細紗斷紗遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用

Design and Application of the Remote Monitoring System for Spun Yarn Breakage

楊　藝　李　強　劉基宏

(江南大學生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫　214122)

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細紗斷紗遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用

Design and Application of the Remote Monitoring System for Spun Yarn Breakage

楊藝李強劉基宏

(江南大學生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫214122)

摘要：針對細紗斷紗自動檢測與管理問題，開發(fā)細紗斷紗遠程監(jiān)控系統(tǒng)。由Ring Route斷紗檢測裝置獲取斷紗相關數(shù)據(jù)，并通過RS-485通信完成ARM機與多個單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸。開發(fā)通信軟件，利用無線WiFi，由一臺工控機監(jiān)控所有細紗機上的斷紗相關數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在斷紗數(shù)據(jù)表中供查詢統(tǒng)計。重點闡述了RS-485通信過程和通信軟件開發(fā)思路與其中的關鍵技術。實踐表明系統(tǒng)滿足斷紗質(zhì)量管理的基本需求。

關鍵詞：紡織行業(yè)棉紡生產(chǎn)紡紗工控機RS-485通信無線WiFi通信軟件遠程監(jiān)控檢測自動控制

Abstract：Aiming at the automatic detection and management for spun yarn breakage,the remote monitoring system has been developed.Relevant data of yarn breakage are collected by Ring Route yarn breakage detection device,and the data transmission among ARM and multiple single chip computers is conducted via RS-485 communication.The communication software is developed,the yarn breakage data of all the spinning frames are monitored by IPC via WiFi,and the data are stored in yarn breakage data list for inquiry statistics.The RS-485 communication process and the developing concept of communication software,as well as related critical technology are described emphatically.The practice indicates that the system satisfies basic demands for quality management of yarn breakage.

Keywords:Textile industryCotton spinning productionSpinningIndustrial personal computerCommunication of RS-485

Wireless WiFiCommunication softwareRemote monitoringDetectionAutomatic control

0引言

隨著信息技術的發(fā)展，工業(yè)計算機控制系統(tǒng)的應用在逐步擴大[1]。一般情況下，由單片機構成的系統(tǒng)，都需要向上位機進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)通信功能，從而使得上位機與單片機功能互補。過去常用的RS-232通信標準，雖然穩(wěn)定性和速率都有所提高，但因其通信距離過短，單片機數(shù)量多，無法滿足實際需求[2]。本文采用的RS-485通信協(xié)議傳輸速率高、距離遠，可實現(xiàn)一對多通信的目的，構造簡單、方便維護、成本低等優(yōu)勢在工業(yè)計算機控制系統(tǒng)中占有重要地位[3]。

紡織行業(yè)一直被認為是勞動密集型行業(yè)，自動化水平低。在紡紗過程中，當紡紗張力大于紡紗段強力時就會出現(xiàn)斷頭，不僅造成原料浪費，而且增加工作量,也降低了成紗質(zhì)量[4]。然而傳統(tǒng)對斷紗的管理辦法僅僅是人工檢測與統(tǒng)計，不僅效率低，也難以提供更深層次的系統(tǒng)化管理與改進方法[5-6]。本文在Ring Route細紗斷紗檢測裝置[7]基礎上，分析RS-485通信過程，利用通信軟件和無線WiFi，開發(fā)一套細紗斷紗遠程監(jiān)控系統(tǒng)，為實現(xiàn)細紗生產(chǎn)過程的精細化管理奠定基礎。

1RS-485通信過程分析

RS-485采用差分信號進行傳輸，理論上傳輸距離最大可達1.2 km，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbit/s。由于傳輸速率與傳輸距離成反比，只有在100 kbit/s的傳輸速率下才可以達到最大的傳輸距離。如果需傳輸更長的距離，可以增加RS-485中繼器。它允許在電路中有多個發(fā)送器，并且一個發(fā)送器可以驅(qū)動多個負載設備。通過以上數(shù)據(jù)，不難看出RS-485協(xié)議適用于遠距離、多點通信[8-9]。

