基于以太網和RS485 的服裝吊掛生產線控制系統*

吳 鑫，俞建定，趙鵬飛，王 銀

（寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211）

0 引 言

寧波及周邊地區服裝加工業非常發達，但在走訪行業協會、企業過程中發現，寧波乃至全國的服裝生產企業（特別是中小型服裝生產企業）中，許多企業仍采用傳統“捆扎式”生產模式，即在布料處理、剪裁、縫紉、釘扣等流水線環節，每個操作工位相互獨立，前后工序的半成品傳遞靠人工搬運。這種生產模式不僅效率低而且返工率高、生產數據統計繁瑣，在當前服裝消費更新換代加速、企業招工難和外貿訂單不穩定等情況下，會從內部制約企業生存發展。服裝吊掛系統是一種先進的服裝生產管理系統，它通過電腦系統集成控制，對生產數據進行即時采集、分析和實時處理，改變了服裝行業傳統的“捆扎式”生產方式，有效解決了制作過程中輔助作業時間比例大、生產周期長、成衣質量難以控制等問題[1]。服裝吊掛系統在國外已經開始普及，技術相對成熟。國內由于輕紡行業技術服務機構缺乏，輕紡行業轉型升級緩慢，且本身利潤低，很少有企業和研發機構投資獨立研發系統產品；而進口整套國外服裝吊掛系統產品價格高、后期維護不便。如此便從一定程度上制約了我國服裝企業的現代化進程。

本研究在查閱國內外同類系統資料，并經過長時間深入企業進行實地調研的基礎上，設計并實現基于以太網和RS485 總線的服裝吊掛生產線控制系統。上位機采用以太網通信，以保證通信的速度和通信的可靠性，而且連接方便，通過路由器或交換機可以方便實現對多條流水線的集中控制。工作站通信采用RS485 總線進行通信，在保證性能前提下，利于成本的控制。

1 系統構成

服裝吊掛系統基本構成是一套懸空的物件傳輸流水線系統，通過一個循環的機械傳輸裝置將各個生產加工工位橋接起來，由上位機控制帶有不同編碼的吊架在不同工位的傳輸，從而達到衣服或衣片的運輸，是機電一體化在服裝業的集中應用[2]。整個吊掛系統的基本工作程序如下：

工序加工完成——→發料臺——→上吊架——→編碼通信——→工位出衣料——→機械傳輸裝置——→下個工位進料。

以上工作程序依次循環，每個工位自動控制自身的出衣料、自動記錄自己的工作情況，同時上位機對所有工位進行監測管理。

本研究設計實現的是服裝吊掛系統的核心控制部分，即服裝吊掛系統的“大腦”。其由上位機、若干個中轉器和多個工作站組成，系統總架構如圖1所示。

圖1 系統總架構

系統采用總線控制方法，各工作站掛接在RS485總線上，工作站數量最多可達100個。上位機作為總控設備，通過以太網與中轉器進行通信，中轉器重新對數據進行預處理，通過RS485總線與工作站進行數據交換。

以太網技術具有結構簡單、成本低廉、傳輸數據量大、傳輸距離長、易于擴展等特點。系統采用的TCP協議是一個可基于三次握手的協議，又叫“面向連接”的通信協議，它規范了客戶端和服務器的三次請求和應答的格式。從而能以較大的概率保證信道的成功建立，數據通信的可靠性高[3-4]。RS485總線通訊方式以其簡潔靈活、硬件接口簡單、軟件易實現、性價比較高、傳輸距離較遠、誤碼率較低、抗干擾能力強等優點在工業控制系統中，尤其在中小型數據采集和控制系統中運用廣泛[5-6]。

本研究基于以上兩種通信方式的優點，充分考慮在服裝生產過程中的交互實時性和通信的數據量，將這兩種總線集成混合使用，有效解決了總控設備（上位機）和控制設備（工作站）數據傳輸時的瓶頸問題，使上位機發揮出最大的工作效率，對工作站電路處理芯片的選擇要求也不高，不僅可有效降低成本，而且連接方便、運行可靠。

