面向整經設備的監控管理系統設計

摘 要：基于目前紡織行業紗線生產過程中設備監控困難和管理低效問題，開發一套針對紗線整經工序的監控管理系統。該系統主要由下位機、上位機和數據庫組成。下位機使用stm32和傳感器實現數據采集，采用DM9000網絡芯片和LWIP協議實現上、下位機的通信；上位機軟件使用Qt開發，實現設備監控與交互功能；數據庫采用SQLite，實現車間和設備數據的存儲。試驗結果表明：該系統可同時對車間多臺整經設備進行有效監控和管理，提高了整經工序的智能化水平。

關鍵詞：紡織機械；監管系統；數據采集；紗線監控；網絡通信；數字化管理

中圖分類號：TS103.7文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）03-0259-05

Design of Monitoring and Managing System for Warping Machine

Abstract：With regard to the difficulties of equipment monitoring and inefficient management in the yarn production process in the textile industry， develops a monitoring and management system for the yarn warping process. The system mainly consists of a lower computer， an upper computer， and a database. The lower computer uses stm32 and sensors for data acquisition， and DM9000 network chip and LWIP protocol for communication between the upper and lower computers; the upper computer software is developed with Qt for equipment monitoring and interaction; the database uses SQLite for workshop and equipment data storage. The test shows that the system can effectively monitor and manage multi-warping machines in workshop simultaneously， and improve the intelligence level of warping process.

Keywords：textile machinery; supervisory system; data collection; yarn monitoring; network communication; digitization management

0 引言

整經工序是將一定根數的經紗按規定的長度和寬度平行卷繞在經軸或織軸上的工藝過程。在這一工序中，需要對每一根紗線的張力、行進速度、是否斷紗等狀態進行實時監測以確保成品不會出現橫條、跳絲等瑕疵。因此，在生產過程中，對這些狀態和數據有效地采集、監控和及時處理，對于高效生產高質紡織產品具有十分重要的意義。

近年來，國家大力推動產業智能化轉型升級，對紗線高效監控管理的研究已經成為紡織行業重點研究方向［1-2］。在紗線監控方面，東南大學顧李淼［3］基于紡紗過程中出現的氨綸絲和細紗線的狀態異常問題，研發設計了一款紡紗機械監測系統，主要由監測裝置、節點機和監控管理上位機構成，實現了對氨綸絲工況的實時監測和異常處理。其中，監測裝置負責實時監控氨綸絲的運行信號并發送到節點機，節點機負責收集多監測裝置的數據并通過無線WiFi發送到監控管理上位機，上位機實現了監測設備信息的顯示、異常報錯、數據存儲等功能。在數據管理方面，索劍等［4］針對目前紡織企業主要還是人工管理設備、產量和庫存等現狀，利用計算機網絡存取速度快、存儲容量大、準確性高等特點，開發了一款針織服裝企業紗線管理系統。系統以C/S架構為通信模式，以SQLSever為數據庫管理系統，在保證用戶安全和權限認證的情況下實現了紗線和庫存數據的增、刪、改、查等基本管理功能，滿足了用戶需求。

目前大部分紗線監控系統功能較為單一，本文開發的系統不僅能夠實現對紗線的良好監控和故障報警，還能夠對整個生產車間人員和設備進行統一管理，極大提高了企業的智能化水平。

1 系統總體結構

本系統主要由下位機、上位機和數據庫模塊構成。下位機包括數據采集模塊和網絡模塊，路由器用于擴展連接設備數量，其總體結構如圖1所示。

數據采集模塊對設備數據進行采集后通過網絡模塊發送到上位機，上位機對數據進行分類處理后在軟件界面顯示并與數據庫進行交互，將有效信息存儲到數據庫，方便后續查詢、統計和分析。

2 下位機設計

系統下位機包括數據采集和網絡通信兩部分。下位機整體結構框圖如圖2所示。本文所述整經設備已具備基本的設備參數采集功能，即圖中實線框模塊，包括stm32核心板、張力控制、紗線速度檢測等模塊，能夠實現設備運行所需的基礎功能。

