基于物聯(lián)網(wǎng)的電錠細(xì)紗機(jī)信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉春曉，李慧敏，王聿洋

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

細(xì)紗工序是紡織廠的一個(gè)重要工序，對(duì)紡紗的產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗、勞動(dòng)生產(chǎn)率、成本至關(guān)重要，并且紡紗廠的規(guī)模都是以該工序所擁有細(xì)紗機(jī)的總錠數(shù)來表示。隨著“中國制造2025”的落地實(shí)施，作為中國傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)的中國紡織行業(yè)，在傳統(tǒng)紡織技術(shù)與新技術(shù)之間的差距不斷拉大的情況下，也在進(jìn)行著一場變革。中國紡織行業(yè)正式邁進(jìn)智能化、數(shù)字化的轉(zhuǎn)型當(dāng)中。

傳統(tǒng)的人工采集數(shù)據(jù)方式[1]，觀測斷頭故障，記錄細(xì)紗機(jī)錠位的工作數(shù)據(jù)；大量數(shù)據(jù)的采集受視野局限、個(gè)人能力以及責(zé)任心的影響較大，斷頭頻繁發(fā)生的錠位需要用心記錄才能發(fā)現(xiàn)，并且隨著勞動(dòng)力的短缺，僅依靠傳統(tǒng)的人工檢測難以提高生產(chǎn)效率。經(jīng)統(tǒng)計(jì)細(xì)紗斷頭集中分布在5%的錠位上[2]。故障頻發(fā)錠位生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量及其他指標(biāo)和正常紗錠相比有很大差別，因少數(shù)的瑕疵而降低整體的質(zhì)量。為此，文中設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的電錠細(xì)紗機(jī)信息化系統(tǒng)，將電錠工作數(shù)據(jù)及時(shí)有效地傳輸、存儲(chǔ)，及時(shí)分辨出這5%的錠位，進(jìn)而提升產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

基于物聯(lián)網(wǎng)的電錠細(xì)紗機(jī)信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信技術(shù)，可以減少車間走線，便于安裝。5G網(wǎng)絡(luò)建成后速率是4G網(wǎng)絡(luò)的100倍[3-4]，這意味著信息獲取與傳輸?shù)馁|(zhì)量有質(zhì)的提高。在此基礎(chǔ)之上，物聯(lián)網(wǎng)可以更好地運(yùn)用于生產(chǎn)，錠位的工作數(shù)據(jù)信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器，并將其作為歷史記錄存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，便于統(tǒng)計(jì)管理，也為智能化工廠奠定了基礎(chǔ)[5]。

圖1 主控系統(tǒng)Fig.1 Main control system

1 現(xiàn)場終端設(shè)計(jì)

為方便車間工作人員察看電錠的工作情況，電錠細(xì)紗機(jī)信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主控制面板。該控制面板外接有TFT-LCD液晶顯示屏，液晶屏幕中顯示有數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)信息，并設(shè)計(jì)有一個(gè)條形圖，通過漸變的顏色（綠色—黃色—紅色）和條形的高度來顯示斷頭次數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，使高頻故障信息一目了然。

主控面板主要完成3個(gè)工作任務(wù)：①接收/顯示斷頭故障信息；②系統(tǒng)狀態(tài)顯示；③數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

主控系統(tǒng)如圖1所示?？刂菩酒捎肧TM32 F103VCT6，通過USART2連接SIM800A，用于通過TCP連接和PC端通信，完成數(shù)據(jù)的上傳任務(wù)；通過USART3連接無線模塊（DN-LN33），該模塊用于接收電錠故障信息；通過FSMC接口控制TFT-LCD液晶屏的顯示，該顯示器用于顯示GPRS通信的狀態(tài)、SIM卡的信號(hào)強(qiáng)度、故障信息條形圖等信息；通過GPIO連接有紅/綠色LED指示燈、蜂鳴器，用于輔助報(bào)警，提醒相關(guān)人員前來維修。

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。系統(tǒng)搭載了μC/OS-Ⅲ實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

