基于物聯網的電錠細紗機信息化系統(tǒng)設計

劉春曉，李慧敏，王聿洋

（東華大學 機械工程學院，上海 201620）

細紗工序是紡織廠的一個重要工序，對紡紗的產量、質量、能耗、勞動生產率、成本至關重要，并且紡紗廠的規(guī)模都是以該工序所擁有細紗機的總錠數來表示。隨著“中國制造2025”的落地實施，作為中國傳統(tǒng)支柱產業(yè)的中國紡織行業(yè)，在傳統(tǒng)紡織技術與新技術之間的差距不斷拉大的情況下，也在進行著一場變革。中國紡織行業(yè)正式邁進智能化、數字化的轉型當中。

傳統(tǒng)的人工采集數據方式[1]，觀測斷頭故障，記錄細紗機錠位的工作數據；大量數據的采集受視野局限、個人能力以及責任心的影響較大，斷頭頻繁發(fā)生的錠位需要用心記錄才能發(fā)現，并且隨著勞動力的短缺，僅依靠傳統(tǒng)的人工檢測難以提高生產效率。經統(tǒng)計細紗斷頭集中分布在5%的錠位上[2]。故障頻發(fā)錠位生產的產品質量及其他指標和正常紗錠相比有很大差別，因少數的瑕疵而降低整體的質量。為此，文中設計了基于物聯網的電錠細紗機信息化系統(tǒng)，將電錠工作數據及時有效地傳輸、存儲，及時分辨出這5%的錠位，進而提升產品的質量和生產效率。

基于物聯網的電錠細紗機信息化系統(tǒng)的數據傳輸采用無線通信技術，可以減少車間走線，便于安裝。5G網絡建成后速率是4G網絡的100倍[3-4]，這意味著信息獲取與傳輸的質量有質的提高。在此基礎之上，物聯網可以更好地運用于生產，錠位的工作數據信息通過物聯網傳輸到服務器，并將其作為歷史記錄存入相應的數據庫，便于統(tǒng)計管理，也為智能化工廠奠定了基礎[5]。

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

1 現場終端設計

為方便車間工作人員察看電錠的工作情況，電錠細紗機信息化系統(tǒng)設計了主控制面板。該控制面板外接有TFT-LCD液晶顯示屏，液晶屏幕中顯示有數據傳輸狀態(tài)信息，并設計有一個條形圖，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的動態(tài)變化，使高頻故障信息一目了然。

主控面板主要完成3個工作任務：①接收/顯示斷頭故障信息；②系統(tǒng)狀態(tài)顯示；③數據上傳至服務器。

主控系統(tǒng)如圖1所示。控制芯片采用STM32 F103VCT6，通過USART2連接SIM800A，用于通過TCP連接和PC端通信，完成數據的上傳任務；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卡的信號強度、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，用于輔助報警，提醒相關人員前來維修。

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。系統(tǒng)搭載了μC/OS-Ⅲ實時操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的實時性和穩(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個任務：

主任務負責接收電錠終端發(fā)送的電錠工作數據信息，其數據包含但不限于起停、滿錠、故障信息以及維護等數據；并且將信息及時上傳至服務器，同時改變相關狀態(tài)量的值。

LCD顯示任務負責顯示斷頭故障條形圖、SIM卡強度、數據發(fā)送狀態(tài)以及獨立看門狗復位次數。

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

2 數據的傳輸與存儲

綜合考慮成本、性能等因素，數據的傳輸采用無線技術。無線傳輸可以擺脫線纜的束縛，安裝周期短，維護方便。ZigBee是一種高可靠的無線傳輸網絡，采用印刷式天線通信距離為75 m，當數據傳送目標地址大于75 m時，可以通過附近的模塊進行多跳傳輸。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將收集的數據轉換成GPRS的數據包，通過SIM800A模塊進行GPRS通信，實現與電腦的TCP數據傳輸。

2.1 現場數據的傳輸與顯示

DL-LN33無線自組網模塊工作在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，各個模塊分配有相同的信道和網絡ID，不同的地址。無線傳輸模塊網絡參數設置見表1。主控制芯片的無線模塊地址作為目標地址，用于接收電錠斷頭故障錠位信息。

