基于無線傳輸技術(shù)的蠶繭真空滲透系統(tǒng)設(shè)計

摘要：在“中國制造2025”戰(zhàn)略框架下，智能制造技術(shù)的快速發(fā)展給我國工業(yè)領(lǐng)域帶來了全新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)，制絲工業(yè)需要應(yīng)用智能制造技術(shù)進行技術(shù)革新以滿足發(fā)展的需求。為了實現(xiàn)蠶繭真空滲透設(shè)備的互通互聯(lián)，文章設(shè)計了一種基于無線傳輸技術(shù)的蠶繭真空滲透系統(tǒng)，通過工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)設(shè)備無線傳輸，集成應(yīng)用自動化技術(shù)、測控技術(shù)、無線傳輸技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，并利用公共云平臺實現(xiàn)生產(chǎn)過程遠程自動化監(jiān)控。無線傳輸技術(shù)以及云平臺應(yīng)用的介入可以加快蠶繭制絲過程的自動化建設(shè)進程，有助于提高制絲工業(yè)的自控水平。

關(guān)鍵詞：蠶繭；真空滲透；無線傳輸；自動化；制絲工業(yè)

中圖分類號：TS142.221? 文獻標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）04-0055-04

0 引言

受西方近代蠶桑科技的影響，國內(nèi)技術(shù)人員一直致力于學(xué)習(xí)與引進國外的先進技術(shù)，改進傳統(tǒng)的制絲生產(chǎn)技術(shù)，開展高水平制絲工業(yè)技術(shù)研究與應(yīng)用［1］。在制絲工藝中，利用飽和蒸汽所包含的熱能和其中產(chǎn)生的溫差，使蠶繭吸水并將其煮熟后進行制絲生產(chǎn)的工藝叫做蒸汽滲透工藝。蒸汽滲透工藝受煮繭設(shè)備制約，煮熟往往不夠均勻，滲透不充分，影響繅絲質(zhì)量。20世紀，自動繅生產(chǎn)普及后，制絲廠廣泛采用真空滲透工藝，蠶繭滲透均勻性得到提高。生產(chǎn)使用證明，通過真空滲透工藝蠶繭的滲透效果得到加強，煮熟繭的品質(zhì)得到顯著提高，真空滲透工藝與蒸汽滲透比較，具有明顯的優(yōu)越性［2-4］。

隨著干繭制絲和鮮繭制絲生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展與應(yīng)用，真空滲透設(shè)備在制絲生產(chǎn)中扮演著重要角色。伴隨PLC自動控制技術(shù)的應(yīng)用，真空滲透設(shè)備具備了自動化發(fā)展的條件。然而，傳統(tǒng)繅絲生產(chǎn)企業(yè)分散式的設(shè)備布局制約了設(shè)備的互通互聯(lián)，如果進行設(shè)備自動化改造需要重新布局或重新布線，改造成本較高，項目周期較長。無線傳輸設(shè)備的使用，正好解決了這一難題。無線技術(shù)在當(dāng)今科技應(yīng)用的場合逐步增多，對于采集模擬量，一般現(xiàn)場都是使用有線的模擬量模塊進行采集與傳輸，但是在比較復(fù)雜的場合應(yīng)用下，敷設(shè)電纜或改造設(shè)備會有一定困難，故采用無線傳輸方式更方便實現(xiàn)采集與控制的功能［5-7］。

本研究提出一種基于無線傳輸技術(shù)的蠶繭真空滲透系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)以單片機為控制核心進行信息采集，通過RS485通信總線連接PLC控制器進行數(shù)據(jù)采集；無線數(shù)據(jù)終端設(shè)備以4G無線網(wǎng)絡(luò)為承載網(wǎng)，為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸通道；功能上完成遠程控制站串口設(shè)備和中心控制系統(tǒng)間的無線數(shù)據(jù)通信，使遠程監(jiān)控現(xiàn)場真空滲透設(shè)備得以實現(xiàn)。

1 真空滲透設(shè)備現(xiàn)狀分析

1.1 廣西制絲企業(yè)設(shè)備現(xiàn)狀

在“東蠶西移”戰(zhàn)略引導(dǎo)下，廣西逐漸建立起多家制絲廠，但這些廠家的技術(shù)和設(shè)備參差不齊，大多數(shù)沿用了20世紀傳統(tǒng)的制絲技術(shù)以及真空滲透設(shè)備。本研究對廣西鹿寨貴盛繭絲工貿(mào)有限公司、廣西桂合集團有限公司等十余家廣西制絲企業(yè)進行考察和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這些企業(yè)的真空滲透設(shè)備仍沿用傳統(tǒng)的設(shè)備模式，抽真空作業(yè)時全部采用人工方式操作。

