面向整經(jīng)設(shè)備的監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：基于目前紡織行業(yè)紗線生產(chǎn)過程中設(shè)備監(jiān)控困難和管理低效問題，開發(fā)一套針對(duì)紗線整經(jīng)工序的監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由下位機(jī)、上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)組成。下位機(jī)使用stm32和傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，采用DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片和LWIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的通信；上位機(jī)軟件使用Qt開發(fā)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控與交互功能；數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQLite，實(shí)現(xiàn)車間和設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)車間多臺(tái)整經(jīng)設(shè)備進(jìn)行有效監(jiān)控和管理，提高了整經(jīng)工序的智能化水平。

關(guān)鍵詞：紡織機(jī)械；監(jiān)管系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；紗線監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)通信；數(shù)字化管理

中圖分類號(hào)：TS103.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0259-05

Design of Monitoring and Managing System for Warping Machine

Abstract：With regard to the difficulties of equipment monitoring and inefficient management in the yarn production process in the textile industry， develops a monitoring and management system for the yarn warping process. The system mainly consists of a lower computer， an upper computer， and a database. The lower computer uses stm32 and sensors for data acquisition， and DM9000 network chip and LWIP protocol for communication between the upper and lower computers; the upper computer software is developed with Qt for equipment monitoring and interaction; the database uses SQLite for workshop and equipment data storage. The test shows that the system can effectively monitor and manage multi-warping machines in workshop simultaneously， and improve the intelligence level of warping process.

Keywords：textile machinery; supervisory system; data collection; yarn monitoring; network communication; digitization management

0 引言

整經(jīng)工序是將一定根數(shù)的經(jīng)紗按規(guī)定的長(zhǎng)度和寬度平行卷繞在經(jīng)軸或織軸上的工藝過程。在這一工序中，需要對(duì)每一根紗線的張力、行進(jìn)速度、是否斷紗等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以確保成品不會(huì)出現(xiàn)橫條、跳絲等瑕疵。因此，在生產(chǎn)過程中，對(duì)這些狀態(tài)和數(shù)據(jù)有效地采集、監(jiān)控和及時(shí)處理，對(duì)于高效生產(chǎn)高質(zhì)紡織產(chǎn)品具有十分重要的意義。

近年來，國(guó)家大力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)紗線高效監(jiān)控管理的研究已經(jīng)成為紡織行業(yè)重點(diǎn)研究方向［1-2］。在紗線監(jiān)控方面，東南大學(xué)顧李淼［3］基于紡紗過程中出現(xiàn)的氨綸絲和細(xì)紗線的狀態(tài)異常問題，研發(fā)設(shè)計(jì)了一款紡紗機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由監(jiān)測(cè)裝置、節(jié)點(diǎn)機(jī)和監(jiān)控管理上位機(jī)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氨綸絲工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和異常處理。其中，監(jiān)測(cè)裝置負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控氨綸絲的運(yùn)行信號(hào)并發(fā)送到節(jié)點(diǎn)機(jī)，節(jié)點(diǎn)機(jī)負(fù)責(zé)收集多監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)并通過無線WiFi發(fā)送到監(jiān)控管理上位機(jī)，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)設(shè)備信息的顯示、異常報(bào)錯(cuò)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。在數(shù)據(jù)管理方面，索劍等［4］針對(duì)目前紡織企業(yè)主要還是人工管理設(shè)備、產(chǎn)量和庫(kù)存等現(xiàn)狀，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)存取速度快、存儲(chǔ)容量大、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，開發(fā)了一款針織服裝企業(yè)紗線管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以C/S架構(gòu)為通信模式，以SQLSever為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，在保證用戶安全和權(quán)限認(rèn)證的情況下實(shí)現(xiàn)了紗線和庫(kù)存數(shù)據(jù)的增、刪、改、查等基本管理功能，滿足了用戶需求。

