基于網絡的注塑機液壓遠程監控系統研究

李光明，王鶯潔

(陜西科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安 710021)

0 前言

隨著社會的進步與高速發展，塑料制品的精度和性能成為人們所關注的焦點，各行業都對此提出了更高的要求。傳統的注塑機控制過程自動化水平低，上料/下料采用人工方式，勞動強度大，并且有一定的安全隱患，對注射壓力、注射速度、料筒各段溫度的監控等要求較高，如果注塑機設備出現故障，在實際維護時受地域限制，人員不在現場、維修指令傳達不清楚，維護效率低等原因影響生產進度。這些也都是影響注塑機發展的因素。為了提高生產效率，提升對車間加工生產的監管控制能力，對企業自動化程度和智能集中監控水平有了更高的要求。

本文作者提出遠程注塑機監控系統，針對注塑機在工藝流程中對壓力、溫度、時間等參數的超高要求，在使用過程中維護不便利等問題，采用AMESim軟件搭建注塑機中的液壓系統仿真模型，模擬出注塑機液壓系統的壓力、速度等數據。在飛速發展的計算機技術的大力推動下，仿真技術在過去十年中發展迅速，幾乎在每個學科和領域都得到了廣泛的研究和應用。正是高效率、低成本和良好的靈活性使仿真技術如此流行。在對真實系統有一定了解的基礎上，遵循相似同構原則，可以建立系統的仿真模型。通過研究仿真模型，可以擺脫直接研究真實系統的限制和局限。

1 注塑工藝流程及軟件介紹

1.1 注塑工藝流程

注塑機的結構組成可以分為液壓油缸、料斗、料筒、加熱器、螺桿模具和合模系統，如圖1所示：原材料由加料斗注入料筒中；液壓油缸作為注射系統推動著料筒里面的螺桿往前擠壓，料筒周圍為發熱圈，經過兩百多攝氏度的高溫，將原材料融化成膠，由螺桿擠壓到模具里面成型，在模具周圍有冷卻系統，提高了生產效率；合模系統必須保證模具能夠可靠地啟閉，為了順利脫模取出制件，合模系統包含有以氣壓、液壓或機械作為動力的制品頂出裝置。

圖1 注塑機結構

1.2 軟件介紹

系統軟件主要包括LabVIEW 2019、AMESim 2019。其中AMESim用于搭建注塑機液壓系統仿真模型，通過LabVIEW Cosim接口與用LabVIEW編寫的人機界面進行數據傳輸。

1.2.1 AMESim

AMESim作為一款優秀的建模仿真平臺，通過搭配不同的元件庫來搭建多學科領域復雜系統，擁有一套應用庫，用于針對不同領域系統，內置4 500多個專用元件模型，這些專用模型包含液壓、機械、熱力學等多個學科領域；與其他相似的系統仿真軟件相比，AMESim采用了組合界面設計，具有直觀圖形的界面，可實現面向原理圖建模，軟件中每個元件都可以傳遞數據，有單向傳遞，有雙向傳遞，且這些變量都是有物理意義的，一個接口可以傳遞多個變量，能夠將不同領域的元件連接起來，大大降低了建模難度。

本文作者搭建液壓系統仿真模型使用的是AMESim 2019版本，使用時包含草圖、子模型、參數和仿真這4種工作模式。

1.2.2 LabVIEW

LabVIEW軟件是一種程序開發環境，由圖形化編輯語言G編寫程序，表現形式為程序框圖。通常用于構建圖形界面、管理數據采集卡、流程、實時基準等。本文作者使用的是LabVIEW 2019版本。

1.3 聯合仿真接口介紹

AMESim和LabVIEW進行聯合仿真時，必須滿足以下條件：AMESim需要LabVIEW仿真模塊的許可；LabVIEW包含DAQ模塊、實時模塊、控制設計和仿真模塊；AMESim必須使用微軟編輯器進行配置，且該界面只在Windows平臺可用。

AMESim軟件提供了兩種與LabVIEW進行聯合仿真的方法：一種是名為“LabVIEWCosim”的接口。AMESim通常生成一個可執行文件，運行該文件來模擬一個模型。在運行仿真中，AMESim生成一個動態鏈接庫，其中包括用AMESim建立的模型和AMESim求解器。該動態庫有以下功能:初始化模型、設置輸入和檢索輸出、終止模擬。聯合仿真時，AMESim和LabVIEW之間正確的輸入輸出關系如圖2所示。

