基于以太網(wǎng)和RS485 的服裝吊掛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)*

吳 鑫，俞建定，趙鵬飛，王 銀

（寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引 言

寧波及周邊地區(qū)服裝加工業(yè)非常發(fā)達(dá)，但在走訪行業(yè)協(xié)會(huì)、企業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，寧波乃至全國(guó)的服裝生產(chǎn)企業(yè)（特別是中小型服裝生產(chǎn)企業(yè)）中，許多企業(yè)仍采用傳統(tǒng)“捆扎式”生產(chǎn)模式，即在布料處理、剪裁、縫紉、釘扣等流水線環(huán)節(jié)，每個(gè)操作工位相互獨(dú)立，前后工序的半成品傳遞靠人工搬運(yùn)。這種生產(chǎn)模式不僅效率低而且返工率高、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繁瑣，在當(dāng)前服裝消費(fèi)更新?lián)Q代加速、企業(yè)招工難和外貿(mào)訂單不穩(wěn)定等情況下，會(huì)從內(nèi)部制約企業(yè)生存發(fā)展。服裝吊掛系統(tǒng)是一種先進(jìn)的服裝生產(chǎn)管理系統(tǒng)，它通過(guò)電腦系統(tǒng)集成控制，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)采集、分析和實(shí)時(shí)處理，改變了服裝行業(yè)傳統(tǒng)的“捆扎式”生產(chǎn)方式，有效解決了制作過(guò)程中輔助作業(yè)時(shí)間比例大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成衣質(zhì)量難以控制等問(wèn)題[1]。服裝吊掛系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始普及，技術(shù)相對(duì)成熟。國(guó)內(nèi)由于輕紡行業(yè)技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)缺乏，輕紡行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)緩慢，且本身利潤(rùn)低，很少有企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)投資獨(dú)立研發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)品；而進(jìn)口整套國(guó)外服裝吊掛系統(tǒng)產(chǎn)品價(jià)格高、后期維護(hù)不便。如此便從一定程度上制約了我國(guó)服裝企業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。

本研究在查閱國(guó)內(nèi)外同類系統(tǒng)資料，并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間深入企業(yè)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)和RS485 總線的服裝吊掛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。上位機(jī)采用以太網(wǎng)通信，以保證通信的速度和通信的可靠性，而且連接方便，通過(guò)路由器或交換機(jī)可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)多條流水線的集中控制。工作站通信采用RS485 總線進(jìn)行通信，在保證性能前提下，利于成本的控制。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

服裝吊掛系統(tǒng)基本構(gòu)成是一套懸空的物件傳輸流水線系統(tǒng)，通過(guò)一個(gè)循環(huán)的機(jī)械傳輸裝置將各個(gè)生產(chǎn)加工工位橋接起來(lái)，由上位機(jī)控制帶有不同編碼的吊架在不同工位的傳輸，從而達(dá)到衣服或衣片的運(yùn)輸，是機(jī)電一體化在服裝業(yè)的集中應(yīng)用[2]。整個(gè)吊掛系統(tǒng)的基本工作程序如下：

工序加工完成——→發(fā)料臺(tái)——→上吊架——→編碼通信——→工位出衣料——→機(jī)械傳輸裝置——→下個(gè)工位進(jìn)料。

以上工作程序依次循環(huán)，每個(gè)工位自動(dòng)控制自身的出衣料、自動(dòng)記錄自己的工作情況，同時(shí)上位機(jī)對(duì)所有工位進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理。

本研究設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是服裝吊掛系統(tǒng)的核心控制部分，即服裝吊掛系統(tǒng)的“大腦”。其由上位機(jī)、若干個(gè)中轉(zhuǎn)器和多個(gè)工作站組成，系統(tǒng)總架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總架構(gòu)

系統(tǒng)采用總線控制方法，各工作站掛接在RS485總線上，工作站數(shù)量最多可達(dá)100個(gè)。上位機(jī)作為總控設(shè)備，通過(guò)以太網(wǎng)與中轉(zhuǎn)器進(jìn)行通信，中轉(zhuǎn)器重新對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)RS485總線與工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

以太網(wǎng)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸距離長(zhǎng)、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。系統(tǒng)采用的TCP協(xié)議是一個(gè)可基于三次握手的協(xié)議，又叫“面向連接”的通信協(xié)議，它規(guī)范了客戶端和服務(wù)器的三次請(qǐng)求和應(yīng)答的格式。從而能以較大的概率保證信道的成功建立，數(shù)據(jù)通信的可靠性高[3-4]。RS485總線通訊方式以其簡(jiǎn)潔靈活、硬件接口簡(jiǎn)單、軟件易實(shí)現(xiàn)、性價(jià)比較高、傳輸距離較遠(yuǎn)、誤碼率較低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制系統(tǒng)中，尤其在中小型數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中運(yùn)用廣泛[5-6]。

