細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)

呂 偉

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

紡織服裝業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位,紡織機(jī)的工作狀況對(duì)紡紗廠的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)和管理有重要影響。經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展,我國(guó)紡織行業(yè)具有勞動(dòng)力成本低、產(chǎn)業(yè)鏈完整、加工配套水平高、產(chǎn)業(yè)集群地眾多等明顯競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[1]。但是,與國(guó)外紡織企業(yè)相比,我國(guó)紡織企業(yè)的管理水平與信息化程度普遍較低,目前主要依靠人工在現(xiàn)場(chǎng)或監(jiān)控室對(duì)細(xì)紗機(jī)進(jìn)行故障監(jiān)控,維護(hù)成本高,有效性和及時(shí)性差[2-3]。

在紗線生產(chǎn)過程中,紗線斷頭率是細(xì)紗產(chǎn)量和質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標(biāo)之一[4-5]。紗線斷頭指在紡織生產(chǎn)過程中,因原料、工藝、設(shè)備、溫濕度等原因,使正在加工的紗線或半制品產(chǎn)生斷裂,單位時(shí)間單位設(shè)備的紗線斷頭數(shù)量稱為紗線斷頭率。如果不能及時(shí)有效處理紗線斷頭,那么不僅會(huì)損壞細(xì)紗機(jī)的主要零部件,而且會(huì)因紗線斷頭產(chǎn)生的飛花影響紗線質(zhì)量[6]。實(shí)時(shí)監(jiān)控紡紗機(jī)的運(yùn)行狀況,能夠確保及時(shí)處理紗線斷頭等故障,提高生產(chǎn)管理效率和產(chǎn)品質(zhì)量,并且使企業(yè)管理者通過網(wǎng)絡(luò)了解工廠實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀況,建立有效的管理機(jī)制。對(duì)此,筆者研究開發(fā)了一套細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),通過獲取實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)細(xì)紗機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,能夠有效提高細(xì)紗機(jī)的生產(chǎn)管理水平。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用瀏覽器訪問的方式,實(shí)現(xiàn)紡織行業(yè)異地多廠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)監(jiān)控和生產(chǎn)管理。細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖1所示,各紡紗廠在本地布置邊緣網(wǎng)關(guān),對(duì)細(xì)紗機(jī)底層數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺(tái)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各紡紗廠數(shù)據(jù)的解析存儲(chǔ),按照實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ),支持對(duì)歷史數(shù)據(jù)的記錄和追溯。服務(wù)端訪問數(shù)據(jù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)多家紡紗廠的遠(yuǎn)程監(jiān)控和統(tǒng)一管理?？蛻舳烁鶕?jù)權(quán)限訪問數(shù)據(jù)平臺(tái)中對(duì)應(yīng)的紡紗廠的數(shù)據(jù),進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

圖1 細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源于設(shè)置在設(shè)備端的邊緣網(wǎng)關(guān),邊緣網(wǎng)關(guān)獲取細(xì)紗機(jī)控制系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù),兩者通過用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議交互,具有資源消耗少、處理速度快的優(yōu)點(diǎn)[7]。邊緣網(wǎng)關(guān)將實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議上傳至數(shù)據(jù)平臺(tái),消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議具有功耗低、開放性好、簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)[8]。數(shù)據(jù)解析模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算,軟件端讀取解析后的數(shù)據(jù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)紗機(jī)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史報(bào)表分析。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

邊緣網(wǎng)關(guān)獲取細(xì)紗機(jī)控制系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù),在不影響系統(tǒng)控制流程的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,現(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)細(xì)紗機(jī)配備一臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)。由于采集的數(shù)據(jù)量較大且節(jié)點(diǎn)數(shù)量多,細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)配備獨(dú)立的數(shù)據(jù)解析模塊。

細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)自下而上劃分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層三個(gè)層次,如圖2所示。數(shù)據(jù)層用于存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù),包括邊緣網(wǎng)關(guān)上傳的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和分析后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),以及支撐系統(tǒng)運(yùn)行的管理數(shù)據(jù)。服務(wù)層服務(wù)于系統(tǒng)業(yè)務(wù),包括數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、應(yīng)用程序接口模塊和緩存服務(wù)模塊。應(yīng)用層與用戶直接相關(guān),包括實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、報(bào)表分析模塊、生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置模塊、系統(tǒng)管理模塊、智能分析模塊、排班管理模塊。

