基于物联网技术的竹节纱生产监控

郭在峰, 刘燕卿, 徐伯俊, 谢春萍, 刘新金, 苏旭中

(江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)

研究与技术

基于物联网技术的竹节纱生产监控

郭在峰, 刘燕卿, 徐伯俊, 谢春萍, 刘新金, 苏旭中

(江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)

目前ZJ-5A型数字式智能竹节纱生产装置中的触摸屏只局限于车间现场查看和操作，且每台细纱机只能由对应的触摸屏操作，不利于及时发现和处理问题。通过物联网技术进一步升级，在纺制竹节纱过程中，竹节纱生产装置的主控单元PLC控制细纱机的伺服电机，从而将生产信息通过ZigBee传感网传输到网关，再从网关传输到数据库服务器中；竹节纱管理实时监控系统采用网页形式，从而实现对竹节纱生产过程状态的监控。结果表明：通过物联网技术对竹节纱生产监控改造，真正实现了多台设备实时监控及参数设置。通过登录竹节纱管理系统访问数据库服务器，可以随时随地对竹节纱生产进行监控和参数设置。

竹节纱；物联网；生产监控；管理系统；数据库服务器

花式纱因其产品的丰富性及多样化，产品应用范围广，产品附加值高，在纺织领域日渐受欢迎。其中，竹节纱是花式纱的一种，即在长度方向上出现粗节、细节状态的单纱线。目前主要采用改造后的环锭纺生产竹节纱，其应用广泛，例如牛仔布、窗帘、装饰用品等。竹节纱的生产原理有四种：1)变牵伸型：利用改变细纱机的牵伸倍数来控制竹节的粗细；2)植入型：利用在前钳口处喂入纤维须条来形成竹节纱的竹节部分；3)纤维型：利用纤维的浮游运动性能来形成条干不匀原理，喂入不定量的短纤维来控制竹节的粗细；4)涂色型：利用人在视觉上的色差效应对纱线进行部分涂色。竹节纱的特征参数有基纱特数、竹节倍率、竹节长度、基纱长度及循环规律[1]。基纱特数是竹节纱上没有出现粗节的纱的特数；竹节倍率即相同长度的竹节部分与基纱部分的定量之比，倍率是反映竹节纱质量的一个重要指标；竹节长度是每个竹节的长度[2]。竹节纱的生产分为有规律竹节生产和无规律竹节生产。

本文主要探讨采用物联网技术来实现对竹节纱生产的实时监控和参数设置。监控竹节纱在模糊状态下和非模糊状态下的长度、竹节段数及电机转速、前罗拉转速、设备地址和类型等相关参数；在生产竹节纱装置上有一项很重要的参数即长度与倍率，这项参数包含了竹节的长度、基纱长度及倍率，可以直接表明竹节纱的生产状态与质量[4]。此方法的优势在于对多台竹节纱生产设备进行实时监控和参数设置，相比于传统的触摸屏监控及操作，可以更加方便、快捷地管理竹节纱生产。

1 系统总体设计

1.1 整体结构

目前，由于国内转杯纺竹节纱应用较少，限制了转杯纺的生产发展，而环锭纺竹节纱应用范围广，所以主要以生产环锭纺竹节纱为主；大部分纺织企业采用控制细纱机前罗拉转速或中后罗拉转速的原理来生产竹节纱[6]。竹节纱的生产装置采用的是江南大学自主研发的ZJ-5A型数字式智能竹节纱生产装置，可生产多样式的竹节纱，产品丰富，可通过触摸屏界面调节工艺参数。为了实现多台设备实时监控竹节纱生产状况和设置竹节纱的相关工艺参数，设计开发一个PC客户终端即竹节纱管理系统，并将生产竹节纱装置中的数据和相应的数据库同步，来操作PC客户终端。通过连接数据库服务器，可在客户终端上监控竹节纱的生产状况，将传统技术上的竹节纱生产装置中的触摸屏界面内容用转移到远程的PC客户终端上，能够及时、直观、方便地了解生产情况，简化生产管理，提高生产和管理水平。

1.2 设计项目框架

通过了解竹节纱生产的流程和生产中的相关工艺参数来构思框架，并通过ZJ-5A型数字式智能竹节纱生产装置中触摸屏的设置参数，来构建PC客户终端的设计框架[7]。将触摸屏中所有的功能通过计算机语言编程放入客户终端中，其功能结构如图1所示。