在整經工藝中，對紗線張力的穩定性要求較高，而設備主控板只能調整紗線張力的大小，無法檢測紗線張力波動情況。因此，為了監控紗線張力的穩定性，需要對主控板功能進行擴展，如圖2虛線框所示。在紗線運行過程中，張力的直接測量較為困難，但有研究證明其與紗線振動頻率的平方存在一定的線性關系［5-6］，并且環境溫度和濕度也會使紗線線密度發生改變，間接影響張力大小［7］。因此，在設備參數測量方面，本系統在原控制板的基礎上增加了頻率和溫濕度測量模塊，以實現設備運行過程中對紗線張力穩定性的監控。網絡模塊提供通信接口，實現上位機與下位機的數據通信。

2.1 頻率測量模塊

紗線頻率測量模塊為獨立模塊，硬件部分使用紅外二極管和光敏三極管組成的紅外光電對管作為傳感器，兩管相對安裝，中間形成一條光路用于信號采集，采用stm32f103c芯片作為處理器，模塊PCB實物圖如圖3所示。光電對管捕獲紗線自激振動信號，經過信號調理電路濾波、放大、整形后轉換成合適的方波信號后輸入處理器，處理器捕獲信號后計算得到信號的周期和頻率，每次測量完成后使用串口轉RS-485電路將數據發送到主控板，主控板通過RS-485接口接收頻率數據。

模塊軟件部分主要用到stm32的串口、外部中斷和定時器。處理器通過IO外部中斷模式對信號進行識別，信號發生上升沿跳變觸發一次外部中斷，在中斷處理函數中統計上跳變次數。頻率測量方法采用計頻法，即通過采集一定時間內信號周期的個數計算頻率。每次計算完頻率值則通過RS-485接口向主控板發送一次數據。

2.2 溫濕度測量模塊

本系統采用AHT10對設備環境溫濕度進行測量［8］。該傳感器溫度測量范圍為-40℃～85℃，精度誤差±0.3℃，濕度測量精度誤差±2%，滿足一般工業環境測量需求。

傳感器輸出為經過標定的數字信號，標準IIC格式，因此模塊與主控板通信采用IIC通信協議。為了方便主控板IO資源的合理利用，模塊程序使用軟件IO模擬IIC通信的數據和時鐘線［9］，不使用標準硬件IIC接口。主控板每5 s讀取一次傳感器數據，更新環境溫度和濕度值。

2.3 網絡通信模塊

基于有線通信數據傳輸穩定可靠的特點，工業領域使用較為廣泛，因此本系統采用有線傳輸方式實現上下位機的網絡數據通信。為了使網絡通信穩定，減少物理接線帶來的影響，本系統將網絡模塊集成到主控板，統一使用stm32作為主控芯片。嵌入式網絡硬件一般分為MAC和PHY兩部分，由于stm32f103系列芯片沒有內置MAC，所以本系統選擇帶有MAC和PHY的DM9000作為網卡芯片［10］。主控芯片通過FSMC接口對網卡芯片進行訪問，采用16位數據位寬。對外網絡接口選用帶有濾波變壓器的HR911105A網口。網絡模塊實物圖如圖4所示。

網絡模塊通信協議采用嵌入式設備常用的輕量型TCP/IP協議棧LWIP［11］。本系統網絡模塊作為TCP客戶端，使用socket模式編寫程序，便于后期不同操作系統的移植。網絡數據接收采用中斷方式以減少處理器的開銷。程序執行流程如圖5所示。

3 上位機開發

本系統使用Qt作為上位機開發平臺［12］，上位機界面按功能分為監控界面和管理界面。監控界面包括主監控界面和單臺設備監控界面；管理界面包括登錄界面、個人中心界面、人員和設備管理界面、數據分析界面、報表界面。

3.1 監控界面

主監控界面是對車間環境與所有設備的整體監控，如圖6所示。最左側一列顯示所有在線設備，上位機作為多線程服務器，下位機為客戶端；第二列實時監控環境溫濕度和設備運行情況;第三列打印所有設備運行和故障信息；最后兩列為設備紗筒位置分布模擬，若產生斷紗，則會在監控信息界面輸出故障信息并在右側紗筒分布圖中顯示斷紗位置，詳情見試驗部分。

