經編車間數據采集與監控系統設計

章國青，郭偉軍，孫以澤

（東華大學 機械工程學院，上海 201620）

經編機作為生產效率最高的織造機械，是國家“數控一代”項目重點發展的紡織裝備之一[1]。自進入21世紀以來，國內經編機擁有量大幅度提升，約占世界總擁有量的84.4%，經編產業的產值及規模也日益提升。企業為了進一步提高生產效率，越來越重視對經編車間設備的監控與管理[2]。

然而，目前經編車間對生產數據和設備運行數據的采集及監控大多基于工控機、報表盒、人工統計產量等，對整個車間生產數據的展示往往通過人工手繪的看板來實現，尚存在實時性差、不易集中管理、對數據分析不深入等問題。對此有必要設計一種經編車間數據采集與監控系統。該系統不僅能實時采集、統計、分析數據，提供對設備的集中監控，為企業管理人員提供決策依據，而且可以友好地展示整個車間的生產數據，提升企業的形象。

近年來，隨著嵌入式技術的成熟和物聯網技術的興起，使得在數據采集方式和設備聯網途徑上有更多的選擇。文中在對福建某企業經編車間進行詳細調研后，提出了經編車間數據采集與監控系統。該系統旨在實現對設備的遠程監控，采集和分析生產數據，來提高車間的生產效率與管理水平。

1 系統總體架構

經編車間數據采集與監控系統的總體架構如圖1所示。底層為送經PLC，觸摸屏和傳感器等被采集對象，中間層為數據采集終端，上層包括上位機軟件及實時數據庫。在監控工控機上構建的車間生產數據庫，可通過內網穿透的方式供DataV界面調用，用于數據分析和展示。

圖1 經編車間數據采集與監控系統總體架構Fig.1 Overall architecture of warp knitting workshop data acquisition and monitoring system

系統中，數據采集模塊完成對底層設備的數據采集，并通過ZLAN7104無線串口服務器與上位機軟件進行數據傳輸。上位機軟件將采集到的數據進行處理后保存到車間生產數據庫，也可調用數據庫內的數據，同時車間生產數據庫可與企業的ERP（企業資源計劃）數據庫進行交互來獲取產品品質及車間人員績效等數據。利用花生棒的內網穿透功能，可將本地的車間生產數據庫作為阿里云DataV的數據源。阿里云DataV是一個數據可視化平臺，通過其豐富的組件可構造交互式實時數據可視化界面。

2 數據采集終端設計

數據采集終端是基于STM32的嵌入式系統。該系統以STM32F103ZET6為主芯片，通過DM9000A，ISO3082，光耦等器件實現了以太網通訊、485通訊及隔離輸入輸出功能。根據數據采集終端所要實現的功能，可將其分為2個部分即數據采集部分和數據傳輸部分。

2.1 數據采集模塊設計

數據采集模塊需要采集的底層設備包括經編機的2臺送經PLC，觸摸屏和相關的傳感器。數據采集模塊與PLC通過RS485總線進行通訊，嚴格遵循Modbus RTU協議。數據采集模塊作為485主站在完成串口初始化后開始實時輪詢PLC的數據。讀取1次數據的程序控制流程如圖2所示。圖中，T1為接收到的相鄰2個字節間的時間；T3.5為3.5個字符時間（在波特率 19200 b/s 時為 1.771 ms）；Twait為通訊超時時間；T2為發送完1幀命令后的等待接收時間。

圖2 讀取PLC數據流程Fig.2 Read PLC data flow chart

送經PLC提供的數據見表1。

表1 送經PLC提供的數據Tab.1 Data provided by warp PLC

經編機的停車原因多樣，每次停機都由擋車工在觸摸屏上輸入停機原因，并通過以太網發送至數據采集終端。由于終端采用的DM9000A芯片是一種以太網MAC控制器，并未集成TCP/IP協議棧，因此在數據采集部分移植了LWIP（輕型IP）協議棧，以完成與觸摸屏之間的通信[3]。

終端在檢測到機器轉速變為0時，開始計時并準備接收停機事件，擋車工在輸入停機事件后才能再次啟動經編機。這樣做是為了保證數據的可靠性。

根據車間現場的操作情況，在此對較常發生的停機事件進行總結歸納，共分為5個大類，22個小類。具體如下：

A類 斷面紗，斷連接紗，斷底紗，修漏針，換導紗針，換賈卡針，換織針；

B類 上軸，穿紗，掛布，調試布面，確認布面；

C類 了機，待單，待原料，待盤頭，待改機，待試胚結果；

D類 設備檢修，設備保養，更換機械零件，其它。

經編機上的紗線張力報警傳感器、斷紗報警傳感器在動作時會輸出24V開關量，不動作時輸出0 V開關量。數據采集模塊通過STM32的外部中斷對這2路信號進行檢測，并通過硬件定時器進行濾波處理，以保證信號檢測的可靠性。

