細(xì)紗斷紗遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
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楊藝 李強(qiáng) 劉基宏
（江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122）
摘要：針對細(xì)紗斷紗自動(dòng)檢測與管理問題，開發(fā)細(xì)紗斷紗遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。由Ring Route斷紗檢測裝置獲取斷紗相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過RS485通信完成ARM機(jī)與多個(gè)單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。開發(fā)通信軟件，利用無線WiFi，由一臺工控機(jī)監(jiān)控所有細(xì)紗機(jī)上的斷紗相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在斷紗數(shù)據(jù)表中供查詢統(tǒng)計(jì)。重點(diǎn)闡述了RS485通信過程和通信軟件開發(fā)思路與其中的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐表明系統(tǒng)滿足斷紗質(zhì)量管理的基本需求。
關(guān)鍵詞：紡織行業(yè)棉紡生產(chǎn)紡紗工控機(jī)RS - 485通信無線WiFi通信軟件遠(yuǎn)程監(jiān)控檢測 自動(dòng)控制
0引言
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用在逐步擴(kuò)大。一般情況下，由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)，都需要向上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)通信功能，從而使得上位機(jī)與單片機(jī)功能互補(bǔ)。過去常用的RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)，雖然穩(wěn)定性和速率都有所提高，但因其通信距離過短，單片機(jī)數(shù)量多，無法滿足實(shí)際需求。本文采用的RS-485通信協(xié)議傳輸速率高、距離遠(yuǎn)，可實(shí)現(xiàn)一對多通信的目的，構(gòu)造簡單、方便維護(hù)、成本低等優(yōu)勢在工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中占有重要地位。
紡織行業(yè)一直被認(rèn)為是勞動(dòng)密集型行業(yè)，自動(dòng)化水平低。在紡紗過程中，當(dāng)紡紗張力大于紡紗段強(qiáng)力時(shí)就會出現(xiàn)斷頭，不僅造成原料浪費(fèi)，而且增加工作量，也降低了成紗質(zhì)量。然而傳統(tǒng)對斷紗的管理辦法僅僅是人工檢測與統(tǒng)計(jì)，不僅效率低，也難以提供更深層次的系統(tǒng)化管理與改進(jìn)方法。本文在RingRoute細(xì)紗斷紗檢測裝置基礎(chǔ)上，分析RS485通信過程，利用通信軟件和無線WiFi，開發(fā)一套細(xì)紗斷紗遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)細(xì)紗生產(chǎn)過程的精細(xì)化管理奠定基礎(chǔ)。
1 RS -485通信過程分析
RS-485采用差分信號進(jìn)行傳輸，理論上傳輸距離最大可達(dá)1.2 km，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbit/s。由于傳輸速率與傳輸距離成反比，只有在100 kbit/s的傳輸速率下才可以達(dá)到最大的傳輸距離。如果需傳輸更長的距離，可以增加RS485中繼器。它允許在電路中有多個(gè)發(fā)送器，并且一個(gè)發(fā)送器可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備。通過以上數(shù)據(jù)，不難看出RS-485協(xié)議適用于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)通信。
本研究采用RS-485協(xié)議，單片機(jī)需要采用RS485接口，然而作為上位機(jī)的ARM機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置中一般是RS-232通信接口或USB總線；目前多在ARM機(jī)側(cè)使用RS - 232與RS-485的電平轉(zhuǎn)換接口，將TTL電平轉(zhuǎn)換為與上位機(jī)一致。ARM機(jī)與單片機(jī)之間的通信選用主從式結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)中只有一臺ARM主機(jī)，ARM主機(jī)控制多個(gè)單片機(jī)從機(jī)，每塊單片機(jī)會分配一個(gè)地址碼，單片機(jī)作為從機(jī)不會主動(dòng)發(fā)送命令或者數(shù)據(jù)，其通信過程由主機(jī)ARM機(jī)控制。為確保正常通信，單片機(jī)的串行口與ARM機(jī)串行口的設(shè)置保持一致，包括通信速率和數(shù)據(jù)格式。由于數(shù)據(jù)量大，綜合考慮傳輸速率與傳輸?shù)姆�(wěn)定性，系統(tǒng)選擇通信速率9 600 bit/s。
