基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在經(jīng)編工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

陽韜 蔡沂

摘要：隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度越來越高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及無線通信技術(shù)在智能化生產(chǎn)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，而目前經(jīng)編車間生產(chǎn)管理仍然相對落后，本課題研究設(shè)計(jì)一種針對經(jīng)編機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)通訊部分、監(jiān)控管理中心、云服務(wù)器以及移動(dòng)終端等，研發(fā)系統(tǒng)軟硬件，完成對車間中經(jīng)編機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，以實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)和遠(yuǎn)程管理。

關(guān)鍵詞：經(jīng)編機(jī);遠(yuǎn)程監(jiān)控;物聯(lián)網(wǎng);無線網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）13-0288-04

紡織行業(yè)屬于勞動(dòng)密集型行業(yè)，在紡織車間中，需要大量的工人對機(jī)器操作和維護(hù)，尤其對于經(jīng)編行業(yè)，大部分機(jī)器一天工作時(shí)間在20小時(shí)以上，經(jīng)編機(jī)在進(jìn)行織造工作的過程中會(huì)出現(xiàn)機(jī)械故障和織造故障等問題，需要人工維護(hù)和處理，紗線盤頭在使用一段時(shí)間之后，紗線用完需要及時(shí)更換盤頭，針織一定時(shí)間后卷布車已經(jīng)卷滿，需要處理布匹，目前這些工作一般都是通過工人在現(xiàn)場實(shí)時(shí)觀察來判斷并處理的，而在大型的經(jīng)編機(jī)車間，數(shù)量眾多的機(jī)器需要大量的工人來操作和維護(hù)，如果能將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)編機(jī)控制和管理中，能夠大大提高生產(chǎn)效率，并且能夠節(jié)約大量的人力資源成本，因此研究一種遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理的經(jīng)編機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有重要的意義。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用基礎(chǔ)，本項(xiàng)目分析經(jīng)編車間織造工作的特點(diǎn)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一套基于無線網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)編機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，旨在節(jié)省人力成本，提高自動(dòng)化程度，提高生產(chǎn)效率。

1總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)集成經(jīng)編機(jī)電控技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括數(shù)據(jù)通訊卡、無線傳輸模塊、監(jiān)控中心、云服務(wù)器以及終端設(shè)備等，組成一套完整的監(jiān)控管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)部署于經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)的基本上，車間內(nèi)所有經(jīng)編機(jī)可以通過本系統(tǒng)連接到監(jiān)控管理中心，車間內(nèi)組成一個(gè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控中心通過互聯(lián)網(wǎng)連接到遠(yuǎn)程云服務(wù)器端，數(shù)據(jù)在云服務(wù)器端處理和存儲(chǔ)，管理者可以通過手持終端（手機(jī)或者平板電腦等）訪問云服務(wù)器的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的管理經(jīng)編機(jī)車間，其原理框架如圖l所示。

整個(gè)系統(tǒng)使用了無線網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)等傳輸信息，在經(jīng)編機(jī)織造車間內(nèi)部主要的傳輸媒介是zighee無線網(wǎng)絡(luò)，外部采用的互聯(lián)網(wǎng)傳輸信息，實(shí)現(xiàn)管理者、監(jiān)控系統(tǒng)對經(jīng)編機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

1.2數(shù)據(jù)傳輸過程

經(jīng)編機(jī)開始工作，首先需要設(shè)置相關(guān)的織造和送紗數(shù)據(jù)，電控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)置的這些數(shù)據(jù)控制機(jī)械開展織造工作，運(yùn)行過程涉及如機(jī)速，盤頭數(shù)據(jù)，班產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)要求實(shí)時(shí)的傳輸?shù)焦芾碇行模瑫r(shí)管理中心的控制數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)，如織造工藝文件和機(jī)器運(yùn)行速率等，要傳輸?shù)杰囬g中的經(jīng)編機(jī)控制系統(tǒng)，傳輸這些數(shù)據(jù)要求實(shí)時(shí)性高，但是這些傳輸數(shù)據(jù)的量不大，不需要太高的傳輸帶寬，基于cc2530的2.4GHz的zigbee網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到傳輸?shù)囊蟆?/p>

數(shù)據(jù)傳輸過程如圖2所示，數(shù)據(jù)的傳遞是雙向的，數(shù)據(jù)可以從經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到經(jīng)編機(jī)的電控系統(tǒng)完成參數(shù)設(shè)置。

2監(jiān)控管理中心軟件

監(jiān)控管理中心主要服務(wù)器機(jī)房組成，在監(jiān)控主機(jī)上運(yùn)行管理和數(shù)據(jù)通信的軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)車間的管理。監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)的接收經(jīng)編機(jī)車間傳輸過來的經(jīng)編機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，在大屏幕上面顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)在監(jiān)控主機(jī)本地處理和保存，當(dāng)某臺(tái)經(jīng)編機(jī)發(fā)送故障時(shí)，故障的代碼會(huì)傳輸?shù)奖O(jiān)控管理中心，監(jiān)控管理中心的大屏幕上彈出報(bào)警信息，顯示對應(yīng)的機(jī)器編號(hào)和故障類型等。

