基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的竹節(jié)紗生產(chǎn)監(jiān)控

郭在峰, 劉燕卿, 徐伯俊, 謝春萍, 劉新金, 蘇旭中

(江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

研究與技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的竹節(jié)紗生產(chǎn)監(jiān)控

郭在峰, 劉燕卿, 徐伯俊, 謝春萍, 劉新金, 蘇旭中

(江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

目前ZJ-5A型數(shù)字式智能竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置中的觸摸屏只局限于車間現(xiàn)場查看和操作，且每臺細紗機只能由對應(yīng)的觸摸屏操作，不利于及時發(fā)現(xiàn)和處理問題。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進一步升級，在紡制竹節(jié)紗過程中，竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置的主控單元PLC控制細紗機的伺服電機，從而將生產(chǎn)信息通過ZigBee傳感網(wǎng)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，再從網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器中；竹節(jié)紗管理實時監(jiān)控系統(tǒng)采用網(wǎng)頁形式，從而實現(xiàn)對竹節(jié)紗生產(chǎn)過程狀態(tài)的監(jiān)控。結(jié)果表明：通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對竹節(jié)紗生產(chǎn)監(jiān)控改造，真正實現(xiàn)了多臺設(shè)備實時監(jiān)控及參數(shù)設(shè)置。通過登錄竹節(jié)紗管理系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，可以隨時隨地對竹節(jié)紗生產(chǎn)進行監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置。

竹節(jié)紗；物聯(lián)網(wǎng)；生產(chǎn)監(jiān)控；管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

花式紗因其產(chǎn)品的豐富性及多樣化，產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣，產(chǎn)品附加值高，在紡織領(lǐng)域日漸受歡迎。其中，竹節(jié)紗是花式紗的一種，即在長度方向上出現(xiàn)粗節(jié)、細節(jié)狀態(tài)的單紗線。目前主要采用改造后的環(huán)錠紡生產(chǎn)竹節(jié)紗，其應(yīng)用廣泛，例如牛仔布、窗簾、裝飾用品等。竹節(jié)紗的生產(chǎn)原理有四種：1)變牽伸型：利用改變細紗機的牽伸倍數(shù)來控制竹節(jié)的粗細；2)植入型：利用在前鉗口處喂入纖維須條來形成竹節(jié)紗的竹節(jié)部分；3)纖維型：利用纖維的浮游運動性能來形成條干不勻原理，喂入不定量的短纖維來控制竹節(jié)的粗細；4)涂色型：利用人在視覺上的色差效應(yīng)對紗線進行部分涂色。竹節(jié)紗的特征參數(shù)有基紗特數(shù)、竹節(jié)倍率、竹節(jié)長度、基紗長度及循環(huán)規(guī)律[1]。基紗特數(shù)是竹節(jié)紗上沒有出現(xiàn)粗節(jié)的紗的特數(shù)；竹節(jié)倍率即相同長度的竹節(jié)部分與基紗部分的定量之比，倍率是反映竹節(jié)紗質(zhì)量的一個重要指標；竹節(jié)長度是每個竹節(jié)的長度[2]。竹節(jié)紗的生產(chǎn)分為有規(guī)律竹節(jié)生產(chǎn)和無規(guī)律竹節(jié)生產(chǎn)。

本文主要探討采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)對竹節(jié)紗生產(chǎn)的實時監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置。監(jiān)控竹節(jié)紗在模糊狀態(tài)下和非模糊狀態(tài)下的長度、竹節(jié)段數(shù)及電機轉(zhuǎn)速、前羅拉轉(zhuǎn)速、設(shè)備地址和類型等相關(guān)參數(shù)；在生產(chǎn)竹節(jié)紗裝置上有一項很重要的參數(shù)即長度與倍率，這項參數(shù)包含了竹節(jié)的長度、基紗長度及倍率，可以直接表明竹節(jié)紗的生產(chǎn)狀態(tài)與質(zhì)量[4]。此方法的優(yōu)勢在于對多臺竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備進行實時監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置，相比于傳統(tǒng)的觸摸屏監(jiān)控及操作，可以更加方便、快捷地管理竹節(jié)紗生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

