基于數據庫的環錠紡細紗機細紗斷頭檢測與信息顯示

呂漢明， 吳擎擎， 呂 鑫， 馬崇啟， 周鵬飛

(1. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 天津同祺科技有限公司， 天津 300387)

與國外紡紗企業相比，我國紡織企業目前還普遍存在企業管理水平與信息化程度較低[1]、增長方式仍以粗放型為主等問題[2]。近十幾年來，隨著計算機和數據庫技術發展及在紡紗企業的普遍運用，大大促進了紡紗企業工作效率的提高，但大量數據管理仍停留在運用數據表格的原始方法上，還未建立科學的數據處理及查詢系統[3]。在紗線生產過程中，紗線斷頭率是細紗產量和質量控制的關鍵指標之一[4]，如果不能及時有效地處理紗線斷頭，不僅會損壞細紗機的主要零部件，而且由紗線斷頭產生的飛花會影響紗線質量[5]。紡紗企業急需通過應用信息化技術來提高生產效率，減少無效勞動以解決當前的用工荒及未來勞動力成本上升預期所帶來的問題[6]。

國內外多家研究機構很早就對細紗斷頭的監控系統進行研究，20世紀80年代，瑞士、意大利、德國等的紡織機械生產企業研制了一系列細紗斷頭檢測系統，如瑞士立達公司的ISM系統(Individual Spindle Monitoring)[7]、意大利品特·芬尼公司高效紡紗監控系統Effispin中的EensorFil[7]、瑞士烏斯特公司Ring Expert系統[8]、德國Zinser公司的Fila Guard系統[9]和印度普美瑞公司的Ultimo系統[9]。與此同時，國內對環錠紡細紗機斷頭監控系統的研究也正處在飛速發展階段。

如何能以較低的成本檢測并清晰地顯示細紗斷頭，提高擋車工處理斷紗的效率，成為現階段細紗斷頭檢測系統亟待解決的問題[10]。本文設計了一種可顯示細紗斷頭信息的檢測系統，該檢測系統包括：巡回式細紗斷頭檢測小車、斷頭報警指示燈模塊、無線通信基站、數據庫服務器及平板電腦，各個模塊的數據信息通過發送和接收，將檢測到的斷紗信息最終通過編程及界面設計實時地顯示在平板電腦上，擋車工及車間管理人員根據界面顯示信息，快速定位到實際的細紗機位置從而及時處理斷紗。

1 環錠紡細紗斷頭檢測系統

1.1 硬件系統構成

圖1為斷頭檢測系統的硬件示意圖。

圖1 斷頭檢測系統硬件示意圖Fig.1 Hardware sketch of broken end detection system

巡回式細紗斷頭檢測小車：每臺細紗機的兩側各配備1臺巡回檢測細紗斷頭情況的檢測小車，用于收集細紗斷頭信息。

斷頭報警指示燈模塊：每臺車在車頭或車尾安裝斷頭報警指示燈模塊，細紗機每側對應2盞指示燈，用于指示斷頭的數量及位置，分別指示該側左、右一半錠位的斷頭情況，指示燈閃爍頻率越高代表斷紗數量越多。細紗機的停機、落紗信號由斷頭報警指示燈模塊經無線通信基站發送至數據庫服務器。

無線通信基站：巡回式細紗斷頭檢測小車、斷頭報警指示燈模塊、數據庫之間進行數據信息交換的中心節點，三者之間的數據通過無線通信基站進行交換。

數據庫服務器：存儲車間機臺排布情況、細紗斷頭信息及開停機等信息，包括斷頭時間、接頭時間、斷頭機臺號及錠位號等。

平板電腦：用于查詢顯示車間細紗機的斷頭情況，利于擋車工及時處理斷紗。

1.2 硬件工作原理

每臺細紗機的軌道兩側各安裝1臺由滑觸線供電的巡回式細紗斷頭檢測小車，圖2示出其安裝位置。檢測小車沿細紗機上的導軌往復移動，并在移動過程中檢測錠位是否發生斷頭。

圖2 細紗斷頭檢測小車位置Fig.2 Position of roving spinning broken end detection car

在巡回式細紗斷頭檢測小車中，正對細紗機前羅拉與導紗鉤高度之間的位置安裝有斷頭檢測機構,圖3示出斷頭檢測機構示意圖及其工作原理。

圖3 斷頭檢測機構示意圖及工作原理圖Fig.3 Schematic diagram (a) and working principle diagram (b) of broken end inspection mechanism

