针织装备的智能制造及互联互通标准验证

胡旭东， 沈春娅， 彭来湖， 汝 欣

(浙江理工大学 浙江省现代纺织装备技术重点实验室， 浙江 杭州 310018)

针织装备的智能制造及互联互通标准验证

胡旭东， 沈春娅， 彭来湖， 汝 欣

(浙江理工大学 浙江省现代纺织装备技术重点实验室， 浙江 杭州 310018)

为解决目前针织行业内针织设备接口不统一，设备难以实现互联互通及互操作等诸多问题，制定了针织机械网络通信接口系列行业标准。这些标准规范针织装备，包括横机、圆纬机和经编机的通信接口和数据协议，实现标准内设备互联互通及互操作。同时建设不少于3个试验验证平台，分别对横机、圆纬机和经编机的互联互通方法及可靠性进行试验验证，以期在验证的基础上进行行业示范和推广。对于现役装备，通过制定网关标准将其纳入标准范围。

针织装备； 智能制造； 网络通信接口标准； 标准验证

我国是世界人口最多的国家，吸纳劳动力最多的制造业是我们国家的立国之本、兴国之器、强国之基[1]。制造业作为我国实体经济的主体，国民经济的支柱[2]，对我国的国民经济、社会进步以及人民富裕起到关键作用[3]。纺织业作为我国传统和优势的制造业，纺织产值占全国工业总产值6%左右，纺织工人约1 300万，占全国产业工人的13%，纺织业是用工最多的产业，也是关系国计民生的重要产业，在国际上占据重要的地位，是我国主要出口产业之一。然而，近年来，纺织行业的发展受到了极大的挫折，劳动力成本红利的消失、原材料成本的快速上升、东南亚国家制造业的崛起和国际竞争的加剧等，都对我国纺织业的发展带来巨大的冲击。

重振纺织业的辉煌，就要在自主创新、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面缩小与制造强国的差距[4]，着力提高纺织装备自动化和智能化水平，主动接入物联网和互联网，利用网络的边际效应和倍增效应，提升纺织业的生产效率和产品对市场的快速响应能力。实现从制造大国向制造强国的转变，纺织业的转型升级和跨越发展是重中之重[5]。

智能制造是新一轮工业革命的核心技术[1]。《中国制造2025》将智能制造定位为中国制造业实现由大变强，深度融合工业化与信息化的主攻方向[6]。发展智能制造，要加强纺织装备的智能化、设计过程的智能化、加工工艺的优化、管理的信息化、服务的敏捷化/远程化。在此过程中，加强纺织机械设备的标准化体系建设是关键，也是实现纺织装备网络化与智能化的基础。本文主要探讨针织机械网络通信接口系列行业标准的制定。

1 制约纺织智能制造的技术因素

要实现智能制造，需将制造技术与数字技术、智能技术及新一代信息技术融合，开发面向产品全生命周期的具有信息感知、优化决策、执行控制功能的制造系统，以实现高效、优质、柔性、清洁、安全、敏捷的产品制造和用户服务。体现于纺织智能制造，就是基于工业互联网及无线传感网络技术，把各类纺织设备进行联网上线，构成设备的机联网网络，建立大数据平台，实时采集纺织产品生产过程中的生产数据(如编织花样、产量、工艺参数)、设备数据(如设备转速、各部件的运行情况、设备报警信息)、环境数据(如温度、湿度)等，对设备的运行情况进行监控和汇集，并根据生产调度需求在线下达单机的生产计划，下发产品信息，实现智能远程运维，并结合大数据系统，整合纺织行业长期积累的产业链数据、 资源和技术创新及管理经验，重新建构纺织产业链各要素，实现智能分析，促进企业的生产模式和组织形式的变革[7]，这对行业智能制造意义重大。

根据美国能源部对智能制造的定义：智能制造是先进的传感、仪器、监测、控制和过程优化的技术和实践的组合，它们将信息和通讯技术与制造环境融合在一起，实现工厂和企业中能量、生产率和成本的实时管理。构成智能制造的关键是设备互连的标准和通讯协议[8]，这也是制约我国纺织智能制造的最主要因素。迄今为止，在纺织装备领域国内外还没有现成的设备互联标准及相关数据通讯协议，不同企业生产的同类设备之间无法实现事实上的联通，哪怕物理上将设备连接在一起，也难以取得所需要的数据，更不要说设备之间的互联、互通及互操作。

