圓緯機互聯互通關鍵技術

彭來湖， 陳青松， 汝 欣， 胡旭東， 沈春婭

(1. 浙江理工大學 現代紡織裝備技術教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018;2. 浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

隨著針織企業的生產向規模化、多樣化方向發展，同一家企業往往多廠區夸區域分布，同一產區往往多車間分工種管理，同一車間往往多設備多任務并行生產，而目前針織設備的自動化水平還處于單機數控化狀態，設備維護和生產管理主要依靠人工操作，這對企業管理者在生產管理和設備維護上帶來了很大難度，加上設備的擴充，勢必造成工人數量增加，使得設備、人員和生產的管理問題日益突出，而隨著人為主觀因素在生產過程中的權重逐步加大，許多生產、設備信息無法及時準確地反饋到企業管理者的手中，從而使得決策者無法對生產和市場做出高效判定，給企業帶來損失[1]。這使得設備聯網集中監管，設備間互聯互通，生產計劃云端統一管理的“數字工廠”的需求成為現代針織生產型企業的真實需求，為滿足這種需求，需要解決針織設備聯網問題，而目前同一種針織圓緯機設備往往由多個制造企業提供，不同品牌不同系列設備控制器差異大，互聯困難，因此，不同品牌不同系列針織圓緯機設備聯網，設備間互聯，數據實時收集，云端集中分析調控是需要研究的核心問題。

目前，物聯網技術應用廣泛，它是以互聯網為核心，高度集成和綜合應用的新一代信息技術，實現物體與物體的相連通信，近年來發展迅速[2-3]，但針對針織領域的設備互聯互通研究報道較少見，浙江理工大學、江南大學、天津工業大學等高校本領域教師和科研人員有開展少量相關技術探討和工程應用實踐。本文根據針織圓緯機的生產工藝要求，應用物聯網技術，對針織設備互聯互通關鍵技術進行了研究，提出了一種適應多產區、多車間、多設備的針織圓緯機機聯網網絡架構和設備側聯網、互聯的解決方案。

1 機聯網總體網絡構架設計

物聯網本身的結構復雜，系統多樣，一般將物聯網的結構分為3個層次：感知層、網絡層、應用層。機聯網中網絡層設備聯網構架如圖1所示。面向制造企業車間執行層的生產信息化管理系統(MES)銜接著企業的廠區生產現場與計劃管理層的管理系統，用于廠區生產控制與計劃管理層之間的溝通，解決企業信息鴻溝問題，承擔著承上啟下的作用[4-5]。產區與產區間通過廣域網相連，每個產區中由路由器覆蓋無線網絡，產區中各車間的聯網機臺通過路由器進入廣域網。聯網機臺由此過程把機臺運轉數據發送至云端服務器。云端服務器將接收的數據按照一定的方式存儲進數據庫，數據服務平臺從數據庫中讀取數據并解析，在網頁上顯示當前機器運轉狀況。通過平臺既可了解機器運轉情況，也可對相應的機臺下發如：產量、花型、轉速等參數，實現了針織圓緯機的遠程實時監管。

圖1 設備聯網構架Fig.1 Architecture of equipment networking

2 針織圓緯機設備聯網方案設計

WiFi全稱wireless fidelity，實質上是一種商業認證，具有WiFi 認證的產品符合IEEE 802.11 a/b/g/n無線網絡規范，是當前應用最為廣泛的WLAN標準，一般工作在 2.4 GHz頻段，具有無線電波覆蓋范圍廣、組網簡便、傳輸速度快、業務可集成、完全開放的頻率使用段等優點[6]。鑒于WiFi的以上優點和機器運轉的實際環境，最后選定WiFi并結合嵌入式技術，設計聯網模塊。

聯網模塊以高性能微控制器STM32為核心，引入WiFi模塊ESP8266進行系統的設計，聯網模塊通過無線網絡與服務器相連將機器運轉數據實時寫入數據庫中，數據解析后將機器運轉情況顯示在網頁上。聯網系統在滿足紡織廠生產管理需要的同時，充分利用網絡通訊等高新技術，降低用戶的使用成本。

聯網模塊與人機模塊通過串口通信的方式進行信息交互。STM32通過串口實現對WIFI模塊的配置，配置成功之后通過無線網絡使其可與遠程服務器之間進行數據交互，并將從服務器接收到的系統參數發送給人機模塊在顯示屏上顯示。聯網系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 聯網系統結構框圖Fig.2 Structure diagram of networking system

