圆纬机互联互通关键技术

彭来湖， 陈青松， 汝 欣， 胡旭东， 沈春娅

(1. 浙江理工大学 现代纺织装备技术教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018;2. 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)

随着针织企业的生产向规模化、多样化方向发展，同一家企业往往多厂区夸区域分布，同一产区往往多车间分工种管理，同一车间往往多设备多任务并行生产，而目前针织设备的自动化水平还处于单机数控化状态，设备维护和生产管理主要依靠人工操作，这对企业管理者在生产管理和设备维护上带来了很大难度，加上设备的扩充，势必造成工人数量增加，使得设备、人员和生产的管理问题日益突出，而随着人为主观因素在生产过程中的权重逐步加大，许多生产、设备信息无法及时准确地反馈到企业管理者的手中，从而使得决策者无法对生产和市场做出高效判定，给企业带来损失[1]。这使得设备联网集中监管，设备间互联互通，生产计划云端统一管理的“数字工厂”的需求成为现代针织生产型企业的真实需求，为满足这种需求，需要解决针织设备联网问题，而目前同一种针织圆纬机设备往往由多个制造企业提供，不同品牌不同系列设备控制器差异大，互联困难，因此，不同品牌不同系列针织圆纬机设备联网，设备间互联，数据实时收集，云端集中分析调控是需要研究的核心问题。

目前，物联网技术应用广泛，它是以互联网为核心，高度集成和综合应用的新一代信息技术，实现物体与物体的相连通信，近年来发展迅速[2-3]，但针对针织领域的设备互联互通研究报道较少见，浙江理工大学、江南大学、天津工业大学等高校本领域教师和科研人员有开展少量相关技术探讨和工程应用实践。本文根据针织圆纬机的生产工艺要求，应用物联网技术，对针织设备互联互通关键技术进行了研究，提出了一种适应多产区、多车间、多设备的针织圆纬机机联网网络架构和设备侧联网、互联的解决方案。

1 机联网总体网络构架设计

物联网本身的结构复杂，系统多样，一般将物联网的结构分为3个层次：感知层、网络层、应用层。机联网中网络层设备联网构架如图1所示。面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统(MES)衔接着企业的厂区生产现场与计划管理层的管理系统，用于厂区生产控制与计划管理层之间的沟通，解决企业信息鸿沟问题，承担着承上启下的作用[4-5]。产区与产区间通过广域网相连，每个产区中由路由器覆盖无线网络，产区中各车间的联网机台通过路由器进入广域网。联网机台由此过程把机台运转数据发送至云端服务器。云端服务器将接收的数据按照一定的方式存储进数据库，数据服务平台从数据库中读取数据并解析，在网页上显示当前机器运转状况。通过平台既可了解机器运转情况，也可对相应的机台下发如：产量、花型、转速等参数，实现了针织圆纬机的远程实时监管。

图1 设备联网构架Fig.1 Architecture of equipment networking

2 针织圆纬机设备联网方案设计

WiFi全称wireless fidelity，实质上是一种商业认证，具有WiFi 认证的产品符合IEEE 802.11 a/b/g/n无线网络规范，是当前应用最为广泛的WLAN标准，一般工作在 2.4 GHz频段，具有无线电波覆盖范围广、组网简便、传输速度快、业务可集成、完全开放的频率使用段等优点[6]。鉴于WiFi的以上优点和机器运转的实际环境，最后选定WiFi并结合嵌入式技术，设计联网模块。

联网模块以高性能微控制器STM32为核心，引入WiFi模块ESP8266进行系统的设计，联网模块通过无线网络与服务器相连将机器运转数据实时写入数据库中，数据解析后将机器运转情况显示在网页上。联网系统在满足纺织厂生产管理需要的同时，充分利用网络通讯等高新技术，降低用户的使用成本。

联网模块与人机模块通过串口通信的方式进行信息交互。STM32通过串口实现对WIFI模块的配置，配置成功之后通过无线网络使其可与远程服务器之间进行数据交互，并将从服务器接收到的系统参数发送给人机模块在显示屏上显示。联网系统的结构框图如图2所示。

