吳 鑫，俞建定，趙鵬飛，駱國慶

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波315211)

服裝生產(chǎn)屬于勞動(dòng)密集型生產(chǎn)，生產(chǎn)過程基本是流水式作業(yè)。目前，我國許多服裝企業(yè)采用的仍然是“捆綁式”生產(chǎn)模式，生產(chǎn)浮余率高，生產(chǎn)效率低下，而且生產(chǎn)過程中容易發(fā)生衣片遺失和錯(cuò)片等現(xiàn)象，造成較高的返工率。如何對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制、提高生產(chǎn)效率、提升生產(chǎn)質(zhì)量，是每個(gè)服裝企業(yè)面臨的問題，服裝吊掛系統(tǒng)就是在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生的。通過電腦系統(tǒng)集成控制，對(duì)加工工位生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析和處理，改變了服裝行業(yè)傳統(tǒng)的“捆綁式”生產(chǎn)方式，有效解決了制作過程中輔助作業(yè)時(shí)間比例大、生產(chǎn)周期長、成衣質(zhì)量難以控制等問題[1]。作為一種先進(jìn)的服裝生產(chǎn)管理系統(tǒng)，服裝吊掛系統(tǒng)在國內(nèi)服裝企業(yè)中的普及率并不高。本研究針對(duì)服裝加工工藝特點(diǎn)，經(jīng)大量市場需求調(diào)研，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于以太網(wǎng)和RS485總線的服裝吊掛生產(chǎn)控制系統(tǒng)。上位機(jī)通過以太網(wǎng)和RS485與每個(gè)制衣工位進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)服裝生產(chǎn)加工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

服裝吊掛系統(tǒng)宏觀上是一套懸空的流水線式物件傳輸流水線，它通過一個(gè)循環(huán)運(yùn)輸軌道把多個(gè)服裝生產(chǎn)工作站結(jié)合起來，可根據(jù)生產(chǎn)加工工藝的要求，利用特制衣架，自動(dòng)將衣片、半成品及成衣按加工順序輸送到各個(gè)加工工作站，并且直接輸送到每個(gè)操作人員方便的位置上。它可以不受加工線路長短和加工位置排列的限制，可長可短，可高可低，可根據(jù)需要自由排列組合，靈活方便[2-3]。

本研究設(shè)計(jì)的服裝吊掛系統(tǒng)由上位機(jī)、若干個(gè)數(shù)據(jù)一級(jí)下位機(jī)和多個(gè)二級(jí)下位機(jī)組成，如圖1所示。上位機(jī)作為總控設(shè)備，通過以太網(wǎng)對(duì)一級(jí)下位機(jī)通信，一級(jí)下位機(jī)重新對(duì)上位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過RS485與二級(jí)下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。上位機(jī)動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)款式的加工狀況，為管理人員提供每個(gè)工作站、每個(gè)工人、每個(gè)衣架、每種款式等每時(shí)每刻的狀況，追蹤目標(biāo)產(chǎn)量，顯示生產(chǎn)進(jìn)度，產(chǎn)生生產(chǎn)報(bào)表以便管理人員及時(shí)掌握現(xiàn)場狀況，及時(shí)做出調(diào)整。一級(jí)下位機(jī)作為一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，完成兩種通信方式的連接和對(duì)上下間通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理。二級(jí)下位機(jī)對(duì)應(yīng)各個(gè)加工工作站，對(duì)工作站的加工過程進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)采集工作的生產(chǎn)數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)。

圖1 系統(tǒng)總架構(gòu)

隨著電腦的普及，以太網(wǎng)接口成為目前使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)接口，具有接口簡單、通信速度高、傳輸距離遠(yuǎn)、通信協(xié)議完善和工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程高速數(shù)據(jù)通信[4]。RS485串行總線又有通信距離長、抗干擾能力強(qiáng)[5]等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，尤其在中小型數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中運(yùn)用廣泛。利用這兩種總線的控制方式，不僅有效解決了目前市場上服裝吊掛系統(tǒng)通信不穩(wěn)定、總控設(shè)備和控制設(shè)備存在數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題，而且整個(gè)系統(tǒng)的線路連接更加簡潔方便，利用交換機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多條流水線的集中控制，擴(kuò)展性增強(qiáng)，整體的成本也不高。