目前，由于國內(nèi)轉(zhuǎn)杯紡竹節(jié)紗應(yīng)用較少，限制了轉(zhuǎn)杯紡的生產(chǎn)發(fā)展，而環(huán)錠紡竹節(jié)紗應(yīng)用范圍廣，所以主要以生產(chǎn)環(huán)錠紡竹節(jié)紗為主；大部分紡織企業(yè)采用控制細紗機前羅拉轉(zhuǎn)速或中后羅拉轉(zhuǎn)速的原理來生產(chǎn)竹節(jié)紗[6]。竹節(jié)紗的生產(chǎn)裝置采用的是江南大學(xué)自主研發(fā)的ZJ-5A型數(shù)字式智能竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置，可生產(chǎn)多樣式的竹節(jié)紗，產(chǎn)品豐富，可通過觸摸屏界面調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。為了實現(xiàn)多臺設(shè)備實時監(jiān)控竹節(jié)紗生產(chǎn)狀況和設(shè)置竹節(jié)紗的相關(guān)工藝參數(shù)，設(shè)計開發(fā)一個PC客戶終端即竹節(jié)紗管理系統(tǒng)，并將生產(chǎn)竹節(jié)紗裝置中的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫同步，來操作PC客戶終端。通過連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，可在客戶終端上監(jiān)控竹節(jié)紗的生產(chǎn)狀況，將傳統(tǒng)技術(shù)上的竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置中的觸摸屏界面內(nèi)容用轉(zhuǎn)移到遠程的PC客戶終端上，能夠及時、直觀、方便地了解生產(chǎn)情況，簡化生產(chǎn)管理，提高生產(chǎn)和管理水平。

1.2 設(shè)計項目框架

通過了解竹節(jié)紗生產(chǎn)的流程和生產(chǎn)中的相關(guān)工藝參數(shù)來構(gòu)思框架，并通過ZJ-5A型數(shù)字式智能竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置中觸摸屏的設(shè)置參數(shù)，來構(gòu)建PC客戶終端的設(shè)計框架[7]。將觸摸屏中所有的功能通過計算機語言編程放入客戶終端中，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PC客戶終端的功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Functional structure of PC client terminal

1.3 系統(tǒng)組網(wǎng)方式

細紗機和ZJ-5A型數(shù)字式智能竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置連接了ZigBee無線傳感器，其主要是生產(chǎn)竹節(jié)紗裝置中的主控單元西門子PLC s7—200(CPU 224)與ZigBee通過RS-485接口連接。竹節(jié)紗的生產(chǎn)信息通過ZigBee傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)中，再通過網(wǎng)關(guān)傳輸并保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。本文設(shè)計的竹節(jié)紗控制平臺是通過網(wǎng)絡(luò)進入到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，讀取并保存多臺竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的信息，來實時監(jiān)控和設(shè)置參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 組成結(jié)構(gòu)

竹節(jié)紗生產(chǎn)監(jiān)控的硬件包括多臺細紗機設(shè)備、ZJ-5A型智能竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置、ZigBee無線傳感器、網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、PC客戶終端，其組成結(jié)構(gòu)順序如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)順序Fig.2 Structural order

2.2 通信實現(xiàn)

ZigBee技術(shù)以其經(jīng)濟、可靠、高效等優(yōu)點在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用前景,本文通過ZigBee無線傳感網(wǎng)技術(shù)，將細紗機生產(chǎn)竹節(jié)紗的相關(guān)信息通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器中，保證了傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性[3]。ZigBee無線傳感器與相關(guān)器件的連接實物圖如圖3所示。

圖3 通信器件實物Fig.3 Communication device

通信的目的主要是對竹節(jié)紗參數(shù)的讀寫及竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備機器運行狀態(tài)參數(shù)的讀取。對于設(shè)置竹節(jié)紗工藝參數(shù)，其主要有竹節(jié)長度、倍率及基紗長度；對于遠程訪問生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)，有電機轉(zhuǎn)速、前羅拉轉(zhuǎn)速、單數(shù)修正系數(shù)、雙數(shù)修正系數(shù)、輪系系數(shù)、開車延時、關(guān)車延時、速度控制門限等。通過訪問這一系列的參數(shù)，可以方便查看生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)及操作竹節(jié)紗生產(chǎn)的重要參數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