2 工作站模塊設計

工作站作為員工直接操作的工作平臺，主要負責接收處理上位機下發的命令，并把自己的生產情況應答給上位機，另外還對工作平臺的機電設備進行控制，如采集吊架信息的讀卡器的信息交互，控制工位電磁閥的開關、傳動裝置電機的運轉、手持設備命令控制等等。工位電路主要由MCU、存儲芯片、輸入/輸出通道、485通信模塊、手持設備電路等模塊組成。輸入/輸出均采用光耦隔離，保證了系統的可靠性和抗干擾性，工作站電路結構框圖如圖2所示。

圖2 工作站電路結構

MCU 采用STC 系列單片機，STC系列單片機屬超強抗干擾、高速、加密性強、低功耗單片機，適合在服裝加工車間使用，而且開發方便，性價比高。

工作站的軟件主要由485通信模塊、總控模塊、時鐘模塊、手持器顯示模塊、I/O 控制模塊構成。程序流程如圖3 所示。

圖3 工作站程序流程

3 中轉器模塊設計

中轉器是通信的橋梁，是對系統采用的兩種通信方式的承接，在系統中主要起數據的轉換作用。其基本構成有以太網通信模塊、中央處理模塊MCU、RS485通信模塊、電源模塊和I/O接口，其結構框圖如圖4所示，以太網通信模塊和上位機相連，RS485 模塊和各工作站相連。其中MCU采用的也是STC系列的單片機，以太網通信模塊的網絡控制芯片采用的是W5100。W5100 是一款高性能且內部集成硬件協議棧的網絡控制芯片，具有控制方便，外圍電路簡單等特點[7]。

圖4 中轉器電路結構

中轉器程序設計思路如下：

中轉器要處理的數據包括所有工位的數據，上位機下發給工位的數據，先到達W5100發送緩存區，再由MCU取出轉換后下發給工位，工位接到命令后立即應答，這些應答信息也是先由MCU 轉換后填入W 5100接收緩存區。

系統工作時，MCU 實時判斷W5100 的發送緩存區（TX）是否有數據，如果有數據，取出一部分數據放入一個數組，對數據進行處理，再把這部分數據下發給所有工位，數據中含有工位地址，每個工位根據接收到的數據進行地址匹配，如果是自己的數據就接受處理并立即應答給上位機。MCU 接收到工位的應答數據后，先將數據存入一個數組，再將這部分數據發送到W5100的接收緩存區（RX）。

RS485配置程序分為UART初始化、數據發送和接收3個部分。UART初始化模塊，主要設置波特率、串口工作模式和開啟中斷等，數據發送采用查詢方式是為了提高數據傳輸的效率和實時性。數據的接收采用中斷方式。

中轉器處理程序的流程如圖5所示。

圖5 中轉器程序流程

4 上位機軟件設計

上位機是系統的控制中心，對下位機上傳的數據進行分析、保存和顯示，控制每件衣服的整個生產過程。通過對數據的收集和處理，系統可以實時呈現工作量、產量和返工量等數據，利于用戶對生產情況的了解和調整。其主要由通信模塊、人機交互界面模塊和后臺數據庫等組成。

4.1 通信模塊設計

為了實時監控每個工位的生產情況，系統上位機和工位間需頻繁進行數據交互，則對后臺數據庫操作會很頻繁。若將通信模塊程序嵌在人機交互界面的實現上，則對多線程的處理要求較高。

基于Delphi 在數據庫操作方面的強大優勢[8]，本研究使用Delphi 技術將通信模塊做成人機交互界面的一個插件，系統工作時，通過人機交互界面啟動通信模塊。通信模塊負責實時與下位機進行數據的交互，人機交互界面負責數據查詢和更新。這樣的組織方式使得上位機軟件結構性更強，開發難度反而下降，也利于軟件的升級。

通信模塊與下位機進行數據的交互主要包括：一是對采集到的每個生產工位的數據進行處理，將相關數據同步到數據庫；二是響應工位的請求，下發相關命令給每個生產工位。交互的數據包含了所有的工位的數據，其數據幀格式如圖6 所示。