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)的總架構(gòu)圖看到，系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)(包括一級(jí)下位機(jī)和二級(jí)下位機(jī))組成。上位機(jī)對(duì)下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、保存和顯示，下位機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，上傳給上位機(jī)并接收上位機(jī)指令完成相應(yīng)動(dòng)作。

上位機(jī)軟件主要由通信模塊、人機(jī)交互界面模塊、數(shù)據(jù)庫模塊等組成，其結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框架

2.1 通信模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 數(shù)據(jù)包格式

上位機(jī)與每個(gè)工作站的通信其實(shí)并不是直接“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”式進(jìn)行，而是通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備這一媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的。上位機(jī)與數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù)包含了所有的制衣工位信息、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備對(duì)整體數(shù)據(jù)的拆解和工位數(shù)據(jù)的收集等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。為保證整個(gè)通信可靠高效，數(shù)據(jù)包格式必須規(guī)劃布置合理，其數(shù)據(jù)包格式如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)包格式圖

數(shù)據(jù)包總體格式為：公共數(shù)據(jù)+工位數(shù)據(jù)，公共數(shù)據(jù)部分是上位機(jī)下發(fā)給每個(gè)工作站的統(tǒng)一調(diào)度信息或各個(gè)工作站上傳的共有信息。因每個(gè)工位做的工序不一樣，執(zhí)行功能不同，每個(gè)時(shí)刻執(zhí)行的動(dòng)作也不一樣，所以將每個(gè)工位的數(shù)據(jù)分開，以工位數(shù)據(jù)的頭部作為地址。這種數(shù)據(jù)格式布局全面地涵蓋交互信息，利于拆解分析數(shù)據(jù)且有效地控制了數(shù)據(jù)包的大小。

2.1.2 功能命令

整個(gè)制衣加工過程的順利進(jìn)行：上位機(jī)要設(shè)置制衣工作站的類型，即確立工作站做具體的某一道工序；合理控制工位的工作狀態(tài)，衣料的分發(fā)要根據(jù)員工的上線、離線及時(shí)地調(diào)整；實(shí)時(shí)廣播給每個(gè)工位下個(gè)動(dòng)作的指令，保證衣料按照制定的加工方案調(diào)度；實(shí)時(shí)地將每個(gè)工位的生產(chǎn)情況發(fā)送給每個(gè)工位，督促員工的生產(chǎn)。每個(gè)工位根據(jù)生產(chǎn)情況，可以向上位機(jī)發(fā)送請求，以控制自己的生產(chǎn)；每個(gè)工位完成上位機(jī)下發(fā)的指令動(dòng)作后需及時(shí)回復(fù)給上位機(jī)，以便上位機(jī)對(duì)其下一個(gè)任務(wù)安排。上位機(jī)和工作站信息交互的命令種類如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能命令表

2.1.3 通信模塊程序?qū)崿F(xiàn)

在整個(gè)制衣加工過程中，各個(gè)工位的操作并不是同步進(jìn)行，各個(gè)工位的數(shù)據(jù)量不一樣，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)工位的生產(chǎn)情況，系統(tǒng)上位機(jī)和工位間需頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，則對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫操作會(huì)很頻繁。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)大致可以分成兩類，一類數(shù)據(jù)需要頻繁更新，例如當(dāng)前工位存有的衣數(shù)、當(dāng)前的產(chǎn)量等；一類數(shù)據(jù)在較長一段時(shí)間固定不變，例如各個(gè)款式的備用加工方案。所以對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫頻繁操作的數(shù)據(jù)表相對(duì)比較固定?；谶@種考慮，將通信部分從上位機(jī)管理終端中分離獨(dú)立開來，通信部分專門處理與工位的交互信息，操作后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。管理終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)查詢，呈現(xiàn)結(jié)果給用戶，兩者相輔相成，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)。

