一組玻纖拉絲機(jī)數(shù)字化管理系統(tǒng)設(shè)計

諶建國

摘 要：文章針對一組獨立運(yùn)行且不具備聯(lián)網(wǎng)功能的拉絲機(jī)設(shè)備所存在的管理困難，及質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，設(shè)計了一個基于數(shù)據(jù)采集的數(shù)字化設(shè)備管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用半人工半自動化的數(shù)據(jù)采集方式，運(yùn)用tcp/ip網(wǎng)絡(luò)傳輸及access數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)，并且通過圖形化的應(yīng)用軟件，展示出每臺設(shè)備及設(shè)備之間的運(yùn)行狀況，方便了操作人員的調(diào)控管理，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集;數(shù)字化應(yīng)用;拉絲機(jī);socket協(xié)議

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）02-010-04

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.005

隨著工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)及5G網(wǎng)絡(luò)等概念逐漸成為全球各行各業(yè)熱議的話題，新技術(shù)正在給人們的生產(chǎn)生活帶來越來越多的變化。而對于工廠業(yè)主來說，進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型改造卻往往是一個讓人感到困惑的問題。

感到困惑的原因大概有這幾類：想做但不知道做什么;資金緊張，擔(dān)心改造資金是個無底洞;不知道結(jié)果會怎么樣，會不會花錢弄出一大堆無用設(shè)備等。

本設(shè)計以一組常規(guī)玻璃纖維拉絲機(jī)設(shè)備的數(shù)字化改造為例，以期說明以下幾點內(nèi)容：數(shù)字化改造首先應(yīng)從實際需求出發(fā);從數(shù)據(jù)收集發(fā)掘數(shù)據(jù)價值，關(guān)鍵在于理念;設(shè)備的更新并不是最主要的因素。

某玻璃纖維生產(chǎn)企業(yè)是一家較早進(jìn)入中國的外資企業(yè)，筆者先后為該公司除爐窯之外的各主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行過技術(shù)改造或自動化升級，大致包括拉絲機(jī)質(zhì)量管理系統(tǒng)、產(chǎn)品的輸送與自動分揀、紗團(tuán)的烘干爐及纏繞包裝等環(huán)節(jié)的技術(shù)改造。從對這家企業(yè)的一系列技術(shù)改造過程中，筆者有一個很深的感悟，就是企業(yè)對于數(shù)字化利用的提升重點在于理念和挖掘。

1 設(shè)備改造前的現(xiàn)狀及問題

工廠有一批使用年代較長的老式國產(chǎn)舊款拉絲機(jī)，拉絲機(jī)的工作狀況參差不齊，加之早期的拉絲機(jī)自動化程度不高，設(shè)備調(diào)整困難，所以其生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量非常不穩(wěn)定，廢品率較高，影響整體產(chǎn)量。

由于這批設(shè)備數(shù)量較多，出問題的概率比較高，技術(shù)人員疲于對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行調(diào)試、記錄、整理。雖然花的時間很多，但結(jié)果還是條理不清，很難清晰地把握各臺設(shè)備的問題所在。

車間迫切需要有一種方法，能夠明確有效地把握這批設(shè)備的整體狀況，經(jīng)過分析和參考其它設(shè)備的應(yīng)用經(jīng)驗，決定從數(shù)據(jù)的收集出發(fā)，通過計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用，希望首先能充分展示出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，其次通過數(shù)據(jù)的累積及利用，以達(dá)到幫助改善設(shè)備運(yùn)行狀況的目的。

2 設(shè)備改造方案簡介

拉絲機(jī)的生產(chǎn)產(chǎn)品為玻璃纖維原絲紗團(tuán)。其大致的生產(chǎn)過程如下：原料通過熔爐融化后，經(jīng)過流道流至拉絲機(jī)頂端，在合適的溫度下經(jīng)過多孔漏板流進(jìn)拉絲機(jī)內(nèi)部，伴隨水冷卻的過程，拉絲機(jī)高速將細(xì)紗纏繞到紗團(tuán)紙筒上。