本研究基于以上兩種通信方式的優(yōu)點(diǎn)，充分考慮在服裝生產(chǎn)過(guò)程中的交互實(shí)時(shí)性和通信的數(shù)據(jù)量，將這兩種總線集成混合使用，有效解決了總控設(shè)備（上位機(jī)）和控制設(shè)備（工作站）數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的瓶頸問(wèn)題，使上位機(jī)發(fā)揮出最大的工作效率，對(duì)工作站電路處理芯片的選擇要求也不高，不僅可有效降低成本，而且連接方便、運(yùn)行可靠。

2 工作站模塊設(shè)計(jì)

工作站作為員工直接操作的工作平臺(tái)，主要負(fù)責(zé)接收處理上位機(jī)下發(fā)的命令，并把自己的生產(chǎn)情況應(yīng)答給上位機(jī)，另外還對(duì)工作平臺(tái)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制，如采集吊架信息的讀卡器的信息交互，控制工位電磁閥的開(kāi)關(guān)、傳動(dòng)裝置電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、手持設(shè)備命令控制等等。工位電路主要由MCU、存儲(chǔ)芯片、輸入/輸出通道、485通信模塊、手持設(shè)備電路等模塊組成。輸入/輸出均采用光耦隔離，保證了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，工作站電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 工作站電路結(jié)構(gòu)

MCU 采用STC 系列單片機(jī)，STC系列單片機(jī)屬超強(qiáng)抗干擾、高速、加密性強(qiáng)、低功耗單片機(jī)，適合在服裝加工車間使用，而且開(kāi)發(fā)方便，性價(jià)比高。

工作站的軟件主要由485通信模塊、總控模塊、時(shí)鐘模塊、手持器顯示模塊、I/O 控制模塊構(gòu)成。程序流程如圖3 所示。

圖3 工作站程序流程

3 中轉(zhuǎn)器模塊設(shè)計(jì)

中轉(zhuǎn)器是通信的橋梁，是對(duì)系統(tǒng)采用的兩種通信方式的承接，在系統(tǒng)中主要起數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換作用。其基本構(gòu)成有以太網(wǎng)通信模塊、中央處理模塊MCU、RS485通信模塊、電源模塊和I/O接口，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，以太網(wǎng)通信模塊和上位機(jī)相連，RS485 模塊和各工作站相連。其中MCU采用的也是STC系列的單片機(jī)，以太網(wǎng)通信模塊的網(wǎng)絡(luò)控制芯片采用的是W5100。W5100 是一款高性能且內(nèi)部集成硬件協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)控制芯片，具有控制方便，外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[7]。

圖4 中轉(zhuǎn)器電路結(jié)構(gòu)

中轉(zhuǎn)器程序設(shè)計(jì)思路如下：

中轉(zhuǎn)器要處理的數(shù)據(jù)包括所有工位的數(shù)據(jù)，上位機(jī)下發(fā)給工位的數(shù)據(jù)，先到達(dá)W5100發(fā)送緩存區(qū)，再由MCU取出轉(zhuǎn)換后下發(fā)給工位，工位接到命令后立即應(yīng)答，這些應(yīng)答信息也是先由MCU 轉(zhuǎn)換后填入W 5100接收緩存區(qū)。

系統(tǒng)工作時(shí)，MCU 實(shí)時(shí)判斷W5100 的發(fā)送緩存區(qū)（TX）是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，取出一部分?jǐn)?shù)據(jù)放入一個(gè)數(shù)組，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再把這部分?jǐn)?shù)據(jù)下發(fā)給所有工位，數(shù)據(jù)中含有工位地址，每個(gè)工位根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行地址匹配，如果是自己的數(shù)據(jù)就接受處理并立即應(yīng)答給上位機(jī)。MCU 接收到工位的應(yīng)答數(shù)據(jù)后，先將數(shù)據(jù)存入一個(gè)數(shù)組，再將這部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到W5100的接收緩存區(qū)（RX）。

RS485配置程序分為UART初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收3個(gè)部分。UART初始化模塊，主要設(shè)置波特率、串口工作模式和開(kāi)啟中斷等，數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢方式是為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蛯?shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式。

中轉(zhuǎn)器處理程序的流程如圖5所示。

圖5 中轉(zhuǎn)器程序流程

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)是系統(tǒng)的控制中心，對(duì)下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、保存和顯示，控制每件衣服的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的收集和處理，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)工作量、產(chǎn)量和返工量等數(shù)據(jù)，利于用戶對(duì)生產(chǎn)情況的了解和調(diào)整。其主要由通信模塊、人機(jī)交互界面模塊和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)等組成。