該機構中的輻條狀部件是由位于同一平面上的、由1個轉動中心向外伸展的若干根輻條桿組成，輻條狀部件的輻條桿位置位于細紗機前羅拉及導紗鉤之間的紡紗段高度并與該處的細紗(近似)垂直。輻條狀部件在沿細紗機長度方向移動的過程中可以與細紗機前羅拉及導紗鉤之間的細紗接觸，利用單片機通過光電傳感器檢測輻條狀部件在每個錠位移動的過程中是否轉動，即可判斷細紗是否斷頭。

通信基站按順序不停地輪詢每臺巡回式細紗斷頭檢測小車和斷頭報警指示燈模塊。巡回式細紗斷頭檢測小車將檢測到的斷頭信息通過ZigBee模塊發送給通信基站，通信基站將接收到的斷紗信息分別發送給斷頭報警指示燈模塊和數據庫，斷頭報警指示燈模塊按照接收到的斷紗數量閃爍不同頻率的燈光。最后細紗斷頭顯示程序從數據庫中調取斷紗信息，將每臺細紗機的斷紗情況通過平板電腦進行分析與顯示。在細紗機短車上檢測小車巡回1個周期小于4 min，因此，數據庫收到新的斷紗數據最多會延時接近4 min，但是工人巡回時間要遠大于4 min，且在多機臺、多斷頭的統計結果下，實時性對測試結果的影響極其微小。

2 細紗斷頭顯示系統

2.1 信息存入數據庫的過程

數據庫主要用于存儲車間機臺排布情況和細紗機的工作狀態，主要包括細紗機開停機時間、落紗時間及斷頭信息。數據庫收到通信基站傳來的數據信息后，根據不同的數據信息對數據庫中的4個表格進行操作。4個表格分別為：RoomInformation表格、macStartStopTimeTable表格、spinMachineLog表格和breakYarn表格。RoomInformation表格用于存儲車間細紗機機臺分布情況，包括車間號、車間機臺總數、機臺排列方向、機臺單面錠數等信息;當系統開機后，數據庫服務器收到細紗機坐標位置時更新該表格。macStartStopTimeTable表格用于存儲車間每個機臺開停機時間以及紡紗時間等信息；通信基站收到報警指示燈獲取的開停機信號時更新該表格。spinMachineLog表格用于存儲每臺細紗機落紗時間，同時記錄每臺細紗機的運行時間、開停機次數、落紗次數等信息；收到細紗機的落紗信號以及操作macStartStopTimeTable表格的同時更新該表格。breakYarn表格用于存儲斷頭的具體信息，包括斷頭錠子的位置、斷頭時間、接頭時間、斷頭總時間等信息；收到斷頭信息時更新該表格。

2.1.1機臺排布信息

系統為靈活掌握各紡織廠細紗車間總數、每個車間的機臺數、每臺細紗機的錠數及其在車間的排列方式與布局等差異，建立了存放機臺排布信息的Excel表格，利于根據車間變動情況，隨時通過修改Excel表格中的機臺信息來修改數據庫中存儲的機臺排布信息，而不需要操作后臺數據庫，降低用戶的使用難度。該Excel表格的第1列為車間總數，隨后各列依次為每個車間的詳細信息，每個車間的信息包含7列，這7列分別存放車間號、該車間總機臺數、縱向依次排列該車間內機臺車號、縱向依次排列該車間各機臺單面錠數、縱向依次排列該車間各機臺的朝向(0代表橫向排列，1代表縱向排列)、縱向依次排列該車間各機臺所在的行數、縱向依次排列該車間各機臺所在的列數。當數據庫收到服務器基站開機信號的信息時，通過編寫的 C++ 程序將服務器基站發來的細紗機排布信息的Excel表格存于數據庫RoomInformation表格中，為更加精確地顯示細紗斷頭信息做準備。機臺排布信息存入數據庫的程序流程如圖4所示。