一臺拉絲機(jī)有兩個工位，分為內(nèi)筒和外筒，兩個工位輪流工作，以保證過程的連續(xù)性。產(chǎn)品主要控制的目標(biāo)是紗團(tuán)的重量，對于超小的紗團(tuán)，被認(rèn)為是不合格品，必須廢棄;而過大的紗團(tuán)則會影響后道工序，也必須進(jìn)行控制。

根據(jù)實際生產(chǎn)現(xiàn)狀及對成本控制的考慮，改造方案的整體思路為：通過臺秤收集每個紗團(tuán)的重量信息，通過網(wǎng)絡(luò)通訊將信息上傳至上位機(jī)數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控管理軟件以圖形方式將數(shù)據(jù)直觀形象地顯示出來，以便現(xiàn)場管理人員判斷拉絲機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而便于調(diào)整。

3 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)設(shè)計

采集系統(tǒng)硬件設(shè)備包括智能化稱重儀、上位計算機(jī)及通訊網(wǎng)絡(luò)。軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集界面、網(wǎng)絡(luò)通訊接口、數(shù)據(jù)庫寫入模塊、圖形化顯示界面。方案中，以區(qū)和位的模式對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行分類，這是條理化的有效手段，數(shù)據(jù)采集硬件網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

3.1 數(shù)據(jù)取樣及發(fā)送

區(qū)位劃分根據(jù)現(xiàn)場實際的設(shè)備布置而定，現(xiàn)場分東西各14臺設(shè)備，故此分別將其標(biāo)記為東、西、南、北四個區(qū)，程序中標(biāo)記為1、2、3、4區(qū)，每個區(qū)有7臺設(shè)備。每個區(qū)的7臺拉絲機(jī)，由一臺臺秤負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場由操作人員將每次輸出的紗團(tuán)放置在臺秤上稱重，通過選擇工位及內(nèi)外筒信息觸發(fā)臺秤，將拉絲機(jī)的ID及內(nèi)外筒信息發(fā)送給上位機(jī)數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序。

稱重設(shè)備采用T800智能化稱重儀進(jìn)行定制化編程改造，改造后的操作界面如圖2所示。

稱重儀發(fā)送的信息，通過以太網(wǎng)socket協(xié)議發(fā)送至上位機(jī)數(shù)據(jù)采集接口，信息內(nèi)容如表1所示。

3.2 信息的完整性編碼效驗

根據(jù)socket通訊的特點，數(shù)據(jù)傳輸存在丟包情況[1]。同時，由于拉絲機(jī)工作現(xiàn)場的環(huán)境較差，通訊網(wǎng)絡(luò)也出現(xiàn)過硬件故障情況，這樣就有可能出現(xiàn)稱重儀發(fā)送數(shù)據(jù)而上位機(jī)沒有收到的情況。

為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性效驗。經(jīng)過分析，此通訊具有以下特點：采集系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)是根據(jù)拉絲機(jī)完成產(chǎn)品加工，并由操作人員操作觸發(fā)進(jìn)行的，其發(fā)送的數(shù)據(jù)具有不定時性。網(wǎng)絡(luò)是獨立于其他網(wǎng)絡(luò)的，其通訊存在較大的帶寬富余。故此對數(shù)據(jù)進(jìn)行以下效驗措施。

下位機(jī)設(shè)置心跳信息并定時發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)在未收到心跳信號時產(chǎn)生報警記錄，由此可以判斷出硬件故障，以便操作人員及時處理并暫停數(shù)據(jù)發(fā)送。

由于下位機(jī)稱重儀的內(nèi)存有限，內(nèi)存中設(shè)置一個300條記錄的暫存區(qū)，暫存區(qū)通過鏈表技術(shù)保留最近的采集數(shù)據(jù)，并以序列號進(jìn)行標(biāo)識。

