基于物聯網的不銹鋼纖維斷頭預警信息系統

周寶建

(廈門大學 嘉庚學院，福建 廈門 361005)

基于物聯網的不銹鋼纖維斷頭預警信息系統

周寶建

(廈門大學 嘉庚學院，福建 廈門 361005)

為推動不銹鋼纖維規模化生產,解決不銹鋼纖維千米無斷頭問題，通過紅外感應裝置及無線互聯網絡將斷頭信息發送到無線智能終端，操作員處理后反饋信息設置預警信息系統。規模化生產中，斷頭預警信息系統可以提高生產效率，通過數據分析評價原材料的性能指標，幫助企業決策。

不銹鋼纖維；物聯網技術；信息系統；數據模型

不銹鋼纖維在防電磁波輻射方面具有獨特作用，成為重要的軍用新材料，應用于偽裝網和雷達目標布。不銹鋼纖維加捻線由單股或多股長纖維加捻制成柔性纖維，具有穩定的電阻率、良好的耐高溫和導電性能，適用于信息傳輸線、導電傳輸線以及智能服裝等產品。隨著智能手機的普及，觸摸屏成為智能手機的標準配置，利用不銹鋼纖維混紡紗制成手套和防輻射服裝，成為新的市場熱點。不銹鋼纖維生產過程中平均300～500 m出現斷頭，而國際市場需要1 000 m無斷頭產品，纖維斷頭影響產品質量，制約規模化生產。為推動不銹鋼纖維規模化生產，本文研究不銹鋼纖維斷頭預警信息系統。

1 不銹鋼纖維斷頭預警信息系統現狀

以金屬纖維為研究對象，經相關部門檢索查新報告，國內外研究相關文獻147篇，篩選出主要相關文獻9篇。通過對相關文獻的綜合分析、比較，發現國內尚未有100～500芯不銹鋼纖維(直徑8 μm)長絲兩股或多股直接加捻成線技術，相關資料未介紹不銹鋼纖維線的生產技術，不銹鋼纖維斷頭預警信息系統尚未出現研究文獻。

為解決成紗斷頭，國內紡織業應用諸多手段解決氣圈的不穩定性，如采用氣圈破裂環、雙氣圈破裂環等機械手段，但此類技術手段局限于普通常規纖維，無法適應不銹鋼纖維的高刻蝕性。湖南惠同新材料股份有限公司是國內主要研發不銹鋼纖維紡紗機構，據了解，目前尚未有同規格品種做到1 000 m無斷頭技術；武漢科技大學學報2005年5期的“一種基于特征的紗線氣圈圖像邊緣提取方法”論文中提到，應用軟件技術提取氣圈圖像的方法，但是未提及提取氣圈圖像應用和解決斷頭方面問題；有企業采用非接觸式圖像識別方法進行紗線張力測算，基于較為理想的數學模型，現實應用中，經常發生較大的誤差；有企業研究電控式紗線斷頭停車裝置，但是這是在斷頭發生后介入，沒有提前預警并預防斷頭發生，也無法實現不銹鋼纖維千米無斷頭的需求。

國內外研究表明，尚未有針對解決不銹鋼纖維線斷頭提出系統的建議，目前，企業普遍采用原始的人工方法來監測和預警斷頭，通過觀察氣圈破裂環的磨損、陶瓷卡口的磨損和氣圈形態來預先判斷斷頭發生，采取更換耗材等對應措施。但是這樣需要耗費大量的勞動力資源，而且人工觀察依賴于個人經驗和精神狀態，預警的成本高且效果欠佳。隨著信息技術的發展，物聯網技術在工業控制領域得到了廣泛應用，采用圖像模式匹配和識別技術、非接觸式傳感器、智能電控開關等電子設備替代，對發生異常氣圈狀況的工位進行預警，并將預警結果通過有線或者無線網絡等方式傳輸至終端，執行對應操作。實現不銹鋼纖維線1 000 m無斷頭預警技術是一項信息技術在工業生產領域的新應用。

