基于物聯(lián)網(wǎng)的不銹鋼纖維斷頭預警信息系統(tǒng)

周寶建

(廈門大學 嘉庚學院，福建 廈門 361005)

基于物聯(lián)網(wǎng)的不銹鋼纖維斷頭預警信息系統(tǒng)

周寶建

(廈門大學 嘉庚學院，福建 廈門 361005)

為推動不銹鋼纖維規(guī)?；a(chǎn),解決不銹鋼纖維千米無斷頭問題，通過紅外感應裝置及無線互聯(lián)網(wǎng)絡將斷頭信息發(fā)送到無線智能終端，操作員處理后反饋信息設置預警信息系統(tǒng)。規(guī)?；a(chǎn)中，斷頭預警信息系統(tǒng)可以提高生產(chǎn)效率，通過數(shù)據(jù)分析評價原材料的性能指標，幫助企業(yè)決策。

不銹鋼纖維；物聯(lián)網(wǎng)技術；信息系統(tǒng)；數(shù)據(jù)模型

不銹鋼纖維在防電磁波輻射方面具有獨特作用，成為重要的軍用新材料，應用于偽裝網(wǎng)和雷達目標布。不銹鋼纖維加捻線由單股或多股長纖維加捻制成柔性纖維，具有穩(wěn)定的電阻率、良好的耐高溫和導電性能，適用于信息傳輸線、導電傳輸線以及智能服裝等產(chǎn)品。隨著智能手機的普及，觸摸屏成為智能手機的標準配置，利用不銹鋼纖維混紡紗制成手套和防輻射服裝，成為新的市場熱點。不銹鋼纖維生產(chǎn)過程中平均300～500 m出現(xiàn)斷頭，而國際市場需要1 000 m無斷頭產(chǎn)品，纖維斷頭影響產(chǎn)品質量，制約規(guī)模化生產(chǎn)。為推動不銹鋼纖維規(guī)?；a(chǎn)，本文研究不銹鋼纖維斷頭預警信息系統(tǒng)。

1 不銹鋼纖維斷頭預警信息系統(tǒng)現(xiàn)狀

以金屬纖維為研究對象，經(jīng)相關部門檢索查新報告，國內外研究相關文獻147篇，篩選出主要相關文獻9篇。通過對相關文獻的綜合分析、比較，發(fā)現(xiàn)國內尚未有100～500芯不銹鋼纖維(直徑8 μm)長絲兩股或多股直接加捻成線技術，相關資料未介紹不銹鋼纖維線的生產(chǎn)技術，不銹鋼纖維斷頭預警信息系統(tǒng)尚未出現(xiàn)研究文獻。

為解決成紗斷頭，國內紡織業(yè)應用諸多手段解決氣圈的不穩(wěn)定性，如采用氣圈破裂環(huán)、雙氣圈破裂環(huán)等機械手段，但此類技術手段局限于普通常規(guī)纖維，無法適應不銹鋼纖維的高刻蝕性。湖南惠同新材料股份有限公司是國內主要研發(fā)不銹鋼纖維紡紗機構，據(jù)了解，目前尚未有同規(guī)格品種做到1 000 m無斷頭技術；武漢科技大學學報2005年5期的“一種基于特征的紗線氣圈圖像邊緣提取方法”論文中提到，應用軟件技術提取氣圈圖像的方法，但是未提及提取氣圈圖像應用和解決斷頭方面問題；有企業(yè)采用非接觸式圖像識別方法進行紗線張力測算，基于較為理想的數(shù)學模型，現(xiàn)實應用中，經(jīng)常發(fā)生較大的誤差；有企業(yè)研究電控式紗線斷頭停車裝置，但是這是在斷頭發(fā)生后介入，沒有提前預警并預防斷頭發(fā)生，也無法實現(xiàn)不銹鋼纖維千米無斷頭的需求。

國內外研究表明，尚未有針對解決不銹鋼纖維線斷頭提出系統(tǒng)的建議，目前，企業(yè)普遍采用原始的人工方法來監(jiān)測和預警斷頭，通過觀察氣圈破裂環(huán)的磨損、陶瓷卡口的磨損和氣圈形態(tài)來預先判斷斷頭發(fā)生，采取更換耗材等對應措施。但是這樣需要耗費大量的勞動力資源，而且人工觀察依賴于個人經(jīng)驗和精神狀態(tài)，預警的成本高且效果欠佳。隨著信息技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術在工業(yè)控制領域得到了廣泛應用，采用圖像模式匹配和識別技術、非接觸式傳感器、智能電控開關等電子設備替代，對發(fā)生異常氣圈狀況的工位進行預警，并將預警結果通過有線或者無線網(wǎng)絡等方式傳輸至終端，執(zhí)行對應操作。實現(xiàn)不銹鋼纖維線1 000 m無斷頭預警技術是一項信息技術在工業(yè)生產(chǎn)領域的新應用。

