芯片和所述第一网络接口后发送至从站；从站对接收的指令数据进行处理后，分别通过第二网络接口和第二网络芯片将反馈数据上传至现场总线主站功能模块，所述现场总线主站功能模块对上传的反馈数据进行解包处理并将解包后的数据写入所述双端口数据存储器中；所述嵌入式微处理器从双端口数据存储器中读取上传的反馈数据并提交给人机交互单元显示，同时进行位置、速度、压力、温度等控制运算，将运算得到的控制指令数据写入双端口数据存储器。
2.如权利要求1所述的总线式全电动注塑机控制器，其特征在于，所述双端口数据存储器和所述现场总线主站功能模块设置于FPGA上。
3.如权利要求1或2所述的总线式全电动注塑机控制器，其特征在于，所述嵌入式微处理器为基于x86架构的CPU、ARM处理器、DSP或单片机。
4.如权利要求1或2所述的总线式全电动注塑机控制器，其特征在于，所述现场总线主站功能模块为NCUC-Bus现场总线主站功能模块。
5.如权利要求1或2所述的总线式全电动注塑机控制器，其特征在于，所述主控单元通过NCUC-Bus现场总线与所述从站连接。
6.如权利要求1或2所述的总线式全电动注塑机控制器，其特征在于，所述嵌入式微处理器通过系统总线与所述双端口数据存储器连接。
7.如权利要求6所述的总线式全电动注塑机控制器，其特征在于，所述系统总线包括PCI总线、PCIe总线或ISA总线。
8.如权利要求1或2所述的总线式全电动注塑机控制器，其特征在于，所述嵌入式微处理器与现场总线主站功能模块之间的数据交换采用中断方式实现。
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2012
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