2 不銹鋼纖維斷頭預警信息系統流程

不銹鋼纖維紡紗過程中，纖維斷頭瞬間，電子感應器發出紅外信號，電子控制板將斷頭信號通過USB端口接入電腦。表1描述斷頭信號信息表的數學模型，斷頭信號包括Ni、Si、Di、Ti，其中Ni表示斷頭編號、Si表示斷頭梭子位置、Di表示發生日期、Ti表示發生時間,i表示第i個斷頭信號，電腦收到斷頭信號后，立即通過APP發送到操作員的智能終端(例如智能手機)中。操作員收到斷頭信號后立即進行處理，當斷頭信號處理完畢后，操作員在其智能終端發出斷頭處理完成信號至電腦。表2描述斷頭信號處理信息表的數學模型，斷頭信號處理后反饋的信息為Ni、Ei、Ui，其中Ni表示斷頭編號、Ei表示發生日期、Ui表示發生時間，i表示第i個斷頭信號，斷頭信號發出后90s內未處理，則重復發送，之后每180s發送未處理好的斷頭信息。

表1 斷頭信號信息表的數學模型

表2 斷頭信號處理信息表的數學模型

3 不銹鋼纖維斷頭預警信息系統需求分析

不銹鋼纖維斷頭預警信息系統的目標是應用物聯網技術，獲取斷頭信息，及時準確地發送斷頭位置，進行相應處理。同時統計斷頭數據，分析纖維產品的質量，提供報告以支持企業決策。

3.1 需求結構

根據信息系統目標、職能域和需求的相關性，總體上把信息系統需求劃分為4個需求單元，分別是斷頭預警、斷頭處理、統計分析和信息設置，這些需求單元構成信息系統的需求框架。需求結構完整反映企業需求，圖1描述不銹鋼纖維斷頭預警信息系統的需求結構。斷頭預警提供即時斷頭信息，斷頭處理反饋斷頭處理信息，統計分析提供斷頭清單，統計斷頭數據，分析纖維產品質量，統計斷頭處理效率，以支持企業決策。

3.2 功能需求

信息系統功能是信息系統具有的效能和作用，通過參與者與信息系統的交互活動來確定信息系統的功能，采用UML(統一建模語言)的用例圖描述信息系統功能。根據信息系統需求結構，劃分為4個需求單元：斷頭預警、斷頭處理、統計分析和信息設置。

斷頭預警實現預警信息的采集、分發。本項目組采購專業試驗設備，研究不銹鋼纖維斷頭預警。實驗設備采用紡織企業真實的紡紗機器，利用單片機通過高低電平采集斷頭信息，單片機用USB線連接到電腦，將收集的斷頭信息存儲到電腦中。在紡紗機器較多的情況下，USB線跨度太大，影響信號接收，建議改用無線接收。利用手機移動通信，將斷頭信息經過移動通信傳送到電腦，但是此無線通信方案整體成本比較高，在大規模生產的情況下可以采用。

斷頭處理功能分手工和自動兩個部分。前期采用手工完成，由操作員輸入完成斷頭處理的位置信息，后期采用自動功能，由第一個需求單元斷頭預警的信息采集實現，當斷頭已經被處理好之后，所采集到的信息為正常信息，即表示斷頭已經被處理好了。

統計分析提供信息的各項統計資料，以支持企業決策。主要有斷頭預警信息統計、斷頭處理時間統計、產品質量分析、斷頭原因分析等。斷頭預警信息統計按照年、月、周、日或者按照操作者指定時間范圍，統計斷頭預警信息。斷頭處理時間統計分析處理時間長度，監控生產效率，可以按照操作員及指定時間范圍統計斷頭處理時間，以便考核操作員工作績效。