2 不銹鋼纖維斷頭預警信息系統(tǒng)流程

不銹鋼纖維紡紗過程中，纖維斷頭瞬間，電子感應器發(fā)出紅外信號，電子控制板將斷頭信號通過USB端口接入電腦。表1描述斷頭信號信息表的數(shù)學模型，斷頭信號包括Ni、Si、Di、Ti，其中Ni表示斷頭編號、Si表示斷頭梭子位置、Di表示發(fā)生日期、Ti表示發(fā)生時間,i表示第i個斷頭信號，電腦收到斷頭信號后，立即通過APP發(fā)送到操作員的智能終端(例如智能手機)中。操作員收到斷頭信號后立即進行處理，當斷頭信號處理完畢后，操作員在其智能終端發(fā)出斷頭處理完成信號至電腦。表2描述斷頭信號處理信息表的數(shù)學模型，斷頭信號處理后反饋的信息為Ni、Ei、Ui，其中Ni表示斷頭編號、Ei表示發(fā)生日期、Ui表示發(fā)生時間，i表示第i個斷頭信號，斷頭信號發(fā)出后90s內未處理，則重復發(fā)送，之后每180s發(fā)送未處理好的斷頭信息。

表1 斷頭信號信息表的數(shù)學模型

表2 斷頭信號處理信息表的數(shù)學模型

3 不銹鋼纖維斷頭預警信息系統(tǒng)需求分析

不銹鋼纖維斷頭預警信息系統(tǒng)的目標是應用物聯(lián)網(wǎng)技術，獲取斷頭信息，及時準確地發(fā)送斷頭位置，進行相應處理。同時統(tǒng)計斷頭數(shù)據(jù)，分析纖維產(chǎn)品的質量，提供報告以支持企業(yè)決策。

3.1 需求結構

根據(jù)信息系統(tǒng)目標、職能域和需求的相關性，總體上把信息系統(tǒng)需求劃分為4個需求單元，分別是斷頭預警、斷頭處理、統(tǒng)計分析和信息設置，這些需求單元構成信息系統(tǒng)的需求框架。需求結構完整反映企業(yè)需求，圖1描述不銹鋼纖維斷頭預警信息系統(tǒng)的需求結構。斷頭預警提供即時斷頭信息，斷頭處理反饋斷頭處理信息，統(tǒng)計分析提供斷頭清單，統(tǒng)計斷頭數(shù)據(jù)，分析纖維產(chǎn)品質量，統(tǒng)計斷頭處理效率，以支持企業(yè)決策。

3.2 功能需求

信息系統(tǒng)功能是信息系統(tǒng)具有的效能和作用，通過參與者與信息系統(tǒng)的交互活動來確定信息系統(tǒng)的功能，采用UML(統(tǒng)一建模語言)的用例圖描述信息系統(tǒng)功能。根據(jù)信息系統(tǒng)需求結構，劃分為4個需求單元：斷頭預警、斷頭處理、統(tǒng)計分析和信息設置。

斷頭預警實現(xiàn)預警信息的采集、分發(fā)。本項目組采購專業(yè)試驗設備，研究不銹鋼纖維斷頭預警。實驗設備采用紡織企業(yè)真實的紡紗機器，利用單片機通過高低電平采集斷頭信息，單片機用USB線連接到電腦，將收集的斷頭信息存儲到電腦中。在紡紗機器較多的情況下，USB線跨度太大，影響信號接收，建議改用無線接收。利用手機移動通信，將斷頭信息經(jīng)過移動通信傳送到電腦，但是此無線通信方案整體成本比較高，在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下可以采用。

斷頭處理功能分手工和自動兩個部分。前期采用手工完成，由操作員輸入完成斷頭處理的位置信息，后期采用自動功能，由第一個需求單元斷頭預警的信息采集實現(xiàn)，當斷頭已經(jīng)被處理好之后，所采集到的信息為正常信息，即表示斷頭已經(jīng)被處理好了。

統(tǒng)計分析提供信息的各項統(tǒng)計資料，以支持企業(yè)決策。主要有斷頭預警信息統(tǒng)計、斷頭處理時間統(tǒng)計、產(chǎn)品質量分析、斷頭原因分析等。斷頭預警信息統(tǒng)計按照年、月、周、日或者按照操作者指定時間范圍，統(tǒng)計斷頭預警信息。斷頭處理時間統(tǒng)計分析處理時間長度，監(jiān)控生產(chǎn)效率，可以按照操作員及指定時間范圍統(tǒng)計斷頭處理時間，以便考核操作員工作績效。