本文采用PHP語言來編寫竹節(jié)紗的PC客戶終端及與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器建立數(shù)據(jù)連接。該語言開放源碼、兼容性很高、安全可靠，能夠支持多種類型的數(shù)據(jù)庫，運行調(diào)試速度快，資源占有率小，適合應(yīng)用于監(jiān)控竹節(jié)紗生產(chǎn)的PC客戶終端[10]。本文的管理界面根據(jù)功能結(jié)構(gòu)來設(shè)計，管理系統(tǒng)界面可方便快捷地瀏覽竹節(jié)紗生產(chǎn)的狀況，其顯示界面大小比ZJ-5A型數(shù)字式智能竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置中觸摸屏大，可顯示更多的竹節(jié)紗信息，且不需要再通過觸摸屏不斷地點擊下一頁來瀏覽更多的信息，這樣為工作人員節(jié)省了更多的瀏覽時間以及減少了很多在瀏覽信息上的麻煩[12]。

3.1 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中同步竹節(jié)紗生產(chǎn)的信息。本文采用MySQL數(shù)據(jù)庫把將節(jié)紗信息與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器同步[8]。MySQL是目前較為流行的開源數(shù)據(jù)庫，是完全網(wǎng)絡(luò)化的跨平臺關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，MySQL數(shù)據(jù)庫可以稱得上是目前運行速度最快的SQL語言數(shù)據(jù)庫之一。

本文的竹節(jié)紗管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫名稱為“db_dlxt”，數(shù)據(jù)庫包含若干個數(shù)據(jù)表，每個數(shù)據(jù)表對應(yīng)竹節(jié)紗相關(guān)信息。建立竹節(jié)紗相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫“db_dlxt”，在此數(shù)據(jù)庫下再建立若干個所需要的數(shù)據(jù)表，并儲存所需的相關(guān)數(shù)據(jù)。至此，MySQL數(shù)據(jù)庫構(gòu)建完成。

傳統(tǒng)的觸摸屏是將竹節(jié)紗信息存放在竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置的主控單元PLC中，現(xiàn)在本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行升級，將傳統(tǒng)的觸摸屏技術(shù)與本文的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作對比，如表1所示。

表1 不同技術(shù)進行對比

通過將傳統(tǒng)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行對比，本文的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。

3.2 PLC地址與竹節(jié)紗數(shù)據(jù)地址映射

竹節(jié)紗主控單元PLC的設(shè)置及運行狀態(tài)通過RS-485連接到ZigBee無線傳感器，接著通過網(wǎng)關(guān)連接到相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，再通過Web服務(wù)器連接到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，對數(shù)據(jù)庫進行讀寫操作。為確保準確地讀寫竹節(jié)紗參數(shù)，需將生產(chǎn)竹節(jié)紗相關(guān)的一系列參數(shù)的地址與PLC中的通信地址一一對應(yīng)。

本文以竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備(包括主控單元PLC)作為通信的從站設(shè)備，利用Modbus從站指令來建立PLC地址與竹節(jié)紗數(shù)據(jù)地址的映射關(guān)系，確保對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器操作的準確性及可靠性。其Modbus從站指令的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖4表示了Modbus模式的通信下，從站的站地址為10，波特率為9600，偶校驗，接受數(shù)據(jù)存儲區(qū)的首地址是VW2002。通過Modbus從站指令進行循環(huán)掃描，來讀取竹節(jié)紗工藝參數(shù)的地址，其中生產(chǎn)竹節(jié)紗的三種重要參數(shù)：竹節(jié)長度、倍率及基紗長度對應(yīng)的PLC地址，如表2所示。

圖4 梯形圖Fig.4 Ladder diagram

竹節(jié)長度竹節(jié)長度對應(yīng)地址倍率倍率對應(yīng)地址基紗長度基紗長度對應(yīng)地址L1VW2002D1VW2L2VW2004L3VW2006D2VW4L4VW2008L5VW2010D3VW6L6VW2012L7VW2014D4VW8L8VW2016L9VW2018D5VW10L10VW2020

