基于物聯網技術在經編工業生產中的應用

陽韜 蔡沂

摘要：隨著工業4.0時代的到來，工業生產的自動化程度越來越高，物聯網技術以及無線通信技術在智能化生產系統中廣泛應用，而目前經編車間生產管理仍然相對落后，本課題研究設計一種針對經編機的遠程監控和管理的物聯網系統，包括數據通訊部分、監控管理中心、云服務器以及移動終端等，研發系統軟硬件，完成對車間中經編機實時監測和控制，以實現高效的生產和遠程管理。

關鍵詞：經編機;遠程監控;物聯網;無線網絡;數據采集

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）13-0288-04

紡織行業屬于勞動密集型行業，在紡織車間中，需要大量的工人對機器操作和維護，尤其對于經編行業，大部分機器一天工作時間在20小時以上，經編機在進行織造工作的過程中會出現機械故障和織造故障等問題，需要人工維護和處理，紗線盤頭在使用一段時間之后，紗線用完需要及時更換盤頭，針織一定時間后卷布車已經卷滿，需要處理布匹，目前這些工作一般都是通過工人在現場實時觀察來判斷并處理的，而在大型的經編機車間，數量眾多的機器需要大量的工人來操作和維護，如果能將物聯網技術應用于經編機控制和管理中，能夠大大提高生產效率，并且能夠節約大量的人力資源成本，因此研究一種遠程監控和管理的經編機物聯網系統具有重要的意義。

根據物聯網技術特點與應用基礎，本項目分析經編車間織造工作的特點，結合物聯網相關技術，設計和實現一套基于無線網絡的經編機物聯網系統，旨在節省人力成本，提高自動化程度，提高生產效率。

1總體設計

1.1系統體系結構

本系統集成經編機電控技術和物聯網技術，包括數據通訊卡、無線傳輸模塊、監控中心、云服務器以及終端設備等，組成一套完整的監控管理系統，該系統部署于經編機電控系統的基本上，車間內所有經編機可以通過本系統連接到監控管理中心，車間內組成一個無線監控網絡，監控中心通過互聯網連接到遠程云服務器端，數據在云服務器端處理和存儲，管理者可以通過手持終端（手機或者平板電腦等）訪問云服務器的數據，以實現遠程實時的管理經編機車間，其原理框架如圖l所示。

整個系統使用了無線網絡、以太網等傳輸信息，在經編機織造車間內部主要的傳輸媒介是zighee無線網絡，外部采用的互聯網傳輸信息，實現管理者、監控系統對經編機的實時監控和管理。

1.2數據傳輸過程

經編機開始工作，首先需要設置相關的織造和送紗數據，電控系統會根據設置的這些數據控制機械開展織造工作，運行過程涉及如機速，盤頭數據，班產量等數據，這些數據要求實時的傳輸到管理中心，同時管理中心的控制數據和工藝數據，如織造工藝文件和機器運行速率等，要傳輸到車間中的經編機控制系統，傳輸這些數據要求實時性高，但是這些傳輸數據的量不大，不需要太高的傳輸帶寬，基于cc2530的2.4GHz的zigbee網絡能夠達到傳輸的要求。

數據傳輸過程如圖2所示，數據的傳遞是雙向的，數據可以從經編機電控系統到數據監控中心，監控中心可以將數據發送到經編機的電控系統完成參數設置。

2監控管理中心軟件

監控管理中心主要服務器機房組成，在監控主機上運行管理和數據通信的軟件平臺，實現對整個車間的管理。監控中心可以實時的接收經編機車間傳輸過來的經編機運行數據，在大屏幕上面顯示，同時將數據在監控主機本地處理和保存，當某臺經編機發送故障時，故障的代碼會傳輸到監控管理中心，監控管理中心的大屏幕上彈出報警信息，顯示對應的機器編號和故障類型等。

管理者可以在監控管理中心，針對某臺機器進行遠程的數據設置和操作，在操作臺選擇對應的機器編號連接到對應經編機的電控系統，可以在人機界面上輸出相關設置信息最后發送到經編機電控系統，這些信息主要是一些送經工藝和參數等。

監控管理中心將處理好的數據信息傳輸到遠程的云服務器平臺上，這些數據是根據管理者的要求定制，一般管理者需要遠程查看的主要是一些班產量，開機記錄，故障率，布匹長度等數據，管理者可以通過手機等設備連接互聯網，訪問云服務器保持的數據。

管理中心軟件功能結構如圖3所示，包括通信模塊、機器管理、參數設置、數據監控、統計模塊、故障處理以及人機交互等模塊。

通信模塊：通信部分包括兩個方面，與經編機電控系統通信，讀出要監控的數據和寫人設置參數，另一方面是與云服務器通信，將要保存在云端的數據發送到云服務器，可供管理者遠程訪問。

機器管理：管理多個車間，對每個車間中的每臺設備進行管理。

參數設置：初始化的系統參數和盤頭數據設置，還有一些針對運行時的工藝參數設置。

數據監控：實時的監控機器運行數據如機速、實際送經量等，盤頭數據實時監控防止盤頭用盡需要重新穿紗的情況。

統計模塊：班產量統計，還有就是機器運行情況統計，每天的開機停機次數和時間，計算開機和運行效率等。

故障處理：產生故障的原因有機器系統自身原因導致的故障，另外就是外部原因導致的故障，都需要統計并且生成相關的日志數據。

人機交互：在管理中心的大屏幕顯示，每個車間所有機器的狀態，包含多個子界面，可以詳細顯示機器的運行數據，還有人機操作輸入臺，可以在界面上輸入的數據。

3數據采集實現

數據在經編機和管理中心之間傳輸，主要是通過兩個關鍵模塊，第一個是基于stm32的嵌入式數據通信卡，主要是完成數據的采集和處理，數據采集卡主要從經編機電控系統獲取數據，同時還通過采集經編機機床上面傳感器的數據。另外一個模塊是基于cc2530的zigbee無線模塊，主要是完成數據的無線傳輸。