圖2 系統(tǒng)工作流程Fig.2 System work flow chart

系統(tǒng)初始化完成后執(zhí)行以下3個(gè)任務(wù)：

主任務(wù)負(fù)責(zé)接收電錠終端發(fā)送的電錠工作數(shù)據(jù)信息，其數(shù)據(jù)包含但不限于起停、滿錠、故障信息以及維護(hù)等數(shù)據(jù)；并且將信息及時(shí)上傳至服務(wù)器，同時(shí)改變相關(guān)狀態(tài)量的值。

LCD顯示任務(wù)負(fù)責(zé)顯示斷頭故障條形圖、SIM卡強(qiáng)度、數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)以及獨(dú)立看門狗復(fù)位次數(shù)。

獨(dú)立看門狗任務(wù)每隔500 ms喂狗一次，以避免系統(tǒng)因外界干擾出現(xiàn)程序跑飛而發(fā)生死循環(huán)的情況。

2 數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)

綜合考慮成本、性能等因素，數(shù)據(jù)的傳輸采用無線技術(shù)。無線傳輸可以擺脫線纜的束縛，安裝周期短，維護(hù)方便。ZigBee是一種高可靠的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用印刷式天線通信距離為75 m，當(dāng)數(shù)據(jù)傳送目標(biāo)地址大于75 m時(shí)，可以通過附近的模塊進(jìn)行多跳傳輸。電錠故障信息通過無線傳輸傳至主控制面板，主控制芯片STM32將收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GPRS的數(shù)據(jù)包，通過SIM800A模塊進(jìn)行GPRS通信，實(shí)現(xiàn)與電腦的TCP數(shù)據(jù)傳輸。

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸與顯示

DL-LN33無線自組網(wǎng)模塊工作在2400～2450 MHz頻段。該模塊采用TI的CC2530芯片，支持無線自組網(wǎng)多跳傳輸，相比傳統(tǒng)的ZigBee，使用更加簡便，便于工廠安裝和使用。

無線傳輸系統(tǒng)如圖3所示。圖中，電錠終端通過Uart接口連接有無線傳輸模塊，各個(gè)模塊分配有相同的信道和網(wǎng)絡(luò)ID，不同的地址。無線傳輸模塊網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置見表1。主控制芯片的無線模塊地址作為目標(biāo)地址，用于接收電錠斷頭故障錠位信息。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸Fig.3 Data transmission

表1 無線傳輸模塊網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Tab.1 Wireless transmission module network parameters

主控芯片STM32將收的數(shù)據(jù)解析處理后顯示在TFT-LCD上，根據(jù)故障次數(shù)的不同，輸出相應(yīng)的條形圖的顏色深度和高度。TFT-LCD模塊的控制器芯片為ILI9320。該控制器自帶顯存。模塊的16位數(shù)據(jù)線與顯存的對(duì)應(yīng)關(guān)系為565方式，即5位用于R（紅字），6 位用于 G（綠色），5 位用于 B（藍(lán)色）。 將需要更換電錠的斷頭次數(shù)設(shè)定為紅色（R31-G0-B0），零斷頭設(shè)置為綠色（R0-G63-B0），中等斷頭次數(shù)為黃色（R31-G63-B0），其他故障次數(shù)根據(jù)算法設(shè)定為綠色漸變至紅色。通過條形圖的顏色和高度可以清晰地察看到電錠的工作狀況。

2.2 PC端數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)

在PC端通過MySQL新建一個(gè)數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)不同錠位的工作數(shù)據(jù)信息。在遠(yuǎn)程控制中心PC中創(chuàng)建一個(gè)Socket，編程監(jiān)聽8080端口，同時(shí)解析監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)，并將其存入數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的數(shù)據(jù)表。該數(shù)據(jù)表簡潔明了，相當(dāng)于歷史記錄，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)表記錄了每個(gè)錠位的故障發(fā)生時(shí)間和次數(shù)信息。有了這個(gè)數(shù)據(jù)，管理人員可以遠(yuǎn)程讀取電錠工作狀態(tài)并及時(shí)分析處理，找到相應(yīng)的原因通知工廠相關(guān)人員及時(shí)維修或者更換新的電錠，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3 試驗(yàn)