3 聯網模塊的硬件設計與驅動開發

3.1 WiFi模塊8266

8266是安信可(Ai-Thinker)科技有限公司開發的一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊。擁有業內極富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術，專為移動設備和物聯網應用設計，可將用戶的物理設備連接到WiFi無線網絡上進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能。8266是一個完整且自成體系的WiFi網絡解決方案，其強大的片上處理和存儲能力，使其可通過GPIO口集成傳感器及其他應用的特定設備，實現了最低前期開發成本和運行中最少占用系統資源[7-8]。根據針織圓緯機數據互傳帶寬需求和通信特點，采用8266設計聯網模塊硬件。

3.2 模塊硬件電路

聯網模塊的微控制器通過串口與ESP8266相連。模塊正常工作電壓為5、3.3 V，外部輸入5 V電源，經過穩壓濾波后，給模塊器件供電，同時經過電源轉換芯片AMS1117轉化為穩定的3.3 V給微控制器MCU和8266供電。

ESP8266-07S模組具有工作穩定、能耗低、支持多種工作模式、集成度高等優點。設計完成硬件模塊如圖3所示。在搭載應用并作為設備中唯一的應處理器時，可直接從外接閃存中啟動。內置的高速緩沖存儲器有利于提系統性能，并減少內存需求。ESP8266-07S 模組支持3種模式：softAP(8266作為無線網絡中心節點，允許設備接入) 模式，station(8266通過路由器連入無線網絡) 模式，softAP+station共存模式。同時，模組支持透傳功能，即8266只負責將數據傳到目標地址，不對數據進行處理，發送方通過8266發出的數據和接收方接收到的數據內容和長度完全一致，傳輸過程中8266好像透明一樣。聯網模塊采用的就是station和透傳模式來實現圓緯機聯網以及和云服務器數據交互。

圖3 無線模塊PCB實物圖Fig.3 Physical photo of wireless module PCB

模塊與人機間通過RS422接口規范，該通信方式采用差分傳輸，具有抗干擾能力強、支持遠距離、全雙工傳輸等優點，因此，模塊選擇串口收發芯片SP490E設計端口通信電路。

3.3 模塊驅動開發

STM32通過串口總線對8266配置，進而連接或斷開網絡。連接網絡的主要流程分別為請求應答、連接網絡、連接模式配置、數據發送模式配置、連接服務器等，其流程圖如圖4所示。

圖4 聯網流程Fig.4 Networking process

1)請求應答：尋找WiFi模塊，當聯網模塊上電后，如果WiFi模塊工作正常會回復STM32所發出的握手指令，表明運行模塊正常，如果沒回復則由STM32控制整個模塊復位。

2)連接WiFi：在WiFi模塊響應后，STM32按照AT指令格式發送WiFi名、登錄密碼給聯網模塊，模塊連接WiFi，若成功模塊返回OK。

3)模式設定：設定為8266工作模式為Station模式。Station模式下，8266本身不接受無線的接入，而是作為無線終端連接到無線收發器AP，一般的無線網卡即工作在該模式[9]。

4)登錄服務器：前幾步執行完畢后，WiFi模塊開始登錄服務器，如果登錄成功，則模塊返回OK，此時針織設備成功接入網絡，可與服務器進行數據交換。

聯網模塊與服務器建立連接前，必須根據服務器IP地址和分配的端口號接入服務器，聯網模塊處理器根據圓緯機控制器下發的無線網絡名稱、密碼、服務器IP地址以及端口號執行函數中的關鍵代碼實現對這些數據的組合和格式轉化，并通過串口發送至8266以驅動8266連接網絡和服務器。

4 聯網通信協議定制

根據機臺聯網特點和需要與服務器交互的信息類型[10]，設計了一套相應的機器聯網數據交互協議。協議主要包含2部分，數據信息頭以及數據內容。數據信息頭包含當前發送指令類型、發送時間、設備ID、指令長度、指令功能。數據內容則是機臺與服務器之間交換的信息。表1示出服務器發送指令到針織設備的數據包格式。管理系統(終端服務器)與針織設備(圓緯機)的通信指令可分為4種類型。

表1 管理系統發送指令到針織設備的數據包格式

1)控制型指令：管理系統向針織設備發送指令，針織設備收到指令后發回應答信號并執行指令。

2)數據傳輸型指令：管理系統向針織設備傳輸參數或文件，針織設備接收后向管理系統返回應答信號。

3)狀態查詢型指令：管理系統向針織設備發送狀態查詢指令，針織設備接收指令后返回設備狀態，如運行狀態，報警狀態等。

4)針織設備主動發送狀態數據：如針織設備某個子系統出故障時，設備主動向管理系統發送報警狀態，系統接收狀態信息后返回一個應答信號。

針織設備向管理系統發送信息的數據包格式如表2所示。每個數據包分為數據信息頭、數據信息。數據信息頭包括：指令類型代碼、時間戳、設備ID 3部分內容，為定長數據。數據信息部分根據指令類型不同而內容不同，為可變長數據。

