面向絨布織造車(chē)間的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王 蕾

（沙洲職業(yè)工學(xué)院 智能制造學(xué)院，張家港 215600）

在過(guò)去的幾十年里，紡織行業(yè)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力成本持續(xù)上漲、同質(zhì)化產(chǎn)品的出現(xiàn)和制造成本的上升，使得紡織企業(yè)的生存空間不斷被壓縮。目前，很多產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入智改數(shù)轉(zhuǎn)階段，而紡織行業(yè)特別是中小微企業(yè)機(jī)器老舊、數(shù)字化程度低，數(shù)字化改造已迫在眉睫。在此背景下，紡織行業(yè)內(nèi)逐漸形成共識(shí)。我國(guó)紡織加工業(yè)的出路在于不斷吸收新技術(shù)、學(xué)習(xí)新模式，將提高數(shù)字化和智能制造水平作為主攻方向，推動(dòng)紡織行業(yè)通過(guò)工業(yè)智能技術(shù)應(yīng)用與業(yè)務(wù)形態(tài)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

我國(guó)中小微紡織企業(yè)特別是三維立體織物生產(chǎn)企業(yè)的機(jī)型多種多樣，機(jī)臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性好，加工質(zhì)量高，但是機(jī)臺(tái)老舊、自動(dòng)化程度低，產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)過(guò)程多為人工操作，難以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，且無(wú)法保存產(chǎn)量數(shù)據(jù)。為解決這些缺陷，文章設(shè)計(jì)了一種產(chǎn)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)終端可以直接查看和保存產(chǎn)量數(shù)據(jù)，為管理人員提供決策依據(jù)，提高了企業(yè)的信息化和自動(dòng)化水平，降低了勞動(dòng)力成本[1]。

1 需求分析

紡織企業(yè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于紡織過(guò)程?？椩爝^(guò)程中，生產(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集是當(dāng)前設(shè)備實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)、在線檢測(cè)數(shù)據(jù)、使用過(guò)程數(shù)據(jù)等產(chǎn)品全流程周期管理的基礎(chǔ)，總體分為設(shè)備數(shù)據(jù)信息、環(huán)境參數(shù)信息、質(zhì)量信息等[2]。因此，紡織企業(yè)信息化和數(shù)字化改造的重點(diǎn)在于構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，搭建中小型企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，完善開(kāi)發(fā)適應(yīng)各種異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，解決數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)織造設(shè)備狀態(tài)的信息化。

在紡織企業(yè)中，生產(chǎn)設(shè)備如織機(jī)、剖絨機(jī)、剪毛機(jī)等不僅是工具和設(shè)備，更是車(chē)間生產(chǎn)信息的節(jié)點(diǎn)。通過(guò)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、統(tǒng)計(jì)、分析和反饋，可以大大提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率。雖然國(guó)外紡織品加工領(lǐng)域的數(shù)字化、信息化改造開(kāi)始的時(shí)間較早且已經(jīng)取得了較大進(jìn)步，但是系統(tǒng)僅做到了單類型規(guī)?；O(shè)備的改造，在企業(yè)車(chē)間、多種機(jī)型設(shè)備之間的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享及綜合數(shù)據(jù)分析卻沒(méi)有突出進(jìn)展。此外，研發(fā)的系統(tǒng)目前只針對(duì)國(guó)外高端進(jìn)口設(shè)備，并不適用于國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)織造企業(yè)的設(shè)備數(shù)據(jù)采集與智能分析。

紡織企業(yè)的機(jī)臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性好、精度高，但機(jī)臺(tái)老舊、自動(dòng)化程度低，需在每臺(tái)機(jī)器上安裝測(cè)頭，并通過(guò)通信模塊將數(shù)據(jù)存入云端。每日采集數(shù)據(jù)量大，且企業(yè)沒(méi)有統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，多靠經(jīng)驗(yàn)判斷機(jī)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，存在誤差大、標(biāo)準(zhǔn)化低等缺點(diǎn)。通過(guò)搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集機(jī)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)管控的數(shù)字化、可視化，并建立分析模型對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理，提取關(guān)鍵特征參數(shù)反映機(jī)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況[3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架

我國(guó)中小型三維立體織物企業(yè)產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)采用傳統(tǒng)方式，多為人工掛碼。生產(chǎn)設(shè)備多為20 世紀(jì)90 年代進(jìn)口織機(jī)，不具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。后期引進(jìn)的一些根據(jù)銷(xiāo)售需要組裝的國(guó)產(chǎn)小機(jī)型，不具備通信功能?？紤]此種情況，根據(jù)實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)的需求，系統(tǒng)在功能上需要有3 個(gè)層次，分別為數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和管理層[3]，總體框架如圖1 所示。

圖1 總體框架

數(shù)據(jù)采集層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由多個(gè)電磁感應(yīng)式傳感器和采集器組成，不僅是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的根基，也是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)采集器通過(guò)探頭采集生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)信息，并經(jīng)過(guò)處理得到產(chǎn)量信息。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層是系統(tǒng)的中間層，由數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成，其中數(shù)據(jù)服務(wù)器用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。它通過(guò)RS-485 通信模塊進(jìn)行傳輸，將產(chǎn)量信息上傳至云端進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。

