一种塑料挤出生产中工艺参数配置的专家系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业生产的智能控制领域，更具体地，涉及一种塑料挤出生产中工艺参数配置的专家系统及方法。
【背景技术】
[0002]塑料薄膜成型加工设备又称为挤出机，是塑料加工机械的一种。塑料挤出生产的流程如图1所示，顺次包括聚合物熔融、成型、定性、冷却、牵引、切割、堆放等操作。挤出塑料制品包括以下几大类产品:各种塑料管、塑料板、片、塑料异型材及塑料门窗、各类薄膜和容器以及塑料网、格、丝、带、棒等类制品，市场需求和前景十分广阔。在中国塑料加工业中，几乎1/3-1/2的塑料制品是通过挤出成型来完成的。作为塑机的第二大类产品，挤出成型机组的产量和销售额约占塑料机械的20-25%，我国现有100多家挤出机生产厂，主要集中在塑料加工业发达地区，如江浙、辽宁、山东、广东等沿海地区。大部分企业只能生产低档次的老产品，难以达到经济规模，尤其在控制水平、效率、精度、可靠性和成套性等方面与发达国家相比差距较大，主要表现在附加值低、品种少、能耗高、控制水平低、性能不稳定等方面。高速、高效、智能化一直是近年来国际塑料机械不断改进的主旋律，而我国大多数塑料机械的能耗和机组速度与国外相比存在较大差距，生产自动化水平落后国外10?15年。
[0003]传统的塑料挤出的电气传动大多采用直流传动或电磁调速控制，但前者维护繁杂而且费用巨大，影响设备的使用效率，后者调速精度低，产品档次低，这些都在很大程度上影响了挤出机的发展。随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的飞速发展，电气传动技术也有了质的飞跃，交流变频调速系统因控制精度高，调速性能好而成为挤出机传动系统的控制主流。中国海洋大学采用变频器调速提高了机械的控制精度、生产效率和产品质量，大体上实现生产过程的同步控制功能。
[0004]近几年中国塑料机械成套性已有很大进展。如塑料造粒机组从主机、供料计量、机头、造粒和回收系统，到加热、冷却、电控、温控系统都达到了相当完善的程度。薄壁管、厚壁管、缠绕管、波纹管(单、双壁)、复合管等各种管材机组的规格日趋齐全，产品水平、质量不断提高。为适应多层复合膜的需要，复合共挤技术及其成型机组(吹膜机组)也发展迅速。如青岛德意利集团最近研制的中空壁缠绕管生产线，生产的直管管径可达3000_。又如广东金明塑胶设备有限公司吸收、引进德国莱芬豪赛公司关键技术制造的大型多层共挤复合膜机组，吹制膜单幅宽可达20m。该机组可吹制棚膜、农膜和土工膜，是一机两用设备，适用于线性低密度聚乙烯、茂金属线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、共聚物等多种原料。机组中除采用了内冷技术及超声波监控技术外，还同时采用了机、电、气动和液压等多种技术，并有多项技术申请了技术专利。
[0005]国外像西门子公司开发的挤出机控制系统，它通过PLC来实现，主要功能有:(I)主机及机头温度控制；(2)熔体压力控制；(3)可实现机头压力闭环控制以确保制品质量；
(4)熔体温度监视；(5)主机及辅机电机负载电流监视及过载报警；(6)主辅电机转速的监视、设定及各电机之间的速度同步控制，并可实现速度的闭环控制；(7)可以显示和记录温度、压力、速度、电流、电压等相关的过程参数实时数据和历史曲线；(8)可以对各个变量进行超限报警。
[0006]随着螺杆挤出机越来越向大型化、高速化、多功能化方向发展，对机组的自动化水平也提出了越来越高的要求，以集成了智能、网络、远程故障诊断、自我学习、先进控制算法等功能的嵌入式模块化微机系统为代表的工业控制器在螺杆挤出机上得到了越来越多的应用。其中对智能化的需求，包括自我报警、自我修复、自我工艺优化、全自动运行等得到了越来越多的重视。
[0007]专家系统(ES)—般也称为基于知识的专家系统。在国外，从20世纪60年代中期起步至今，专家系统得到迅速发展，如今专家系统已经渗透到社会科技生活的各个领域。国内在专家系统方面的研制工作起步较晚，在中医专家系统方面有一定的优势，但在像塑料挤出工艺这样的工业生产控制领域，专家系统的应用还比较少，还有很大的发展空间。