3.1數據通信硬件框架

整個系統控制和數據采集的對象是經編機，數據通訊卡作為中間媒介與經編機電控系統通信，同時采集機身上傳感器的信號，在經編機電控系統的基礎上配置數據通訊卡，數據通訊卡配置傳感器接口，可以連接編碼器、壓力、溫度及張力等傳感器采集數據。配置RS485接口，連接經編機電控系統，軟件實現modbus總線通信協議，與經編機電控系統實現數據的交互。

數據通信卡與經編機電控系統的主控制器之間通過串口完成通信，硬件上采用的是總線方式連接。經編機的主控制器可以有多種形式，可以為PLC，也可以是基于單片機或者DSP的運動控制卡，只要是主控制器上面配置了USART，主控制器的USART口連接MAX485芯片，通過485總線接口與stm32F407芯片通信，通過雙方實現modbus總線協議，完成通信，由stm32端為modbus總線的主站，經編機主控制器作為從站。

3.2通信卡硬件電路結構

數據通訊卡通過RS485總線與經編機電控系統通信完成數據的讀取，同時采集機身上的傳感器的信號如油壓油溫張力等，匯總成監控數據包，通過zigbee無線網絡傳輸數據到匯聚接收器，再由匯聚接收器通過有線以太網傳輸到數據監控中心，在監控中心的大屏幕上顯示各個車間機械的狀態和運行數據，每天會將每臺機器的運行情況自動生成日志文檔，供管理者查閱。

數據通訊卡電路包括以下部分，stm32最小系統、網絡通信接口、總線通信接口、繼電器控制模塊以及傳感器接口等部分，如圖5所示。

stm32單片機最小系統部分主要是由stm32F407芯片組成，該單片機工作主頻在168MHz，具備高性能Cortex-M4的內核，滿足系統數據采集和無線通信的需求。

網絡通信接口主要包括兩個部分，一個是有線以太網接口，直接連接網線可以通過有線的方式傳輸數據，另外一個網絡數據傳輸是通過低功耗的zigbee無線網絡來實現，每臺機器上配一個數據通訊卡和zigbee通信模塊，每個zigbee通信模塊作為一個無線網絡的終端節點，與匯聚接收器一起組成zigbee無線網絡，完成數據的傳輸，采集數據傳輸到監控管理中心。

數據通訊卡配置工業標準的通訊接口RS232接口，RS485接口，CAN總線接口等，以適應不同的經編機電控系統，部分主控制電路板可以采用CAN總線的數據通信接口，還有部分工控機和人機觸摸屏采用的是RS232或者RS485的通訊接口，數據通訊卡的多接口設置是為了適應不同的經編機控制系統的需要。

3.3通訊卡軟件實現

3.3.1數據采集模塊軟件控制流程圖

數據通訊卡是以stm32單片機為核心的硬件電路，在keil環境下基于c語言開發軟件，軟件需要完成傳感器信號的采集，與經編機電控系統的modbus總線通訊，另外一端通過zig-bee無線信號實現與監控管理中心的通信。數據通信卡的程序控制流程如圖所示，上電后啟動通訊卡，先對板載資源的初始化，接著采集機身傳感器的信號，進行RS485總線通訊，通過zigbee通信，完成這些之后就實現了經編機電控系統到監控管理中心的連接，開啟監控模式，在這個過程中如果出錯或者通訊異常，則會重新初始化，重復前面的步驟，當連續初始化達到5次，說明系統存在某些故障，則輸出停機信號和報警信號，提示維護人員處理。

3.3.2數據通信協議

數據通訊卡采集獲取數據的主要方式是從經編機主控制板讀取，通過軟件實現modbus RTU協議，數據采集卡作為mod-bus總線通信的主站，經編機電控系統主控制板作為從站，實現數據的傳輸。

03功能碼：讀取多個字操作，將需要在監控中心統計的數據通過0x03功能碼讀出來。

主站發送報文格式：

10功能碼：寫人多個字操作，將監控中心傳輸過來的數據通過0x10功能碼寫入，發送經編機電控系統。

主站發送報文格式：

在modbus通信的過程中需要從控制系統讀取數據，也需要將監控中心管理端傳送過來的設置參數寫人到控制系統之中，通過modbus協議的指令功能碼0x03讀多個字操作，從經編機電控系統中讀取數據，通過指令的0x10功能碼實現寫多個字操作，將數據寫入到經編機電控系統中。需要傳輸的數據分成數據幀，每幀數據按照modbus總線協議進行通信，需要傳輸的數據放在一幀信息的數據位來傳輸，涉及表1中的數據需要傳輸實現的。

4總結

經編機無線數據采集系統，在經編機電控系統的基礎上添加數據通訊卡，采集經編機機床上傳感器的數據，同時通過RS485總線與經編機控制系統的主控制器通信，獲取機床運行時的數據，通過zigbee無線網絡發送到遠程的監控管理中心，遠程的管理中心也可以發送的控制數據和工藝數據等傳送到經編機控制系統，對經編機的織造數據完成遠程快速的設置，大大提高了工作效率，同時節約了大量的人力成本。

數據采集系統會將每天機器每天的班產量等信息匯總傳送到監控中心，監控中心收到數據后進行處理，會在本地機上面進行保存，生成生產產量記錄和統計，方便管理者查看，由監考中心的軟件處理數據，節約了人力成本。基于物聯網技術在經編機生產管理中的應用研究，開發經編機物聯網系統，能夠節約人力資源成本，同時提高了經編機織造工作的效率。