管理層是系統(tǒng)的頂端，可由管理人員通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)分析查看車(chē)間的生產(chǎn)進(jìn)度，以便制訂合適的生產(chǎn)計(jì)劃。設(shè)備管理人員可通過(guò)數(shù)據(jù)分析及時(shí)掌握生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并對(duì)有故障的設(shè)備進(jìn)行必要的維護(hù)和檢修。

2.2 設(shè)備產(chǎn)量數(shù)據(jù)的檢測(cè)與傳輸

三維立體織物有一定的毛高。為保證數(shù)據(jù)采集精度，系統(tǒng)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)通過(guò)霍爾式傳感器和數(shù)據(jù)采集器收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，處理后將數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485 總線上傳至車(chē)間的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。以某三維織物小微企業(yè)為例，該企業(yè)機(jī)型種類較多。有的織機(jī)為20 世紀(jì)90 年代進(jìn)口織機(jī)，精度高、穩(wěn)定性好，但是設(shè)備老舊、自動(dòng)化程度低；有的織機(jī)為根據(jù)自身生產(chǎn)需求組裝的小型織機(jī)，缺乏信息化部分；有的織機(jī)配備有剖絨機(jī)、剪毛機(jī)等后處理機(jī)器。企業(yè)車(chē)間進(jìn)行數(shù)字化改造，需要在生產(chǎn)設(shè)備和后處理設(shè)備上安裝數(shù)據(jù)采集裝置和通信模塊。數(shù)據(jù)采集裝置由霍爾式傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成，通過(guò)RS-485 通信模塊傳輸將產(chǎn)量信息上傳至服務(wù)器，完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表生成以及狀態(tài)顯示等功能。管理人員可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)了解車(chē)間生產(chǎn)狀況。數(shù)據(jù)采集裝置原理如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集裝置原理圖

紡織車(chē)間內(nèi)各種生產(chǎn)設(shè)備分布緊密，各種線路錯(cuò)綜復(fù)雜，電磁環(huán)境復(fù)雜，必須使用具有高抗電磁輻射干擾能力的模塊。RS-485 總線具有平衡差分傳輸特性，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離較遠(yuǎn)，具有強(qiáng)的級(jí)聯(lián)能力，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多站通信，成本低，組網(wǎng)方便，廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域[4]?？紤]企業(yè)情況，綜合性價(jià)比，此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用RS-485 總線通信。

因?yàn)檐?chē)間內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備和線路復(fù)雜，所以在網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)選用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。常見(jiàn)的無(wú)線通信技術(shù)包括通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）、Wi-Fi、ZigBee 和藍(lán)牙4 種[5]。其中，ZigBee需要重新建立網(wǎng)絡(luò)，適合短距離傳輸。如果增加一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)，就會(huì)改變?cè)械木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且可擴(kuò)展性和可移動(dòng)性差。藍(lán)牙技術(shù)可實(shí)現(xiàn)短距離傳輸，但是能夠連接的數(shù)量有限。常用的Wi-Fi 技術(shù)是通過(guò)接入無(wú)線接入點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)遇到無(wú)線接入點(diǎn)故障時(shí)，會(huì)影響所有接入這個(gè)接入點(diǎn)的設(shè)備，可能引起較大的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)每臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集器采集到各設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行的狀態(tài)后，將以太網(wǎng)模塊與對(duì)應(yīng)的服務(wù)器進(jìn)行互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)采集器中的控制器一般采用單片機(jī)或者可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。如果控制器采用的是PLC，則可以選擇對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)通信模塊，實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信。如果控制器采用的是單片機(jī)，一般采用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)通信模塊，實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信。圖3 為某公司雙串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)通信模塊。

圖3 以太網(wǎng)通信模塊

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理

服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收到各生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)信息后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)服務(wù)器，統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)數(shù)據(jù)后對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示和統(tǒng)計(jì)分析。此時(shí)，用戶可通過(guò)瀏覽器登錄系統(tǒng)查看相關(guān)信息。設(shè)備管理界面如圖4 所示。

圖4 設(shè)備管理界面

系統(tǒng)除顯示各臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)外，可以提供單臺(tái)設(shè)備和整個(gè)車(chē)間的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。統(tǒng)計(jì)報(bào)表可以通過(guò)數(shù)據(jù)窗口查看，也可以通過(guò)直接查詢數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。有些數(shù)據(jù)報(bào)可以直接在系統(tǒng)中讀取，但是有些報(bào)表需將系統(tǒng)采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合才能得出分析結(jié)果。統(tǒng)計(jì)報(bào)表的類型可根據(jù)企業(yè)管理需求進(jìn)行個(gè)性化定制，如分析一段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的效率、故障次數(shù)以及停機(jī)次數(shù)等。

3 結(jié)語(yǔ)

基于傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，搭建了一個(gè)面向三體立體織物紡織車(chē)間的集生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，并在某企業(yè)車(chē)間進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、傳輸和統(tǒng)計(jì)分析的實(shí)時(shí)性和可靠性。管理人員能夠利用臺(tái)式計(jì)算機(jī)、手機(jī)、平板電腦等隨時(shí)查看車(chē)間生產(chǎn)情況，提升了車(chē)間數(shù)字化程度，提高了車(chē)間信息化水平。