圖4 機臺排布信息存入數據庫的程序流程圖Fig.4 Program flow chart of machine arrangement information stored in database

通過以上流程圖的步驟，數據庫的RoomInformation表中存入了Excel表格的機臺排布信息。RoomInformation表的域包括依次存放車間號(RoomNum)、依次存放每個車間的每臺細紗機機號(MachineNum)、每臺車所在車間的行序數(MachineRow)、每臺車所在車間的列序數(MachineGrade)、每臺車的錠數(spinNum)。

2.1.2細紗機開停車時間及落紗時間信息

通過調用不同的存儲過程，無線通信基站將傳來的細紗機開停車時間和落紗時間保存到數據庫的macStartStopTimeTable表和spinMachineLog表中。細紗機開停車時間及落紗時間信息存入數據庫的程序流程如圖5所示。

圖5 細紗機開停車時間及落紗時間信息存入數據庫的程序流程圖Fig.5 Program flow chart of spinning machine parking time and doffing time information stored in database

2.1.3細紗斷頭信息

無線通信基站輪詢過程中收到細紗斷頭檢測小車掉頭換向的信號時，就會對該小車本次單程收集到的斷紗數據進行校驗，主要是檢查是否準確地采集到了每個錠子的狀態，當無線通信基站收到小車單程運動過程中檢測到的斷紗信息后，就將數據存到數據庫的breakYarn表中，其域包括:斷紗所在的車間號(RoomNum)、斷紗所在的機臺號(machineId)、斷紗位于機臺的左右側(LorR)、斷紗所在的錠號(spindleId)、斷頭時間(breakTime)、接頭時間(linkTime)。細紗斷頭信息存入數據庫的程序流程如圖6所示。

圖6 細紗斷頭信息存入數據庫的程序流程圖Fig.6 Program flow chart of broken ends information of spinning stored in database

數據庫每次收到斷頭信息，首先檢索出與這次斷頭信息相對應的上次斷頭信息存儲表格，然后將新收到的斷頭信息與表格中存儲的前一次的斷頭信息進行比對，最后更新每個錠子對應的斷頭數據。

2.2 細紗斷頭顯示系統的軟件開發

該系統先將存放機臺排布信息的Excel表格中的機臺排布信息導入數據庫RoomInformation表中，通過在查詢與顯示界面中手動輸入需要查詢的機臺范圍及相關信息，將數據庫breakYarn表中存儲的紗線斷頭情況顯示在平板電腦上，查詢與顯示界面設計及在實際中的運用如圖7所示。

圖7 查詢與顯示Fig.7 Querying and displaying. (a) Design of query and display interface；(b) Application of query and display in practice

2.2.1查詢界面的設計

為將數據庫中代表斷紗錠子位置信息的數據轉換為可視化的圖形，以方便擋車工高效定位斷紗所處的位置，設計該軟件用于將斷紗數據顯示在平板電腦上。為提高通用性，平板電腦選用Windows操作系統。查詢與顯示界面中的輸入控件主要包括：

1)選用Combo-box控件設置車間編號，用于選擇查詢的車間編號；

2)選用Edit控件設置單側等分數。擋車工根據細紗機錠子數量及操作習慣，將一側細紗機的錠子數等分為若干份，平板電腦上用1個色塊代表其中1份，當某份中任意1個錠子出現斷頭時，代表該色塊顏色發生變化，以提醒擋車工接頭；

3)選用Edit控件設置開始機號、結束機號及顯示列數。由于擋車工一般負責連續的若干臺細紗機，因此，在設計上使用“開始機號”“結束機號”及“顯示列數”3個變量來劃定查詢區域，查詢區域可由擋車工自由設置；

