圓緯機互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)

彭來湖， 陳青松， 汝 欣， 胡旭東， 沈春婭

(1. 浙江理工大學 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018;2. 浙江理工大學 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

隨著針織企業(yè)的生產(chǎn)向規(guī)?；?、多樣化方向發(fā)展，同一家企業(yè)往往多廠區(qū)夸區(qū)域分布，同一產(chǎn)區(qū)往往多車間分工種管理，同一車間往往多設(shè)備多任務并行生產(chǎn)，而目前針織設(shè)備的自動化水平還處于單機數(shù)控化狀態(tài)，設(shè)備維護和生產(chǎn)管理主要依靠人工操作，這對企業(yè)管理者在生產(chǎn)管理和設(shè)備維護上帶來了很大難度，加上設(shè)備的擴充，勢必造成工人數(shù)量增加，使得設(shè)備、人員和生產(chǎn)的管理問題日益突出，而隨著人為主觀因素在生產(chǎn)過程中的權(quán)重逐步加大，許多生產(chǎn)、設(shè)備信息無法及時準確地反饋到企業(yè)管理者的手中，從而使得決策者無法對生產(chǎn)和市場做出高效判定，給企業(yè)帶來損失[1]。這使得設(shè)備聯(lián)網(wǎng)集中監(jiān)管，設(shè)備間互聯(lián)互通，生產(chǎn)計劃云端統(tǒng)一管理的“數(shù)字工廠”的需求成為現(xiàn)代針織生產(chǎn)型企業(yè)的真實需求，為滿足這種需求，需要解決針織設(shè)備聯(lián)網(wǎng)問題，而目前同一種針織圓緯機設(shè)備往往由多個制造企業(yè)提供，不同品牌不同系列設(shè)備控制器差異大，互聯(lián)困難，因此，不同品牌不同系列針織圓緯機設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，設(shè)備間互聯(lián)，數(shù)據(jù)實時收集，云端集中分析調(diào)控是需要研究的核心問題。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用廣泛，它是以互聯(lián)網(wǎng)為核心，高度集成和綜合應用的新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)物體與物體的相連通信，近年來發(fā)展迅速[2-3]，但針對針織領(lǐng)域的設(shè)備互聯(lián)互通研究報道較少見，浙江理工大學、江南大學、天津工業(yè)大學等高校本領(lǐng)域教師和科研人員有開展少量相關(guān)技術(shù)探討和工程應用實踐。本文根據(jù)針織圓緯機的生產(chǎn)工藝要求，應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對針織設(shè)備互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，提出了一種適應多產(chǎn)區(qū)、多車間、多設(shè)備的針織圓緯機機聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)和設(shè)備側(cè)聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)的解決方案。

1 機聯(lián)網(wǎng)總體網(wǎng)絡構(gòu)架設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)本身的結(jié)構(gòu)復雜，系統(tǒng)多樣，一般將物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分為3個層次：感知層、網(wǎng)絡層、應用層。機聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡層設(shè)備聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架如圖1所示。面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)(MES)銜接著企業(yè)的廠區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)場與計劃管理層的管理系統(tǒng)，用于廠區(qū)生產(chǎn)控制與計劃管理層之間的溝通，解決企業(yè)信息鴻溝問題，承擔著承上啟下的作用[4-5]。產(chǎn)區(qū)與產(chǎn)區(qū)間通過廣域網(wǎng)相連，每個產(chǎn)區(qū)中由路由器覆蓋無線網(wǎng)絡，產(chǎn)區(qū)中各車間的聯(lián)網(wǎng)機臺通過路由器進入廣域網(wǎng)。聯(lián)網(wǎng)機臺由此過程把機臺運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務器。云端服務器將接收的數(shù)據(jù)按照一定的方式存儲進數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)服務平臺從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)并解析，在網(wǎng)頁上顯示當前機器運轉(zhuǎn)狀況。通過平臺既可了解機器運轉(zhuǎn)情況，也可對相應的機臺下發(fā)如：產(chǎn)量、花型、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，實現(xiàn)了針織圓緯機的遠程實時監(jiān)管。

圖1 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架Fig.1 Architecture of equipment networking

2 針織圓緯機設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方案設(shè)計

WiFi全稱wireless fidelity，實質(zhì)上是一種商業(yè)認證，具有WiFi 認證的產(chǎn)品符合IEEE 802.11 a/b/g/n無線網(wǎng)絡規(guī)范，是當前應用最為廣泛的WLAN標準，一般工作在 2.4 GHz頻段，具有無線電波覆蓋范圍廣、組網(wǎng)簡便、傳輸速度快、業(yè)務可集成、完全開放的頻率使用段等優(yōu)點[6]。鑒于WiFi的以上優(yōu)點和機器運轉(zhuǎn)的實際環(huán)境，最后選定WiFi并結(jié)合嵌入式技術(shù)，設(shè)計聯(lián)網(wǎng)模塊。