上位機(jī)在接收到信息時，將接收正確的序列號返回至下位機(jī);下位機(jī)在接收到完成信息時，將暫存區(qū)中的數(shù)據(jù)刪除。

下位機(jī)在每次發(fā)送觸發(fā)后的空閑時刻發(fā)送暫存區(qū)的所有信息，以保證數(shù)據(jù)的及時性。

下位機(jī)在暫存區(qū)存滿時停止接收輸入數(shù)據(jù)，操作人員在必要時，可以在其他稱重儀上進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。

3.3 數(shù)據(jù)接收及保存

稱重儀和上位機(jī)驅(qū)動程序之間的通訊采用C/S模式，稱重儀為客戶端，上位機(jī)的ACTIVEX通訊控件作為服務(wù)端接收數(shù)據(jù)。驅(qū)動程序在實例化后利用多線程對四臺稱重儀進(jìn)行偵聽，稱重儀則以主動方式觸發(fā)和服務(wù)器的連接并交換數(shù)據(jù)[2]。接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)及接收指令如下：

struct T800

{

Long sn;

int id;

int userid;

int areaid;

int workid;

int inout;

int area;

float net;

tm date_time

};

通訊驅(qū)動程序在接收數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)保存到ACCESS數(shù)據(jù)表中，數(shù)據(jù)表以日期字符串為文件名進(jìn)行管理，信息采集匯總?cè)鐖D3所示。

3.4 數(shù)據(jù)處理及顯示

數(shù)據(jù)處理程序首先將每臺拉絲機(jī)的當(dāng)前產(chǎn)品型號輸入到配置表格中，每種型號有其對應(yīng)的理論參數(shù)值，其中包括每種產(chǎn)品的型號、產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)重量、上下限重量、皮重等。程序根據(jù)型號參數(shù)值，計算產(chǎn)品的實際重量及偏離標(biāo)準(zhǔn)值的大小，產(chǎn)品型號參數(shù)表如圖4所示。

分析軟件通過圖形方式對每臺拉絲機(jī)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，如圖5所示。藍(lán)色曲線和綠色曲線分別顯示的是拉絲機(jī)內(nèi)筒和外筒工件的重量，根據(jù)產(chǎn)品型號參數(shù)確定的范圍，如果某一時刻的工件重量超過上下限范圍，數(shù)據(jù)點則以紅色亮點顯示。

在運(yùn)行中，當(dāng)對玻璃液漏板溫度進(jìn)行調(diào)整時，調(diào)整的數(shù)據(jù)將保留到數(shù)據(jù)庫中。因此，曲線能夠反應(yīng)出調(diào)節(jié)對產(chǎn)品所產(chǎn)生的影響。

由于具有設(shè)計中的分區(qū)分工位的排列方式，操作人員通過鼠標(biāo)操作，可以快速瀏覽及比較各工位及不同工位間的生產(chǎn)情況。

由于本次改造中的拉絲機(jī)不具備自動調(diào)節(jié)功能，對于參數(shù)的調(diào)節(jié)，通過采用人工直接調(diào)節(jié)漏板溫度的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。從圖6、圖7的曲線狀況可以清晰地看出，經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，工件的質(zhì)量正逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

工廠數(shù)字化應(yīng)用，通常涉及研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)等諸多環(huán)節(jié)，此實例表達(dá)了生產(chǎn)管理中質(zhì)量管理環(huán)節(jié)的數(shù)字化運(yùn)用問題[3]。上述系統(tǒng)是一個數(shù)字化運(yùn)用的非常簡單而有效的實例，項目的投資很少，對產(chǎn)品的質(zhì)量控制卻帶來了非常積極的改變。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫欽龍，邵惠鶴.Socket套接字在工業(yè)數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用[J].控制工程，2006（5）：34-36.

[2] 孔昊，胡銀保.線程在基于Socket通信中的應(yīng)用[J].蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2010（2）：55-57.

[3] 彭俊松.工業(yè)4.0驅(qū)動下的制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.