2.2 數據傳輸模塊設計

數據采集終端要將采集到的數據傳輸到上位機，在此采用ZLAN7104無線串口服務器作為上位機與終端之間的連接，以實現數據的穩定傳輸。在數據傳輸過程中，應對通信協議做出明確規定，并確定通信速度、數據格式、數據偏移量等問題。文中選取串口通信協議中的起止式異步協議，它是計算機通信中最常用的數據傳輸方式。

起止式異步協議以字符為單位進行傳輸，字符間沒有固定的時間間隔要求，而每個字符的各位則以固定的時間傳送，適用于傳輸數據量不大的場合。系統所設計的數據傳輸協議示例見表2。

協議設計的原則包括準確性、安全性。通過對同步碼、包頭、目標地址、源地址、有效數據、校驗碼、包尾等進行明確規定，以保證數據的準確性。通過對有效數據設置一定偏移量來提高通信的安全性。協議中對相關的開關量數據進行整合，以減少數據的傳輸量和數據傳輸的誤碼率。

表2 數據傳輸的通訊協議Tab.2 Communication protocol of data transmission

3 數據采集與監控軟件設計

數據采集與監控軟件是基于Visual Studio編程環境完成開發，其主要的功能模塊如圖3所示。

圖3 軟件功能模塊Fig.3 Software function module

軟件啟動后，顯示用戶登陸界面，當輸入正確的用戶名和密碼后進入主界面。用戶名和密碼來自用戶數據庫，由車間管理人員統一管理。在主界面中，用戶可以通過點擊菜單欄，實現軟件所有的功能。該主界面包括設備監控、通信配置、信息管理及報表等，如圖4所示。

3.1 設備監控功能的實現

在設備監控模塊，其核心是基于SerialPort控件的串口通信線程和數據處理線程[4]。在打開軟件時，系統即完成串口參數的配置。用戶點擊 “開始采集”，即開啟數據采集線程，按照設定的數據采集周期循環讀取底層設備的數據。實現串口通信的關鍵代碼如下：

圖4 軟件主界面Fig.4 Software master interface

//設置串口參數

SerialPort1.PortName="COM1"

SerialPort1.BaudRate=19200

SerialPort1.DataBits=8

SerialPort1.StopBits=1

SerialPort1.PortName=2

//發送數據

SerialPort1.Write（SendBuff，0，WriteCount）

//讀取數據

SerialPort1.Read（RevBuff，0，ReadCount）

在完成一輪數據的輪詢后，開啟數據處理線程。數據處理包括：①按照通信協議對數據幀進行解析；②根據布長信息計算設備當天的班產量；③統計設備運行時間、停機時間、故障時間，計算設備效率。相關的計算推導如下：

設，擋車工在A班期間共清零N次當前產量，即完成N次落布，每次落布的布長為Li，軟件實時采集到的當前布長為Ld，在交班時的當前布長為Lp，則當天實時產量Lt為

同理，可計算出當天B班產量與當天總產量。假設，設備當天的運行時間為T1，故障時間為T2，停機時間為T3，則設備的實時效率η為

在主界面中，根據經編車間實際情況，設計了設備分布圖，使用通過不同的顏色標識來表示當前設備的狀態——運行、停機和故障。用戶在點擊某個設備ID后，軟件會實例化一個單機臺數據顯示窗口，并在窗口加載事件中開啟一個數據刷新線程。通過這種方式，用戶可實現對所有經編機運行情況的實時監控。

3.2 數據庫交互的實現

數據庫交互模塊涵蓋了兩方面內容，分別為產量報表讀取和生產數據存儲，其核心是對數據庫進行讀寫操作。具體步驟如下：

步驟1實例化SqlCommand類的對象，并確認要連接的服務器地址、數據庫名稱及密碼。

Dim objConnection As SqlConnection=New SqlConnection（"Server=xx；DataBase=xx；UserID=xx；Password=xx；"）

步驟2實例化SqlCommand類的對象，并設置命令和連接對象。

Dim objCommand As SqlCommand=New SqlCommand（）

objCommand.Connection=objConnection

objCommand.CommandText="Str"