本研究采用RS-485協(xié)議，單片機需要采用RS-485接口，然而作為上位機的ARM機標準配置中一般是RS-232通信接口或USB總線。目前多在ARM機側(cè)使用RS-232與RS-485的電平轉(zhuǎn)換接口，將TTL電平轉(zhuǎn)換為與上位機一致[10]。ARM機與單片機之間的通信選用主從式結(jié)構，即系統(tǒng)中只有一臺ARM主機，ARM主機控制多個單片機從機，每塊單片機會分配一個地址碼，單片機作為從機不會主動發(fā)送命令或者數(shù)據(jù)，其通信過程由主機ARM機控制。為確保正常通信，單片機的串行口與ARM機串行口的設置保持一致，包括通信速率和數(shù)據(jù)格式。由于數(shù)據(jù)量大，綜合考慮傳輸速率與傳輸?shù)姆€(wěn)定性，系統(tǒng)選擇通信速率9 600 bit/s。

RS-485通信為半雙工通信，即發(fā)送和接收用一個物理信道，因此在任意時刻最多只能有1臺機器處于發(fā)送狀態(tài)。系統(tǒng)中，通信起始信號由ARM機發(fā)出，ARM機首先呼叫指定的地址，當單片機收到起始信號后，根據(jù)本機的地址做出應答，當ARM發(fā)出的地址與本機相同時，回發(fā)本機地址并改變?yōu)閿?shù)據(jù)等待狀態(tài)，否則保持原來的狀態(tài)。ARM機收到應答后，再請求紗線狀態(tài)數(shù)據(jù)，相應的單片機根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)做出響應。因此只有當ARM機發(fā)送的地址信息與單片機相符時，才接收該單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型包括兩種，分別為斷、接頭數(shù)據(jù)。半雙通信對主機與從機數(shù)據(jù)通信時序的要求十分嚴格，如果沒有配合好，就會發(fā)生沖突，造成整個通信系統(tǒng)癱瘓。為保證數(shù)據(jù)通信與處理過程簡單，規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸過程中采用固定的長度。根據(jù)紡紗過程的實際情況設定為23個字節(jié)，其格式為紗線狀態(tài)+細紗機編號+錠位+時間，具體表示方法如表1所示。這里假設一個車間的機器的臺數(shù)不超過999臺，一般細紗車間有5萬到15萬錠，因此細紗機的臺數(shù)在100～300臺甚至更多，現(xiàn)設計的車間對應的臺數(shù)為280臺；假設錠位號不超過9 999錠，實際機器的錠數(shù)為480錠，此處考慮到實際情況有1 080錠的細紗機。

表1　數(shù)據(jù)表示方法

2遠程監(jiān)控軟件的設計

為了統(tǒng)一管理細紗機的斷紗情況，每臺ARM機裝配一個以太網(wǎng)模塊，接入以太網(wǎng)，作為一個以太網(wǎng)的結(jié)點，將采集到的斷紗相關數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機[11-12]，并為每一臺細紗機分配一個IP地址。該地址也作為細紗機軟件的內(nèi)部編號，地址編號的范圍可從192.168.0.2到192.168.255.250。為了管理方便，本系統(tǒng)也建立了每一臺細紗機的IP地址與原有細紗機的編號之間的對應關系。本系統(tǒng)工控機為服務器，ARM機作為客戶端，服務器的訪問采用Client/Server模式，利用無線WiFi作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。每個WiFi分配11個信道，每10臺細紗機分配一個中繼器，延長網(wǎng)絡傳輸距離。

監(jiān)控軟件的通信流程如圖1所示，系統(tǒng)初始化完成后，工控機上采用Socket控件進行IP地址和端口號的匹配，完成相應的連接。連接請求由工控機發(fā)起，ARM機偵聽到后，通過以太網(wǎng)模塊建立連接。工控機與ARM機連接并握手成功后，由工控機發(fā)送數(shù)據(jù)請求，逐條接收ARM機回復的斷、接頭數(shù)據(jù)，并完成顯示、存儲，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

圖1　通信流程圖

為了加強監(jiān)控系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性，軟件設計過程采用3項關鍵技術。本系統(tǒng)中，由于一臺工控機下掛多臺ARM機，使工控機與ARM機之間的通信效率降低，通信過程中等待的時間過長，因此，通信軟件應該實現(xiàn)多線程通信。線程可以認為是ARM機與工控機之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，對其編號加以區(qū)分，各個線程之間可以并行通信，互相之間沒有影響。我們?yōu)槊總€線程都建立一個標示符，初始狀態(tài)下，各個線程都未被占用，這些標示符均為“N”。ARM機在發(fā)送斷紗相關數(shù)據(jù)時，從最低位線程查看標示符，若查看到某線程標示符為“N”時，表明此線程空閑，那么占用此線程傳輸數(shù)據(jù)，并將其標示符更改為“Y”。ARM機在占用線程后，與工控機握手，握手成功并收到工控機的數(shù)據(jù)請求后再進行數(shù)據(jù)傳輸。若工控機沒有結(jié)束此線程的通信，線程的標示符始終為“Y”，直至接收到通信結(jié)束信號，標示符變?yōu)椤癗”。在軟件設計中應用多線程通信，可以大大提高通信效率，使多個線程同時使用。需要說明的是，這里的“同時”并不是真正意義上的同時，只是線程切換很快，給軟件使用者的感受是同時的。