RS485通信為半雙工通信，即發(fā)送和接收用一個(gè)物理信道，因此在任意時(shí)刻最多只能有1臺機(jī)器處于發(fā)送狀態(tài)。系統(tǒng)中，通信起始信號由ARM機(jī)發(fā)出，ARM機(jī)首先呼叫指定的地址，當(dāng)單片機(jī)收到起始信號后，根據(jù)本機(jī)的地址做出應(yīng)答，當(dāng)ARM發(fā)出的地址與本機(jī)相同時(shí)，回發(fā)本機(jī)地址并改變?yōu)閿?shù)據(jù)等待狀態(tài)，否則保持原來的狀態(tài)。ARM機(jī)收到應(yīng)答后，再請求紗線狀態(tài)數(shù)據(jù)，相應(yīng)的單片機(jī)根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)做出響應(yīng)。因此只有當(dāng)ARM機(jī)發(fā)送的地址信息與單片機(jī)相符時(shí)，才接收該單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型包括兩種，分別為斷、接頭數(shù)據(jù)。半雙通信對主機(jī)與從機(jī)數(shù)據(jù)通信時(shí)序的要求十分嚴(yán)格，如果沒有配合好，就會發(fā)生沖突，造成整個(gè)通信系統(tǒng)癱瘓。為保證數(shù)據(jù)通信與處理過程簡單，規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸過程中采用固定的長度。根據(jù)紡紗過程的實(shí)際情況設(shè)定為23個(gè)字節(jié)，其格式為紗線狀態(tài)+細(xì)紗機(jī)編號+錠位+時(shí)間，具體表示方法如表1所示。這里假設(shè)一個(gè)車間的機(jī)器的臺數(shù)不超過999臺．一般細(xì)紗車間有5萬到15萬錠，因此細(xì)紗機(jī)的臺數(shù)在100~ 300臺甚至更多，現(xiàn)設(shè)計(jì)的車間對應(yīng)的臺數(shù)為280臺；假設(shè)錠位號不超過9 999錠，實(shí)際機(jī)器的錠數(shù)為480錠，此處考慮到實(shí)際情況有1 080錠的細(xì)紗機(jī)。
2遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)
為了統(tǒng)一管理細(xì)紗機(jī)的斷紗情況，每臺ARM機(jī)裝配一個(gè)以太網(wǎng)模塊，接入以太網(wǎng)，作為一個(gè)以太網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)，將采集到的斷紗相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機(jī)，并為每一臺細(xì)紗機(jī)分配一個(gè)IP地址。該地址也作為細(xì)紗機(jī)軟件的內(nèi)部編號，地址編號的范圍可從192. 168.0.2到192. 168. 255. 250。為了管理方便，本系統(tǒng)也建立了每一臺細(xì)紗機(jī)的IP地址與原有細(xì)紗機(jī)的編號之間的對應(yīng)關(guān)系。本系統(tǒng)工控機(jī)為服務(wù)器，ARM機(jī)作為客戶端，服務(wù)器的訪問采用Client/Senver模式，利用無線WiFi作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。每個(gè)WiFi分配11個(gè)信道，每10臺細(xì)紗機(jī)分配一個(gè)中繼器，延長網(wǎng)絡(luò)傳輸距離。
監(jiān)控軟件的通信流程如圖1所示，系統(tǒng)初始化完成后，工控機(jī)上采用Socket控件進(jìn)行IP地址和端口號的匹配，完成相應(yīng)的連接。連接請求由工控機(jī)發(fā)起，ARM機(jī)偵聽到后，通過以太網(wǎng)模塊建立連接。工控機(jī)與ARM機(jī)連接并握手成功后，由工控機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)請求，逐條接收ARM機(jī)回復(fù)的斷、接頭數(shù)據(jù)，并完成顯示、存儲，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。