其次，智能制造需要设备具有原位检测、信息传送和执行驱动的智能单元，现阶段在纺织装备中，单元智能部件的缺失使得纺织装备的智能制造处于一种浅层的智能化，或者说的是一种在自动化程度上增加了网络功能，与真正意义上的智能制造还有相当的距离。

再有，纺织智能制造不能只是要求设备具有信息采集、传送等功能，更重要的是要将纺织生产工艺与设备的控制系统有机融合，智能控制系统要有能自行学习和维护生产的工艺数据专家系统，在此基础上还要进一步挖掘生产工艺，为纺织品生产提供更好的工艺参数，破除目前的数字化裸机现象。

为此，纺织装备智能化的首要任务是将智能制造标准体系制定纳入到顶层设计中[9]，给传统设备接入互联网提供规范的标准，实现设备间的互联互通，进行信息融合，为大数据挖掘、实现智能优化决策提供可能，为信息时代的“互联网+”提供技术支撑。

2 针织装备互联互通标准的制定

针织产品是纺织品中的一个大类，针织生产是近年来发展最为迅速的生产模式之一，针织品花型变化灵活，生产效率比机织要高很多，而且可不经过裁剪直接编织成型，因此针织已超过机织成为纺织品生产的主要方式。制定针织装备互联互通标准，主要需解决企业机联网系统的网络连接结构以及层级结构，特别是要兼容现有的有线连接方式和已经出现或者将要出现的无线连接方式，使得标准有一定的前瞻性和可操作性。

本文探讨针织机械装备间互联、互通及互操作的 7 项行业/国家标准的制定，实现横机、圆纬机和经编机等针织机械装备间互联互通及互操作。在数据通讯协议中，对设备现有的状态做出明确的描述，同时还兼顾不同针织设备的特殊性，使标准可覆盖所有的针织机械；在通讯协议上，对组成智能制造的信息需求进行合理归纳，结合数据库技术提出有效的通信协议。

标准中将整个针织设备监控网络结构分为厂级网络、主干控制网络、设备组控制网络。采用分层互联结构，可根据所管理针织设备的规模及分布地域的情况，在管理层级上灵活配置和调整，以适应实际的需要。具体结构如图1所示。

图1 网络拓扑结构Fig.1 Network topology

2.1 物理接口规范

针织设备监控网络不同层级具有不同的物理接口，制定的标准规定了中央监控中心、设备组监控中心及网关、针织设备的相关物理接口标准，包括有线和无线标准规范。中央监控中心通过厂级网络与企业资源计划(ERP)系统连接，并通过以太网连接主干控制网；设备组监控中心通过主干控制网络/广域网连接到中央监控中心；针织设备则通过设备组控制网络连接到设备组监控中心，或直接通过主干控制网络/广域网连接到中央控制中心。与主干控制网直接相连的针织设备的物理接口采用以太网；与设备组监控中心或网关相连的针织设备的物理接口可采用以太网、WIFI等，采用这类接口的针织设备需通过特定的设备代理服务器(网关)进行通讯接口和内容的转换与中继，接入其上级网络管理服务器。为让已有老设备也能接入互联网，打通现役设备接入工业互联网的最后通道，本文还研制了相关3类针织设备专用网关，并制定相关网关标准。

2.2 接口通信协议规范

互联互通标准对各类物理接口的通讯协议及数据格式也做了相关规定。厂级网络应采用基于以太网连接的传输控制协议(TCP)及用户数据报协议(UDP)的通信协议。主干控制网络可采用工业以太网(Profinet)、网络通讯协议(Modbus)、传输控制/网络通讯协定(TCP/IP)等。设备组控制网络根据针织设备连接到不同的网络层可采用Profinet、Modbus、TCP/IP等。