步驟3創建變量參數。

objCommand.Parameters.AddWithValue（"@data"，data）

步驟4連接服務器并執行命令。

objConnection.Open（）

objCommand.ExecuteNonQuery（）

objConnection.Close（）

4 DataV界面及數據庫設計

借助阿里云DataV平臺設計了車間生產數據界面，來實現數據的友好展示，幫助企業管理人員發現并診斷生產問題。DataV是一個數據可視化平臺，提供了豐富的動態組件，還可通過鏈接實現遠程訪問界面。DataV的數據源是車間生產數據庫及企業資源計劃ERP數據庫，通過花生殼可將內網的IP和端口映射成外網的1個IP和端口，然后供DataV通過結構化查詢語言來調用。

根據車間的實際需求，設計了車間生產數據實時展示界面，如圖5所示。其分辨率為1920×1080，由9塊拼接LED顯示屏顯示。其中的組件包括數字翻牌器、雷達圖、輪播餅圖、折線柱圖、指標占比餅圖以及輪播列表。界面中所顯示的所有數據均來自車間生產數據庫及ERP數據庫。

圖5 車間生產數據實時展示界面Fig.5 Real-time display interface of workshop production data

界面中的雷達圖指示出車間設備當前的開機效率等信息，部分數據來自ERP數據庫；中間的數字翻牌器及指標占比餅圖展示出車間當前的生產進度；輪播列表展示車間內員工的績效，數據來源于ERP數據庫；輪播餅圖展示了當前發生次數最多的前5類停機事件；日產量折線柱圖展示了當月每天車間的產量信息，包含A班產量、B班產量、計劃產量和實際產量；品質折線柱圖展示了發生最頻繁的前5項品質問題，數據來源于ERP數據庫。

要利用DataV界面來顯示實時數據需要設計數據庫表，系統根據界面組件及要顯示的數據，利用SQL Server設計了車間生產數據實時數據庫。數據庫涵蓋了車間內各臺經編機的實時運行數據，實時生產數據以及歷史生產數據，可供DataV界面以及企業的生產過程執行系統MES層和ERP層軟件訪問，進行數據交互[5]。部分數據見表3和表4。

5 系統應用情況分析

經編車間數據采集與監控系統已在福建某紡織企業3號經編車間進行試運行，以測試穩定性和可靠性。3號車間內安裝有該企業研發的雙針床經編機70余臺，已經投入穩定生產。表5為某日20時部分經編機的實時數據，其中包括轉速、產量、開機效率以及生產進度等。該經編車間為兩班倒生產，故表5中的計劃進度為50%。所用型號經編機日產能為150 m，故表中計劃產量確定為150 m。由于各臺設備的轉速設定存在差異，因此在相近開機效率情況下，各臺設備的產量有所不同。

表3 設備運行信息Tab.3 Equipment running information

表4 設備產量信息Tab.4 Equipment output information

表5 經編車間某日20時的實時數據Tab.5 Real-time data of warp knitting workshop at 20 on a day

通過驗證可得，該系統所采集到的機器轉速和計劃產量準確無誤。將系統統計的各臺設備的日產量與擋車工統計的產量信息進行對比，得到結果見表6。

由表6可知，該系統統計的設備日產量與擋車工所統計的設備日產量之間存在的誤差，范圍很小，在0.5%以內，可以接受。產生誤差的原因是數據采集軟件需要采集、計算的數據較多，造成信息的略微滯后。由此表明，該系統采集和統計的數據準確性較高，可替代人工統計的方法，且在試用階段內系統運行可靠穩定。

表6 產量對比Tab.6 Yeild comparision

6 結語

以福建某企業經編車間為研究對象，設計了經編車間數據采集與監控系統。在底層設備的數據采集部分，設計了基于STM32的數據采集終端，完成了對經編機運行數據和生產數據的實時采集；在上位機部分，設計了數據采集與監控軟件。最后設計了基于阿里云DataV的實時生產數據界面。該系統實現了對整個車間所有經編機的實時數據采集，在上位機軟件端實現了對設備的集中監控和管理、生產數據的存儲、產量報表的生成。基于阿里云DataV設計的車間實時生產數據界面，充分利用了采集到的實時數據以及企業ERP的數據，以生動友好的方式分析出車間的生產狀況，供管理者進行生產問題的分析和診斷。在企業車間試運行期間，該系統采集及統計數據準確，數據傳輸穩定可靠，人機界面友好，可以減輕車間內人員的負擔，提高生產效率和管理水平。