图2 联网系统结构框图Fig.2 Structure diagram of networking system

3 联网模块的硬件设计与驱动开发

3.1 WiFi模块8266

8266是安信可(Ai-Thinker)科技有限公司开发的一款超低功耗的UART-WiFi透传模块。拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到WiFi无线网络上进行互联网或局域网通信，实现联网功能。8266是一个完整且自成体系的WiFi网络解决方案，其强大的片上处理和存储能力，使其可通过GPIO口集成传感器及其他应用的特定设备，实现了最低前期开发成本和运行中最少占用系统资源[7-8]。根据针织圆纬机数据互传带宽需求和通信特点，采用8266设计联网模块硬件。

3.2 模块硬件电路

联网模块的微控制器通过串口与ESP8266相连。模块正常工作电压为5、3.3 V，外部输入5 V电源，经过稳压滤波后，给模块器件供电，同时经过电源转换芯片AMS1117转化为稳定的3.3 V给微控制器MCU和8266供电。

ESP8266-07S模组具有工作稳定、能耗低、支持多种工作模式、集成度高等优点。设计完成硬件模块如图3所示。在搭载应用并作为设备中唯一的应处理器时，可直接从外接闪存中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提系统性能，并减少内存需求。ESP8266-07S 模组支持3种模式：softAP(8266作为无线网络中心节点，允许设备接入) 模式，station(8266通过路由器连入无线网络) 模式，softAP+station共存模式。同时，模组支持透传功能，即8266只负责将数据传到目标地址，不对数据进行处理，发送方通过8266发出的数据和接收方接收到的数据内容和长度完全一致，传输过程中8266好像透明一样。联网模块采用的就是station和透传模式来实现圆纬机联网以及和云服务器数据交互。

图3 无线模块PCB实物图Fig.3 Physical photo of wireless module PCB

模块与人机间通过RS422接口规范，该通信方式采用差分传输，具有抗干扰能力强、支持远距离、全双工传输等优点，因此，模块选择串口收发芯片SP490E设计端口通信电路。

3.3 模块驱动开发

STM32通过串口总线对8266配置，进而连接或断开网络。连接网络的主要流程分别为请求应答、连接网络、连接模式配置、数据发送模式配置、连接服务器等，其流程图如图4所示。

图4 联网流程Fig.4 Networking process

1)请求应答：寻找WiFi模块，当联网模块上电后，如果WiFi模块工作正常会回复STM32所发出的握手指令，表明运行模块正常，如果没回复则由STM32控制整个模块复位。

2)连接WiFi：在WiFi模块响应后，STM32按照AT指令格式发送WiFi名、登录密码给联网模块，模块连接WiFi，若成功模块返回OK。

3)模式设定：设定为8266工作模式为Station模式。Station模式下，8266本身不接受无线的接入，而是作为无线终端连接到无线收发器AP，一般的无线网卡即工作在该模式[9]。

4)登录服务器：前几步执行完毕后，WiFi模块开始登录服务器，如果登录成功，则模块返回OK，此时针织设备成功接入网络，可与服务器进行数据交换。

联网模块与服务器建立连接前，必须根据服务器IP地址和分配的端口号接入服务器，联网模块处理器根据圆纬机控制器下发的无线网络名称、密码、服务器IP地址以及端口号执行函数中的关键代码实现对这些数据的组合和格式转化，并通过串口发送至8266以驱动8266连接网络和服务器。

4 联网通信协议定制

根据机台联网特点和需要与服务器交互的信息类型[10]，设计了一套相应的机器联网数据交互协议。协议主要包含2部分，数据信息头以及数据内容。数据信息头包含当前发送指令类型、发送时间、设备ID、指令长度、指令功能。数据内容则是机台与服务器之间交换的信息。表1示出服务器发送指令到针织设备的数据包格式。管理系统(终端服务器)与针织设备(圆纬机)的通信指令可分为4种类型。

表1 管理系统发送指令到针织设备的数据包格式

1)控制型指令：管理系统向针织设备发送指令，针织设备收到指令后发回应答信号并执行指令。

2)数据传输型指令：管理系统向针织设备传输参数或文件，针织设备接收后向管理系统返回应答信号。

3)状态查询型指令：管理系统向针织设备发送状态查询指令，针织设备接收指令后返回设备状态，如运行状态，报警状态等。

4)针织设备主动发送状态数据：如针织设备某个子系统出故障时，设备主动向管理系统发送报警状态，系统接收状态信息后返回一个应答信号。

针织设备向管理系统发送信息的数据包格式如表2所示。每个数据包分为数据信息头、数据信息。数据信息头包括：指令类型代码、时间戳、设备ID 3部分内容，为定长数据。数据信息部分根据指令类型不同而内容不同，为可变长数据。