管理者可以在監(jiān)控管理中心，針對某臺(tái)機(jī)器進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)設(shè)置和操作，在操作臺(tái)選擇對應(yīng)的機(jī)器編號(hào)連接到對應(yīng)經(jīng)編機(jī)的電控系統(tǒng)，可以在人機(jī)界面上輸出相關(guān)設(shè)置信息最后發(fā)送到經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)，這些信息主要是一些送經(jīng)工藝和參數(shù)等。

監(jiān)控管理中心將處理好的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的云服務(wù)器平臺(tái)上，這些數(shù)據(jù)是根據(jù)管理者的要求定制，一般管理者需要遠(yuǎn)程查看的主要是一些班產(chǎn)量，開機(jī)記錄，故障率，布匹長度等數(shù)據(jù)，管理者可以通過手機(jī)等設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)，訪問云服務(wù)器保持的數(shù)據(jù)。

管理中心軟件功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括通信模塊、機(jī)器管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)模塊、故障處理以及人機(jī)交互等模塊。

通信模塊：通信部分包括兩個(gè)方面，與經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)通信，讀出要監(jiān)控的數(shù)據(jù)和寫人設(shè)置參數(shù)，另一方面是與云服務(wù)器通信，將要保存在云端的數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器，可供管理者遠(yuǎn)程訪問。

機(jī)器管理：管理多個(gè)車間，對每個(gè)車間中的每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行管理。

參數(shù)設(shè)置：初始化的系統(tǒng)參數(shù)和盤頭數(shù)據(jù)設(shè)置，還有一些針對運(yùn)行時(shí)的工藝參數(shù)設(shè)置。

數(shù)據(jù)監(jiān)控：實(shí)時(shí)的監(jiān)控機(jī)器運(yùn)行數(shù)據(jù)如機(jī)速、實(shí)際送經(jīng)量等，盤頭數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控防止盤頭用盡需要重新穿紗的情況。

統(tǒng)計(jì)模塊：班產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，還有就是機(jī)器運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，每天的開機(jī)停機(jī)次數(shù)和時(shí)間，計(jì)算開機(jī)和運(yùn)行效率等。

故障處理：產(chǎn)生故障的原因有機(jī)器系統(tǒng)自身原因?qū)е碌墓收?，另外就是外部原因?qū)е碌墓收?，都需要統(tǒng)計(jì)并且生成相關(guān)的日志數(shù)據(jù)。

人機(jī)交互：在管理中心的大屏幕顯示，每個(gè)車間所有機(jī)器的狀態(tài)，包含多個(gè)子界面，可以詳細(xì)顯示機(jī)器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，還有人機(jī)操作輸入臺(tái)，可以在界面上輸入的數(shù)據(jù)。

3數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)在經(jīng)編機(jī)和管理中心之間傳輸，主要是通過兩個(gè)關(guān)鍵模塊，第一個(gè)是基于stm32的嵌入式數(shù)據(jù)通信卡，主要是完成數(shù)據(jù)的采集和處理，數(shù)據(jù)采集卡主要從經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)還通過采集經(jīng)編機(jī)機(jī)床上面?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)。另外一個(gè)模塊是基于cc2530的zigbee無線模塊，主要是完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。

3.1數(shù)據(jù)通信硬件框架

整個(gè)系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集的對象是經(jīng)編機(jī)，數(shù)據(jù)通訊卡作為中間媒介與經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)通信，同時(shí)采集機(jī)身上傳感器的信號(hào)，在經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配置數(shù)據(jù)通訊卡，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。配置RS485接口，連接經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)，軟件實(shí)現(xiàn)modbus總線通信協(xié)議，與經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

數(shù)據(jù)通信卡與經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)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(jīng)編機(jī)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(jī)或者DSP的運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)modbus總線協(xié)議，完成通信，由stm32端為modbus總線的主站，經(jīng)編機(jī)主控制器作為從站。

3.2通信卡硬件電路結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)通訊卡通過RS485總線與經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)通信完成數(shù)據(jù)的讀取，同時(shí)采集機(jī)身上的傳感器的信號(hào)如油壓油溫張力等，匯總成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包，通過zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)到匯聚接收器，再由匯聚接收器通過有線以太網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心的大屏幕上顯示各個(gè)車間機(jī)械的狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，每天會(huì)將每臺(tái)機(jī)器的運(yùn)行情況自動(dòng)生成日志文檔，供管理者查閱。

數(shù)據(jù)通訊卡電路包括以下部分，stm32最小系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)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(jī)最小系統(tǒng)部分主要是由stm32F407芯片組成，該單片機(jī)工作主頻在168MHz，具備高性能Cortex-M4的內(nèi)核，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和無線通信的需求。

