细纱断纱远程监控系统设计与应用

Design and Application of the Remote Monitoring System for Spun Yarn Breakage

杨　艺　李　强　刘基宏

(江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡　214122)



细纱断纱远程监控系统设计与应用

Design and Application of the Remote Monitoring System for Spun Yarn Breakage

杨艺李强刘基宏

(江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡214122)

摘要：针对细纱断纱自动检测与管理问题，开发细纱断纱远程监控系统。由Ring Route断纱检测装置获取断纱相关数据，并通过RS-485通信完成ARM机与多个单片机之间的数据传输。开发通信软件，利用无线WiFi，由一台工控机监控所有细纱机上的断纱相关数据，并将数据存储在断纱数据表中供查询统计。重点阐述了RS-485通信过程和通信软件开发思路与其中的关键技术。实践表明系统满足断纱质量管理的基本需求。

关键词：纺织行业棉纺生产纺纱工控机RS-485通信无线WiFi通信软件远程监控检测自动控制

Abstract：Aiming at the automatic detection and management for spun yarn breakage,the remote monitoring system has been developed.Relevant data of yarn breakage are collected by Ring Route yarn breakage detection device,and the data transmission among ARM and multiple single chip computers is conducted via RS-485 communication.The communication software is developed,the yarn breakage data of all the spinning frames are monitored by IPC via WiFi,and the data are stored in yarn breakage data list for inquiry statistics.The RS-485 communication process and the developing concept of communication software,as well as related critical technology are described emphatically.The practice indicates that the system satisfies basic demands for quality management of yarn breakage.

Keywords:Textile industryCotton spinning productionSpinningIndustrial personal computerCommunication of RS-485

Wireless WiFiCommunication softwareRemote monitoringDetectionAutomatic control

0引言

随着信息技术的发展，工业计算机控制系统的应用在逐步扩大[1]。一般情况下，由单片机构成的系统，都需要向上位机进行数据传输，实现通信功能，从而使得上位机与单片机功能互补。过去常用的RS-232通信标准，虽然稳定性和速率都有所提高，但因其通信距离过短，单片机数量多，无法满足实际需求[2]。本文采用的RS-485通信协议传输速率高、距离远，可实现一对多通信的目的，构造简单、方便维护、成本低等优势在工业计算机控制系统中占有重要地位[3]。

纺织行业一直被认为是劳动密集型行业，自动化水平低。在纺纱过程中，当纺纱张力大于纺纱段强力时就会出现断头，不仅造成原料浪费，而且增加工作量,也降低了成纱质量[4]。然而传统对断纱的管理办法仅仅是人工检测与统计，不仅效率低，也难以提供更深层次的系统化管理与改进方法[5-6]。本文在Ring Route细纱断纱检测装置[7]基础上，分析RS-485通信过程，利用通信软件和无线WiFi，开发一套细纱断纱远程监控系统，为实现细纱生产过程的精细化管理奠定基础。

1RS-485通信过程分析

RS-485采用差分信号进行传输，理论上传输距离最大可达1.2 km，数据最高传输速率为10 Mbit/s。由于传输速率与传输距离成反比，只有在100 kbit/s的传输速率下才可以达到最大的传输距离。如果需传输更长的距离，可以增加RS-485中继器。它允许在电路中有多个发送器，并且一个发送器可以驱动多个负载设备。通过以上数据，不难看出RS-485协议适用于远距离、多点通信[8-9]。

本研究采用RS-485协议，单片机需要采用RS-485接口，然而作为上位机的ARM机标准配置中一般是RS-232通信接口或USB总线。目前多在ARM机侧使用RS-232与RS-485的电平转换接口，将TTL电平转换为与上位机一致[10]。ARM机与单片机之间的通信选用主从式结构，即系统中只有一台ARM主机，ARM主机控制多个单片机从机，每块单片机会分配一个地址码，单片机作为从机不会主动发送命令或者数据，其通信过程由主机ARM机控制。为确保正常通信，单片机的串行口与ARM机串行口的设置保持一致，包括通信速率和数据格式。由于数据量大，综合考虑传输速率与传输的稳定性，系统选择通信速率9 600 bit/s。