4)選用2個Edit控件設置斷頭時間的分割點，為方便擋車工自我管理接頭順序以及管理者對擋車工的監督。選用2個Edit控件Edit1和Edit2設置斷頭時間的分割點，設2個時間點變量X_min和Y_min分別等于Edit1和Edit2的值。在單側等分后，如果其中1份錠子中任何1個錠子的最長斷頭時間小于X_min，就顯示為黃色；如果其中1份錠子里任何1個錠子的最長斷頭時間大于等于X_min且小于等于Y_min，就顯示為紫色；如果其中1份錠子里任何1個錠子的最長斷頭時間大于Y_min，就顯示為紅色。工人可以自由設置X_min和Y_min的值，但黃、紫、紅3種顏色是在程序中設定好的，工人無法修改。為方便直觀理解，在屏幕上的Edit控件附近顯示了這3種顏色的參考小色塊；

5)選用Button按鈕作為開始查詢按鍵，用于啟動查詢線程。

2.2.2細紗斷頭信息查詢與顯示界面軟件的實現

利用C++語言在Visual Studio 2008開發環境下用ADO(Active Data Objects)連接SQL數據庫。在整個界面設計上，將屏幕右側的1/3部分用于存放查詢界面的控件，剩余2/3用于顯示表示斷頭錠子位置信息的色塊。細紗斷頭信息查詢與顯示設備程序流程圖如圖8所示。

細紗斷頭信息查詢與顯示程序如下：

1)為防止工人在使用過程中誤操作，點擊開始查詢按鍵后，將所有輸入控件灰度化，使控件變為不可用狀態；

2)根據手動輸入的查詢車號信息，訪問數據庫中存儲車間信息的RoomInformation表，得到需要查詢的每臺機器的車間號、坐標以及錠數；

3)根據坐標獲得最大最小行列數，計算出需要顯示的范圍。之后獲取屏幕分辨率，計算出需要將左側2/3屏幕分割成多少個小方格，以及每個小方格的寬與高，在后續的顯示中，以這些小方格為基準單位來決定每個色塊及數字的位置、尺寸；

4)為方便擋車工快速定位斷紗錠子的位置，標注出查詢范圍的車號、每臺車的錠子號，對需要查詢的機臺及等分數做循環，依次通過新建文本框的形式顯示相應數字，注意在查詢前應將上次建立的文本框刪除，否則文本框不斷重疊，會導致內存泄露；

5)打開畫圖線程，使用QueryPerformanceCounter函數計時，每5 s查詢一次數據庫中存儲斷紗信息的breakYarn表，并將結果顯示出來；

6)對列數、行數、左右側做循環，新建分塊數組并賦初值0，循環查詢每個錠子的狀態，重新給分塊數組賦值。用錠子號除以每塊包含的錠子數，得到該錠子對應的色塊，根據數據庫中得到的該錠子斷頭時間等級，給分塊數組賦不同的值，最終根據這些值決定色塊顯示的顏色；

7)使用OnSize函數，實現控件大小改變以自適應不同大小的屏幕。

圖8 細紗斷頭信息查詢與顯示設備的程序流程圖Fig.8 Program flow chart of information querying and displaying equipment for spinning broken ends

3 結束語

細紗斷頭檢測與信息顯示系統通過巡回式細紗斷頭檢測小車檢測環錠紡細紗機斷頭，實現了多錠位共用1套檢測裝置，從而大幅度降低了系統硬件成本。系統將巡回式細紗斷頭檢測小車檢測到的斷紗信息通過通信基站發送給數據庫進行存儲，繼而通過 C++程序查詢數據庫中存儲斷紗信息的表，將紡紗過程中斷紗的情況實時地顯示在平板電腦上。擋車工根據當前所處的位置優先選擇處理距離自己較近的或斷紗時間較長的錠子，提高工作效率，節約粗紗用量。整個軟件系統結合車間工人的意見，采用不同顏色標識斷頭時間，可很好地適應不同車間細紗機布局差異及錠數差異，滿足了生產需求，可更加精確、穩定地顯示斷紗信息。目前本系統已在山東德業紡織品有限公司的1個細紗車間運行并改進了近1年，能夠可靠地檢測細紗斷頭并能穩定地顯示斷頭信息，利于提高擋車工的工作效率和細紗機的生產效率。

FZXB

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