聯(lián)網(wǎng)模塊以高性能微控制器STM32為核心，引入WiFi模塊ESP8266進行系統(tǒng)的設(shè)計，聯(lián)網(wǎng)模塊通過無線網(wǎng)絡與服務器相連將機器運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)實時寫入數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)解析后將機器運轉(zhuǎn)情況顯示在網(wǎng)頁上。聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在滿足紡織廠生產(chǎn)管理需要的同時，充分利用網(wǎng)絡通訊等高新技術(shù)，降低用戶的使用成本。

聯(lián)網(wǎng)模塊與人機模塊通過串口通信的方式進行信息交互。STM32通過串口實現(xiàn)對WIFI模塊的配置，配置成功之后通過無線網(wǎng)絡使其可與遠程服務器之間進行數(shù)據(jù)交互，并將從服務器接收到的系統(tǒng)參數(shù)發(fā)送給人機模塊在顯示屏上顯示。聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of networking system

3 聯(lián)網(wǎng)模塊的硬件設(shè)計與驅(qū)動開發(fā)

3.1 WiFi模塊8266

8266是安信可(Ai-Thinker)科技有限公司開發(fā)的一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊。擁有業(yè)內(nèi)極富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應用設(shè)計，可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡上進行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。8266是一個完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡解決方案，其強大的片上處理和存儲能力，使其可通過GPIO口集成傳感器及其他應用的特定設(shè)備，實現(xiàn)了最低前期開發(fā)成本和運行中最少占用系統(tǒng)資源[7-8]。根據(jù)針織圓緯機數(shù)據(jù)互傳帶寬需求和通信特點，采用8266設(shè)計聯(lián)網(wǎng)模塊硬件。

3.2 模塊硬件電路

聯(lián)網(wǎng)模塊的微控制器通過串口與ESP8266相連。模塊正常工作電壓為5、3.3 V，外部輸入5 V電源，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波后，給模塊器件供電，同時經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換芯片AMS1117轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的3.3 V給微控制器MCU和8266供電。

ESP8266-07S模組具有工作穩(wěn)定、能耗低、支持多種工作模式、集成度高等優(yōu)點。設(shè)計完成硬件模塊如圖3所示。在搭載應用并作為設(shè)備中唯一的應處理器時，可直接從外接閃存中啟動。內(nèi)置的高速緩沖存儲器有利于提系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。ESP8266-07S 模組支持3種模式：softAP(8266作為無線網(wǎng)絡中心節(jié)點，允許設(shè)備接入) 模式，station(8266通過路由器連入無線網(wǎng)絡) 模式，softAP+station共存模式。同時，模組支持透傳功能，即8266只負責將數(shù)據(jù)傳到目標地址，不對數(shù)據(jù)進行處理，發(fā)送方通過8266發(fā)出的數(shù)據(jù)和接收方接收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容和長度完全一致，傳輸過程中8266好像透明一樣。聯(lián)網(wǎng)模塊采用的就是station和透傳模式來實現(xiàn)圓緯機聯(lián)網(wǎng)以及和云服務器數(shù)據(jù)交互。

圖3 無線模塊PCB實物圖Fig.3 Physical photo of wireless module PCB

模塊與人機間通過RS422接口規(guī)范，該通信方式采用差分傳輸，具有抗干擾能力強、支持遠距離、全雙工傳輸?shù)葍?yōu)點，因此，模塊選擇串口收發(fā)芯片SP490E設(shè)計端口通信電路。

3.3 模塊驅(qū)動開發(fā)

STM32通過串口總線對8266配置，進而連接或斷開網(wǎng)絡。連接網(wǎng)絡的主要流程分別為請求應答、連接網(wǎng)絡、連接模式配置、數(shù)據(jù)發(fā)送模式配置、連接服務器等，其流程圖如圖4所示。

圖4 聯(lián)網(wǎng)流程Fig.4 Networking process

1)請求應答：尋找WiFi模塊，當聯(lián)網(wǎng)模塊上電后，如果WiFi模塊工作正常會回復STM32所發(fā)出的握手指令，表明運行模塊正常，如果沒回復則由STM32控制整個模塊復位。

2)連接WiFi：在WiFi模塊響應后，STM32按照AT指令格式發(fā)送WiFi名、登錄密碼給聯(lián)網(wǎng)模塊，模塊連接WiFi，若成功模塊返回OK。

