摘 要：基于目前紡織行業(yè)紗線生產(chǎn)過程中設備監(jiān)控困難和管理低效問題，開發(fā)一套針對紗線整經(jīng)工序的監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由下位機、上位機和數(shù)據(jù)庫組成。下位機使用stm32和傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，采用DM9000網(wǎng)絡芯片和LWIP協(xié)議實現(xiàn)上、下位機的通信；上位機軟件使用Qt開發(fā)，實現(xiàn)設備監(jiān)控與交互功能；數(shù)據(jù)庫采用SQLite，實現(xiàn)車間和設備數(shù)據(jù)的存儲。試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可同時對車間多臺整經(jīng)設備進行有效監(jiān)控和管理，提高了整經(jīng)工序的智能化水平。

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

中圖分類號：TS103.7文獻標志碼：B文章編號：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，需要對每一根紗線的張力、行進速度、是否斷紗等狀態(tài)進行實時監(jiān)測以確保成品不會出現(xiàn)橫條、跳絲等瑕疵。因此，在生產(chǎn)過程中，對這些狀態(tài)和數(shù)據(jù)有效地采集、監(jiān)控和及時處理，對于高效生產(chǎn)高質(zhì)紡織產(chǎn)品具有十分重要的意義。

近年來，國家大力推動產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級，對紗線高效監(jiān)控管理的研究已經(jīng)成為紡織行業(yè)重點研究方向［1-2］。在紗線監(jiān)控方面，東南大學顧李淼［3］基于紡紗過程中出現(xiàn)的氨綸絲和細紗線的狀態(tài)異常問題，研發(fā)設計了一款紡紗機械監(jiān)測系統(tǒng)，主要由監(jiān)測裝置、節(jié)點機和監(jiān)控管理上位機構(gòu)成，實現(xiàn)了對氨綸絲工況的實時監(jiān)測和異常處理。其中，監(jiān)測裝置負責實時監(jiān)控氨綸絲的運行信號并發(fā)送到節(jié)點機，節(jié)點機負責收集多監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)并通過無線WiFi發(fā)送到監(jiān)控管理上位機，上位機實現(xiàn)了監(jiān)測設備信息的顯示、異常報錯、數(shù)據(jù)存儲等功能。在數(shù)據(jù)管理方面，索劍等［4］針對目前紡織企業(yè)主要還是人工管理設備、產(chǎn)量和庫存等現(xiàn)狀，利用計算機網(wǎng)絡存取速度快、存儲容量大、準確性高等特點，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)庫管理系統(tǒng)，在保證用戶安全和權(quán)限認證的情況下實現(xiàn)了紗線和庫存數(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)對紗線的良好監(jiān)控和故障報警，還能夠?qū)φ麄€生產(chǎn)車間人員和設備進行統(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、上位機和數(shù)據(jù)庫模塊構(gòu)成。下位機包括數(shù)據(jù)采集模塊和網(wǎng)絡模塊，路由器用于擴展連接設備數(shù)量，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集模塊對設備數(shù)據(jù)進行采集后通過網(wǎng)絡模塊發(fā)送到上位機，上位機對數(shù)據(jù)進行分類處理后在軟件界面顯示并與數(shù)據(jù)庫進行交互，將有效信息存儲到數(shù)據(jù)庫，方便后續(xù)查詢、統(tǒng)計和分析。

2 下位機設計

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

在整經(jīng)工藝中，對紗線張力的穩(wěn)定性要求較高，而設備主控板只能調(diào)整紗線張力的大小，無法檢測紗線張力波動情況。因此，為了監(jiān)控紗線張力的穩(wěn)定性，需要對主控板功能進行擴展，如圖2虛線框所示。在紗線運行過程中，張力的直接測量較為困難，但有研究證明其與紗線振動頻率的平方存在一定的線性關(guān)系［5-6］，并且環(huán)境溫度和濕度也會使紗線線密度發(fā)生改變，間接影響張力大小［7］。因此，在設備參數(shù)測量方面，本系統(tǒng)在原控制板的基礎上增加了頻率和溫濕度測量模塊，以實現(xiàn)設備運行過程中對紗線張力穩(wěn)定性的監(jiān)控。網(wǎng)絡模塊提供通信接口，實現(xiàn)上位機與下位機的數(shù)據(jù)通信。