人工抽真空作業(yè)首先需要工人將蠶繭扛上平臺，倒入平臺上安裝的真空滲透密閉容器，接著通過人工操作水環(huán)泵和羅茨泵進行抽真空任務(wù)。真空滲透密閉容器配套安裝了頂蓋開蓋和底蓋開蓋機械裝置，配備機械式真空壓力表、透明的連通器水位計，頂蓋裝置和底蓋裝置的開關(guān)由人工通過定滑輪操縱。工人確認頂蓋和底蓋關(guān)閉后，依照經(jīng)驗和工藝步驟進行抽真空、真空進水、復(fù)壓、放水、出繭等系列工作［8-9］。依賴人工的真空滲透作業(yè)，不僅工人勞動強度大，還容易造成工藝過程的不確定性，直接影響蠶繭滲透質(zhì)量，最終影響生絲質(zhì)量。生絲質(zhì)量不穩(wěn)定是廣西制絲企業(yè)普遍存在的問題。

1.2 真空滲透及加繭自動化裝置研發(fā)

為解決傳統(tǒng)蠶繭滲透工藝肩挑手扛的人工作業(yè)模式，提高生產(chǎn)過程自動化，科技部門下達了科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃課題“鮮繭制絲過程真空滲透及加繭自動化裝置研發(fā)”，研發(fā)單位技術(shù)人員研發(fā)出鮮繭制絲過程真空滲透及加繭自動化裝置（如圖1所示）。該裝置針對蠶繭生絲加工真空滲透和加繭自動化的主要工序進行改進，運用自動檢測及控制技術(shù)完成對工藝的精準(zhǔn)把控，并在鮮繭生絲加工過程中完成生產(chǎn)工藝的實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控與信息化管理，實現(xiàn)生產(chǎn)進程的自動管控，使鮮繭制絲加工生產(chǎn)自動化程度得到提高，從而減輕工人勞動強度，降低勞動成本。

該裝置設(shè)計包括自動上料運輸皮帶的設(shè)計、自動下料至真空罐裝置的設(shè)計、真空罐頂蓋和底蓋自動開關(guān)裝置的設(shè)計、自動抽真空滲透裝置的設(shè)計［8-9］。裝置的推廣應(yīng)用，給真空滲透設(shè)備帶來全新的變革，部分工廠應(yīng)用了真空滲透自控技術(shù)，但該裝置為單機的自動化控制，無法滿足多臺設(shè)備集中控制的需求。本文集成應(yīng)用通信技術(shù)和無線傳輸技術(shù)，設(shè)計一種基于無線傳輸技術(shù)的蠶繭真空滲透系統(tǒng)，實現(xiàn)制絲生產(chǎn)遠程自動化操控，成為制絲企業(yè)的迫切需求。

2 基于無線傳輸技術(shù)的蠶繭真空滲透系統(tǒng)設(shè)計

2.1 真空滲透自動化工藝流程

蠶繭真空滲透系統(tǒng)自動化控制流程如圖2所示：①選用PLC自動控制方式，當(dāng)啟動自動送繭系統(tǒng)后，控制頂蓋開蓋氣缸的電磁閥自動通電，頂蓋自動打開，頂蓋開到位后送繭皮帶傳送系統(tǒng)自動啟動，蠶繭通過皮帶傳輸?shù)秸婵展蓿虎诋?dāng)蠶繭自動傳輸作業(yè)完成后，送繭皮帶電機自動停止，控制頂蓋開蓋氣缸的電磁閥自動斷電，氣缸將頂蓋關(guān)緊；③在自動抽真空和自動進水浸泡作業(yè)中，由PLC采集真空度傳感器和液位傳感器的模擬量信號，內(nèi)部編程換算出實際的真空度和液位值，并與設(shè)定值進行實時比較；④進行模糊運算控制，用運算后的差值輸出信號控制真空泵和進水閥，確保罐內(nèi)的真空度和水位值在生產(chǎn)需要的誤差之內(nèi)，控制精度越高，越能保證蠶繭高質(zhì)量滲透［8-9］。