基于Delphi在數(shù)據(jù)庫操作方面的強(qiáng)大優(yōu)勢[6]，通信模塊使用Delphi技術(shù)實(shí)現(xiàn)。對(duì)通信模塊來說，對(duì)收到的數(shù)據(jù)要做兩個(gè)工作，一是對(duì)接收到的每個(gè)生產(chǎn)工位動(dòng)作命令及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將生產(chǎn)工位的相關(guān)數(shù)據(jù)同步到數(shù)據(jù)庫；二是響應(yīng)工位的上傳請求或?qū)の贿M(jìn)行操作，下發(fā)指令給每個(gè)生產(chǎn)工位。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信在Delphi7中可以利用TcpClient控件比較方便地實(shí)現(xiàn)。處理程序的偽代碼如下：

在主界面上通過點(diǎn)擊“開始”按鈕，啟動(dòng)通信模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.2 人機(jī)交互界面模塊設(shè)計(jì)

本上位機(jī)界面是在Visual Studio 2005.NET編程環(huán)境中使用C#語言編程完成。C#語言是Microsoft專門為其推出.NET平臺(tái)“量身定做”的一種新型的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，它吸收了Java的許多優(yōu)點(diǎn)，既具有VB的簡單易用性，又具有C++的靈活和功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，而且克服了運(yùn)用C/C++進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)時(shí)難度大和周期長的缺點(diǎn)。在.NET平臺(tái)上運(yùn)用C#可以很便捷地進(jìn)行企業(yè)大型應(yīng)用的開發(fā)，特別是分布式應(yīng)用[7]。與SQL2000結(jié)合開發(fā)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序，Visual Studio.NET中提供的功能強(qiáng)大的控件和組件，可以輕松地生成非常復(fù)雜的SQL語句，使得對(duì)數(shù)據(jù)庫的各種操作和數(shù)據(jù)的展現(xiàn)更加方便。

2.2.1 功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面的功能是制定服裝加工方案、分配工序工位、對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行智能調(diào)度、實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程并呈現(xiàn)各個(gè)工位的生產(chǎn)狀態(tài)，及時(shí)提供生產(chǎn)報(bào)表、每個(gè)員工詳細(xì)薪資報(bào)表及生產(chǎn)分析圖等重要信息。界面分為4大模塊，具體功能模塊如圖4所示。

其中工作工位實(shí)況、生產(chǎn)平衡信息和在生產(chǎn)服裝信息三部分內(nèi)容是生產(chǎn)過程中管理者最需要及時(shí)了解的信息，所以將這三個(gè)模塊布置在同一個(gè)界面，并作為軟件啟動(dòng)后的默認(rèn)主界面，友好性強(qiáng)。服裝款式管理和服裝加工方案設(shè)計(jì)這兩個(gè)模塊具有“父子”關(guān)系，每一款服裝都有對(duì)應(yīng)的一種或幾種服裝加工方案，在服裝款式管理模塊點(diǎn)擊一種款式即可進(jìn)入相應(yīng)的方案設(shè)計(jì)模塊。

2.2.2 主界面設(shè)計(jì)及界面組織

由系統(tǒng)功能圖可以看出，整個(gè)上位機(jī)交互界面的層次性很強(qiáng)，功能模塊較多，而且某些模塊除自己獨(dú)立成塊以外還是其他一些模塊的子模塊。為了增強(qiáng)控件的通用性和重用性，筆者按功能根據(jù)VS2005工具箱中的控件并利用.NET程序集創(chuàng)建相應(yīng)的用戶控件，在主界面對(duì)應(yīng)的功能調(diào)用用戶控件。

