基于物聯網技術的竹節紗生產監控

郭在峰, 劉燕卿, 徐伯俊, 謝春萍, 劉新金, 蘇旭中

(江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

研究與技術

基于物聯網技術的竹節紗生產監控

郭在峰, 劉燕卿, 徐伯俊, 謝春萍, 劉新金, 蘇旭中

(江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

目前ZJ-5A型數字式智能竹節紗生產裝置中的觸摸屏只局限于車間現場查看和操作，且每臺細紗機只能由對應的觸摸屏操作，不利于及時發現和處理問題。通過物聯網技術進一步升級，在紡制竹節紗過程中，竹節紗生產裝置的主控單元PLC控制細紗機的伺服電機，從而將生產信息通過ZigBee傳感網傳輸到網關，再從網關傳輸到數據庫服務器中；竹節紗管理實時監控系統采用網頁形式，從而實現對竹節紗生產過程狀態的監控。結果表明：通過物聯網技術對竹節紗生產監控改造，真正實現了多臺設備實時監控及參數設置。通過登錄竹節紗管理系統訪問數據庫服務器，可以隨時隨地對竹節紗生產進行監控和參數設置。

竹節紗；物聯網；生產監控；管理系統；數據庫服務器

花式紗因其產品的豐富性及多樣化，產品應用范圍廣，產品附加值高，在紡織領域日漸受歡迎。其中，竹節紗是花式紗的一種，即在長度方向上出現粗節、細節狀態的單紗線。目前主要采用改造后的環錠紡生產竹節紗，其應用廣泛，例如牛仔布、窗簾、裝飾用品等。竹節紗的生產原理有四種：1)變牽伸型：利用改變細紗機的牽伸倍數來控制竹節的粗細；2)植入型：利用在前鉗口處喂入纖維須條來形成竹節紗的竹節部分；3)纖維型：利用纖維的浮游運動性能來形成條干不勻原理，喂入不定量的短纖維來控制竹節的粗細；4)涂色型：利用人在視覺上的色差效應對紗線進行部分涂色。竹節紗的特征參數有基紗特數、竹節倍率、竹節長度、基紗長度及循環規律[1]。基紗特數是竹節紗上沒有出現粗節的紗的特數；竹節倍率即相同長度的竹節部分與基紗部分的定量之比，倍率是反映竹節紗質量的一個重要指標；竹節長度是每個竹節的長度[2]。竹節紗的生產分為有規律竹節生產和無規律竹節生產。

本文主要探討采用物聯網技術來實現對竹節紗生產的實時監控和參數設置。監控竹節紗在模糊狀態下和非模糊狀態下的長度、竹節段數及電機轉速、前羅拉轉速、設備地址和類型等相關參數；在生產竹節紗裝置上有一項很重要的參數即長度與倍率，這項參數包含了竹節的長度、基紗長度及倍率，可以直接表明竹節紗的生產狀態與質量[4]。此方法的優勢在于對多臺竹節紗生產設備進行實時監控和參數設置，相比于傳統的觸摸屏監控及操作，可以更加方便、快捷地管理竹節紗生產。

1 系統總體設計

1.1 整體結構

目前，由于國內轉杯紡竹節紗應用較少，限制了轉杯紡的生產發展，而環錠紡竹節紗應用范圍廣，所以主要以生產環錠紡竹節紗為主；大部分紡織企業采用控制細紗機前羅拉轉速或中后羅拉轉速的原理來生產竹節紗[6]。竹節紗的生產裝置采用的是江南大學自主研發的ZJ-5A型數字式智能竹節紗生產裝置，可生產多樣式的竹節紗，產品豐富，可通過觸摸屏界面調節工藝參數。為了實現多臺設備實時監控竹節紗生產狀況和設置竹節紗的相關工藝參數，設計開發一個PC客戶終端即竹節紗管理系統，并將生產竹節紗裝置中的數據和相應的數據庫同步，來操作PC客戶終端。通過連接數據庫服務器，可在客戶終端上監控竹節紗的生產狀況，將傳統技術上的竹節紗生產裝置中的觸摸屏界面內容用轉移到遠程的PC客戶終端上，能夠及時、直觀、方便地了解生產情況，簡化生產管理，提高生產和管理水平。

1.2 設計項目框架

通過了解竹節紗生產的流程和生產中的相關工藝參數來構思框架，并通過ZJ-5A型數字式智能竹節紗生產裝置中觸摸屏的設置參數，來構建PC客戶終端的設計框架[7]。將觸摸屏中所有的功能通過計算機語言編程放入客戶終端中，其功能結構如圖1所示。