單臺設備監控界面能夠對連接到系統的設備進行單獨監控，如圖7所示。主要監控參數為紗線數目、紗線運行速度和頻率等。為了更清晰地反映紗線實時狀態變化情況，該界面還開發了紗線動態速度和張力變化曲線，曲線每2s更新一次，通過曲線的變化可以判斷出紗線張力的變化情況，若張力變化曲線的均值誤差達到10%，則曲線右上角亮紅燈報警，從而達到監控紗線張力穩定性的目的。

3.2 管理界面

登錄界面對登錄用戶進行管理，是上位機的第一個界面，用戶需輸入正確的用戶名和密碼才能登錄系統。系統設有權限功能，管理員與普通用戶可操作功能有所不同，部分功能僅對管理員開放。用戶權限和密碼由數據庫進行保存管理，以便用戶登錄時進行查找校對。個人中心界面可以查詢登錄用戶具體信息以及修改密碼。

人員和設備管理界面的主要功能為人員和設備信息的顯示和增刪改查等，實現了對車間人員和設備的集中統一管理。界面如圖8所示，信息的原始數據存儲在數據庫中。

數據分析界面主要以統計圖的方式對數據進行分析，具體為針對人員產量、設備產量、人員薪資、設備故障、財政收支等方面進行統計和對比，如圖9所示。從該界面可以直觀地看出車間或工廠人員、設備、資產等各方面的具體情況，簡潔明了。

數據報表界面實現了銷售訂單和采購訂單的錄入，并且能夠通過時間查詢和打印銷售和采購報表，使系統功能更全面，如圖10所示。

4 數據庫設計

SQLite是一款輕型的嵌入式開源數據庫［13］，占用資源低，處理速度快，并且Qt中包含了QSQLITE驅動［14］，因此本系統使用SQLite數據庫存儲數據。數據庫存儲的信息主要有人員信息、設備信息、產量信息、報警信息、報表以及每臺設備的運行和故障信息，Qt上位機在添加了sql模塊后可以調用相關的類函數對數據庫進行存取操作。

5 監控管理試驗

5.1 系統運行試驗

將上位機與下位機通過網線連接，或者使用路由器作為中轉站以連接多臺設備。登錄上位機，啟動設備，查看上位機顯示情況。

首先是主監控界面，如圖6所示。從左側設備列表可以看到，此時有編號不同的3臺設備已上線，紅燈亮表示上線但未啟動，綠燈亮表示設備正在運行。由圖可以看出所有監控參數均顯示正常，監控信息輸出正常。接著雙擊設備列表中編號為30的設備，打開設備30的監控界面，如圖7所示，由速度和頻率曲線和張力指示燈可知，此時30設備處于正常運行狀態，所有參數均顯示正常。最后查看其他界面顯示情況，如圖8—圖10所示，畫面顯示流暢且正常，數據報表能夠查詢和打印，將數據與數據庫進行對比發現數據完全一致。

以上步驟經過多次長時間測試后均正常，因此可以得出結論：系統能夠實現對多臺設備的監控功能，并且能夠對車間設備、人員進行高效管理，能對生產數據進行有效分析。

5.2 故障監控試驗

整經設備在運行過程中，由于紗線較細且具有一定張力，容易出現斷紗現象，這也是整經工序中最需要監控和及時處理的故障，因此本節僅對斷紗故障進行監控試驗。

將設備與上位機連接，啟動設備，當設備正常運行后人為剪斷紗線模擬斷紗故障，監控界面如圖11所示。監控信息欄打印出了斷紗故障報警和斷紗位置，同時控制設備停機，右側紗筒分布欄對應斷紗紗筒亮紅燈，起到警報效果。操作人員根據斷紗位置可快速前往處理。查看數據分析界面，對應設備的故障次數增加1，說明此次故障已錄入數據庫。

點擊主監控界面的消息按鈕，可以按時間查詢歷史消息和報警記錄，其中報警歷史記錄查詢界面如圖12所示。

在多次試驗過程中系統均能準確判斷錯誤并找到斷紗位置，因此得出結論：系統能夠對斷紗故障進行有效監控。

6 結語

本文主要設計了一款針對紗線整經設備的監控管理系統。經試驗，本系統能夠實現紗線狀態的監控和斷紗故障報警，同時可以對車間人員和設備進行信息化管理，對生產數據進行有效分析，在一定程度上降低了企業管理成本，提高了生產效率和智能化水平。

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