圖3 數據傳輸Fig.3 Data transmission

表1 無線傳輸模塊網絡參數Tab.1 Wireless transmission module network parameters

主控芯片STM32將收的數據解析處理后顯示在TFT-LCD上，根據故障次數的不同，輸出相應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位數據線與顯存的對應關系為565方式，即5位用于R（紅字），6 位用于 G（綠色），5 位用于 B（藍色）。 將需要更換電錠的斷頭次數設定為紅色（R31-G0-B0），零斷頭設置為綠色（R0-G63-B0），中等斷頭次數為黃色（R31-G63-B0），其他故障次數根據算法設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端數據的接收與存儲

在PC端通過MySQL新建一個數據庫，用于存儲不同錠位的工作數據信息。在遠程控制中心PC中創(chuàng)建一個Socket，編程監(jiān)聽8080端口，同時解析監(jiān)聽到的數據，并將其存入數據庫相應的數據表。該數據表簡潔明了，相當于歷史記錄，其中一部分數據表記錄了每個錠位的故障發(fā)生時間和次數信息。有了這個數據，管理人員可以遠程讀取電錠工作狀態(tài)并及時分析處理，找到相應的原因通知工廠相關人員及時維修或者更換新的電錠，從而提高生產效率和產品質量。

3 試驗

通過試驗測試系統(tǒng)數據傳輸的穩(wěn)定性和正確率。在此，重點測試TFT-LCD液晶顯示屏的顯示狀態(tài)和GPRS數據傳輸這2個功能。

3.1 TFT-LCD液晶屏顯示測試

向目標無線模塊地址發(fā)送特定格式的數據包，解析后更新TFT-LCD顯示屏條形圖的顯示。數據包格式為

包頭+源端口號+目的端口號+遠程地址+數據+包尾數據包結構見表2。

表2 數據包結構Tab.2 Packet structure

例如：FE 05 A0 A0 01 00 11 FF，即將數據0x11發(fā)送至地址為0x0001模塊，源端口號與目的端口號均為0xA0。每發(fā)一次上述數據包，對應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端數據的接收與存儲

測試表明數據傳輸的穩(wěn)定性主要受內網IP變化及GPRS網絡本身的影響。網絡測試環(huán)境為學校內網，采用花生殼內網映射的方式建立外網與內網的連接，因此GPRS數據傳輸受內網IP動態(tài)變化的影響。測試在內網IP未發(fā)生變化的情況下進行。

數據信息通過SIM800A模塊和PC建立的TCP連接實現數據的互傳。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。在校園網內，用花生殼將內網映射到一個固定IP，這樣就相當于擁有了一個公網IP，可以實現電錠終端和PC端的通信。在Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境中，用C#語言編寫一個控制臺應用程序，綁定8080端口和服務器的IP地址構造ServerSocket用于監(jiān)聽客戶的連接。SIM800A模塊接入后，服務器從Socket對象中獲得輸入流和輸出流，將監(jiān)聽的數據解析后存入數據庫名為Text相應的數據表，至此，實現了工廠電錠終端和服務器之間的數據傳輸。通過動態(tài)域名解析進行GPRS數據傳輸測試，其中3個電錠錠位的斷頭故障數據歷史記錄數據如圖5所示。

該系統(tǒng)準確實現了數據的無線傳輸，PC端成功監(jiān)聽了8080端口狀態(tài)并完成數據入庫。測試中，3個錠位的63條記錄傳輸中僅出現過1次錯誤，且該錯誤是由于網絡連接狀態(tài)所引起的，可見，該系統(tǒng)數據傳輸的正確率高達90%以上，滿足了系統(tǒng)工作需求。

圖5 斷頭故障數據表的顯示界面Fig.5 Display interface of broken ends fault data table

4 結語

文中所設計基于物聯網的電錠細紗機信息化系統(tǒng)，操作簡單，安裝方便，可以有效地提高細紗機電錠工序的生產效率。數據的無線傳輸和存儲為管理層提供了分析的數據來源和依據，便于及時發(fā)覺并更換高頻故障錠位，提高了細紗生產質量。試驗結果表明，該系統(tǒng)提升了數據的精度和傳輸的及時性，同時為管理層提供了充足的數據支持，有利于智能化工廠生產和管理的實現。