圖1 PC客戶終端的功能結構Fig.1 Functional structure of PC client terminal

1.3 系統組網方式

細紗機和ZJ-5A型數字式智能竹節紗生產裝置連接了ZigBee無線傳感器，其主要是生產竹節紗裝置中的主控單元西門子PLC s7—200(CPU 224)與ZigBee通過RS-485接口連接。竹節紗的生產信息通過ZigBee傳輸到網關中，再通過網關傳輸并保存到數據庫服務器中。本文設計的竹節紗控制平臺是通過網絡進入到數據庫服務器中，讀取并保存多臺竹節紗生產設備的信息，來實時監控和設置參數。

2 系統硬件組成

2.1 組成結構

竹節紗生產監控的硬件包括多臺細紗機設備、ZJ-5A型智能竹節紗生產裝置、ZigBee無線傳感器、網關、數據庫服務器、PC客戶終端，其組成結構順序如圖2所示。

圖2 結構順序Fig.2 Structural order

2.2 通信實現

ZigBee技術以其經濟、可靠、高效等優點在物聯網技術中有著廣泛的應用前景,本文通過ZigBee無線傳感網技術，將細紗機生產竹節紗的相關信息通過網關傳輸到數據庫服務器中，保證了傳輸的穩定性和安全性[3]。ZigBee無線傳感器與相關器件的連接實物圖如圖3所示。

圖3 通信器件實物Fig.3 Communication device

通信的目的主要是對竹節紗參數的讀寫及竹節紗生產設備機器運行狀態參數的讀取。對于設置竹節紗工藝參數，其主要有竹節長度、倍率及基紗長度；對于遠程訪問生產設備的運行狀態參數，有電機轉速、前羅拉轉速、單數修正系數、雙數修正系數、輪系系數、開車延時、關車延時、速度控制門限等。通過訪問這一系列的參數，可以方便查看生產設備的運行狀態及操作竹節紗生產的重要參數。

3 系統軟件的設計

本文采用PHP語言來編寫竹節紗的PC客戶終端及與數據庫服務器建立數據連接。該語言開放源碼、兼容性很高、安全可靠，能夠支持多種類型的數據庫，運行調試速度快，資源占有率小，適合應用于監控竹節紗生產的PC客戶終端[10]。本文的管理界面根據功能結構來設計，管理系統界面可方便快捷地瀏覽竹節紗生產的狀況，其顯示界面大小比ZJ-5A型數字式智能竹節紗生產裝置中觸摸屏大，可顯示更多的竹節紗信息，且不需要再通過觸摸屏不斷地點擊下一頁來瀏覽更多的信息，這樣為工作人員節省了更多的瀏覽時間以及減少了很多在瀏覽信息上的麻煩[12]。

3.1 數據庫服務器

在數據庫服務器中同步竹節紗生產的信息。本文采用MySQL數據庫把將節紗信息與數據庫服務器同步[8]。MySQL是目前較為流行的開源數據庫，是完全網絡化的跨平臺關系型數據庫系統，MySQL數據庫可以稱得上是目前運行速度最快的SQL語言數據庫之一。

本文的竹節紗管理系統數據庫名稱為“db_dlxt”，數據庫包含若干個數據表，每個數據表對應竹節紗相關信息。建立竹節紗相關信息數據庫“db_dlxt”，在此數據庫下再建立若干個所需要的數據表，并儲存所需的相關數據。至此，MySQL數據庫構建完成。

傳統的觸摸屏是將竹節紗信息存放在竹節紗生產裝置的主控單元PLC中，現在本文采用物聯網技術進行升級，將傳統的觸摸屏技術與本文的物聯網技術作對比，如表1所示。

表1 不同技術進行對比

通過將傳統技術與物聯網技術進行對比，本文的物聯網技術具有明顯的優勢。

3.2 PLC地址與竹節紗數據地址映射

竹節紗主控單元PLC的設置及運行狀態通過RS-485連接到ZigBee無線傳感器，接著通過網關連接到相關網絡，再通過Web服務器連接到數據庫服務器，對數據庫進行讀寫操作。為確保準確地讀寫竹節紗參數，需將生產竹節紗相關的一系列參數的地址與PLC中的通信地址一一對應。

本文以竹節紗生產設備(包括主控單元PLC)作為通信的從站設備，利用Modbus從站指令來建立PLC地址與竹節紗數據地址的映射關系，確保對數據庫服務器操作的準確性及可靠性。其Modbus從站指令的對應關系如圖4所示。