2.2 系統(tǒng)主控制器結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主控制器結(jié)構(gòu)（如圖3所示），設(shè)計了現(xiàn)場真空滲透設(shè)備工作的整機參數(shù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，以STM32高性能單片機處理器配置CPLD并行數(shù)據(jù)采集終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，負責(zé)采集真空滲透設(shè)備的溫度、液位、閥門狀態(tài)、真空泵狀態(tài)、送繭電機狀態(tài)等工作狀態(tài)信號；以隔離干擾信號的RS485通信總線連接PLC控制器，PLC控制器通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時采集及控制命令的實時推送。兩路ADC通過模數(shù)轉(zhuǎn)換高精度采集溫度、液位信息，并根據(jù)用戶設(shè)定的真空度、抽氣速率、滲透溫度、液位與采集的數(shù)據(jù)進行對比，實現(xiàn)真空滲透設(shè)備系統(tǒng)的真空泵分級控制輸出、溫度和液位超高報警輸出及故障急停信號輸出［10］。

系統(tǒng)通過RS232與4G無線模塊相連，支持阿里云服務(wù)器上的組態(tài)控制軟件數(shù)據(jù)與現(xiàn)場設(shè)備透明數(shù)據(jù)傳輸，最終實現(xiàn)真空滲透核心工藝中真空度、滲透水溫、水中殘留空氣排出、復(fù)壓速度、液面位置等參數(shù)的云變送［11-12］。

2.3 云服務(wù)器的選擇

云服務(wù)器又名云計算服務(wù)器或云主機，通常是指運行在相同的物理硬件上的“虛擬”服務(wù)器。云服務(wù)器使用云計算技術(shù)，整合了數(shù)據(jù)中心計算、網(wǎng)絡(luò)與存儲三大核心要素。在虛擬服務(wù)器的平臺上，管理員可以采用與物理服務(wù)器一樣具體的CPU、內(nèi)存和磁盤特性提供在線服務(wù)器。相較傳統(tǒng)的物理服務(wù)器，云服務(wù)器具有以下優(yōu)點：①具有防ARP攻擊和MAC欺騙功能，可進行快速備份，在一定條件下保證數(shù)據(jù)安全不丟失；②由于云服務(wù)器基于集群服務(wù)器，具有較高的硬件冗余，所以可以極大降低地故障的發(fā)生率；③具備故障自動遷移功能，如果檢測出一臺云服務(wù)器出現(xiàn)故障，云服務(wù)器上已安裝的應(yīng)用程序會自動切換遷移到其他云服務(wù)器，從而保證業(yè)務(wù)正常運行；④具備快照備份功能，當(dāng)主機出現(xiàn)故障時，通過一鍵恢復(fù)功能快速恢復(fù)故障前的數(shù)據(jù)。

2.4 主控制器系統(tǒng)實現(xiàn)方式

主控制器為設(shè)備無線智能監(jiān)控終端，實時采集真空滲透設(shè)備的工作信息，通過無線設(shè)備傳送至云平臺，接收云平臺控制指令，并對真空滲透設(shè)備進行無線遠程監(jiān)測與控制。

系統(tǒng)控制流程如圖4所示：當(dāng)PLC通信檢測正常后，主控制器通過PLC讀取設(shè)備情況，同時讀取觸摸屏監(jiān)控數(shù)據(jù)；根據(jù)讀取的檢測值，判斷液位是否過高、真空度是否達到設(shè)定值、水中殘留空氣排出是否達到工藝參數(shù)值、系統(tǒng)是否有異常報警發(fā)生等，并以此為依據(jù)調(diào)節(jié)真空泵擋位和進水閥門；然后接收上傳指令，向阿里云數(shù)據(jù)庫上傳設(shè)備工作數(shù)據(jù)。

2.5 中心調(diào)度室功能實現(xiàn)方式

通過布局無線基站，采用無線傳輸，應(yīng)用一對多組網(wǎng)方式，將各基礎(chǔ)采集和控制器與中控室調(diào)控系統(tǒng)組成聯(lián)動單元。通過設(shè)置中心調(diào)度室，可以實現(xiàn)中控室調(diào)控功能。應(yīng)用組態(tài)王等組態(tài)軟件進行組態(tài)編程，中控系統(tǒng)與各個分站點采用GPRS無線通信模塊進行多點無線傳輸通信，無線傳輸通信采用具有SCADA功能的主從通信協(xié)議，通過標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口與GPRS無線通信模塊相連，無線通信，傳輸波特率為9 600 bps。中心調(diào)度室實現(xiàn)對制絲生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控，既可以實時監(jiān)視生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生成數(shù)據(jù)報表，也可以遠程發(fā)布生產(chǎn)配方，對各個站點進行遠程控制。