圖2 AMESim與LabVIEW聯合仿真輸入輸出關系

另外一種仿真方法就是通過“LabVIEW Simulation Module”。要通過該接口來實現仿真，LabVIEW配置時還需要一個附加模塊-“仿真模塊”。本文作者采用第一種方法進行仿真。

2 系統總體設計

遠程監控系統是針對注塑機現場監控、解決維護不及時，耗費人力、物力、財力等問題提出的，利用網絡技術對注塑機現場實現遠程監控，將傳統的觸摸屏監控改進為訪問云端服務器來進行監控管理。

由于實驗時采集實際注塑機的數據不夠便捷，通過AMESim軟件搭建仿真模型模擬注塑機液壓系統的工作過程，提供工藝流程中的壓力、速度等參數，再通過LabVIEW軟件搭建服務器監控平臺，在此基礎上利用LabVIEW和AMESim進行聯合仿真，實現監控，并通過內網穿透技術實現真正意義上的遠程訪問控制。系統的總體結構圖如圖3所示。

圖3 監控系統總體結構

3 監控系統設計

本文作者對注塑機中的液壓系統進行仿真。液壓系統主要分為主回路、執行回路和輔助回路系統。電機帶動泵，把機械能轉換為液壓能，再通過控制閥和油缸相結合，把液壓能轉換為機械能，驅動負載進行直線或高速回轉運動，并且通過對控制閥進行操作可以實現對流量的調節。LabVIEW監控平臺通過調用AMESim提供的子VI，編寫邏輯，添加控件，進行設計，最后通過內網穿透技術實現兩個內網之間的遠程通信。

3.1 仿真模型的建立

根據實際液壓系統的控制原理和參數，從AMESim提供的不同庫中選擇相應所需的部件，如“Signal，Control”、“1D Mechanical”和“Hydraulic”等庫，用于建立仿真模型。在建立的仿真模型中，元件需要與實際系統相對應，必須保證仿真模型與實際系統的相似性，也有效降低了建模難度。因此，可以在組件模型的準確性和整個系統的復雜性之間取得平衡。

AMESim建立液壓系統仿真模型的操作步驟如下：

(1)啟動AMESim，菜單窗口為空白，此時需要新建空白項目，操作界面處于草圖模式。

(2)在草圖模式中，使用元件搭建系統草圖。首先從“Library Tree”板塊選擇搭建模型所屬的庫項目，液壓系統使用到的元件庫有：“Signal，Control”，“Hydraulic”和“1D Mechanical”。液壓類仿真需要設置指數液壓特性子模型，即需要液壓庫中的“Elementary Hydraulic Props”元件，在有液壓模塊使用的情況下必須添加，并選擇所需的閥門、油缸、電機等仿真元件來搭建液壓系統模型。元件擺放設計可以通過旋轉和翻轉來實現，將元件從庫中拖出放置在工作空間中，雙擊鼠標左鍵選擇該元件，點擊滾輪中鍵實現90°旋轉，右鍵翻轉元件。

連線時要注意“因果關系”，也就是相互連接的元件外部變量之間的匹配關系，一個元件要通過外部端口從另一個元件索取計算所需的變量，同時也通過外部端口給予另一個元件計算所需的變量。相互連接的元件，本質上是各取所需、互利共存的關系。一般情況下，兩個元件要想相互連接，在連接端口處，一個元件的輸出變量必須至少包含另一個元件所需的全部輸入變量。通過右擊該元件，選擇“External variables”查看元件外部變量，從而獲取連接規則信息。

(3)進入子模型模式之前要保證回路完整，所有元件的端口都已連接好，不再高亮提示。子模型模式是設置草圖的數學模型，進入后會發現其中部分元件會高亮提示，意味著該元件有超過一個可選的子模型。左鍵雙擊元件，彈出窗口顯示可用子模型列表，選擇需要的子模型。

(4)參數模式是用來設置草圖里面每個元件的參數，左鍵選中該元件，軟件界面上會顯示參數編輯窗口，在參數行設置數值。

(5)進入仿真模式，依據需要對仿真參數進行設置，可以更改動態參數，如時間和寫入結果文件的時間間隔、求解器的類型、運行類型等。設置結束后運行仿真。

設計的液壓系統仿真模型如圖4所示。

圖4 液壓系統仿真模型

在圖3的基礎上，需要添加LabVIEW Cosim接口，才可以實現與LabVIEW的連接通信。該接口，一方面使用AMESim的算法驅動仿真模型，另一方面使用LabVIEW平臺傳輸輸入、輸出數據，通過LabVIEW中豐富多彩的控制和顯示組件增強可操作性和可視化。