目前大部分紗線監(jiān)控系統(tǒng)功能較為單一，本文開發(fā)的系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)紗線的良好監(jiān)控和故障報(bào)警，還能夠?qū)φ麄€(gè)生產(chǎn)車間人員和設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，極大提高了企業(yè)的智能化水平。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由下位機(jī)、上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)模塊構(gòu)成。下位機(jī)包括數(shù)據(jù)采集模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊，路由器用于擴(kuò)展連接設(shè)備數(shù)量，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后通過網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理后在軟件界面顯示并與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，將有效信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，方便后續(xù)查詢、統(tǒng)計(jì)和分析。

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)包括數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信兩部分。下位機(jī)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。本文所述整經(jīng)設(shè)備已具備基本的設(shè)備參數(shù)采集功能，即圖中實(shí)線框模塊，包括stm32核心板、張力控制、紗線速度檢測(cè)等模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運(yùn)行所需的基礎(chǔ)功能。

在整經(jīng)工藝中，對(duì)紗線張力的穩(wěn)定性要求較高，而設(shè)備主控板只能調(diào)整紗線張力的大小，無法檢測(cè)紗線張力波動(dòng)情況。因此，為了監(jiān)控紗線張力的穩(wěn)定性，需要對(duì)主控板功能進(jìn)行擴(kuò)展，如圖2虛線框所示。在紗線運(yùn)行過程中，張力的直接測(cè)量較為困難，但有研究證明其與紗線振動(dòng)頻率的平方存在一定的線性關(guān)系［5-6］，并且環(huán)境溫度和濕度也會(huì)使紗線線密度發(fā)生改變，間接影響張力大?。?］。因此，在設(shè)備參數(shù)測(cè)量方面，本系統(tǒng)在原控制板的基礎(chǔ)上增加了頻率和溫濕度測(cè)量模塊，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過程中對(duì)紗線張力穩(wěn)定性的監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)模塊提供通信接口，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

2.1 頻率測(cè)量模塊

紗線頻率測(cè)量模塊為獨(dú)立模塊，硬件部分使用紅外二極管和光敏三極管組成的紅外光電對(duì)管作為傳感器，兩管相對(duì)安裝，中間形成一條光路用于信號(hào)采集，采用stm32f103c芯片作為處理器，模塊PCB實(shí)物圖如圖3所示。光電對(duì)管捕獲紗線自激振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路濾波、放大、整形后轉(zhuǎn)換成合適的方波信號(hào)后輸入處理器，處理器捕獲信號(hào)后計(jì)算得到信號(hào)的周期和頻率，每次測(cè)量完成后使用串口轉(zhuǎn)RS-485電路將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控板，主控板通過RS-485接口接收頻率數(shù)據(jù)。

模塊軟件部分主要用到stm32的串口、外部中斷和定時(shí)器。處理器通過IO外部中斷模式對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，信號(hào)發(fā)生上升沿跳變觸發(fā)一次外部中斷，在中斷處理函數(shù)中統(tǒng)計(jì)上跳變次數(shù)。頻率測(cè)量方法采用計(jì)頻法，即通過采集一定時(shí)間內(nèi)信號(hào)周期的個(gè)數(shù)計(jì)算頻率。每次計(jì)算完頻率值則通過RS-485接口向主控板發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

2.2 溫濕度測(cè)量模塊

本系統(tǒng)采用AHT10對(duì)設(shè)備環(huán)境溫濕度進(jìn)行測(cè)量［8］。該傳感器溫度測(cè)量范圍為-40℃～85℃，精度誤差±0.3℃，濕度測(cè)量精度誤差±2%，滿足一般工業(yè)環(huán)境測(cè)量需求。

傳感器輸出為經(jīng)過標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)IIC格式，因此模塊與主控板通信采用IIC通信協(xié)議。為了方便主控板IO資源的合理利用，模塊程序使用軟件IO模擬IIC通信的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線［9］，不使用標(biāo)準(zhǔn)硬件IIC接口。主控板每5 s讀取一次傳感器數(shù)據(jù)，更新環(huán)境溫度和濕度值。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