3)模式設(shè)定：設(shè)定為8266工作模式為Station模式。Station模式下，8266本身不接受無線的接入，而是作為無線終端連接到無線收發(fā)器AP，一般的無線網(wǎng)卡即工作在該模式[9]。

4)登錄服務器：前幾步執(zhí)行完畢后，WiFi模塊開始登錄服務器，如果登錄成功，則模塊返回OK，此時針織設(shè)備成功接入網(wǎng)絡，可與服務器進行數(shù)據(jù)交換。

聯(lián)網(wǎng)模塊與服務器建立連接前，必須根據(jù)服務器IP地址和分配的端口號接入服務器，聯(lián)網(wǎng)模塊處理器根據(jù)圓緯機控制器下發(fā)的無線網(wǎng)絡名稱、密碼、服務器IP地址以及端口號執(zhí)行函數(shù)中的關(guān)鍵代碼實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)的組合和格式轉(zhuǎn)化，并通過串口發(fā)送至8266以驅(qū)動8266連接網(wǎng)絡和服務器。

4 聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議定制

根據(jù)機臺聯(lián)網(wǎng)特點和需要與服務器交互的信息類型[10]，設(shè)計了一套相應的機器聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交互協(xié)議。協(xié)議主要包含2部分，數(shù)據(jù)信息頭以及數(shù)據(jù)內(nèi)容。數(shù)據(jù)信息頭包含當前發(fā)送指令類型、發(fā)送時間、設(shè)備ID、指令長度、指令功能。數(shù)據(jù)內(nèi)容則是機臺與服務器之間交換的信息。表1示出服務器發(fā)送指令到針織設(shè)備的數(shù)據(jù)包格式。管理系統(tǒng)(終端服務器)與針織設(shè)備(圓緯機)的通信指令可分為4種類型。

表1 管理系統(tǒng)發(fā)送指令到針織設(shè)備的數(shù)據(jù)包格式

1)控制型指令：管理系統(tǒng)向針織設(shè)備發(fā)送指令，針織設(shè)備收到指令后發(fā)回應答信號并執(zhí)行指令。

2)數(shù)據(jù)傳輸型指令：管理系統(tǒng)向針織設(shè)備傳輸參數(shù)或文件，針織設(shè)備接收后向管理系統(tǒng)返回應答信號。

3)狀態(tài)查詢型指令：管理系統(tǒng)向針織設(shè)備發(fā)送狀態(tài)查詢指令，針織設(shè)備接收指令后返回設(shè)備狀態(tài)，如運行狀態(tài)，報警狀態(tài)等。

4)針織設(shè)備主動發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)：如針織設(shè)備某個子系統(tǒng)出故障時，設(shè)備主動向管理系統(tǒng)發(fā)送報警狀態(tài)，系統(tǒng)接收狀態(tài)信息后返回一個應答信號。

針織設(shè)備向管理系統(tǒng)發(fā)送信息的數(shù)據(jù)包格式如表2所示。每個數(shù)據(jù)包分為數(shù)據(jù)信息頭、數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)信息頭包括：指令類型代碼、時間戳、設(shè)備ID 3部分內(nèi)容，為定長數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)信息部分根據(jù)指令類型不同而內(nèi)容不同，為可變長數(shù)據(jù)。

1)控制型指令應答：指令類型為0X10，數(shù)據(jù)信息中應答信息為0X01。

2)傳輸型指令應答：指令類型為0X20。數(shù)據(jù)信息中應答0為接收失敗，1為接收成功。若接收失敗，則后接接收失敗原因(自定義)。

3)狀態(tài)查詢型指令應答：指令類型為0X30。數(shù)據(jù)信息中應答0為查詢失敗，1為查詢成功。若查詢失敗，則后接接收失敗的原因數(shù)據(jù)。若查詢成功，則后接查詢的狀態(tài)信息。返回的狀態(tài)信息依次包括，數(shù)據(jù)信息內(nèi)容總長度、狀態(tài)查詢類型、根據(jù)狀態(tài)查詢類型不同相應按照單個參數(shù)或參數(shù)塊依次排列的數(shù)據(jù)。若查詢?nèi)舾蓚€單個參數(shù)，則每個參數(shù)數(shù)據(jù)中包括：參數(shù)塊代碼、參數(shù)代碼、參數(shù)值。若查詢?nèi)舾蓚€參數(shù)塊，則每個參數(shù)塊數(shù)據(jù)中包括：參數(shù)塊代碼、該參數(shù)塊中所有參數(shù)值。

4)狀態(tài)主動上報型：信息的指令類型0X40。數(shù)據(jù)信息中，數(shù)據(jù)信息內(nèi)容包括狀態(tài)、數(shù)據(jù)信息內(nèi)容總長度、自定義的上報信息。