網(wǎng)絡(luò)通信接口主要包括兩個(gè)部分，一個(gè)是有線以太網(wǎng)接口，直接連接網(wǎng)線可以通過有線的方式傳輸數(shù)據(jù)，另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸是通過低功耗的zigbee無線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，每臺(tái)機(jī)器上配一個(gè)數(shù)據(jù)通訊卡和zigbee通信模塊，每個(gè)zigbee通信模塊作為一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，與匯聚接收器一起組成zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)的傳輸，采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控管理中心。

數(shù)據(jù)通訊卡配置工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口RS232接口，RS485接口，CAN總線接口等，以適應(yīng)不同的經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)，部分主控制電路板可以采用CAN總線的數(shù)據(jù)通信接口，還有部分工控機(jī)和人機(jī)觸摸屏采用的是RS232或者RS485的通訊接口，數(shù)據(jù)通訊卡的多接口設(shè)置是為了適應(yīng)不同的經(jīng)編機(jī)控制系統(tǒng)的需要。

3.3通訊卡軟件實(shí)現(xiàn)

3.3.1數(shù)據(jù)采集模塊軟件控制流程圖

數(shù)據(jù)通訊卡是以stm32單片機(jī)為核心的硬件電路，在keil環(huán)境下基于c語言開發(fā)軟件，軟件需要完成傳感器信號(hào)的采集，與經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)的modbus總線通訊，另外一端通過zig-bee無線信號(hào)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控管理中心的通信。數(shù)據(jù)通信卡的程序控制流程如圖所示，上電后啟動(dòng)通訊卡，先對板載資源的初始化，接著采集機(jī)身傳感器的信號(hào)，進(jìn)行RS485總線通訊，通過zigbee通信，完成這些之后就實(shí)現(xiàn)了經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)到監(jiān)控管理中心的連接，開啟監(jiān)控模式，在這個(gè)過程中如果出錯(cuò)或者通訊異常，則會(huì)重新初始化，重復(fù)前面的步驟，當(dāng)連續(xù)初始化達(dá)到5次，說明系統(tǒng)存在某些故障，則輸出停機(jī)信號(hào)和報(bào)警信號(hào)，提示維護(hù)人員處理。

3.3.2數(shù)據(jù)通信協(xié)議

數(shù)據(jù)通訊卡采集獲取數(shù)據(jù)的主要方式是從經(jīng)編機(jī)主控制板讀取，通過軟件實(shí)現(xiàn)modbus RTU協(xié)議，數(shù)據(jù)采集卡作為mod-bus總線通信的主站，經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)主控制板作為從站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

03功能碼：讀取多個(gè)字操作，將需要在監(jiān)控中心統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)通過0x03功能碼讀出來。

主站發(fā)送報(bào)文格式：

10功能碼：寫人多個(gè)字操作，將監(jiān)控中心傳輸過來的數(shù)據(jù)通過0x10功能碼寫入，發(fā)送經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)。

主站發(fā)送報(bào)文格式：

在modbus通信的過程中需要從控制系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，也需要將監(jiān)控中心管理端傳送過來的設(shè)置參數(shù)寫人到控制系統(tǒng)之中，通過modbus協(xié)議的指令功能碼0x03讀多個(gè)字操作，從經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)，通過指令的0x10功能碼實(shí)現(xiàn)寫多個(gè)字操作，將數(shù)據(jù)寫入到經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)中。需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分成數(shù)據(jù)幀，每幀數(shù)據(jù)按照modbus總線協(xié)議進(jìn)行通信，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)放在一幀信息的數(shù)據(jù)位來傳輸，涉及表1中的數(shù)據(jù)需要傳輸實(shí)現(xiàn)的。

4總結(jié)

經(jīng)編機(jī)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在經(jīng)編機(jī)電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加數(shù)據(jù)通訊卡，采集經(jīng)編機(jī)機(jī)床上傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過RS485總線與經(jīng)編機(jī)控制系統(tǒng)的主控制器通信，獲取機(jī)床運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，通過zigbee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程的監(jiān)控管理中心，遠(yuǎn)程的管理中心也可以發(fā)送的控制數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)等傳送到經(jīng)編機(jī)控制系統(tǒng)，對經(jīng)編機(jī)的織造數(shù)據(jù)完成遠(yuǎn)程快速的設(shè)置，大大提高了工作效率，同時(shí)節(jié)約了大量的人力成本。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)將每天機(jī)器每天的班產(chǎn)量等信息匯總傳送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，會(huì)在本地機(jī)上面進(jìn)行保存，生成生產(chǎn)產(chǎn)量記錄和統(tǒng)計(jì)，方便管理者查看，由監(jiān)考中心的軟件處理數(shù)據(jù)，節(jié)約了人力成本。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在經(jīng)編機(jī)生產(chǎn)管理中的應(yīng)用研究，開發(fā)經(jīng)編機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，能夠節(jié)約人力資源成本，同時(shí)提高了經(jīng)編機(jī)織造工作的效率。