差錯控制由通信控制和數(shù)據(jù)校驗兩個部分組成，主要用于防止通信中斷和保證通信的準確性。ARM機與工控機進行通信時，工控機向ARM機發(fā)送握手信號或者數(shù)據(jù)請求，若在設定時間內(nèi)一直未收到ARM機的回應，那么認為此ARM機存在通信故障，結(jié)束此次通信，釋放此線程，轉(zhuǎn)接下一線程。通過通信控制，不會因為某臺ARM機通信中斷而受到影響。此外。通信的重要意義不僅僅是能夠完成數(shù)據(jù)交換，更需要準確地傳遞信息。考慮到通信過程中可能存在的數(shù)據(jù)丟包的問題，為保證數(shù)據(jù)的準確性，軟件設計中加入對接收到的數(shù)據(jù)長度進行校驗，若校驗長度不為23 B，等待接收下一段數(shù)據(jù)，對其進行重組，重組無效數(shù)據(jù)同樣標志為通信故障，轉(zhuǎn)接下一線程。

為加強管理，工控機每接收一段通過校驗無誤的信息，都按照通信協(xié)議進行拆分，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫中斷紗管理數(shù)據(jù)表所要求的數(shù)據(jù)類型，并存儲供后期查詢、統(tǒng)計。斷紗管理數(shù)據(jù)表設置4列，列名及數(shù)據(jù)類型依次為：EventType(varchar)、TerminalSerial(varchar)、Spindle(int)、RecordTime(datatime)，分別對應紗線狀態(tài)、細紗機編號、錠位和時間。

3應用實例

某紡紗廠將本系統(tǒng)裝配于20臺FA506型細紗機上，每臺480錠位。裝配前，斷紗管理依然采用人工方式：測試人員在一個車弄同時檢查兩個半臺細紗機，統(tǒng)計在測試時間內(nèi)細紗的斷頭根數(shù)，最后按照公式得出斷頭率，再手工輸入計算機。然而實際操作過程中，紗線斷頭往往不易被及時發(fā)現(xiàn)，人工檢測范圍小、準確性低、用工量大，最終也無法通過統(tǒng)計結(jié)果追蹤至斷頭出現(xiàn)的錠位。裝配后，在Ring Route斷紗檢測裝置的基礎上實現(xiàn)對斷紗相關數(shù)據(jù)遠程實時監(jiān)控、存儲，明確斷頭的分布，更精細化地分析斷紗數(shù)據(jù)。

3.1現(xiàn)場監(jiān)控方案

在綜合考慮了現(xiàn)場操作、安裝成本和通信的準確性問題之后，本研究中確定系統(tǒng)結(jié)構圖如圖2所示，具體安裝方案如下。

(1)Ring Route斷紗檢測采用單錠檢測方式，每塊單片機控制6個檢測頭采集斷紗相關數(shù)據(jù)。

(2)每臺ARM機控制一臺細紗機上所有單片機共80塊，通過RS-485通信和信號轉(zhuǎn)換模塊獲取斷紗信息。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構圖

(3)為每臺ARM機配備一個以太網(wǎng)模塊，IP地址分配從192.168.1.10到192.168.1.30，分別對應10號到30號機器。采集到的斷紗相關數(shù)據(jù)通過無線WiFi發(fā)送至工控機，工控機選用型號為TPC150TC-L的嵌入式人機界面。

為驗證系統(tǒng)準確性與適用性，下面分析兩臺工藝參數(shù)不同的細紗機斷紗相關數(shù)據(jù)，具體如下：機臺一紡制70S細紗，捻系數(shù)385，錠速為15 000 r/min；機臺二紡制115S細紗，捻系數(shù)400，錠速為13 500 r/min。兩機臺均采用定量為4.5 g/10 m的棉粗紗為原料，由工控機統(tǒng)計紡紗過程中斷紗管理數(shù)據(jù)表內(nèi)兩機臺24 h內(nèi)的斷紗相關數(shù)據(jù)。