4.1 通信模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)工位的生產(chǎn)情況，系統(tǒng)上位機(jī)和工位間需頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，則對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)操作會(huì)很頻繁。若將通信模塊程序嵌在人機(jī)交互界面的實(shí)現(xiàn)上，則對(duì)多線程的處理要求較高。

基于Delphi 在數(shù)據(jù)庫(kù)操作方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)[8]，本研究使用Delphi 技術(shù)將通信模塊做成人機(jī)交互界面的一個(gè)插件，系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)人機(jī)交互界面啟動(dòng)通信模塊。通信模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，人機(jī)交互界面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)查詢和更新。這樣的組織方式使得上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)性更強(qiáng)，開(kāi)發(fā)難度反而下降，也利于軟件的升級(jí)。

通信模塊與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互主要包括：一是對(duì)采集到的每個(gè)生產(chǎn)工位的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將相關(guān)數(shù)據(jù)同步到數(shù)據(jù)庫(kù)；二是響應(yīng)工位的請(qǐng)求，下發(fā)相關(guān)命令給每個(gè)生產(chǎn)工位。交互的數(shù)據(jù)包含了所有的工位的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)幀格式如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)幀格式

在與中轉(zhuǎn)器通過(guò)以太網(wǎng)通信中，PC 扮演的是客戶端角色，利用Delphi7中的TcpClient控件可以很方便地實(shí)現(xiàn)其功能。

處理程序的偽代碼如下：

4.2 人機(jī)交互界面模塊設(shè)計(jì)

該界面是在Visual Studio 2005.Net編程環(huán)境中使用C#語(yǔ)言編程完成，通過(guò)在.Net平臺(tái)上運(yùn)用C#可以很便捷地進(jìn)行應(yīng)用軟件的快速開(kāi)發(fā)[9-10]，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用廣泛使用、操作簡(jiǎn)便的SQLServer2000來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[11]。其主界面框架如圖7所示。

圖7 上位機(jī)軟件主界面

人機(jī)交互界面主要功能包括：

（1）實(shí)時(shí)顯示各個(gè)工位的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。通過(guò)更新每個(gè)工位上傳的數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)給管理者，以利于生產(chǎn)進(jìn)程的判斷和調(diào)整；

（2）制定加工方案。根據(jù)要生產(chǎn)服裝款式的工藝要求，制定相應(yīng)的加工方案，即安排工位制作相應(yīng)的工序；

（3）員工信息的管理。對(duì)員工個(gè)人基本信息的統(tǒng)計(jì)，員工工作狀態(tài)的設(shè)置，對(duì)生產(chǎn)小組的設(shè)置；

（4）自動(dòng)生成報(bào)表。將數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)，按著用戶的要求生成對(duì)應(yīng)的報(bào)表；

（5）進(jìn)行多任務(wù)工作機(jī)制管理。多種款式同時(shí)加工，按尺寸、顏色分類統(tǒng)計(jì)，可以對(duì)多條流水線集中控制。

5 系統(tǒng)測(cè)試

為了方便系統(tǒng)通信的調(diào)試和系統(tǒng)工作過(guò)程中事故的排查，在上位機(jī)軟件的通信模塊中，本研究將與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互過(guò)程以日志的形式記錄下來(lái)。測(cè)試日志截圖如圖8所示。

圖8 測(cè)試日志截圖

測(cè)試：設(shè)置10個(gè)加工工位，1號(hào)2號(hào)3號(hào)站上吊架，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行分析，在13:55:23時(shí)刻做出應(yīng)答，發(fā)送命令工位。在13:55:27時(shí)刻，上位機(jī)收到工位執(zhí)行命令后的應(yīng)答信息。吊架進(jìn)入機(jī)械傳輸裝置前后經(jīng)歷大概在4 s左右，滿足生產(chǎn)需求。

從日志中可以看到，上位機(jī)和下位機(jī)通信呈應(yīng)答模式，下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)和上位機(jī)下發(fā)的命令都可以比較直觀地呈現(xiàn)，調(diào)試和事故的查找非常方便。

6 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的服裝吊掛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)與目前市場(chǎng)同類產(chǎn)品相比，通信架構(gòu)產(chǎn)生了全新的變化，整個(gè)結(jié)構(gòu)靈活性更強(qiáng)，所設(shè)計(jì)的連接兩種通信方式的中轉(zhuǎn)器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、成本低，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效果理想。系統(tǒng)的上位機(jī)軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)已經(jīng)在寧波纖真服飾有限公司、寧波華鑫針織制衣有限公司等企業(yè)投入使用，得到用戶滿意反饋。

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