3.3 性能需求

性能需求包括效率、可靠性、安全性、可用性和適應性5個方面。不銹鋼纖維斷頭預警信息系統(tǒng)的效率需求是：在0.1s內發(fā)送斷頭預警數(shù)據(jù)到達電腦，0.1s內完成斷頭預警信息分發(fā)，統(tǒng)計分析信息延遲不超過2s，允許多任務并存；可靠性需求：2 000h不發(fā)生故障，出現(xiàn)故障快速恢復，斷頭預警精確度99.99%；適應性需求：系統(tǒng)容易被擴展，能夠應對增加統(tǒng)計分析功能，支持更多節(jié)點；安全性需求：業(yè)務信息、數(shù)據(jù)存儲保證安全，建立安全權限和分級管理機制；可用性需求：具有方便的聯(lián)機幫助功能，容易學習，方便使用。

4 斷頭預警信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構

根據(jù)信息系統(tǒng)業(yè)務流程分析，采用4個數(shù)據(jù)表結構，分別是操作員信息表tb_operator、梭子信息表tb_shuttle、斷頭信息表tb_broken和處理斷頭信息表tb_handle_shuttle。表3操作員信息表包括操作員編號、操作員姓名和權限三個字段；表4梭子信息表包括梭子編號、梭子位置兩個字段；表5斷頭信息表包括斷頭編號、梭子編號和斷頭時間三個字段。斷頭編號brk_num表示表1中的斷頭編號Ni，梭子編號brk_shuttle_num表示表1中的斷頭梭子位置Si，斷頭時間brk_time則將發(fā)生日期Di、發(fā)生時間Ti合并表示。表6處理斷頭信息表包括斷頭編號、處理時間和操作員編號三個字段。處理斷頭信息表tb_handle_shuttle中的斷頭編號hdl_shuttle_num表示表2中的斷頭編號Ni，處理時間hdl_time表示表2中的發(fā)生日期Ei和發(fā)生時間Ui。

表3 tb_operator表的結構

表4 tb_shuttle表的結構

表5 tb_broken表的結構

表6 tb_handle_shuttle表的結構

5 斷頭預警信息系統(tǒng)體系結構

信息系統(tǒng)體系結構是信息系統(tǒng)內部要素按照確定關系構成的系統(tǒng)框架，本系統(tǒng)選用客戶機/服務器(Client/Server,C/S)模式。這種體系結構模式以數(shù)據(jù)庫服務器為中心，以客戶機為網(wǎng)絡基礎，在信息系統(tǒng)軟件支持下的兩層結構模型。用戶操作模塊設置在客戶機上，數(shù)據(jù)存儲在服務器上的數(shù)據(jù)庫中，客戶機依靠服務器獲得所需要的網(wǎng)絡資源，而服務器為客戶機提供網(wǎng)絡必須的資源。數(shù)據(jù)庫選用MicrosoftSQLServer2010，開發(fā)工具采用Java，數(shù)據(jù)庫服務器放置在企業(yè)機房，為節(jié)約資源，可與其它數(shù)據(jù)庫服務器合用。工作車間需裝備移動互聯(lián)網(wǎng)，信號強度與帶寬需滿足要求。

6 結語

為解決不銹鋼纖維千米無斷頭問題，通過設置紅外感應裝置，及時獲取斷頭信息，再通過無線互聯(lián)網(wǎng)絡將信息發(fā)送到無線智能終端，操作員接收斷頭信息后立即處理，處理后反饋信息。對于規(guī)?；a(chǎn)，斷頭預警信息系統(tǒng)可以提高操作員的工作效率，從而提高生產(chǎn)效率。此外，通過數(shù)據(jù)分析評價原材料的性能指標，可以幫助企業(yè)決策。

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Early Warning Information System of Stainless Steel Fiber Broken Based on Internet of Things Technology

ZHOU Bao-jian

(Tan Kah Kee College, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

By the infrared induction device, wireless Internet would send broken information to the wireless intelligent terminal, and operator feedback information after treatment to promote the large-scale production of stainless steel fiber and solve stainless steel fiber breakage problem. For large-scale production, the information system could improve production efficiency. Data analysis and performance evaluation of raw materials could help enterprises to decision-making.

stainless steel fiber; the internet of thing; information system; data model

2016-07-23；

2016-08-26

廈門市2014年科技計劃高校項目(3502Z20143037)

周寶建(1965-)，男，講師，主要從事教學與科研工作，E-mail:zhoubaojian@xujc.com。

TS102.4

A

1673-0356(2016)11-0018-03