2.1 頻率測量模塊

紗線頻率測量模塊為獨立模塊，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管作為傳感器，兩管相對安裝，中間形成一條光路用于信號采集，采用stm32f103c芯片作為處理器，模塊PCB實物圖如圖3所示。光電對管捕獲紗線自激振動信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路濾波、放大、整形后轉(zhuǎn)換成合適的方波信號后輸入處理器，處理器捕獲信號后計算得到信號的周期和頻率，每次測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、外部中斷和定時器。處理器通過IO外部中斷模式對信號進行識別，信號發(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)計上跳變次數(shù)。頻率測量方法采用計頻法，即通過采集一定時間內(nèi)信號周期的個數(shù)計算頻率。每次計算完頻率值則通過RS-485接口向主控板發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

2.2 溫濕度測量模塊

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

傳感器輸出為經(jīng)過標定的數(shù)字信號，標準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)和時鐘線［9］，不使用標準硬件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)絡通信模塊

基于有線通信數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠的特點，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現(xiàn)上下位機的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信。為了使網(wǎng)絡通信穩(wěn)定，減少物理接線帶來的影響，本系統(tǒng)將網(wǎng)絡模塊集成到主控板，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接口對網(wǎng)卡芯片進行訪問，采用16位數(shù)據(jù)位寬。對外網(wǎng)絡接口選用帶有濾波變壓器的HR911105A網(wǎng)口。網(wǎng)絡模塊實物圖如圖4所示。

網(wǎng)絡模塊通信協(xié)議采用嵌入式設備常用的輕量型TCP/IP協(xié)議棧LWIP［11］。本系統(tǒng)網(wǎng)絡模塊作為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 上位機開發(fā)

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

3.1 監(jiān)控界面

主監(jiān)控界面是對車間環(huán)境與所有設備的整體監(jiān)控，如圖6所示。最左側(cè)一列顯示所有在線設備，上位機作為多線程服務器，下位機為客戶端；第二列實時監(jiān)控環(huán)境溫濕度和設備運行情況;第三列打印所有設備運行和故障信息；最后兩列為設備紗筒位置分布模擬，若產(chǎn)生斷紗，則會在監(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，詳情見試驗部分。

單臺設備監(jiān)控界面能夠?qū)B接到系統(tǒng)的設備進行單獨監(jiān)控，如圖7所示。主要監(jiān)控參數(shù)為紗線數(shù)目、紗線運行速度和頻率等。為了更清晰地反映紗線實時狀態(tài)變化情況，該界面還開發(fā)了紗線動態(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到10%，則曲線右上角亮紅燈報警，從而達到監(jiān)控紗線張力穩(wěn)定性的目的。

3.2 管理界面

登錄界面對登錄用戶進行管理，是上位機的第一個界面，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，部分功能僅對管理員開放。用戶權(quán)限和密碼由數(shù)據(jù)庫進行保存管理，以便用戶登錄時進行查找校對。個人中心界面可以查詢登錄用戶具體信息以及修改密碼。

人員和設備管理界面的主要功能為人員和設備信息的顯示和增刪改查等，實現(xiàn)了對車間人員和設備的集中統(tǒng)一管理。界面如圖8所示，信息的原始數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)分析界面主要以統(tǒng)計圖的方式對數(shù)據(jù)進行分析，具體為針對人員產(chǎn)量、設備產(chǎn)量、人員薪資、設備故障、財政收支等方面進行統(tǒng)計和對比，如圖9所示。從該界面可以直觀地看出車間或工廠人員、設備、資產(chǎn)等各方面的具體情況，簡潔明了。

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

4 數(shù)據(jù)庫設計

SQLite是一款輕型的嵌入式開源數(shù)據(jù)庫［13］，占用資源低，處理速度快，并且Qt中包含了QSQLITE驅(qū)動［14］，因此本系統(tǒng)使用SQLite數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫存儲的信息主要有人員信息、設備信息、產(chǎn)量信息、報警信息、報表以及每臺設備的運行和故障信息，Qt上位機在添加了sql模塊后可以調(diào)用相關(guān)的類函數(shù)對數(shù)據(jù)庫進行存取操作。