3.3 對竹節(jié)紗存放的數(shù)據(jù)庫操作

PHP提供了大量的MySQL數(shù)據(jù)庫函數(shù)，方便竹節(jié)紗控制平臺對MySQL數(shù)據(jù)庫進行操作[5]。

3.3.1 客戶端連接和選擇數(shù)據(jù)庫

竹節(jié)紗的工藝參數(shù)信息都與MySQL數(shù)據(jù)庫同步，要操作MySQL數(shù)據(jù)庫，首先必須與MySQL服務(wù)器建立連接。在連接到MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之后，使用mysql_select_db()函數(shù)選擇竹節(jié)紗數(shù)據(jù)庫db_dlxt。至此，竹節(jié)紗的PC客戶終端在與MySQL數(shù)據(jù)庫建立的基礎(chǔ)上選擇了竹節(jié)紗信息存放的數(shù)據(jù)庫db_dlxt。

3.3.2 讀取數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的位置

選擇相應(yīng)的竹節(jié)紗數(shù)據(jù)庫之后，在使用mysql_query()函數(shù)和mysql_fetch_object()函數(shù)對所需數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)進行查詢后，獲取查詢結(jié)果，返回值對象，這樣就能在相應(yīng)的功能界面中顯示所需要的數(shù)據(jù)。

3.4 運行調(diào)試

通過計算機語言將竹節(jié)紗管理系統(tǒng)構(gòu)建好以后，打開index.php文件，并通過電腦鍵盤F12快捷鍵來運行調(diào)試。監(jiān)控竹節(jié)紗長度與倍率操作界面，如圖5所示。

圖5 調(diào)試效果Fig.5 Testing results

4 結(jié) 論

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，并對其進行數(shù)據(jù)傳輸及與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器同步，采用計算機語言來設(shè)計竹節(jié)紗PC客戶終端，這是實現(xiàn)多臺竹節(jié)紗設(shè)備生產(chǎn)實時監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的關(guān)鍵。可方便、準確、不局限于車間現(xiàn)場監(jiān)控多臺細紗機生產(chǎn)竹節(jié)紗的基本情況和細紗機的運行狀態(tài)，同時可以根據(jù)用戶對紡紗的不同要求，在系統(tǒng)中添加需要的紡紗品種及所對應(yīng)的相關(guān)工藝參數(shù)。

未來，紡織企業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求會越來越大，PC客戶終端會越來越完善，技術(shù)也會越來越成熟，無線傳輸數(shù)據(jù)會越來越安全，這是企業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢。同時，在計算機實時監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上可以開發(fā)相關(guān)APP，在手機上實現(xiàn)實時監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置，以此來提高紡織企業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)管理水平，降低維護和生產(chǎn)的成本，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。

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Bunchy yarn production monitoring based on the Internet of Things

GUO Zaifeng, LIU Yanqing, XU Bojun, XIE Chunping, LIU Xinjin, SU Xuzhong

(Key Laboratory of Eco-Textile, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

The ZJ-5A type digital intelligent bunchy yarn production equipment enables on-site monitoring and operation in workshop only, and each spinning frame can be manipulated via a specific touch screen operation, which is inefficient for identifying and handling problem timely. With the improved technology with the Internet of Things, the main control unit (PLC) of bunchy yarn production equipment controls the servo motor of spinning frame, to transmit production information to the gateway via ZigBee sensor network, and then to the database server; real-time bunchy yarn management and monitoring system is realized in the form of page, to realize monitoring over the process and state of bunchy yarn production. The results show that real-time monitoring and parameter setting of multiple equipment has been truly realized by transformation of bunchy yarn production monitoring with the Internet of Things. Real-time bunchy production monitoring and parameter setting can be realized via the database server (logging in the bunchy yarn management system) at anytime and anywhere.

bunchy yarn; the Internet of Things; production monitoring; management system; database sever

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.09.004

2016-09-23;

2017-06-26

國家自然科學(xué)基金項目(61503155)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(JUSRP116018)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研項目(BY2015019-10，BY2016022-27)；江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項目(BA2014080)；紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新項目(hnfx14002)；廣東省產(chǎn)學(xué)研項目(2013B090600038)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(蘇政辦發(fā)〔2014〕37號)；江蘇省先進紡織工程技術(shù)中心基金項目(XJFZ/2016/4)

郭在峰(1993-)，男，碩士研究生，研究方向為竹節(jié)紗的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。通信作者：徐伯俊，教授，wxxbj@sina.com。

TS112.74

A

1001-7003(2017)09-0020-05 引用頁碼: 091104