圖2 細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 應(yīng)用層

細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用層中,實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊通過數(shù)據(jù)分析對(duì)車間級(jí)、設(shè)備級(jí)、錠子級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)效率、錠子速度、實(shí)時(shí)產(chǎn)量等生產(chǎn)指標(biāo)。界面通過不同的顏色表示細(xì)紗機(jī)、錠子的不同狀態(tài),實(shí)時(shí)提示紗線斷頭、錠子弱捻等報(bào)警信息,部分界面在車間大屏上進(jìn)行顯示。

報(bào)表分析模塊通過對(duì)所記錄的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,生成車間、設(shè)備、班組、人員生產(chǎn)狀況的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。通過報(bào)表可以對(duì)比每臺(tái)細(xì)紗機(jī)的加工情況、不同工人的生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的績(jī)效管理和對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況管理。

通過生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置模塊可以對(duì)生產(chǎn)參數(shù)、設(shè)備參數(shù)及基礎(chǔ)信息進(jìn)行設(shè)置,支持各數(shù)據(jù)表格的增刪查改。

系統(tǒng)管理模塊考慮整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展性,支持基本數(shù)據(jù)的配置管理,并考慮數(shù)據(jù)安全問題,為不同用戶配備對(duì)應(yīng)的權(quán)限。

智能分析模塊通過對(duì)紗線斷頭和錠子速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析,給出錠子速度設(shè)置建議,以減少紗線斷頭數(shù)量,從而提高生產(chǎn)質(zhì)量。基于車間設(shè)備排布和紗線斷頭的具體位置,計(jì)算修復(fù)當(dāng)前紗線斷頭的最佳路線,提高現(xiàn)場(chǎng)操作工人對(duì)紗線斷頭的響應(yīng)速度。

通過排班管理模塊可以設(shè)置每個(gè)班次的上下班時(shí)間和人員安排,以及每位操作工人在工作時(shí)間內(nèi)需要負(fù)責(zé)的細(xì)紗機(jī)。將工人與設(shè)備綁定后,方便報(bào)表分析模塊對(duì)工人的績(jī)效進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理。

實(shí)際運(yùn)行過程中,細(xì)紗機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過邊緣網(wǎng)關(guān)傳遞至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺(tái),數(shù)據(jù)解析模塊對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和解析,實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息,以3 s的周期推送至實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊。車間現(xiàn)場(chǎng)的管理人員可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊了解車間生產(chǎn)狀況,通過排班管理模塊對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行制訂,通過報(bào)表了解一定周期內(nèi)車間的生產(chǎn)狀況,方便進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整和工人績(jī)效考核。現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以通過智能分析模塊了解紗線斷頭的分布情況,按照給出的維修建議進(jìn)行修復(fù),并合理調(diào)整細(xì)紗機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度,以減少紗線斷頭情況和質(zhì)量問題。

3.2 服務(wù)層

邊緣網(wǎng)關(guān)上傳的信息包括當(dāng)前的設(shè)備狀態(tài)信息和細(xì)紗機(jī)錠子信息。每臺(tái)細(xì)紗機(jī)有1 200個(gè)錠子,每60個(gè)錠子信息為一個(gè)數(shù)據(jù)包,每個(gè)數(shù)據(jù)包的具體信息包括機(jī)器編碼、落紗標(biāo)志位、細(xì)紗機(jī)轉(zhuǎn)速、錠子速度、紗線斷頭標(biāo)志、傳感器故障標(biāo)志等。

數(shù)據(jù)解析模塊對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和解析,按照錠子、細(xì)紗機(jī)、車間、班次等層級(jí)進(jìn)行紗線斷頭數(shù)量、產(chǎn)量、生產(chǎn)效率、錠子弱捻、報(bào)警等的統(tǒng)計(jì)分析。

紗條繞軸心旋轉(zhuǎn)360°稱為一個(gè)捻回,退捻前規(guī)定長(zhǎng)度內(nèi)的捻回?cái)?shù)稱為捻度[9]。紗線加捻的目的是改變紗線的機(jī)械性能和光澤度[10]。捻度因數(shù)是紗線加捻程度的相對(duì)數(shù)值,可用于比較不同粗細(xì)紗線的加捻程度,計(jì)算設(shè)定速度。連續(xù)接收數(shù)據(jù)時(shí),錠子速度均小于設(shè)定速度,則判斷為弱捻。

單臺(tái)細(xì)紗機(jī)實(shí)時(shí)紗線斷頭數(shù)量指落紗周期內(nèi)單臺(tái)細(xì)紗機(jī)所有錠子累計(jì)紗線斷頭數(shù)量,在一個(gè)落紗周期結(jié)束,下一個(gè)落紗周期開始時(shí),實(shí)時(shí)紗線斷頭數(shù)量清零。