基于有線通信數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，工業(yè)領(lǐng)域使用較為廣泛，因此本系統(tǒng)采用有線傳輸方式實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。為了使網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定，減少物理接線帶來的影響，本系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)模塊集成到主控板，統(tǒng)一使用stm32作為主控芯片。嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬件一般分為MAC和PHY兩部分，由于stm32f103系列芯片沒有內(nèi)置MAC，所以本系統(tǒng)選擇帶有MAC和PHY的DM9000作為網(wǎng)卡芯片［10］。主控芯片通過FSMC接口對(duì)網(wǎng)卡芯片進(jìn)行訪問，采用16位數(shù)據(jù)位寬。對(duì)外網(wǎng)絡(luò)接口選用帶有濾波變壓器的HR911105A網(wǎng)口。網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)物圖如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)模塊通信協(xié)議采用嵌入式設(shè)備常用的輕量型TCP/IP協(xié)議棧LWIP［11］。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊作為TCP客戶端，使用socket模式編寫程序，便于后期不同操作系統(tǒng)的移植。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收采用中斷方式以減少處理器的開銷。程序執(zhí)行流程如圖5所示。

3 上位機(jī)開發(fā)

本系統(tǒng)使用Qt作為上位機(jī)開發(fā)平臺(tái)［12］，上位機(jī)界面按功能分為監(jiān)控界面和管理界面。監(jiān)控界面包括主監(jiān)控界面和單臺(tái)設(shè)備監(jiān)控界面；管理界面包括登錄界面、個(gè)人中心界面、人員和設(shè)備管理界面、數(shù)據(jù)分析界面、報(bào)表界面。

3.1 監(jiān)控界面

主監(jiān)控界面是對(duì)車間環(huán)境與所有設(shè)備的整體監(jiān)控，如圖6所示。最左側(cè)一列顯示所有在線設(shè)備，上位機(jī)作為多線程服務(wù)器，下位機(jī)為客戶端；第二列實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境溫濕度和設(shè)備運(yùn)行情況;第三列打印所有設(shè)備運(yùn)行和故障信息；最后兩列為設(shè)備紗筒位置分布模擬，若產(chǎn)生斷紗，則會(huì)在監(jiān)控信息界面輸出故障信息并在右側(cè)紗筒分布圖中顯示斷紗位置，詳情見試驗(yàn)部分。

單臺(tái)設(shè)備監(jiān)控界面能夠?qū)B接到系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)控，如圖7所示。主要監(jiān)控參數(shù)為紗線數(shù)目、紗線運(yùn)行速度和頻率等。為了更清晰地反映紗線實(shí)時(shí)狀態(tài)變化情況，該界面還開發(fā)了紗線動(dòng)態(tài)速度和張力變化曲線，曲線每2s更新一次，通過曲線的變化可以判斷出紗線張力的變化情況，若張力變化曲線的均值誤差達(dá)到10%，則曲線右上角亮紅燈報(bào)警，從而達(dá)到監(jiān)控紗線張力穩(wěn)定性的目的。

3.2 管理界面

登錄界面對(duì)登錄用戶進(jìn)行管理，是上位機(jī)的第一個(gè)界面，用戶需輸入正確的用戶名和密碼才能登錄系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)有權(quán)限功能，管理員與普通用戶可操作功能有所不同，部分功能僅對(duì)管理員開放。用戶權(quán)限和密碼由數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行保存管理，以便用戶登錄時(shí)進(jìn)行查找校對(duì)。個(gè)人中心界面可以查詢登錄用戶具體信息以及修改密碼。

人員和設(shè)備管理界面的主要功能為人員和設(shè)備信息的顯示和增刪改查等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車間人員和設(shè)備的集中統(tǒng)一管理。界面如圖8所示，信息的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

數(shù)據(jù)分析界面主要以統(tǒng)計(jì)圖的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體為針對(duì)人員產(chǎn)量、設(shè)備產(chǎn)量、人員薪資、設(shè)備故障、財(cái)政收支等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比，如圖9所示。從該界面可以直觀地看出車間或工廠人員、設(shè)備、資產(chǎn)等各方面的具體情況，簡(jiǎn)潔明了。

數(shù)據(jù)報(bào)表界面實(shí)現(xiàn)了銷售訂單和采購(gòu)訂單的錄入，并且能夠通過時(shí)間查詢和打印銷售和采購(gòu)報(bào)表，使系統(tǒng)功能更全面，如圖10所示。