TCP協(xié)議傳輸可靠，適合不定長度大數(shù)據(jù)交換。圓緯機控制器通過聯(lián)網(wǎng)模塊實現(xiàn)設(shè)備與服務器連接，聯(lián)網(wǎng)模塊與服務器之間采用TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。

聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要以企業(yè)為單位建設(shè)，聯(lián)網(wǎng)圓緯機臺數(shù)一般在1 000臺的量級，單機數(shù)據(jù)保存空間需求在每小時2×104字節(jié)量級，以5 a為1個存儲周期，單臺服務器的存儲資源和接入響應性能滿足圓緯機設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)需求?？紤]到圓緯機控制器運行時,掉電數(shù)據(jù)保存的問題，掛接聯(lián)網(wǎng)模塊的圓緯機控制器，都配備了不間斷(UPS)電源，當外部電源斷開時，UPS工作，系統(tǒng)會自動保存運行參數(shù)并通知服務器系統(tǒng)即將停止運行。

表2 針織設(shè)備發(fā)送指令到管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包格式Tab.2 Packet format of knitting device sending instruction to knitting devices

聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計機器狀態(tài)主動上報機制，定時將機臺運轉(zhuǎn)狀態(tài)向服務器發(fā)送信息，服務器應當回復握手應答信息。如果服務器連續(xù)幾次未回應聯(lián)網(wǎng)模塊，聯(lián)網(wǎng)模塊判定與服務器連接斷開。聯(lián)網(wǎng)模塊每隔一段時間對機臺運行參數(shù)進行保存并向服務器發(fā)送聯(lián)網(wǎng)請求，待到與服務器連接恢復再上傳歷史數(shù)據(jù)。

5 聯(lián)網(wǎng)試驗

圓緯機控制器通過串口與WiFi模塊相連，系統(tǒng)上電后通過對人機界面的操作使系統(tǒng)接入無線網(wǎng)并登錄服務器。成功登陸服務器后，系統(tǒng)按照既定的協(xié)議，以5 s為間隔時間，向服務器發(fā)送如：報警、產(chǎn)量、轉(zhuǎn)速、編織花型等機器運轉(zhuǎn)參數(shù)。服務器將接收的數(shù)據(jù)解析后在網(wǎng)頁上顯示出來。 圖5示出連接聯(lián)網(wǎng)模塊的圓緯機控制器測試上發(fā)至服務器數(shù)據(jù)的實驗連接圖。

圖5 聯(lián)網(wǎng)試驗實物圖Fig.5 Hardware connection diagram of networking test

生產(chǎn)管理者也可通過服務器下發(fā)生產(chǎn)訂單(包括單號、產(chǎn)量、轉(zhuǎn)速等)，圓緯機控制器待當前訂單完成后，根據(jù)新的訂單執(zhí)行生產(chǎn)任務。服務器對系統(tǒng)發(fā)送的狀態(tài)信息進行解析，準確的顯示出當前聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運轉(zhuǎn)情況，實時性強，實現(xiàn)了紡織設(shè)備遠程監(jiān)管功能。測試表明聯(lián)網(wǎng)模塊連接穩(wěn)定，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好。

6 結(jié)束語

經(jīng)實驗室聯(lián)網(wǎng)測試，聯(lián)網(wǎng)模塊工作穩(wěn)定，網(wǎng)絡連接可靠，通過聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議定制，實現(xiàn)與云端服務器的數(shù)據(jù)實時交互。針織圓緯機聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)具有顯著工程應用價值。

1)極大地降低了生產(chǎn)成本和相關(guān)人員工作量，更準確地取得織物的編織時間，排除人為因數(shù)在測算織物編織時間和對工人計件工作量的影響，更有效地制定生產(chǎn)計劃和更準確客觀地結(jié)算工人工資。

2)準確地獲取每臺機器的運行狀態(tài)，進一步準確地獲取每臺機器的開機率。排除人為因數(shù)造成的低開機率，通過監(jiān)控每臺機臺的工作狀態(tài)，即可知道擋車工的工作狀態(tài)。

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，特別是在 “互聯(lián)網(wǎng)+”和 “中國制造2025”的大背景下，工業(yè)機器聯(lián)網(wǎng)(機聯(lián)網(wǎng))以提高企業(yè)生產(chǎn)效率、提高自動化水平和作為 ERP、工業(yè)大數(shù)據(jù)服務基礎(chǔ)平臺而迅速崛起，所以本文聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在未來將有很大的應用前景，可為紡織企業(yè)的生產(chǎn)和管理帶來革命性變化。

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