基于物聯(lián)網(wǎng)的針織MES實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計與實現(xiàn)

劉燕　鄧維愛　曾曉君　蘇柏軍

摘要：針對當(dāng)前針織生產(chǎn)過程中生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集方式落后與數(shù)據(jù)反饋實時性差的問題，設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集傳送器。探討針織大圓機(jī)實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集傳送器的工作原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析該數(shù)據(jù)采集傳送器的數(shù)據(jù)采集模塊、物聯(lián)網(wǎng)通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊等主要部分。結(jié)果表明：該實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集傳送器實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)管理以及企業(yè)信息控制的無縫集成，顯著提高了企業(yè)的生產(chǎn)、管理效率，降低生產(chǎn)管理成本，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：針織生產(chǎn)；實時數(shù)據(jù)采集傳送器；物聯(lián)網(wǎng)；針織制造執(zhí)行系統(tǒng)

中圖分類號：TS183.92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2017）05-0071-05

Abstract：To solve the problems that backward data acquisition method and data feedback system of poor realtime capability are adopted in knitting production process， a realtime data acquisition system based on the Internet of Things was designed. The working principle and structure of realtime data acquisition conveyor of circular knitting machine were discussed， and the main components of the data acquisition conveyor were analyzed， including data acquisition module， InternetofThings communication module and database module. According to the test， the data acquisition conveyor could realize seamless integration of data acquisition， production management and enterprise information control， significantly improve enterprises production and management efficiency， and reduce production and management costs， which is of high value of promotion and application.

Key words：knitting production； realtime data acquisition conveyor； the Internet of Things； knitting manufacturing execution system

隨著中國工業(yè)化和信息化兩化融合進(jìn)程的不斷推進(jìn)，針織行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，市場競爭日益激烈，信息化戰(zhàn)略已成為紡織企業(yè)提升市場競爭能力的重要發(fā)展戰(zhàn)略之一。針織制造執(zhí)行系統(tǒng)作為針織行業(yè)一種新型的生產(chǎn)管理手段，能夠有效地將車間前端生產(chǎn)與企業(yè)后方管理銜接起來，順利完成生產(chǎn)、管理數(shù)據(jù)的獲取和傳輸；通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時反饋實現(xiàn)對生產(chǎn)過程、管理調(diào)度的控制和監(jiān)控。因此，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集是針織制造執(zhí)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)[13]。

經(jīng)調(diào)研佛山張槎地區(qū)織廠，生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)多依賴人工記錄、操作繁冗雜、記錄滯后，無法實時反饋管理。傳統(tǒng)針織大圓機(jī)無生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計分析，不能對生產(chǎn)效率進(jìn)行量化評估，無法做出最優(yōu)生產(chǎn)調(diào)度以提高企業(yè)效率。在當(dāng)前國內(nèi)外形勢下，紡織產(chǎn)業(yè)裝備升級提高產(chǎn)業(yè)效能勢在必行。本文針對這一現(xiàn)狀，提出一種低成本高效益的針織數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)，有效解決上述狀況，為針織制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部分的構(gòu)建提供技術(shù)基礎(chǔ)，將針織機(jī)臺接入物聯(lián)網(wǎng)，提高企業(yè)的生產(chǎn)管理效率，推動針織制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）在針織企業(yè)的應(yīng)用。

1系統(tǒng)框圖與構(gòu)成

針織制造執(zhí)行系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與調(diào)度系統(tǒng)和信息反饋系統(tǒng)3部分[4]，針織MES的系統(tǒng)框圖如圖1所示。由核心數(shù)據(jù)采集傳輸器通過不同工業(yè)接口，包括織機(jī)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)采集接口、UHF接口、RFID接口、掃碼槍接口與稱重接口等等，將紡織制造生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)自動采集到MES系統(tǒng)。優(yōu)化整體紡織制造過程的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)管理。由圖1可知，MES系統(tǒng)作為生產(chǎn)管理的核心，其數(shù)據(jù)來源于核心數(shù)據(jù)采集傳輸器的各個對外采集數(shù)據(jù)接口[5]。本文著重研究的內(nèi)容即核心數(shù)據(jù)采集傳輸器的設(shè)計與實現(xiàn)。