1)控制型指令应答：指令类型为0X10，数据信息中应答信息为0X01。

2)传输型指令应答：指令类型为0X20。数据信息中应答0为接收失败，1为接收成功。若接收失败，则后接接收失败原因(自定义)。

3)状态查询型指令应答：指令类型为0X30。数据信息中应答0为查询失败，1为查询成功。若查询失败，则后接接收失败的原因数据。若查询成功，则后接查询的状态信息。返回的状态信息依次包括，数据信息内容总长度、状态查询类型、根据状态查询类型不同相应按照单个参数或参数块依次排列的数据。若查询若干个单个参数，则每个参数数据中包括：参数块代码、参数代码、参数值。若查询若干个参数块，则每个参数块数据中包括：参数块代码、该参数块中所有参数值。

4)状态主动上报型：信息的指令类型0X40。数据信息中，数据信息内容包括状态、数据信息内容总长度、自定义的上报信息。

TCP协议传输可靠，适合不定长度大数据交换。圆纬机控制器通过联网模块实现设备与服务器连接，联网模块与服务器之间采用TCP协议进行数据传输。

联网系统主要以企业为单位建设，联网圆纬机台数一般在1 000台的量级，单机数据保存空间需求在每小时2×104字节量级，以5 a为1个存储周期，单台服务器的存储资源和接入响应性能满足圆纬机设备的联网需求。考虑到圆纬机控制器运行时,掉电数据保存的问题，挂接联网模块的圆纬机控制器，都配备了不间断(UPS)电源，当外部电源断开时，UPS工作，系统会自动保存运行参数并通知服务器系统即将停止运行。

表2 针织设备发送指令到管理系统的数据包格式Tab.2 Packet format of knitting device sending instruction to knitting devices

联网模块设计机器状态主动上报机制，定时将机台运转状态向服务器发送信息，服务器应当回复握手应答信息。如果服务器连续几次未回应联网模块，联网模块判定与服务器连接断开。联网模块每隔一段时间对机台运行参数进行保存并向服务器发送联网请求，待到与服务器连接恢复再上传历史数据。

5 联网试验

圆纬机控制器通过串口与WiFi模块相连，系统上电后通过对人机界面的操作使系统接入无线网并登录服务器。成功登陆服务器后，系统按照既定的协议，以5 s为间隔时间，向服务器发送如：报警、产量、转速、编织花型等机器运转参数。服务器将接收的数据解析后在网页上显示出来。 图5示出连接联网模块的圆纬机控制器测试上发至服务器数据的实验连接图。

图5 联网试验实物图Fig.5 Hardware connection diagram of networking test

生产管理者也可通过服务器下发生产订单(包括单号、产量、转速等)，圆纬机控制器待当前订单完成后，根据新的订单执行生产任务。服务器对系统发送的状态信息进行解析，准确的显示出当前联网设备运转情况，实时性强，实现了纺织设备远程监管功能。测试表明联网模块连接稳定，系统运转良好。

6 结束语

经实验室联网测试，联网模块工作稳定，网络连接可靠，通过联网通信协议定制，实现与云端服务器的数据实时交互。针织圆纬机联网系统的设计与实现具有显著工程应用价值。

1)极大地降低了生产成本和相关人员工作量，更准确地取得织物的编织时间，排除人为因数在测算织物编织时间和对工人计件工作量的影响，更有效地制定生产计划和更准确客观地结算工人工资。

2)准确地获取每台机器的运行状态，进一步准确地获取每台机器的开机率。排除人为因数造成的低开机率，通过监控每台机台的工作状态，即可知道挡车工的工作状态。

随着大数据时代的到来，特别是在 “互联网+”和 “中国制造2025”的大背景下，工业机器联网(机联网)以提高企业生产效率、提高自动化水平和作为 ERP、工业大数据服务基础平台而迅速崛起，所以本文联网系统在未来将有很大的应用前景，可为纺织企业的生产和管理带来革命性变化。

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