3.3 性能需求

性能需求包括效率、可靠性、安全性、可用性和適應性5個方面。不銹鋼纖維斷頭預警信息系統的效率需求是：在0.1s內發送斷頭預警數據到達電腦，0.1s內完成斷頭預警信息分發，統計分析信息延遲不超過2s，允許多任務并存；可靠性需求：2 000h不發生故障，出現故障快速恢復，斷頭預警精確度99.99%；適應性需求：系統容易被擴展，能夠應對增加統計分析功能，支持更多節點；安全性需求：業務信息、數據存儲保證安全，建立安全權限和分級管理機制；可用性需求：具有方便的聯機幫助功能，容易學習，方便使用。

4 斷頭預警信息系統數據結構

根據信息系統業務流程分析，采用4個數據表結構，分別是操作員信息表tb_operator、梭子信息表tb_shuttle、斷頭信息表tb_broken和處理斷頭信息表tb_handle_shuttle。表3操作員信息表包括操作員編號、操作員姓名和權限三個字段；表4梭子信息表包括梭子編號、梭子位置兩個字段；表5斷頭信息表包括斷頭編號、梭子編號和斷頭時間三個字段。斷頭編號brk_num表示表1中的斷頭編號Ni，梭子編號brk_shuttle_num表示表1中的斷頭梭子位置Si，斷頭時間brk_time則將發生日期Di、發生時間Ti合并表示。表6處理斷頭信息表包括斷頭編號、處理時間和操作員編號三個字段。處理斷頭信息表tb_handle_shuttle中的斷頭編號hdl_shuttle_num表示表2中的斷頭編號Ni，處理時間hdl_time表示表2中的發生日期Ei和發生時間Ui。

表3 tb_operator表的結構

表4 tb_shuttle表的結構

表5 tb_broken表的結構

表6 tb_handle_shuttle表的結構

5 斷頭預警信息系統體系結構

信息系統體系結構是信息系統內部要素按照確定關系構成的系統框架，本系統選用客戶機/服務器(Client/Server,C/S)模式。這種體系結構模式以數據庫服務器為中心，以客戶機為網絡基礎，在信息系統軟件支持下的兩層結構模型。用戶操作模塊設置在客戶機上，數據存儲在服務器上的數據庫中，客戶機依靠服務器獲得所需要的網絡資源，而服務器為客戶機提供網絡必須的資源。數據庫選用MicrosoftSQLServer2010，開發工具采用Java，數據庫服務器放置在企業機房，為節約資源，可與其它數據庫服務器合用。工作車間需裝備移動互聯網，信號強度與帶寬需滿足要求。

6 結語

為解決不銹鋼纖維千米無斷頭問題，通過設置紅外感應裝置，及時獲取斷頭信息，再通過無線互聯網絡將信息發送到無線智能終端，操作員接收斷頭信息后立即處理，處理后反饋信息。對于規模化生產，斷頭預警信息系統可以提高操作員的工作效率，從而提高生產效率。此外，通過數據分析評價原材料的性能指標，可以幫助企業決策。

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[5] 宋志峰,梅順齊. 一種基于特征的紗線氣圈圖像邊緣提取方法[J].武漢科技學院學報,2005,(5):18-20.

Early Warning Information System of Stainless Steel Fiber Broken Based on Internet of Things Technology

ZHOU Bao-jian

(Tan Kah Kee College, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

By the infrared induction device, wireless Internet would send broken information to the wireless intelligent terminal, and operator feedback information after treatment to promote the large-scale production of stainless steel fiber and solve stainless steel fiber breakage problem. For large-scale production, the information system could improve production efficiency. Data analysis and performance evaluation of raw materials could help enterprises to decision-making.

stainless steel fiber; the internet of thing; information system; data model

2016-07-23；

2016-08-26

廈門市2014年科技計劃高校項目(3502Z20143037)

周寶建(1965-)，男，講師，主要從事教學與科研工作，E-mail:zhoubaojian@xujc.com。

TS102.4

A

1673-0356(2016)11-0018-03