针织设备与管理系统之间的数据交互分为3类指令：控制型指令、数据传输型指令、状态查询型指令。针织设备向管理系统发送数据称上行指令，管理设备向针织设备发送数据称下行指令。上行指令或下行指令都以数据帧格式进行，每条数据帧分为指令信息头、指令信息。指令信息头包括：指令类型代码、时间戳、设备ID(设备唯一标志)3部分内容，为定长数据。指令信息部分根据指令类型不同而内容不同，为可变长数据，如表1所示。

表1 指令信息数据帧格式

指令中的指令信息内容包括参数块代码与参数代码，将3类针织设备相关的所有数据按照功能分成各参数块，包括设备数据、运行数据、生产质量数据及工艺数据，在各参数块中再对所包含的参数编码，每块参数块中留有扩展空间。每一类针织设备依据设备参数不同都有各自的参数列表。以圆纬机为例，参数划分格式如表2所示。

表2 圆纬机参数划分格式

3 标准验证

试验和验证是互联互通标准制定的关键一环。在对制定的标准进行全面试验验证过程中，构建不同设备混合交互操作的实验室平台，对协议本身技术和数据通讯进行试验。验证平台的结构如图2所示。

图2 针织机械互联互通验证平台结构Fig.2 Platform structure of verification about interconnection

为验证标准的正确性和可靠性，本文通过构建以网络化、信息化思想为基础，有效衔接各局部数字化控制系统的针织设备机联网，对互联互通标准中制定的通信接口规范、数据协议进行验证。云平台端参数设置页面如图3所示，设备信息、生产信息显示页面如图4所示。

验证平台的功能设计有：1)信息反应快速，实时追踪查询机台状况、订单进度；2)管理加速，集中/独立管理，远程/机台操控；3)数据追踪，工艺、生产数据全程纪录、追踪、显示；4)提高生产效率，车间实时报工，减少统计人力；5)控制能源成本，准确核算机台电、气能耗；6)提质与节源，降低疵品率，减少车间偷圈、偷料现象；7)提高产品质量，确保按照标准的工艺指标操作等。构建机联网系统，避免出现信息化孤岛，实现各工序生产设备的数字化智能控制，将成本管理、订单管理、生产管理、质量管理等融为一体，实现生产全过程的数字化、可视化、再现化，提高生产效益、加强管理效能、降低生产成本。

图3 设备参数设置界面Fig.3 Set machine parameters

图4 设备信息详情界面Fig.4 Details of machine data

该机联网系统目前已在浙江日发纺织机械股份有限公司的生产线上进行示范使用，实现多台针织设备联网上线，使用标准中制定的数据帧格式实现现场设备与服务器端数据交互。在云平台端可设置设备信息上报频率、限速度值、当前角度等设备参数，可向设备传输花型、升级程序文件等，实现工艺参数的自动导航设置和批量化下载、系统程序远程在线批量化更新；此外，机联网云平台还实现生产信息的在线采集和显示、设备故障的自动报警、现场故障远程诊断、远程维护等功能。并在这些过程中，对针织装备间互联互通的网络接口、数据格式进行验证。

4 结 语

智能制造是一个循序渐进的过程，在推进和实施智能制造的过程中，要遵循不在落后的工艺基础上搞自动化、不在落后的管理基础上搞信息化、不在不具备网络化数字化基础时搞智能化的“三不要”原则。同时还要坚持智能制造标准规范要先行，智能制造支撑基础要强化，赛博物理系统(CPS)理解要全面的“三要”原则[10]。

本文通过制定针织设备互联互通标准，将现役装备通过网关纳入标准体系，为纺织装备的智能制造提供参考模式，对传统制造业有一定的参考价值。本文的标准体系已通过试验，对不同设备制造商提供的符合标准的接口进行验证，并获得可信的结论。

[1] 周济. 智能制造：“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程， 2015,26(17)：2273-2284.

ZHOU Ji. Intelligent manufacturing: main direction of “Made in China 2025”[J].China Mechanical Engineering, 2015,26 (17)：2273-2284.

[2] 刘丹，王迪，赵蔷，等.“制造强国”评价指标体系构建及初步分析[J]. 中国工程科学, 2015,17(7)：96-107.

LIU Dan, WANG Di, ZHAO Qiang, et al. Construction and analysis of manufacturing power evaluation sys-tem[J]. Engineering Science, 2015,17(7):96-107.