图1 PC客户终端的功能结构Fig.1 Functional structure of PC client terminal

1.3 系统组网方式

细纱机和ZJ-5A型数字式智能竹节纱生产装置连接了ZigBee无线传感器，其主要是生产竹节纱装置中的主控单元西门子PLC s7—200(CPU 224)与ZigBee通过RS-485接口连接。竹节纱的生产信息通过ZigBee传输到网关中，再通过网关传输并保存到数据库服务器中。本文设计的竹节纱控制平台是通过网络进入到数据库服务器中，读取并保存多台竹节纱生产设备的信息，来实时监控和设置参数。

2 系统硬件组成

2.1 组成结构

竹节纱生产监控的硬件包括多台细纱机设备、ZJ-5A型智能竹节纱生产装置、ZigBee无线传感器、网关、数据库服务器、PC客户终端，其组成结构顺序如图2所示。

图2 结构顺序Fig.2 Structural order

2.2 通信实现

ZigBee技术以其经济、可靠、高效等优点在物联网技术中有着广泛的应用前景,本文通过ZigBee无线传感网技术，将细纱机生产竹节纱的相关信息通过网关传输到数据库服务器中，保证了传输的稳定性和安全性[3]。ZigBee无线传感器与相关器件的连接实物图如图3所示。

图3 通信器件实物Fig.3 Communication device

通信的目的主要是对竹节纱参数的读写及竹节纱生产设备机器运行状态参数的读取。对于设置竹节纱工艺参数，其主要有竹节长度、倍率及基纱长度；对于远程访问生产设备的运行状态参数，有电机转速、前罗拉转速、单数修正系数、双数修正系数、轮系系数、开车延时、关车延时、速度控制门限等。通过访问这一系列的参数，可以方便查看生产设备的运行状态及操作竹节纱生产的重要参数。

3 系统软件的设计

本文采用PHP语言来编写竹节纱的PC客户终端及与数据库服务器建立数据连接。该语言开放源码、兼容性很高、安全可靠，能够支持多种类型的数据库，运行调试速度快，资源占有率小，适合应用于监控竹节纱生产的PC客户终端[10]。本文的管理界面根据功能结构来设计，管理系统界面可方便快捷地浏览竹节纱生产的状况，其显示界面大小比ZJ-5A型数字式智能竹节纱生产装置中触摸屏大，可显示更多的竹节纱信息，且不需要再通过触摸屏不断地点击下一页来浏览更多的信息，这样为工作人员节省了更多的浏览时间以及减少了很多在浏览信息上的麻烦[12]。

3.1 数据库服务器

在数据库服务器中同步竹节纱生产的信息。本文采用MySQL数据库把将节纱信息与数据库服务器同步[8]。MySQL是目前较为流行的开源数据库，是完全网络化的跨平台关系型数据库系统，MySQL数据库可以称得上是目前运行速度最快的SQL语言数据库之一。

本文的竹节纱管理系统数据库名称为“db_dlxt”，数据库包含若干个数据表，每个数据表对应竹节纱相关信息。建立竹节纱相关信息数据库“db_dlxt”，在此数据库下再建立若干个所需要的数据表，并储存所需的相关数据。至此，MySQL数据库构建完成。

传统的触摸屏是将竹节纱信息存放在竹节纱生产装置的主控单元PLC中，现在本文采用物联网技术进行升级，将传统的触摸屏技术与本文的物联网技术作对比，如表1所示。

表1 不同技术进行对比

通过将传统技术与物联网技术进行对比，本文的物联网技术具有明显的优势。

3.2 PLC地址与竹节纱数据地址映射

竹节纱主控单元PLC的设置及运行状态通过RS-485连接到ZigBee无线传感器，接着通过网关连接到相关网络，再通过Web服务器连接到数据库服务器，对数据库进行读写操作。为确保准确地读写竹节纱参数，需将生产竹节纱相关的一系列参数的地址与PLC中的通信地址一一对应。

本文以竹节纱生产设备(包括主控单元PLC)作为通信的从站设备，利用Modbus从站指令来建立PLC地址与竹节纱数据地址的映射关系，确保对数据库服务器操作的准确性及可靠性。其Modbus从站指令的对应关系如图4所示。

图4表示了Modbus模式的通信下，从站的站地址为10，波特率为9600，偶校验，接受数据存储区的首地址是VW2002。通过Modbus从站指令进行循环扫描，来读取竹节纱工艺参数的地址，其中生产竹节纱的三种重要参数：竹节长度、倍率及基纱长度对应的PLC地址，如表2所示。