3 系統(tǒng)使用效果分析

系統(tǒng)試用結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計具有可實施性強、性價比高等優(yōu)點。真空滲透設(shè)備通過自動化改造，取代了傳統(tǒng)的人工手動作業(yè)方式，加入無線智能控制器應(yīng)用可以實現(xiàn)由離散型控制向集中智能控制轉(zhuǎn)變，提高設(shè)備的使用效率。此外，通過應(yīng)用對比，制絲過程真空滲透及加繭自動化裝置的使用解決了人為因素干擾的問題，提高了生產(chǎn)效率和生絲質(zhì)量。相比一般的自動控制系統(tǒng)，使用無線基站布局系統(tǒng)替代光纖布線或?qū)＞€網(wǎng)絡(luò)布線，可以降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，節(jié)省設(shè)備布網(wǎng)的費用；使用無線網(wǎng)絡(luò)組態(tài)系統(tǒng)，還可以靈活方便地安裝與布置設(shè)備，縮短傳統(tǒng)設(shè)備改造周期，降低設(shè)備的改造成本，使設(shè)備的擴展性增強、可靠性提高，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠程實時監(jiān)控。

4 結(jié)語

制絲生產(chǎn)企業(yè)要完成產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，就必須完成自動化與信息化的融合與革新。無線傳輸技術(shù)以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用包括運用硬件傳感器、搭建云服務(wù)平臺和自動控制平臺等，實現(xiàn)真空滲透設(shè)備的自動化改造；采用通信網(wǎng)絡(luò)將各個車間的真空滲透設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建成完整的控制和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分步采集和集中處理；開發(fā)生產(chǎn)管理軟件，記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品信息，構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺。通過無線傳輸技術(shù)以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成應(yīng)用，可實現(xiàn)制絲生產(chǎn)中各種設(shè)備互通互聯(lián)，最終實現(xiàn)建立現(xiàn)代化制絲廠的集中監(jiān)控的目的。無線傳輸技術(shù)的使用為復(fù)雜的車間布局環(huán)境提供了切實可行的技術(shù)應(yīng)用方式，但該系統(tǒng)與理論研究成果還有一定的差距，例如無線系統(tǒng)容易受到電磁干擾引起系統(tǒng)掉線，容易因障礙物出現(xiàn)造成數(shù)據(jù)傳輸距離縮短等。這些問題需要研究人員在應(yīng)用中繼續(xù)探索和改進，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，使制絲生產(chǎn)工藝提質(zhì)增效。

5 參考文獻

［1］ 陳祥平，卜獻鴻，劉季平，等.煮繭技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展與展望［J］.絲綢，2018，55（8）： 21-28.

［2］劉華平.制絲真空滲透煮繭適煮工藝條件的探討［J］.絲綢，2004（11）： 23-27.

［3］朱良均，楊明英，謝啟凡.我國桑蠶繭絲加工現(xiàn)狀概述［J］.蠶桑通報，2015，46（2）：1-4，14.

［4］曹賢君.關(guān)于煮繭的高效滲透及繅絲適應(yīng)性的研究［D］.杭州：浙江理工大學(xué)，2013.

［5］徐長春.直接真空滲透繅絲應(yīng)用與分析［J］.絲綢，2008（3）： 56-57.

［6］李繼珍，尹毅.真空滲透繭直接用于自動繅絲的探討與實踐［J］.四川絲綢，2004（2）：3-6.

［7］岳新霞，黃繼偉，林海濤，蔣芳，凌新龍.真空滲透繭層的測試與分析［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，21（4）：72-74，80.

［8］呂俊蓉，王利恒.基于物聯(lián)網(wǎng)的恒溫恒濕箱的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.自動化與儀表，2021，36（5）：32-36.

［9］許才定，程以孝.自動繅絲真空滲透煮繭技術(shù)要點［J］.國外絲綢，2003（1）：5-12.

［10］劉文烽，馮德海，黃永杰.制絲工藝中真空滲透的測控與信息化系統(tǒng)［J］.絲綢，2015，52（7）：14-18.

［11］馮德海.基于RS485的真空滲透及加繭自動化系統(tǒng)［J］.絲綢，2017，54（7）： 13-17.

［12］羅承孝.蠶絲生產(chǎn)自動化、信息化技術(shù)集成創(chuàng)新與應(yīng)用［J］.電氣時代，2020（5）：66-69.