[3] 徐广林，林贡钦.“工业4.0”背景下传统制造业转型升级的新思维研究[J].上海经济研究，2015(10):107-113.

XU Guanglin, LIN Gongqin. New thinking on the transformation and upgrading of traditional manufacturing industry under the background of industry 4.0[J]. Shanghai Journal of Economics, 2015 (10):107-113.

[4] 赵升吨，贾先. 智能制造及其核心信息设备的研究进展及趋势[J]. 机械科学与技术, 2017(1)：1-15.

ZHAO Shengdun, JIA Xian. Research progress and development trend of intelligent manufacturing and its core information equipment[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2017(1)：1-15.

[5] 李新创，施灿涛，赵峰.“工业4.0”与中国钢铁工业[J].钢铁，2015,50(11):1-7,13.

LI Xinchuang, SHI Chantao, ZHAO Feng. “Industry 4.0” and China iron and steel industry[J]. Iron & Steel,2015,50(11):1-7,13.

[6] 肖静华,毛蕴诗,谢康. 基于互联网及大数据的智能制造体系与中国制造企业转型升级[J]. 产业经济评论, 2016(2):5-16.

XIAO Jinghua, MAO Yunshi, XIE Kang. Transformation of chinese manufacturing industry: insight from intelligent manufacturing system based on internet and big data[J]. Review of Industrial Economics, 2016(2):5-16.

[7] 肖安元.以智能制造引领纺织业转型升级研究:以苏州市吴江区为例[J]. 江南论坛,2016 (11):25-27.

XIAO Anyuan. A study on textile industry transformation and upgrading leading by intelligent manufacturing: taking Wujiang district of Suzhou city as an example[J]. Jiangnan Forum, 2016 (11):25-27.

[8] 制造强国战略研究项目组.制造强国战略研究智能制造专题卷[M].北京：电子工业出版社，2015: 5

Research Group on Manufacturers Strategic. Study of Manufacturers Strategic: Special Topics on Intelligent Manufacturing[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry，2015:5.

[9] 吕铁,韩娜. 智能制造:全球趋势与中国战略[J].人民论坛·学术前沿, 2015(11)：6-17.

LÜ Tie, HAN Na. Intelligent manufacturing: global trends and China′s strategy[J]. People′s Tribune. Frontiers, 2015 (11)：6-17.

[10] 装备试验信息化专业委员会. 北航刘强教授：智能制造的昨天、今天和明天[DB/OL]. http://mp.weixin.qq.com/ s?__biz=MjM5MTExMTYzMA==&mid=2650190722&idx=1&sn=d978ce5b5026e 15f1c387 371f1c3af8b&scene=0#wechat_redirect, 2016-04-29.

Equipment test information special committee. Beihang University professor Liu Qiang：yesterday, today and tomorrow of intelligent manufacturing[DB/OL]. http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTExMTYzMA==&mid=2650190722&idx=1&sn=d978ce5b-5026e15f1c387371f1c3af8b&scene=0#wechat_redirect, 2016-04-29.

Intelligentmanufacturingandstandardaboutinteroperabilityverificationofknittingmachine

HU Xudong， SHEN Chunya， PENG Laihu， RU Xin

(ZhejiangProvincialKeyLabofModernTextileMachineryTechnology,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

In order to solve problems such as the inconsistent interface of the knitting machines in the knitting industry and difficult realization of the intercommunication and interoperability of the machines, a series of industrial standards of the knitting machinery network communication interface were established. The standards cover the communication interface and data communication protocol of a flat knitting machine, a circular knitting machine and a warp knitting machine, and the intercommunication and interoperability of the knitting machine within the standards are realized. At least three test platforms were built to test the intercommunication method and the reliability of the flat knitting machine, the circular knitting machine and the warp knitting machine so as to carry out industrial demonstration and generalization on the basis of standards verification. For the serving machines, the gateway standard is established and brought into the standard range.

knitting machine; intelligent manufacturing; network communication interface standard; standard verification

TP 311；TS 184.5

A

10.13475/j.fzxb.20170606905

2017-06-22

2017-07-15

胡旭东(1959—)，男，教授，博士。主要研究方向为纺织装备自动化。E-mail：xdhu@zstu.edu.cn。