图4 梯形图Fig.4 Ladder diagram

竹节长度竹节长度对应地址倍率倍率对应地址基纱长度基纱长度对应地址L1VW2002D1VW2L2VW2004L3VW2006D2VW4L4VW2008L5VW2010D3VW6L6VW2012L7VW2014D4VW8L8VW2016L9VW2018D5VW10L10VW2020

3.3 对竹节纱存放的数据库操作

PHP提供了大量的MySQL数据库函数，方便竹节纱控制平台对MySQL数据库进行操作[5]。

3.3.1 客户端连接和选择数据库

竹节纱的工艺参数信息都与MySQL数据库同步，要操作MySQL数据库，首先必须与MySQL服务器建立连接。在连接到MySQL数据库服务器之后，使用mysql_select_db()函数选择竹节纱数据库db_dlxt。至此，竹节纱的PC客户终端在与MySQL数据库建立的基础上选择了竹节纱信息存放的数据库db_dlxt。

3.3.2 读取数据表的数据放入相应的位置

选择相应的竹节纱数据库之后，在使用mysql_query()函数和mysql_fetch_object()函数对所需数据表中的数据进行查询后，获取查询结果，返回值对象，这样就能在相应的功能界面中显示所需要的数据。

3.4 运行调试

通过计算机语言将竹节纱管理系统构建好以后，打开index.php文件，并通过电脑键盘F12快捷键来运行调试。监控竹节纱长度与倍率操作界面，如图5所示。

图5 调试效果Fig.5 Testing results

4 结 论

利用物联网技术将竹节纱生产装置和网络结合在一起，并对其进行数据传输及与数据库服务器同步，采用计算机语言来设计竹节纱PC客户终端，这是实现多台竹节纱设备生产实时监控和参数设置的关键。可方便、准确、不局限于车间现场监控多台细纱机生产竹节纱的基本情况和细纱机的运行状态，同时可以根据用户对纺纱的不同要求，在系统中添加需要的纺纱品种及所对应的相关工艺参数。

未来，纺织企业对物联网技术的需求会越来越大，PC客户终端会越来越完善，技术也会越来越成熟，无线传输数据会越来越安全，这是企业发展的一个重要趋势。同时，在计算机实时监控和参数设置的基础上可以开发相关APP，在手机上实现实时监控和参数设置，以此来提高纺织企业的生产效率和生产管理水平，降低维护和生产的成本，增加企业的经济效益。

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Bunchy yarn production monitoring based on the Internet of Things

GUO Zaifeng, LIU Yanqing, XU Bojun, XIE Chunping, LIU Xinjin, SU Xuzhong

(Key Laboratory of Eco-Textile, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

The ZJ-5A type digital intelligent bunchy yarn production equipment enables on-site monitoring and operation in workshop only, and each spinning frame can be manipulated via a specific touch screen operation, which is inefficient for identifying and handling problem timely. With the improved technology with the Internet of Things, the main control unit (PLC) of bunchy yarn production equipment controls the servo motor of spinning frame, to transmit production information to the gateway via ZigBee sensor network, and then to the database server; real-time bunchy yarn management and monitoring system is realized in the form of page, to realize monitoring over the process and state of bunchy yarn production. The results show that real-time monitoring and parameter setting of multiple equipment has been truly realized by transformation of bunchy yarn production monitoring with the Internet of Things. Real-time bunchy production monitoring and parameter setting can be realized via the database server (logging in the bunchy yarn management system) at anytime and anywhere.

bunchy yarn; the Internet of Things; production monitoring; management system; database sever

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.09.004

2016-09-23;

2017-06-26

国家自然科学基金项目(61503155)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(JUSRP116018)；江苏省产学研项目(BY2015019-10，BY2016022-27)；江苏省科技成果转化项目(BA2014080)；纺织服装产业河南省协同创新项目(hnfx14002)；广东省产学研项目(2013B090600038)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(苏政办发〔2014〕37号)；江苏省先进纺织工程技术中心基金项目(XJFZ/2016/4)

郭在峰(1993-)，男，硕士研究生，研究方向为竹节纱的物联网技术。通信作者：徐伯俊，教授，wxxbj@sina.com。

TS112.74

A

1001-7003(2017)09-0020-05 引用页码: 091104