主界面左面的窗格為系統(tǒng)功能樹，可依次展開，大致功能分布一目了然，利于用戶宏觀把握系統(tǒng)整個(gè)功能。右邊區(qū)域顯示各個(gè)功能的具體內(nèi)容，在功能樹中雙擊某一功能模塊對(duì)應(yīng)的樹節(jié)點(diǎn)，右邊區(qū)域就把對(duì)應(yīng)模塊的用戶界面添加進(jìn)來，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

sContainer.Panel2.Controls.Add(用戶空件名)；

2.3 數(shù)據(jù)庫模塊設(shè)計(jì)

服裝吊掛生產(chǎn)管理系統(tǒng)大致包含服裝款式、員工、生產(chǎn)工位、加工方案和產(chǎn)量五類數(shù)據(jù)。服裝款式是系統(tǒng)生產(chǎn)的對(duì)象，是數(shù)據(jù)庫組織的核心。它們之間的關(guān)系如圖5所示，每個(gè)款式制定在線加工方案，立即投入生產(chǎn)，制定備用加工方案，以備生產(chǎn)調(diào)整，根據(jù)加工方案分配人員和工位。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表關(guān)系圖

.NET提供的數(shù)據(jù)庫訪問組件ADO.NET功能非常強(qiáng)大，與DataSet類對(duì)象配合，可以映射出一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫。同時(shí).NET還提供了功能強(qiáng)大的列表控件類Data-GridView類，給類數(shù)據(jù)庫管理的可視化編程帶來了極大的方便[8]。

數(shù)據(jù)庫訪問的代碼實(shí)現(xiàn)：由于系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要頻繁訪問數(shù)據(jù)庫，因此將數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)訪問部分的代碼封裝成通用的數(shù)據(jù)庫訪問類，以便實(shí)現(xiàn)復(fù)用。數(shù)據(jù)庫訪問類CDataHandle的偽代碼為：

該類對(duì)ADO.NET進(jìn)行了封裝，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的查詢、插入、刪除、更新等數(shù)據(jù)庫操作，引用起來非常方便。

3 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)分析

3.1 數(shù)據(jù)的一致性

管理人員在前臺(tái)界面上操作，可能會(huì)使得后臺(tái)數(shù)據(jù)庫對(duì)多個(gè)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行Update、Insert或Delete的情形。如果前面的表數(shù)據(jù)已經(jīng)更新成功而后面的表卻更新失敗，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)不一致的問題。

上位機(jī)界面中使用.NET中數(shù)據(jù)操作的事務(wù)處理對(duì)象SqlTransaction來解決此問題。建立事務(wù)對(duì)象與sql命令對(duì)象綁定，由sql命令對(duì)象來負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)操作的提交或回滾，這樣就可以達(dá)到保證數(shù)據(jù)一致性的目的。

3.2 跨線程訪問控件

在多線程編程中，經(jīng)常要在工作線程中去更新界面顯示，而在多線程中直接調(diào)用界面控件的做法是錯(cuò)誤的，一般采用Invoke和BeginLnvoke解決這個(gè)問題。它們的參數(shù)為委托delegate，委托的方法在Control的線程上執(zhí)行，也就是平時(shí)所說的UI線程，以此來實(shí)現(xiàn)跨線程操作。Invoke在擁有此控件的基礎(chǔ)窗口句柄的線程上執(zhí)行指定的委托，而BeginInvoke是在創(chuàng)建控件的基礎(chǔ)句柄所在線程上異步執(zhí)行指定委托，本系統(tǒng)主要采用Invoke方法。

本研究設(shè)計(jì)的基于以太網(wǎng)和RS485總線的服裝吊掛生產(chǎn)控制系統(tǒng)將兩種通信方式混合集成使用達(dá)到了理想的效果，該系統(tǒng)已投入市場，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單方便，用戶十分滿意。本上位機(jī)軟件操作方便，界面簡潔。通信模塊獨(dú)立于界面的設(shè)計(jì)，不僅增強(qiáng)了軟件的結(jié)構(gòu)性，而且對(duì)多線程的操作要求降低。本文對(duì)于工業(yè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理類軟件的編寫也具有一定借鑒意義。

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