通過試驗(yàn)測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和正確率。在此，重點(diǎn)測試TFT-LCD液晶顯示屏的顯示狀態(tài)和GPRS數(shù)據(jù)傳輸這2個(gè)功能。

3.1 TFT-LCD液晶屏顯示測試

向目標(biāo)無線模塊地址發(fā)送特定格式的數(shù)據(jù)包，解析后更新TFT-LCD顯示屏條形圖的顯示。數(shù)據(jù)包格式為

包頭+源端口號(hào)+目的端口號(hào)+遠(yuǎn)程地址+數(shù)據(jù)+包尾數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)見表2。

表2 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)Tab.2 Packet structure

例如：FE 05 A0 A0 01 00 11 FF，即將數(shù)據(jù)0x11發(fā)送至地址為0x0001模塊，源端口號(hào)與目的端口號(hào)均為0xA0。每發(fā)一次上述數(shù)據(jù)包，對(duì)應(yīng)錠位的條形圖顏色逐漸向紅色加深，高度也隨之增加。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 終端斷頭故障信息顯示Fig.4 Terminal breakage fault information display

3.2 PC端數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)

測試表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性主要受內(nèi)網(wǎng)IP變化及GPRS網(wǎng)絡(luò)本身的影響。網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境為學(xué)校內(nèi)網(wǎng)，采用花生殼內(nèi)網(wǎng)映射的方式建立外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)的連接，因此GPRS數(shù)據(jù)傳輸受內(nèi)網(wǎng)IP動(dòng)態(tài)變化的影響。測試在內(nèi)網(wǎng)IP未發(fā)生變化的情況下進(jìn)行。

數(shù)據(jù)信息通過SIM800A模塊和PC建立的TCP連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互傳。該模塊的GPRS透傳功能上行最大傳輸速率42.8 kb/s，下行最大傳輸速率85.6 kb/s。在校園網(wǎng)內(nèi)，用花生殼將內(nèi)網(wǎng)映射到一個(gè)固定IP，這樣就相當(dāng)于擁有了一個(gè)公網(wǎng)IP，可以實(shí)現(xiàn)電錠終端和PC端的通信。在Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境中，用C#語言編寫一個(gè)控制臺(tái)應(yīng)用程序，綁定8080端口和服務(wù)器的IP地址構(gòu)造ServerSocket用于監(jiān)聽客戶的連接。SIM800A模塊接入后，服務(wù)器從Socket對(duì)象中獲得輸入流和輸出流，將監(jiān)聽的數(shù)據(jù)解析后存入數(shù)據(jù)庫名為Text相應(yīng)的數(shù)據(jù)表，至此，實(shí)現(xiàn)了工廠電錠終端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。通過動(dòng)態(tài)域名解析進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)傳輸測試，其中3個(gè)電錠錠位的斷頭故障數(shù)據(jù)歷史記錄數(shù)據(jù)如圖5所示。

該系統(tǒng)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸，PC端成功監(jiān)聽了8080端口狀態(tài)并完成數(shù)據(jù)入庫。測試中，3個(gè)錠位的63條記錄傳輸中僅出現(xiàn)過1次錯(cuò)誤，且該錯(cuò)誤是由于網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)所引起的，可見，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率高達(dá)90%以上，滿足了系統(tǒng)工作需求。

圖5 斷頭故障數(shù)據(jù)表的顯示界面Fig.5 Display interface of broken ends fault data table

4 結(jié)語

文中所設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的電錠細(xì)紗機(jī)信息化系統(tǒng)，操作簡單，安裝方便，可以有效地提高細(xì)紗機(jī)電錠工序的生產(chǎn)效率。數(shù)據(jù)的無線傳輸和存儲(chǔ)為管理層提供了分析的數(shù)據(jù)來源和依據(jù)，便于及時(shí)發(fā)覺并更換高頻故障錠位，提高了細(xì)紗生產(chǎn)質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)提升了數(shù)據(jù)的精度和傳輸?shù)募皶r(shí)性，同時(shí)為管理層提供了充足的數(shù)據(jù)支持，有利于智能化工廠生產(chǎn)和管理的實(shí)現(xiàn)。