圖6 數據幀格式

在與中轉器通過以太網通信中，PC 扮演的是客戶端角色，利用Delphi7中的TcpClient控件可以很方便地實現其功能。

處理程序的偽代碼如下：

4.2 人機交互界面模塊設計

該界面是在Visual Studio 2005.Net編程環境中使用C#語言編程完成，通過在.Net平臺上運用C#可以很便捷地進行應用軟件的快速開發[9-10]，后臺數據庫采用廣泛使用、操作簡便的SQLServer2000來存儲數據[11]。其主界面框架如圖7所示。

圖7 上位機軟件主界面

人機交互界面主要功能包括：

（1）實時顯示各個工位的生產數據。通過更新每個工位上傳的數據，呈現給管理者，以利于生產進程的判斷和調整；

（2）制定加工方案。根據要生產服裝款式的工藝要求，制定相應的加工方案，即安排工位制作相應的工序；

（3）員工信息的管理。對員工個人基本信息的統計，員工工作狀態的設置，對生產小組的設置；

（4）自動生成報表。將數據庫中的歷史數據，按著用戶的要求生成對應的報表；

（5）進行多任務工作機制管理。多種款式同時加工，按尺寸、顏色分類統計，可以對多條流水線集中控制。

5 系統測試

為了方便系統通信的調試和系統工作過程中事故的排查，在上位機軟件的通信模塊中，本研究將與下位機的數據交互過程以日志的形式記錄下來。測試日志截圖如圖8所示。

圖8 測試日志截圖

測試：設置10個加工工位，1號2號3號站上吊架，上位機接收到數據后對其進行分析，在13:55:23時刻做出應答，發送命令工位。在13:55:27時刻，上位機收到工位執行命令后的應答信息。吊架進入機械傳輸裝置前后經歷大概在4 s左右，滿足生產需求。

從日志中可以看到，上位機和下位機通信呈應答模式，下位機上傳的數據和上位機下發的命令都可以比較直觀地呈現，調試和事故的查找非常方便。

6 結束語

本研究設計和實現的服裝吊掛生產線控制系統與目前市場同類產品相比，通信架構產生了全新的變化，整個結構靈活性更強，所設計的連接兩種通信方式的中轉器，其結構簡便、成本低，數據轉換效果理想。系統的上位機軟件界面友好，操作簡單。該系統已經在寧波纖真服飾有限公司、寧波華鑫針織制衣有限公司等企業投入使用，得到用戶滿意反饋。

（References）:

[1]陳洪倩，陳 雁，丁 佳，等.服裝吊掛線生產組織分析[J].絲綢，2012，49（1）:30-32.

[2]周旭東，宋曉霞，劉靜萍.智能服裝吊掛生產管理系統的研究[J].上海工程技術大學學報，2000，14（3）:63-67.

[3]唐 粲，贠 超，寧遠明.密集架安全監測與控制技術研究[J].機電工程，2008，25（6）:1-4.

[4]張早生，黃廷磊.基于以太網的嵌入式數據采集系統的研究與應用[J].計算機系統應用，2010，19（7）:122-125.

[5]李秉榮，劉夫云，魯倪亞.基于RS485 和TCP/IP 網絡的分布式稱重系統[J].計算機系統應用，2011（9）:35-38

[6]高軍麗，王寶珠.基于RS-485 總線的智能分布式測控系統設計[J].計算機與現代化，2012（3）:151-154.

[7]王計元.單片網絡接口芯片W5100 的原理與應用[J].上海電力學院學報，2011，27（2）:153-159.

[8]王林瑋.Delphi7 數據庫工程實用編程技術[M].北京:電子工業出版社，2006.

[9]高 揚.基于NET 平臺的三層架構軟件框架的設計與實現[J].計算機技術與發展，2011，21（2）:77-80，85.

[10]張 立.C#程序設計編程經典[M].北京:清華大學出版社，2008.

[11][美]Jeffrey R.Shapiro.Microsoft SQL Server2000 參考大全[M].周 之，等譯.北京:清華大學出版社，2002.