在草圖模式下，選擇“Create Interface Block”創建接口，接口類型選擇“LabVIEWCosim”，配置輸入、輸出數量。由于聯合仿真時，軟件之間傳遞的都是無量綱的數字，而不是物理量，因此需要傳感器進行轉換，并且要注意添加元件時滿足匹配關系。聯合仿真的系統模型如圖5所示。

圖5 聯合仿真系統模型

3.2 LabVIEW監控平臺設計

打開LabVIEW 2019，創建一個空白項目，右鍵“我的電腦”，點擊新建VI，AMESim中提供了LabVIEW所需的子VI文件，使得LabVIEW可以調用dll的3個主要函數。這些VI在AMESim的安裝路徑里，C:Program FilesSimcenter2019.1Amesiminterfaceslabview文件夾中的amesimcosim.llb庫文件中，在程序框圖中右鍵面板空白處，選擇VI，通過上述路徑找到.llb庫文件，分別打開AMEinit.vi、AMEInstantiateModel.vi、AMESetCurrentWorkingDirectory.vi、AMETerminate.vi。對系統的邏輯進行設計，設置好仿真模塊相關的時間、步長等參數，選擇合適的求解器類型，添加AMESim的輸出和輸入變量。dll文件打開的設計如圖6所示，在程序框圖中添加輸入、輸出變量(以調節伺服閥的開口大小舉例說明)。

圖6 打開dll文件

液壓監控系統人機交互界面主要包括主界面、實時報警等，部分界面如圖7所示。

圖7 遠程監控前面板界面

3.3 內網穿透實現遠程控制

由于無法保證工人可以隨時待在主控室，在外地使用的計算機和主控室的計算機網絡并不在同一個網段內，內外網無法直接連接，但是又需要進行遠程的訪問控制，使用內網穿透技術可以解決這個問題，從而實現在兩個不同內網之間的通信。

內網穿透的目的就是從外網訪問局域網內部某一個聯網的設備，本質上就是將內網和外網打通，讓內網的數據可以被外網獲取。局域網計算機只有私有IP，而私有IP無法出現在互聯網上。路由器上的NAT系統可以將私有IP轉化為合法IP地址，同時分配連接端口，建立兩者的映射關系。通過user1連接外網服務器，打通user1的對外IP和端口，user2同理進行操作，之后通過各自已經打通的對外IP和端口實現通信。

假設現在有內網LA和內網LB，兩個不同的內網之間由于都不清楚對方外網的地址所以無法連接。此時再加上一個外網服務器，LA先通過NAT A連接外網服務器，LB也通過NAT B連接上該服務器，由于一個socket只能給一個socket發東西，所以只能通過外網服務器不斷地轉發。LA發起請求建立的信息，當數據包進入路由器之后，路由器會自動分配一個端口，該端口與LA進行映射；當外網服務器收到NAT A發送的信息之后，會把該會話的所需屬性和配置信息都保存下來；可能NAT B也在給服務器周期性地發送信息，此時服務器給NAT B發送通知，讓它給NAT A發探測包，判斷連接是否斷開；NAT B在發送之后會給服務器一個反饋，證明已經向NAT A發送過探測包，外網服務器再將反饋包轉發給NAT A，NAT A接收到之后就可以向NAT B發送數據包了，連接此時便被打通，實現了內網穿透。兩個內網連接的示意如圖8所示。

圖8 內網連接示意

為實現該系統，選擇多臺 300 Mbps 企業級路由器，分別作為主站和多臺從站，遠程監控設備接入主站，對外通信網關為192.168.10.1；智能監控平臺和仿真模型的控制都接入各個從站內網，對外通信網關為192.168.2.1、192.168.0.1等；從站下設備網段為192.168.2.X、192.168.0.X。為方便遠程訪問，可使用客戶端通過系統賬號遠程訪問系統，IP地址由主站分配，網關為主站192.168.10.1。遠程前面板可以將 LabVIEW 程序前面板發送到網絡中，通過 IP 地址加項目名稱的方式進行訪問操控等。

LabVIEW實現遠程前面板的搭建步驟:

(1)使用 LabVIEW遠程前面板，需先啟動LabVIEW自帶的Web服務器功能。打開LabVIEW，選擇工具→選項→Web服務器，勾選“啟動遠程前面板服務器”，文件保存根目錄為C:Program Files(x86)National InstrumentsLabVIEW 2019www，HTTP端口選擇8000；