單臺(tái)細(xì)紗機(jī)實(shí)時(shí)弱捻次數(shù)為落紗周期內(nèi)單臺(tái)細(xì)紗機(jī)所有錠子累計(jì)弱捻次數(shù),在一個(gè)落紗周期結(jié)束,下一個(gè)落紗周期開始時(shí),實(shí)時(shí)弱捻次數(shù)清零。

單臺(tái)細(xì)紗機(jī)當(dāng)前班次產(chǎn)量為單臺(tái)細(xì)紗機(jī)所有錠子產(chǎn)量之和,當(dāng)前班次產(chǎn)量為所有單臺(tái)細(xì)紗機(jī)當(dāng)前班次產(chǎn)量之和,當(dāng)前班次紗線斷頭數(shù)量為所有單臺(tái)細(xì)紗機(jī)當(dāng)前班次紗線斷頭數(shù)量之和,當(dāng)前班次弱捻錠子數(shù)量為所有單臺(tái)細(xì)紗機(jī)當(dāng)前班次弱捻錠子數(shù)量之和,當(dāng)前班次生產(chǎn)效率為所有單臺(tái)細(xì)紗機(jī)生產(chǎn)效率的平均值。

設(shè)計(jì)緩存服務(wù)模塊的目的是提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的刷新頻率較高,在實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)如果從數(shù)據(jù)庫中讀寫,那么效率很低。對(duì)此,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將大部分需要在應(yīng)用層進(jìn)行展示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入緩存數(shù)據(jù)庫,應(yīng)用層可以直接從緩存數(shù)據(jù)庫中調(diào)用,縮短訪問延時(shí),提高訪問效率。

為了方便數(shù)據(jù)庫的維護(hù)和統(tǒng)一管理,通過統(tǒng)一的應(yīng)用程序接口模塊訪問數(shù)據(jù)。訪問數(shù)據(jù)庫時(shí),只需要將操作語句提交至應(yīng)用程序接口模塊,而不必關(guān)注數(shù)據(jù)庫的每一個(gè)操作步驟。

3.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層用于存儲(chǔ)細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù),包括邊緣網(wǎng)關(guān)上傳的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),以及支撐系統(tǒng)運(yùn)行的管理數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是高頻時(shí)間流數(shù)據(jù),系統(tǒng)選用基于分布式文件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫MangoDB存儲(chǔ)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)是關(guān)系型數(shù)據(jù),選用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL存儲(chǔ)。

4 系統(tǒng)界面

細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用瀏覽器與服務(wù)器架構(gòu)和Java開發(fā)語言設(shè)計(jì),細(xì)紗機(jī)主監(jiān)控界面如圖3所示。細(xì)紗機(jī)主監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示車間的整體加工情況,包括所有細(xì)紗機(jī)的狀態(tài)、當(dāng)前效率較差且紗線斷頭數(shù)量較多的細(xì)紗機(jī)、車間的工作效率。

圖3 細(xì)紗機(jī)主監(jiān)控界面

細(xì)紗機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面如圖4所示,顯示單臺(tái)細(xì)紗機(jī)錠子排布、實(shí)時(shí)紗線斷頭和錠子弱捻信息。其中,每個(gè)藍(lán)色長(zhǎng)方形代表60個(gè)錠子,若有紗線斷頭,則對(duì)應(yīng)的藍(lán)色長(zhǎng)方形變?yōu)榧t色長(zhǎng)方形,提示故障,下方列表顯示具體紗線斷頭的錠子。

圖4 細(xì)紗機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

班次設(shè)置界面如圖5所示,可以設(shè)置班次信息和每日的排班情況,包括每班次的人員安排和每位人員負(fù)責(zé)的細(xì)紗機(jī)。

圖5 班次設(shè)置界面

斷頭報(bào)表界面如圖6所示,基于落紗完成比例,可以對(duì)歷史成紗過程中的紗線斷頭情況進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。

圖6 紗線斷頭報(bào)表界面

落紗完成0～5%稱為始紡階段,落紗完成5%～25%稱為小紗階段,落紗完成25%～90%稱為中紗階段,落紗完成90%～99%稱為大紗階段,落紗完成100%稱為滿紗。

5 結(jié)束語

筆者研究開發(fā)了細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了紡織行業(yè)異地多廠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)管理、報(bào)表分析,有利于提高紡織行業(yè)的智能運(yùn)維水平。通過細(xì)紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員快速解決紗線斷頭、錠子弱捻等問題,幫助管理者了解車間的實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀況、人員績(jī)效,有助于提高紡紗廠的生產(chǎn)管理水平,具有實(shí)用價(jià)值。