5 監(jiān)控管理試驗

5.1 系統(tǒng)運行試驗

將上位機與下位機通過網(wǎng)線連接，或者使用路由器作為中轉(zhuǎn)站以連接多臺設備。登錄上位機，啟動設備，查看上位機顯示情況。

首先是主監(jiān)控界面，如圖6所示。從左側(cè)設備列表可以看到，此時有編號不同的3臺設備已上線，紅燈亮表示上線但未啟動，綠燈亮表示設備正在運行。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。接著雙擊設備列表中編號為30的設備，打開設備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30設備處于正常運行狀態(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)報表能夠查詢和打印，將數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進行對比發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)完全一致。

以上步驟經(jīng)過多次長時間測試后均正常，因此可以得出結(jié)論：系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對多臺設備的監(jiān)控功能，并且能夠?qū)囬g設備、人員進行高效管理，能對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行有效分析。

5.2 故障監(jiān)控試驗

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

將設備與上位機連接，啟動設備，當設備正常運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警和斷紗位置，同時控制設備停機，右側(cè)紗筒分布欄對應斷紗紗筒亮紅燈，起到警報效果。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，對應設備的故障次數(shù)增加1，說明此次故障已錄入數(shù)據(jù)庫。

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

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

6 結(jié)語

本文主要設計了一款針對紗線整經(jīng)設備的監(jiān)控管理系統(tǒng)。經(jīng)試驗，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)紗線狀態(tài)的監(jiān)控和斷紗故障報警，同時可以對車間人員和設備進行信息化管理，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行有效分析，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。

參考文獻：

［1］ 龔羽，倪遠. 環(huán)錠細紗機紡紗斷頭監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展評析［J］. 紡織導報，2012（6）：100-104.

［2］ Anonymity. Analysis of the economic operation of the textile industry in 2019 is released，increased development pressure in 2020［J］. China Textile： English Edition， 2020（2）：34-36.

［3］ 顧李淼. 紡紗機械監(jiān)測系統(tǒng)設計與研究［D］. 南京：東南大學，2020.

［4］ 索劍，邱志成. 針織服裝企業(yè)紗線管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］. 電腦開發(fā)與應用，2007，20（1）：34-36.

［5］ 周泰.用諧振頻率測量紡絲張力的研究［J］.自動化儀表，1987（9）：12-15，36.

［6］ 繆宇軒. 非接觸式張力監(jiān)測系統(tǒng)的研制與開發(fā)［D］. 南京：南京航空航天大學，2020.

［7］ 夏港東，秦浩杰，王慶東，等. 基于FPGA的非接觸式張力監(jiān)測系統(tǒng)的設計［J］. 機械制造與自動化，2022，51（2）：195-198，222.

［8］ 任靜. 基于STM32單片機的溫濕度測量系統(tǒng)設計［J］. 智能物聯(lián)技術(shù)，2021（4）：16-21，39.

［9］ 余盼. 有線通信技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析［J］. 科學技術(shù)創(chuàng)新，2020（19）：87-88.

［10］ 喬有田，王俊，邵萬靈，等. 基于STM32的DM9000A網(wǎng)絡接口裸機的應用研究［J］. 工業(yè)控制計算機，2020，33（8）：41-42.

［11］ 李晨，蔣林，劉思平. 基于STM32與Lwip協(xié)議棧的高效通信技術(shù)［J］. 電子技術(shù)與軟件工程，2019（19）：27-28.

［12］ 王維波，栗寶鵑，侯春望. Qt 5.9 C++開發(fā)指南［M］. 北京：人民郵電出版社，2018.

［13］ 陳敬靜. SQLite數(shù)據(jù)庫研究與可視化［D］. 南京：南京郵電大學，2020.

［14］ 龍灝. SQLite數(shù)據(jù)庫在Qt5開發(fā)環(huán)境中的應用［J］. 電子世界，2017（24）：61，63.