為了加強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，軟件設(shè)計(jì)過程采用3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本系統(tǒng)中，由于一臺工控機(jī)下掛多臺ARM機(jī)，使工控機(jī)與ARM機(jī)之間的通信效率降低，通信過程中等待的時(shí)間過長，因此，通信軟件應(yīng)該實(shí)現(xiàn)多線程通信。線程可以認(rèn)為是ARM機(jī)與工控機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，對其編號加以區(qū)分，各個(gè)線程之間可以并行通信，互相之間沒有影響。我們?yōu)槊總�(gè)線程都建立一個(gè)標(biāo)示符，初始狀態(tài)下，各個(gè)線程都未被占用，這些標(biāo)示符均為“N”。ARM機(jī)在發(fā)送斷紗相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，從最低位線程查看標(biāo)示符，若查看到某線程標(biāo)示符為“N”時(shí)，表明此線程空閑，那么占用此線程傳輸數(shù)據(jù)，并將其標(biāo)示符更改為“Y”。ARM機(jī)在占用線程后，與工控機(jī)握手，握手成功并收到工控機(jī)的數(shù)據(jù)請求后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。若工控機(jī)沒有結(jié)束此線程的通信，線程的標(biāo)示符始終為“Y”，直至接收到通信結(jié)束信號，標(biāo)示符變?yōu)?#8220;N”。在軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)用多線程通信，可以大大提高通信效率，使多個(gè)線程同時(shí)使用。需要說明的是，這里的“同時(shí)”并不是真正意義上的同時(shí)，只是線程切換很快，給軟件使用者的感受是同時(shí)的。
差錯(cuò)控制由通信控制和數(shù)據(jù)校驗(yàn)兩個(gè)部分組成，主要用于防止通信中斷和保證通信的準(zhǔn)確性。ARM機(jī)與工控機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，工控機(jī)向ARM機(jī)發(fā)送握手信號或者數(shù)據(jù)請求，若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)一直未收到ARM機(jī)的回應(yīng)，那么認(rèn)為此ARM機(jī)存在通信故障，結(jié)束此次通信，釋放此線程，轉(zhuǎn)接下一線程。通過通信控制，不會因?yàn)槟撑_ARM機(jī)通信中斷而受到影響。此外。通信的重要意義不僅僅是能夠完成數(shù)據(jù)交換，更需要準(zhǔn)確地傳遞信息�？紤]到通信過程中可能存在的數(shù)據(jù)丟包的問題，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，軟件設(shè)計(jì)中加入對接收到的數(shù)據(jù)長度進(jìn)行校驗(yàn)，若校驗(yàn)長度不為23 B，等待接收下一段數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行重組，重組無效數(shù)據(jù)同樣標(biāo)志為通信故障，轉(zhuǎn)接下一線程。
為加強(qiáng)管理，工控機(jī)每接收一段通過校驗(yàn)無誤的信息，都按照通信協(xié)議進(jìn)行拆分，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫中斷紗管理數(shù)據(jù)表所要求的數(shù)據(jù)類型，并存儲供后期查詢、統(tǒng)計(jì)。斷紗管理數(shù)據(jù)表設(shè)置4列，列名及數(shù)據(jù)類型依次為：EventType(varchar)，TerminaISerial(varchar)、Spindle( int)、RecordTime( datatime)，分別對應(yīng)紗線狀態(tài)、細(xì)紗機(jī)編號、錠位和時(shí)間。
3應(yīng)用實(shí)例
某紡紗廠將本系統(tǒng)裝配于20臺FA506型細(xì)紗機(jī)上，每臺480錠位。裝配前，斷紗管理依然采用人工方式：測試人員在一個(gè)車弄同時(shí)檢查兩個(gè)半臺細(xì)紗機(jī)，統(tǒng)計(jì)在測試時(shí)間內(nèi)細(xì)紗的斷頭根數(shù)，最后按照公式得出斷頭率，再手工輸入計(jì)算機(jī)。然而實(shí)際操作過程中，紗線斷頭往往不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，人工檢測范圍小、準(zhǔn)確性低、用工量大，最終也無法通過統(tǒng)計(jì)結(jié)果追蹤至斷頭出現(xiàn)的錠位。裝配后，在Ring Route斷紗檢測裝置的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對斷紗相關(guān)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、存儲，明確斷頭的分布，更精細(xì)化地分析斷紗數(shù)據(jù)。
3.1現(xiàn)場監(jiān)控方案
在綜合考慮了現(xiàn)場操作、安裝成本和通信的準(zhǔn)確性問題之后，本研究中確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，具體安裝方案如下。
(1) Ring Route斷紗檢測采用單錠檢測方式，每塊單片機(jī)控制6個(gè)檢測頭采集斷紗相關(guān)數(shù)據(jù)。
(2)每臺ARM機(jī)控制一臺細(xì)紗機(jī)上所有單片機(jī)共80塊，通過RS -485通信和信號轉(zhuǎn)換模塊獲取斷紗信息。