4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

SQLite是一款輕型的嵌入式開源數(shù)據(jù)庫(kù)［13］，占用資源低，處理速度快，并且Qt中包含了QSQLITE驅(qū)動(dòng)［14］，因此本系統(tǒng)使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的信息主要有人員信息、設(shè)備信息、產(chǎn)量信息、報(bào)警信息、報(bào)表以及每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行和故障信息，Qt上位機(jī)在添加了sql模塊后可以調(diào)用相關(guān)的類函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存取操作。

5 監(jiān)控管理試驗(yàn)

5.1 系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

將上位機(jī)與下位機(jī)通過網(wǎng)線連接，或者使用路由器作為中轉(zhuǎn)站以連接多臺(tái)設(shè)備。登錄上位機(jī)，啟動(dòng)設(shè)備，查看上位機(jī)顯示情況。

首先是主監(jiān)控界面，如圖6所示。從左側(cè)設(shè)備列表可以看到，此時(shí)有編號(hào)不同的3臺(tái)設(shè)備已上線，紅燈亮表示上線但未啟動(dòng)，綠燈亮表示設(shè)備正在運(yùn)行。由圖可以看出所有監(jiān)控參數(shù)均顯示正常，監(jiān)控信息輸出正常。接著雙擊設(shè)備列表中編號(hào)為30的設(shè)備，打開設(shè)備30的監(jiān)控界面，如圖7所示，由速度和頻率曲線和張力指示燈可知，此時(shí)30設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)，所有參數(shù)均顯示正常。最后查看其他界面顯示情況，如圖8—圖10所示，畫面顯示流暢且正常，數(shù)據(jù)報(bào)表能夠查詢和打印，將數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)完全一致。

以上步驟經(jīng)過多次長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試后均正常，因此可以得出結(jié)論：系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多臺(tái)設(shè)備的監(jiān)控功能，并且能夠?qū)囬g設(shè)備、人員進(jìn)行高效管理，能對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析。

5.2 故障監(jiān)控試驗(yàn)

整經(jīng)設(shè)備在運(yùn)行過程中，由于紗線較細(xì)且具有一定張力，容易出現(xiàn)斷紗現(xiàn)象，這也是整經(jīng)工序中最需要監(jiān)控和及時(shí)處理的故障，因此本節(jié)僅對(duì)斷紗故障進(jìn)行監(jiān)控試驗(yàn)。

將設(shè)備與上位機(jī)連接，啟動(dòng)設(shè)備，當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行后人為剪斷紗線模擬斷紗故障，監(jiān)控界面如圖11所示。監(jiān)控信息欄打印出了斷紗故障報(bào)警和斷紗位置，同時(shí)控制設(shè)備停機(jī)，右側(cè)紗筒分布欄對(duì)應(yīng)斷紗紗筒亮紅燈，起到警報(bào)效果。操作人員根據(jù)斷紗位置可快速前往處理。查看數(shù)據(jù)分析界面，對(duì)應(yīng)設(shè)備的故障次數(shù)增加1，說明此次故障已錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

點(diǎn)擊主監(jiān)控界面的消息按鈕，可以按時(shí)間查詢歷史消息和報(bào)警記錄，其中報(bào)警歷史記錄查詢界面如圖12所示。

在多次試驗(yàn)過程中系統(tǒng)均能準(zhǔn)確判斷錯(cuò)誤并找到斷紗位置，因此得出結(jié)論：系統(tǒng)能夠?qū)嗉喒收线M(jìn)行有效監(jiān)控。

6 結(jié)語

本文主要設(shè)計(jì)了一款針對(duì)紗線整經(jīng)設(shè)備的監(jiān)控管理系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)紗線狀態(tài)的監(jiān)控和斷紗故障報(bào)警，同時(shí)可以對(duì)車間人員和設(shè)備進(jìn)行信息化管理，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，在一定程度上降低了企業(yè)管理成本，提高了生產(chǎn)效率和智能化水平。

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