RS-485通信为半双工通信，即发送和接收用一个物理信道，因此在任意时刻最多只能有1台机器处于发送状态。系统中，通信起始信号由ARM机发出，ARM机首先呼叫指定的地址，当单片机收到起始信号后，根据本机的地址做出应答，当ARM发出的地址与本机相同时，回发本机地址并改变为数据等待状态，否则保持原来的状态。ARM机收到应答后，再请求纱线状态数据，相应的单片机根据所采集的数据做出响应。因此只有当ARM机发送的地址信息与单片机相符时，才接收该单片机发送的数据。数据类型包括两种，分别为断、接头数据。半双通信对主机与从机数据通信时序的要求十分严格，如果没有配合好，就会发生冲突，造成整个通信系统瘫痪。为保证数据通信与处理过程简单，规定数据传输过程中采用固定的长度。根据纺纱过程的实际情况设定为23个字节，其格式为纱线状态+细纱机编号+锭位+时间，具体表示方法如表1所示。这里假设一个车间的机器的台数不超过999台，一般细纱车间有5万到15万锭，因此细纱机的台数在100～300台甚至更多，现设计的车间对应的台数为280台；假设锭位号不超过9 999锭，实际机器的锭数为480锭，此处考虑到实际情况有1 080锭的细纱机。

表1　数据表示方法

2远程监控软件的设计

为了统一管理细纱机的断纱情况，每台ARM机装配一个以太网模块，接入以太网，作为一个以太网的结点，将采集到的断纱相关数据发送至工控机[11-12]，并为每一台细纱机分配一个IP地址。该地址也作为细纱机软件的内部编号，地址编号的范围可从192.168.0.2到192.168.255.250。为了管理方便，本系统也建立了每一台细纱机的IP地址与原有细纱机的编号之间的对应关系。本系统工控机为服务器，ARM机作为客户端，服务器的访问采用Client/Server模式，利用无线WiFi作为数据传输介质。每个WiFi分配11个信道，每10台细纱机分配一个中继器，延长网络传输距离。

监控软件的通信流程如图1所示，系统初始化完成后，工控机上采用Socket控件进行IP地址和端口号的匹配，完成相应的连接。连接请求由工控机发起，ARM机侦听到后，通过以太网模块建立连接。工控机与ARM机连接并握手成功后，由工控机发送数据请求，逐条接收ARM机回复的断、接头数据，并完成显示、存储，从而实现远程监控功能。

图1　通信流程图

为了加强监控系统的准确性和稳定性，软件设计过程采用3项关键技术。本系统中，由于一台工控机下挂多台ARM机，使工控机与ARM机之间的通信效率降低，通信过程中等待的时间过长，因此，通信软件应该实现多线程通信。线程可以认为是ARM机与工控机之间的数据传输通道，对其编号加以区分，各个线程之间可以并行通信，互相之间没有影响。我们为每个线程都建立一个标示符，初始状态下，各个线程都未被占用，这些标示符均为“N”。ARM机在发送断纱相关数据时，从最低位线程查看标示符，若查看到某线程标示符为“N”时，表明此线程空闲，那么占用此线程传输数据，并将其标示符更改为“Y”。ARM机在占用线程后，与工控机握手，握手成功并收到工控机的数据请求后再进行数据传输。若工控机没有结束此线程的通信，线程的标示符始终为“Y”，直至接收到通信结束信号，标示符变为“N”。在软件设计中应用多线程通信，可以大大提高通信效率，使多个线程同时使用。需要说明的是，这里的“同时”并不是真正意义上的同时，只是线程切换很快，给软件使用者的感受是同时的。

差错控制由通信控制和数据校验两个部分组成，主要用于防止通信中断和保证通信的准确性。ARM机与工控机进行通信时，工控机向ARM机发送握手信号或者数据请求，若在设定时间内一直未收到ARM机的回应，那么认为此ARM机存在通信故障，结束此次通信，释放此线程，转接下一线程。通过通信控制，不会因为某台ARM机通信中断而受到影响。此外。通信的重要意义不仅仅是能够完成数据交换，更需要准确地传递信息。考虑到通信过程中可能存在的数据丢包的问题，为保证数据的准确性，软件设计中加入对接收到的数据长度进行校验，若校验长度不为23 B，等待接收下一段数据，对其进行重组，重组无效数据同样标志为通信故障，转接下一线程。

为加强管理，工控机每接收一段通过校验无误的信息，都按照通信协议进行拆分，转换为数据库中断纱管理数据表所要求的数据类型，并存储供后期查询、统计。断纱管理数据表设置4列，列名及数据类型依次为：EventType(varchar)、TerminalSerial(varchar)、Spindle(int)、RecordTime(datatime)，分别对应纱线状态、细纱机编号、锭位和时间。

3应用实例

某纺纱厂将本系统装配于20台FA506型细纱机上，每台480锭位。装配前，断纱管理依然采用人工方式：测试人员在一个车弄同时检查两个半台细纱机，统计在测试时间内细纱的断头根数，最后按照公式得出断头率，再手工输入计算机。然而实际操作过程中，纱线断头往往不易被及时发现，人工检测范围小、准确性低、用工量大，最终也无法通过统计结果追踪至断头出现的锭位。装配后，在Ring Route断纱检测装置的基础上实现对断纱相关数据远程实时监控、存储，明确断头的分布，更精细化地分析断纱数据。