2系統(tǒng)硬件

核心數(shù)據(jù)采集傳輸器的模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。FPGA芯片LCMXO2640作為采集信號并保存數(shù)據(jù)。FPGA外接EEPROM芯片保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)。顯示模塊可用于顯示部分當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)據(jù)。CC3200作為數(shù)據(jù)傳輸模塊，LCMXO2640和CC3200通過IIC總線進(jìn)行數(shù)據(jù)互通。傳感采集信號以中斷方式通知CC3200，CC3200作為IIC總線master設(shè)備，通過LCMXO2640虛擬映射內(nèi)存來讀取相應(yīng)實時數(shù)據(jù)。

3系統(tǒng)軟件

圖3為數(shù)據(jù)傳輸模塊CC3200系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖。底層為Freertos實時操作系統(tǒng)[6]，中間層為SPIFFS文件系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議，最上層為業(yè)務(wù)流程應(yīng)用軟件。

上層的業(yè)務(wù)流程應(yīng)用軟件是在基于底層Freertos實時操作系統(tǒng)和中間層SPIFFS文件系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議上運行的。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)按其功能可以劃分為3個模塊：實時數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、數(shù)據(jù)儲存分析及控制端模塊[4]。

3.1實時數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)來自于針織大圓機(jī)自身所帶傳感器的輸出信號，包括：停機(jī)、上斷紗、下斷紗、探針、探布、安全門、缺油、下布、變頻異常等?？煽貐?shù)包括：預(yù)算下布圈數(shù)、機(jī)速上限、機(jī)速下限。表1為一臺大圓機(jī)一個班次（12 h）采集數(shù)據(jù)示例。

3.2MQTT通信協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)傳輸采用物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議，本設(shè)備主要應(yīng)用了它的發(fā)布/訂閱消息模式[7]。在設(shè)備端（數(shù)據(jù)采集端）的通信協(xié)議如表2所示，接收端的通信協(xié)議如表3所示。

3.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲與分析模塊為監(jiān)控管理主機(jī)，其軟件部分使用Windows平臺，采用VS2008等工具進(jìn)行開發(fā)，采用MSSQL進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理，管理界面采用winform用戶界面，展示生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)與協(xié)同配置數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫表核心數(shù)據(jù)內(nèi)容主要由原料管理環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)、車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)、胚布進(jìn)倉、胚布出倉環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)組成[8]。

管理軟件通過數(shù)據(jù)接收端，通過相應(yīng)報文獲得設(shè)置數(shù)據(jù)，將監(jiān)聽到的報文分析后，轉(zhuǎn)成對應(yīng)數(shù)據(jù)儲存于數(shù)據(jù)庫表格式內(nèi)，更新數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)內(nèi)容；并可根據(jù)監(jiān)聽到實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)在可視化設(shè)備上展示以及根據(jù)實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，分析是否發(fā)出生產(chǎn)調(diào)度指示控制生產(chǎn)。

4功能驗證

為驗證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的在針織生產(chǎn)中的作用，已將系統(tǒng)投入于佛山某針織企業(yè)進(jìn)行測試使用?，F(xiàn)隨機(jī)從排產(chǎn)中的40臺中抽取5臺佰源針織大圓機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如表3所示。由表3可知：針織大圓機(jī)上安裝的數(shù)據(jù)采集終端所采集的圈數(shù)與針織大圓機(jī)與RW1000工控機(jī)（實際圈數(shù)）上所測的機(jī)速在數(shù)據(jù)存在較小的誤差，總體誤差都未超過0.1%。所采集的斷紗次數(shù)在數(shù)據(jù)上是一致的，不存在誤差。