(3)為每臺ARM機(jī)配備一個(gè)以太網(wǎng)模塊，IP地址分配從192. 168.1.10到192. 168.1.30分別對應(yīng)10號到30號機(jī)器。采集到的斷紗相關(guān)數(shù)據(jù)通過無線WiFi發(fā)送至工控機(jī)，工控機(jī)選用型號為TPC150TC -L的嵌入式人機(jī)界面。
為驗(yàn)證系統(tǒng)準(zhǔn)確性與適用性，下面分析兩臺工藝參數(shù)不同的細(xì)紗機(jī)斷紗相關(guān)數(shù)據(jù)，具體如下：機(jī)臺一紡制708細(xì)紗，捻系數(shù)385，錠速為15 000 r/min；機(jī)臺二紡制115 s細(xì)紗，捻系數(shù)400，錠速為13 500 r/min。兩機(jī)臺均采用定量為4.5 g/10 m的棉粗紗為原料，由工控機(jī)統(tǒng)計(jì)紡紗過程中斷紗管理數(shù)據(jù)表內(nèi)兩機(jī)臺24 h內(nèi)的斷紗相關(guān)數(shù)據(jù)。
3.2結(jié)果與討論
兩機(jī)臺24 h的斷頭錠位分布分別如圖3和圖4所示，斷頭時(shí)間分布分別如圖5和圖6所示。
為分析兩機(jī)臺斷紗情況，本文考慮以下4個(gè)評價(jià)指標(biāo)。
(1)斷紗根數(shù)：24 h內(nèi)斷紗總根數(shù)；
(2)千錠時(shí)斷頭數(shù)：1 000錠l h的平均斷頭數(shù)；
(3)斷頭異常錠位比：異常錠位所占比例，系統(tǒng)定義24 h內(nèi)累計(jì)斷頭數(shù)超過5根（包括5根）的錠位為異常錠位；
(4)無斷頭錠位比：24 h內(nèi)無斷頭錠位所占比例。
綜上所述，由圖3和圖4可分析兩機(jī)臺斷紗情況結(jié)果如表2所示。
如表2所示，機(jī)臺一斷頭情況相對比較嚴(yán)重。溯源其異常錠位，發(fā)現(xiàn)：第25號錠位（累計(jì)斷頭8根）錠子松動(dòng)，錠子轉(zhuǎn)速不勻、振動(dòng)，最終導(dǎo)致紡紗張力不穩(wěn)定，增加紗線斷頭；第348號錠位（累計(jì)斷頭5根），其鋼絲圈磨損，使紡紗中鋼絲圈在鋼領(lǐng)上高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生頓挫或振動(dòng)，紡紗張力會突然增大，產(chǎn)生斷頭。機(jī)臺二的異常錠位如下：第93號錠位（累計(jì)斷頭9根）、313號錠位（累計(jì)斷頭5根）、318號錠位（累計(jì)斷頭5根），筒管磨損，使得筒管轉(zhuǎn)速不勻、紡紗張力波動(dòng)，斷頭數(shù)增加；第104號錠位（累計(jì)斷頭6根）、第145號錠位（累計(jì)斷頭5根）和第259號錠位（累計(jì)斷頭5根）斷頭異常均由鋼絲圈磨損所致。生產(chǎn)中除了有針對性地對這些異常錠位進(jìn)行保全，同時(shí)也應(yīng)相應(yīng)調(diào)整工藝參數(shù)，降低斷頭率，減少紗線的浪費(fèi)。
該廠工作時(shí)間采用兩班制（早班和晚班），每天8:00和20:00為交班時(shí)間。為明確斷頭出現(xiàn)的時(shí)間，繪制斷頭時(shí)間分布如圖5和圖6所示。其中，橫坐標(biāo)序號1~24分別表示00:00—00:59至23：00—23：59這24個(gè)時(shí)間區(qū)間，縱坐標(biāo)表示斷頭數(shù)目。由圖5和圖6可知，機(jī)臺一早班累計(jì)斷頭數(shù)為164根，晚班49根；機(jī)臺二早班累計(jì)斷頭數(shù)為111根，晚班84根。顯然，兩機(jī)臺早班斷頭根數(shù)較多，應(yīng)優(yōu)化早班期間紡紗工藝，加大保全保養(yǎng)工作。
實(shí)踐表明，系統(tǒng)對不同紗支紗線斷頭情況統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確無誤，具有良好的適用性。同時(shí)可追溯到斷紗出現(xiàn)錠位和時(shí)間，工作人員可遠(yuǎn)程監(jiān)控細(xì)紗斷紗情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常錠位，相應(yīng)調(diào)整工藝參數(shù)和進(jìn)行保全保養(yǎng)工作，從而減少紗線的浪費(fèi)，提高紗線品質(zhì)。
4結(jié)束語
本監(jiān)控系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)技術(shù)初步應(yīng)用于棉紡生產(chǎn)管理中，由Ring Route斷紗檢測裝置獲取斷紗相關(guān)數(shù)據(jù)，再利用RS485通信將數(shù)據(jù)傳輸至ARM機(jī)，最后設(shè)計(jì)通信軟件通過無線WiFi將數(shù)據(jù)傳輸至工控機(jī)，同時(shí)存儲于斷紗數(shù)據(jù)表中，實(shí)現(xiàn)對斷紗數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)踐表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，用戶可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控細(xì)紗斷紗情況，并能根據(jù)工控機(jī)存儲的斷紗數(shù)據(jù)獲取斷頭錠位和時(shí)間分布，能適應(yīng)紡紗企業(yè)日常斷紗質(zhì)量管理的需求。