(2)打開項目主程序，在工具欄選擇“工具”→“Web發布工具”，進入Web發布工具界面，選擇需要發布的VI程序。查看模式分為3種：內嵌、快照和顯示器。要實現遠程并實時地進行查看控制，需要選擇內嵌模式，內嵌模式下方包含一個“連接建立時提交控制請求”的選框，若勾選即可在遠程進行控制，若未勾選，則只能查看不能進行控制；此時，點擊下一步，由于URL路徑是按照文件名自動生成的，所以需要將文件名修改得盡量簡短，方便URL路徑的簡潔化；點擊保存至磁盤，即可將網頁保存在對應的本地目錄中，在彈出的窗口中點擊連接，可以在本機瀏覽器中打開該VI界面;

(3)遠程訪問程序前面板。將URL地址中的計算機名稱部分修改為本機的IP地址，在瀏覽器中輸入修改后的URL地址即可訪問項目主程序前面板，并且可以請求控制前面板。

4 系統測試

測試監控系統，需要形成閉環，即LabVIEW服務器可以控制AMESim的參數變化，也同樣能顯示AMESim的參數波形。這里以伺服閥的開度和油缸內驅動桿施加的壓力為例進行說明。

主控室啟動模擬，AMESim必須處于仿真模式，以便生成LabVIEW所需的文件。運行AMESim仿真模型，在LabVIEW平臺上，dll文件路徑選擇液壓系統仿真模型路徑下的對應動態鏈接庫，調整LabVIEW前面板上的時間、步長、間隔等參數與AMESim運行設置的參數保持一致。

經測試，當使用人員不處于同一個內網下時，通過內網穿透技術也能在異地遠程查看并控制本機上的LabVIEW VI前面板，從而控制AMESim中的仿真模型。主控室在西安，工作人員在渭南合陽的家中，將家中的路由器和主控室所用路由器進行內網穿透，瀏覽器中輸入相對應IP的URL地址，即可顯示主控室發布的VI文件，右鍵即可請求控制，對開度進行調節，波形圖表中也能實時監測到液壓系統模型的仿真數據。點擊運行，可以看到在開度變化的時候，對應伺服閥的開口大小會發生變化從而影響流量大小，如圖9所示。將波形圖表橫坐標的顯示格式設置為相對時間并選好所需格式，運行之后可以清楚觀察到與主控室AMESim軟件中的參數曲線基本一致，如圖10所示。同時測試了如果有多臺注塑機模型需要被監控，則都需要進行組網，遠程訪問時只需要在瀏覽器中輸入對應的不同IP下的URL路徑，便可以訪問并控制不同內網下的模型，如圖11所示。

圖9 開度對流量大小的影響

圖10 油缸內驅動桿施加的壓力變化

圖11 訪問不同內網下的遠程前面板

從圖9可以看出：開度越大，流量越大，也切實體現了LabVIEW通過遠程Web對AMESim的控制行為；在圖10中，圖(a)為AMESim仿真產生的油缸驅動桿施加的壓力變化，圖(b)為在本地瀏覽器上監測到的仿真模型的壓力數值變化，再實現了本地監控，橫軸單位為s，由于AMESim端是0.1 s趨于平穩的，而LabVIEW橫軸時間如果精確到ms，刻度值太長不方便觀察，因此設置合適的縮放系數使得圖表更加美觀；在圖11中，圖(a)和圖(b)體現了在瀏覽器中輸入不同IP下的URL路徑，便可以訪問并控制不同內網下的模型，實現了對仿真模型的遠程監控顯示。

5 結論

基于仿真的方法是解決無實物或者半實物監控數據缺乏的一個很有前途的發展方向。本文作者在AMESim平臺上建立了注塑機的液壓系統仿真模型，在此基礎上，給伺服閥一個固定的開度值，通過LabVIEW前面板對開度值大小進行調節，利用LabVIEW與AMESim平臺，配合LabVIEWCosim接口進行聯合仿真。通過內網穿透技術，實現在異地對于本機AMESim仿真模型的監控。仿真結果表明：本文作者提出的方法能夠遠程且有效獲取實時仿真數據并實現閉環控制。文中的工作為無法獲取實物數據提供了一種獲取實時工況下運行數據的有效途徑，并且解決了注塑機維護時維修人員不在現場、維修指令傳達不清楚等實際問題，對注塑機的行業發展有一定作用。