由于織機(jī)的生產(chǎn)利用率取決于停機(jī)時間和開機(jī)時間，其中停機(jī)時間中斷紗停機(jī)時間占總停機(jī)時間的83%左右，由此可知，提高織機(jī)的生產(chǎn)利用率的關(guān)鍵在于減少斷紗停機(jī)時間。圖6、圖7展示了該數(shù)據(jù)采集傳輸器實時采集數(shù)據(jù)效果圖和自動化監(jiān)管機(jī)臺的功能，該數(shù)據(jù)采集傳送器具有斷紗落布報警提醒功能，在監(jiān)測到機(jī)器有斷紗時能夠讓值機(jī)工更迅速準(zhǔn)確找到斷紗處，并迅速接上紗線。監(jiān)測到需要落布時提前幾分鐘讓值機(jī)工做好準(zhǔn)備。因此在斷紗落布流程比人工觀測更迅速準(zhǔn)確，能夠減少因斷紗、落布等產(chǎn)生的停機(jī)時間。之前一個值機(jī)工管理3～4臺大圓機(jī)的生產(chǎn)，采用該數(shù)據(jù)采集傳送器后，一個值機(jī)工可以至多管理5～6臺大圓機(jī)的生產(chǎn)。同時，該數(shù)據(jù)采集器能夠通過工人刷卡進(jìn)行交接班并實時計算工資，改善了此前人工抄表的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高、計算薪酬及交接班費時費力的缺點。

同時對采用該系統(tǒng)后的管理方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并對比，對一個車間的排產(chǎn)機(jī)臺40臺織機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計計算平均值，如表4所示。由表4可看出，采用了自動化數(shù)據(jù)采集與計算之后的管理效率在數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率、精度以及織機(jī)的平均生產(chǎn)利用率上都有了提升。根據(jù)式（1）計算可知織機(jī)平均生產(chǎn)利用率從70.7%提高到80.2%，企業(yè)的效益和利潤得到較大幅的增長[9]。因此，通過在織機(jī)上應(yīng)用此數(shù)據(jù)采集傳送器，可以提高織機(jī)生產(chǎn)利用率，提升工廠自動化程度，進(jìn)而降低工廠的人工成本和管理成本。

5結(jié)論

本研究在了解針織制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的基礎(chǔ)上，深入研究核心數(shù)據(jù)采集傳輸模塊的工作原理，得出如下結(jié)論。

a） 通過對針織大圓機(jī)生產(chǎn)實際和針織制造執(zhí)行系統(tǒng)核心模塊——數(shù)據(jù)采集模塊的研究，設(shè)計了低成本的FPGA+CC3200的核心數(shù)據(jù)采集傳輸模塊硬件方案；

b） 對核心數(shù)據(jù)采集傳輸器的功能進(jìn)行劃分，著重分析了數(shù)據(jù)采集模塊、物聯(lián)網(wǎng)MQTT通信協(xié)議的應(yīng)用及核心數(shù)據(jù)庫的設(shè)計；

c） 通過對比傳統(tǒng)工控機(jī)采集的圈數(shù)，驗證了該數(shù)據(jù)采集傳輸器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；對比生產(chǎn)中人工采集數(shù)據(jù)和自動化采集數(shù)據(jù)的管理方式，驗證了核心數(shù)據(jù)采集傳輸器在提高機(jī)器生產(chǎn)利用率和降低管理成本上的優(yōu)越性。通過使用該系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)管理以及企業(yè)信息控制的無縫集成，企業(yè)能在一定程度上提高織機(jī)工作效率和生產(chǎn)管理效率，降低生產(chǎn)管理成本，增加企業(yè)效益，最終增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭力。

此外，鑒于本階段的研究水平還處于針織制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的基礎(chǔ)，后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化調(diào)度算法仍需要在進(jìn)一步研究中進(jìn)行解決。

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（責(zé)任編輯：陳和榜）