1)控制型指令應答：指令類型為0X10，數據信息中應答信息為0X01。

2)傳輸型指令應答：指令類型為0X20。數據信息中應答0為接收失敗，1為接收成功。若接收失敗，則后接接收失敗原因(自定義)。

3)狀態查詢型指令應答：指令類型為0X30。數據信息中應答0為查詢失敗，1為查詢成功。若查詢失敗，則后接接收失敗的原因數據。若查詢成功，則后接查詢的狀態信息。返回的狀態信息依次包括，數據信息內容總長度、狀態查詢類型、根據狀態查詢類型不同相應按照單個參數或參數塊依次排列的數據。若查詢若干個單個參數，則每個參數數據中包括：參數塊代碼、參數代碼、參數值。若查詢若干個參數塊，則每個參數塊數據中包括：參數塊代碼、該參數塊中所有參數值。

4)狀態主動上報型：信息的指令類型0X40。數據信息中，數據信息內容包括狀態、數據信息內容總長度、自定義的上報信息。

TCP協議傳輸可靠，適合不定長度大數據交換。圓緯機控制器通過聯網模塊實現設備與服務器連接，聯網模塊與服務器之間采用TCP協議進行數據傳輸。

聯網系統主要以企業為單位建設，聯網圓緯機臺數一般在1 000臺的量級，單機數據保存空間需求在每小時2×104字節量級，以5 a為1個存儲周期，單臺服務器的存儲資源和接入響應性能滿足圓緯機設備的聯網需求。考慮到圓緯機控制器運行時,掉電數據保存的問題，掛接聯網模塊的圓緯機控制器，都配備了不間斷(UPS)電源，當外部電源斷開時，UPS工作，系統會自動保存運行參數并通知服務器系統即將停止運行。

表2 針織設備發送指令到管理系統的數據包格式Tab.2 Packet format of knitting device sending instruction to knitting devices

聯網模塊設計機器狀態主動上報機制，定時將機臺運轉狀態向服務器發送信息，服務器應當回復握手應答信息。如果服務器連續幾次未回應聯網模塊，聯網模塊判定與服務器連接斷開。聯網模塊每隔一段時間對機臺運行參數進行保存并向服務器發送聯網請求，待到與服務器連接恢復再上傳歷史數據。

5 聯網試驗

圓緯機控制器通過串口與WiFi模塊相連，系統上電后通過對人機界面的操作使系統接入無線網并登錄服務器。成功登陸服務器后，系統按照既定的協議，以5 s為間隔時間，向服務器發送如：報警、產量、轉速、編織花型等機器運轉參數。服務器將接收的數據解析后在網頁上顯示出來。 圖5示出連接聯網模塊的圓緯機控制器測試上發至服務器數據的實驗連接圖。

圖5 聯網試驗實物圖Fig.5 Hardware connection diagram of networking test

生產管理者也可通過服務器下發生產訂單(包括單號、產量、轉速等)，圓緯機控制器待當前訂單完成后，根據新的訂單執行生產任務。服務器對系統發送的狀態信息進行解析，準確的顯示出當前聯網設備運轉情況，實時性強，實現了紡織設備遠程監管功能。測試表明聯網模塊連接穩定，系統運轉良好。

6 結束語

經實驗室聯網測試，聯網模塊工作穩定，網絡連接可靠，通過聯網通信協議定制，實現與云端服務器的數據實時交互。針織圓緯機聯網系統的設計與實現具有顯著工程應用價值。

1)極大地降低了生產成本和相關人員工作量，更準確地取得織物的編織時間，排除人為因數在測算織物編織時間和對工人計件工作量的影響，更有效地制定生產計劃和更準確客觀地結算工人工資。

2)準確地獲取每臺機器的運行狀態，進一步準確地獲取每臺機器的開機率。排除人為因數造成的低開機率，通過監控每臺機臺的工作狀態，即可知道擋車工的工作狀態。

隨著大數據時代的到來，特別是在 “互聯網+”和 “中國制造2025”的大背景下，工業機器聯網(機聯網)以提高企業生產效率、提高自動化水平和作為 ERP、工業大數據服務基礎平臺而迅速崛起，所以本文聯網系統在未來將有很大的應用前景，可為紡織企業的生產和管理帶來革命性變化。

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