3.1现场监控方案

在综合考虑了现场操作、安装成本和通信的准确性问题之后，本研究中确定系统结构图如图2所示，具体安装方案如下。

(1)Ring Route断纱检测采用单锭检测方式，每块单片机控制6个检测头采集断纱相关数据。

(2)每台ARM机控制一台细纱机上所有单片机共80块，通过RS-485通信和信号转换模块获取断纱信息。

图2　系统结构图

(3)为每台ARM机配备一个以太网模块，IP地址分配从192.168.1.10到192.168.1.30，分别对应10号到30号机器。采集到的断纱相关数据通过无线WiFi发送至工控机，工控机选用型号为TPC150TC-L的嵌入式人机界面。

为验证系统准确性与适用性，下面分析两台工艺参数不同的细纱机断纱相关数据，具体如下：机台一纺制70S细纱，捻系数385，锭速为15 000 r/min；机台二纺制115S细纱，捻系数400，锭速为13 500 r/min。两机台均采用定量为4.5 g/10 m的棉粗纱为原料，由工控机统计纺纱过程中断纱管理数据表内两机台24 h内的断纱相关数据。

3.2结果与讨论

两机台24 h的断头锭位分布分别如图3和图4所示，断头时间分布分别如图5和图6所示。

图3　机台一断头锭位分布图

图4　机台二断头锭位分布图

图5　机台一断头时间分布图

图6　机台二断头时间分布图

为分析两机台断纱情况，本文考虑以下4个评价指标。

(1)断纱根数：24 h内断纱总根数;

(2)千锭时断头数：1 000锭1 h的平均断头数;

(3)断头异常锭位比：异常锭位所占比例，系统定义24 h内累计断头数超过5根(包括5根)的锭位为异常锭位;

(4)无断头锭位比：24 h内无断头锭位所占比例。

综上所述，由图3和图4可分析两机台断纱情况结果如表2所示。

表2　断纱评价结果

如表2所示，机台一断头情况相对比较严重。溯源其异常锭位，发现：第25号锭位(累计断头8根)锭子松动，锭子转速不匀、振动，最终导致纺纱张力不稳定，增加纱线断头；第348号锭位(累计断头5根)，其钢丝圈磨损，使纺纱中钢丝圈在钢领上高速转动时产生顿挫或振动，纺纱张力会突然增大，产生断头。机台二的异常锭位如下：第93号锭位(累计断头9根)、313号锭位(累计断头5根)、318号锭位(累计断头5根)，筒管磨损，使得筒管转速不匀、纺纱张力波动，断头数增加；第104号锭位(累计断头6根)、第145号锭位(累计断头5根)和第259号锭位(累计断头5根)断头异常均由钢丝圈磨损所致。生产中除了有针对性地对这些异常锭位进行保全，同时也应相应调整工艺参数，降低断头率，减少纱线的浪费。

该厂工作时间采用两班制(早班和晚班)，每天8:00和20:00为交班时间。为明确断头出现的时间，绘制断头时间分布如图5和图6所示。其中，横坐标序号1～24分别表示00:00～00:59至23:00～23：59这24个时间区间，纵坐标表示断头数目。由图5和图6可知，机台一早班累计断头数为164根，晚班49根；机台二早班累计断头数为111根，晚班84根。显然，两机台早班断头根数较多，应优化早班期间纺纱工艺，加大保全保养工作。

实践表明，系统对不同纱支纱线断头情况统计准确无误，具有良好的适用性。同时可追溯到断纱出现锭位和时间，工作人员可远程监控细纱断纱情况，及时发现异常锭位，相应调整工艺参数和进行保全保养工作，从而减少纱线的浪费，提高纱线品质。

4结束语

本监控系统将计算机技术初步应用于棉纺生产管理中，由Ring Route断纱检测装置获取断纱相关数据，再利用RS-485通信将数据传输至ARM机，最后设计通信软件通过无线WiFi将数据传输至工控机，同时存储于断纱数据表中，实现对断纱数据的远程实时监控。实践表明，系统数据传输准确，用户可以远程实时监控细纱断纱情况，并能根据工控机存储的断纱数据获取断头锭位和时间分布，能适应纺纱企业日常断纱质量管理的需求。

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中图分类号：TH86;TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602011

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(编号：JUSRP51417B) ；

江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(编号：SJZZ_0150)。

修改稿收到日期：2015-07-02。

第一作者杨艺(1991-)，女，现为江南大学纺织工程专业在读硕士研究生；主要从事数字化纺织的研究。