3.2結(jié)果與討論

兩機臺24 h的斷頭錠位分布分別如圖3和圖4所示，斷頭時間分布分別如圖5和圖6所示。

圖3　機臺一斷頭錠位分布圖

圖4　機臺二斷頭錠位分布圖

圖5　機臺一斷頭時間分布圖

圖6　機臺二斷頭時間分布圖

為分析兩機臺斷紗情況，本文考慮以下4個評價指標。

(1)斷紗根數(shù)：24 h內(nèi)斷紗總根數(shù);

(2)千錠時斷頭數(shù)：1 000錠1 h的平均斷頭數(shù);

(3)斷頭異常錠位比：異常錠位所占比例，系統(tǒng)定義24 h內(nèi)累計斷頭數(shù)超過5根(包括5根)的錠位為異常錠位;

(4)無斷頭錠位比：24 h內(nèi)無斷頭錠位所占比例。

綜上所述，由圖3和圖4可分析兩機臺斷紗情況結(jié)果如表2所示。

表2　斷紗評價結(jié)果

如表2所示，機臺一斷頭情況相對比較嚴重。溯源其異常錠位，發(fā)現(xiàn)：第25號錠位(累計斷頭8根)錠子松動，錠子轉(zhuǎn)速不勻、振動，最終導致紡紗張力不穩(wěn)定，增加紗線斷頭；第348號錠位(累計斷頭5根)，其鋼絲圈磨損，使紡紗中鋼絲圈在鋼領上高速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生頓挫或振動，紡紗張力會突然增大，產(chǎn)生斷頭。機臺二的異常錠位如下：第93號錠位(累計斷頭9根)、313號錠位(累計斷頭5根)、318號錠位(累計斷頭5根)，筒管磨損，使得筒管轉(zhuǎn)速不勻、紡紗張力波動，斷頭數(shù)增加；第104號錠位(累計斷頭6根)、第145號錠位(累計斷頭5根)和第259號錠位(累計斷頭5根)斷頭異常均由鋼絲圈磨損所致。生產(chǎn)中除了有針對性地對這些異常錠位進行保全，同時也應相應調(diào)整工藝參數(shù)，降低斷頭率，減少紗線的浪費。

該廠工作時間采用兩班制(早班和晚班)，每天8:00和20:00為交班時間。為明確斷頭出現(xiàn)的時間，繪制斷頭時間分布如圖5和圖6所示。其中，橫坐標序號1～24分別表示00:00～00:59至23:00～23：59這24個時間區(qū)間，縱坐標表示斷頭數(shù)目。由圖5和圖6可知，機臺一早班累計斷頭數(shù)為164根，晚班49根；機臺二早班累計斷頭數(shù)為111根，晚班84根。顯然，兩機臺早班斷頭根數(shù)較多，應優(yōu)化早班期間紡紗工藝，加大保全保養(yǎng)工作。

實踐表明，系統(tǒng)對不同紗支紗線斷頭情況統(tǒng)計準確無誤，具有良好的適用性。同時可追溯到斷紗出現(xiàn)錠位和時間，工作人員可遠程監(jiān)控細紗斷紗情況，及時發(fā)現(xiàn)異常錠位，相應調(diào)整工藝參數(shù)和進行保全保養(yǎng)工作，從而減少紗線的浪費，提高紗線品質(zhì)。

4結(jié)束語

本監(jiān)控系統(tǒng)將計算機技術初步應用于棉紡生產(chǎn)管理中，由Ring Route斷紗檢測裝置獲取斷紗相關數(shù)據(jù)，再利用RS-485通信將數(shù)據(jù)傳輸至ARM機，最后設計通信軟件通過無線WiFi將數(shù)據(jù)傳輸至工控機，同時存儲于斷紗數(shù)據(jù)表中，實現(xiàn)對斷紗數(shù)據(jù)的遠程實時監(jiān)控。實踐表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準確，用戶可以遠程實時監(jiān)控細紗斷紗情況，并能根據(jù)工控機存儲的斷紗數(shù)據(jù)獲取斷頭錠位和時間分布，能適應紡紗企業(yè)日常斷紗質(zhì)量管理的需求。

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中圖分類號：TH86;TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602011

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(編號：JUSRP51417B) ；

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(編號：SJZZ_0150)。

修改稿收到日期：2015-07-02。

第一作者楊藝(1991-)，女，現(xiàn)為江南大學紡織工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事數(shù)字化紡織的研究。