[0008]专家系统是一种智能计算机程序系统。它拥有一定数量的人类专家知识，能使用这些知识来做出判断推理，在解决困难、复杂的实际问题时能达到专家级水平。专家系统的显著特点是具有推理能力，并且可以有效地保存和移植专家知识，使得各领域专家和专家知识不受时间和空间的约束，为更多专业的管理人员提供各种咨询、分析和决策，从而更广泛地在各领域活动中发挥其作用。
[0009]在塑料挤出生产工艺参数配置中，产品的质量和生产效率取决于塑料挤出领域专家或专业工人，人为因素较大，造成挤出水平的巨大差异。如果能在塑料挤出生产过程中引入专家系统，充分利用专家积累的丰富科学经验和广博的技术标准数据，配以必要的推理与专业训练来解决塑料挤出生产工艺参数配置问题，发挥专家系统人工智能的作用，从而推动塑料挤出工艺参数自动配置系统的发展。
[0010]现阶段取得的研宄成果并参考国内外的现状，塑料挤出生产系统存在以下问题:塑料挤出生产设备控制方式有基于手工控制及基于PLC加触摸屏的控制方式，并没有提出生产工艺专家数据库系统及自学习机制先进算法及软件来实现生产流程的调度和工艺参数的优化配置，难以适应多品种、小批量柔性化加工的生产要求，生产效率低、产品质量合格率低。
【发明内容】
[0011]本发明的首要目的是克服现有技术的生产效率低、自动化水平低的缺陷，提供一种生产效率高、自动化水平高和产品质量合格率高的塑料挤出生产中工艺参数配置的专家系统。
[0012]本发明的进一步目的是提供一种生产效率高、产品质量合格率高的塑料挤出生产中工艺参数配置的方法。
[0013]为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下:
一种塑料挤出生产中工艺参数配置的专家系统，所述专家系统包括:
人机交互单元:用于提供人机交互式操作界面，人机交互式操作界面接收用户输入的塑料挤出产品的目标特征，并且将专家系统给出最佳的生产工艺参数显示出来；
生产工艺参数知识库:用于存储塑料挤出生产中的规则，所述规则为塑料挤出产品的目标特征与生产工艺参数的对应关系； 生产工艺参数配置推理单元:用于将塑料挤出产品的目标特征与生产工艺参数知识库中的规则进行匹配，得到与塑料挤出产品的目标特征相匹配的规则，给出最佳的生产工艺参数。
[0014]在一种优选的方案中，所述人机交互单元提供的人机交互式操作界面包括:
生产目标设置窗口:用于接收用户输入的塑料挤出产品的目标特征；
用户提问窗口:用于接收用户对所述专家系统运行过程中的疑问进行的提问；
生产工艺参数显示窗口:用于显示塑料挤出生产中的各个生产工艺参数值，同时还用于接收用户对生产工艺参数的修改；
高级用户窗口:用于接收高级用户或者知识工程师对生产工艺参数知识库中的规则进行增加、删除、修改或查看的操作指令。
[0015]在一种优选的方案中，所述生产工艺参数配置推理单元还包括解释模块，解释模块用于在专家系统与用户交互的过程中，根据用户的提问对专家系统的行为作出用户易于理解的说明，并通过用户提问窗口反馈给用户。
[0016]在一种优选的方案中，所述生产工艺参数配置推理单元还包括自学习模块，自学习模块用于更新和修改已有的规则，从而不断扩充知识库。
[0017]在一种优选的方案中，所述规则在生产工艺参数知识库中的表示形式为:Rule (规则序号，[条件列表]，结论，规则类型，可信度因子)。
[0018]在一种优选的方案中，所述规则在生产工艺参数知识库包括直接经验知识库和间接知识库，直接经验知识库中，规则的条件和结论是直接对应的关系；间接知识库中，规则的条件和结论是间接对应的关系。
[0019]在一种优选的方案中，生产工艺参数配置推理单元中，塑料挤出产品的目标特征与生产工艺参数知识库中的多条规则相匹配时，选择可信度因子最高的规则为匹配规则。
[0020]一种塑料挤出生产中工艺参数配置方法，所述方法基于上述专家系统，所述方法包括