圖4表示了Modbus模式的通信下，從站的站地址為10，波特率為9600，偶校驗，接受數據存儲區的首地址是VW2002。通過Modbus從站指令進行循環掃描，來讀取竹節紗工藝參數的地址，其中生產竹節紗的三種重要參數：竹節長度、倍率及基紗長度對應的PLC地址，如表2所示。

圖4 梯形圖Fig.4 Ladder diagram

竹節長度竹節長度對應地址倍率倍率對應地址基紗長度基紗長度對應地址L1VW2002D1VW2L2VW2004L3VW2006D2VW4L4VW2008L5VW2010D3VW6L6VW2012L7VW2014D4VW8L8VW2016L9VW2018D5VW10L10VW2020

3.3 對竹節紗存放的數據庫操作

PHP提供了大量的MySQL數據庫函數，方便竹節紗控制平臺對MySQL數據庫進行操作[5]。

3.3.1 客戶端連接和選擇數據庫

竹節紗的工藝參數信息都與MySQL數據庫同步，要操作MySQL數據庫，首先必須與MySQL服務器建立連接。在連接到MySQL數據庫服務器之后，使用mysql_select_db()函數選擇竹節紗數據庫db_dlxt。至此，竹節紗的PC客戶終端在與MySQL數據庫建立的基礎上選擇了竹節紗信息存放的數據庫db_dlxt。

3.3.2 讀取數據表的數據放入相應的位置

選擇相應的竹節紗數據庫之后，在使用mysql_query()函數和mysql_fetch_object()函數對所需數據表中的數據進行查詢后，獲取查詢結果，返回值對象，這樣就能在相應的功能界面中顯示所需要的數據。

3.4 運行調試

通過計算機語言將竹節紗管理系統構建好以后，打開index.php文件，并通過電腦鍵盤F12快捷鍵來運行調試。監控竹節紗長度與倍率操作界面，如圖5所示。

圖5 調試效果Fig.5 Testing results

4 結 論

利用物聯網技術將竹節紗生產裝置和網絡結合在一起，并對其進行數據傳輸及與數據庫服務器同步，采用計算機語言來設計竹節紗PC客戶終端，這是實現多臺竹節紗設備生產實時監控和參數設置的關鍵。可方便、準確、不局限于車間現場監控多臺細紗機生產竹節紗的基本情況和細紗機的運行狀態，同時可以根據用戶對紡紗的不同要求，在系統中添加需要的紡紗品種及所對應的相關工藝參數。

未來，紡織企業對物聯網技術的需求會越來越大，PC客戶終端會越來越完善，技術也會越來越成熟，無線傳輸數據會越來越安全，這是企業發展的一個重要趨勢。同時，在計算機實時監控和參數設置的基礎上可以開發相關APP，在手機上實現實時監控和參數設置，以此來提高紡織企業的生產效率和生產管理水平，降低維護和生產的成本，增加企業的經濟效益。

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Bunchy yarn production monitoring based on the Internet of Things

GUO Zaifeng, LIU Yanqing, XU Bojun, XIE Chunping, LIU Xinjin, SU Xuzhong

(Key Laboratory of Eco-Textile, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

The ZJ-5A type digital intelligent bunchy yarn production equipment enables on-site monitoring and operation in workshop only, and each spinning frame can be manipulated via a specific touch screen operation, which is inefficient for identifying and handling problem timely. With the improved technology with the Internet of Things, the main control unit (PLC) of bunchy yarn production equipment controls the servo motor of spinning frame, to transmit production information to the gateway via ZigBee sensor network, and then to the database server; real-time bunchy yarn management and monitoring system is realized in the form of page, to realize monitoring over the process and state of bunchy yarn production. The results show that real-time monitoring and parameter setting of multiple equipment has been truly realized by transformation of bunchy yarn production monitoring with the Internet of Things. Real-time bunchy production monitoring and parameter setting can be realized via the database server (logging in the bunchy yarn management system) at anytime and anywhere.

bunchy yarn; the Internet of Things; production monitoring; management system; database sever

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.09.004

2016-09-23;

2017-06-26

國家自然科學基金項目(61503155)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(JUSRP116018)；江蘇省產學研項目(BY2015019-10，BY2016022-27)；江蘇省科技成果轉化項目(BA2014080)；紡織服裝產業河南省協同創新項目(hnfx14002)；廣東省產學研項目(2013B090600038)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(蘇政辦發〔2014〕37號)；江蘇省先進紡織工程技術中心基金項目(XJFZ/2016/4)

郭在峰(1993-)，男，碩士研究生，研究方向為竹節紗的物聯網技術。通信作者：徐伯俊，教授，wxxbj@sina.com。

TS112.74

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1001-7003(2017)09-0020-05 引用頁碼: 091104