基于物联网技术在经编工业生产中的应用

阳韬 蔡沂

摘要：随着工业4.0时代的到来，工业生产的自动化程度越来越高，物联网技术以及无线通信技术在智能化生产系统中广泛应用，而目前经编车间生产管理仍然相对落后，本课题研究设计一种针对经编机的远程监控和管理的物联网系统，包括数据通讯部分、监控管理中心、云服务器以及移动终端等，研发系统软硬件，完成对车间中经编机实时监测和控制，以实现高效的生产和远程管理。

关键词：经编机;远程监控;物联网;无线网络;数据采集

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）13-0288-04

纺织行业属于劳动密集型行业，在纺织车间中，需要大量的工人对机器操作和维护，尤其对于经编行业，大部分机器一天工作时间在20小时以上，经编机在进行织造工作的过程中会出现机械故障和织造故障等问题，需要人工维护和处理，纱线盘头在使用一段时间之后，纱线用完需要及时更换盘头，针织一定时间后卷布车已经卷满，需要处理布匹，目前这些工作一般都是通过工人在现场实时观察来判断并处理的，而在大型的经编机车间，数量众多的机器需要大量的工人来操作和维护，如果能将物联网技术应用于经编机控制和管理中，能够大大提高生产效率，并且能够节约大量的人力资源成本，因此研究一种远程监控和管理的经编机物联网系统具有重要的意义。

根据物联网技术特点与应用基础，本项目分析经编车间织造工作的特点，结合物联网相关技术，设计和实现一套基于无线网络的经编机物联网系统，旨在节省人力成本，提高自动化程度，提高生产效率。

1总体设计

1.1系统体系结构

本系统集成经编机电控技术和物联网技术，包括数据通讯卡、无线传输模块、监控中心、云服务器以及终端设备等，组成一套完整的监控管理系统，该系统部署于经编机电控系统的基本上，车间内所有经编机可以通过本系统连接到监控管理中心，车间内组成一个无线监控网络，监控中心通过互联网连接到远程云服务器端，数据在云服务器端处理和存储，管理者可以通过手持终端（手机或者平板电脑等）访问云服务器的数据，以实现远程实时的管理经编机车间，其原理框架如图l所示。

整个系统使用了无线网络、以太网等传输信息，在经编机织造车间内部主要的传输媒介是zighee无线网络，外部采用的互联网传输信息，实现管理者、监控系统对经编机的实时监控和管理。

1.2数据传输过程

经编机开始工作，首先需要设置相關的织造和送纱数据，电控系统会根据设置的这些数据控制机械开展织造工作，运行过程涉及如机速，盘头数据，班产量等数据，这些数据要求实时的传输到管理中心，同时管理中心的控制数据和工艺数据，如织造工艺文件和机器运行速率等，要传输到车间中的经编机控制系统，传输这些数据要求实时性高，但是这些传输数据的量不大，不需要太高的传输带宽，基于cc2530的2.4GHz的zigbee网络能够达到传输的要求。

数据传输过程如图2所示，数据的传递是双向的，数据可以从经编机电控系统到数据监控中心，监控中心可以将数据发送到经编机的电控系统完成参数设置。

2监控管理中心软件

监控管理中心主要服务器机房组成，在监控主机上运行管理和数据通信的软件平台，实现对整个车间的管理。监控中心可以实时的接收经编机车间传输过来的经编机运行数据，在大屏幕上面显示，同时将数据在监控主机本地处理和保存，当某台经编机发送故障时，故障的代码会传输到监控管理中心，监控管理中心的大屏幕上弹出报警信息，显示对应的机器编号和故障类型等。

管理者可以在监控管理中心，针对某台机器进行远程的数据设置和操作，在操作台选择对应的机器编号连接到对应经编机的电控系统，可以在人机界面上输出相关设置信息最后发送到经编机电控系统，这些信息主要是一些送经工艺和参数等。

监控管理中心将处理好的数据信息传输到远程的云服务器平台上，这些数据是根据管理者的要求定制，一般管理者需要远程查看的主要是一些班产量，开机记录，故障率，布匹长度等数据，管理者可以通过手机等设备连接互联网，访问云服务器保持的数据。

管理中心软件功能结构如图3所示，包括通信模块、机器管理、参数设置、数据监控、统计模块、故障处理以及人机交互等模块。

通信模块：通信部分包括两个方面，与经编机电控系统通信，读出要监控的数据和写人设置参数，另一方面是与云服务器通信，将要保存在云端的数据发送到云服务器，可供管理者远程访问。

机器管理：管理多个车间，对每个车间中的每台设备进行管理。

参数设置：初始化的系统参数和盘头数据设置，还有一些针对运行时的工艺参数设置。

数据监控：实时的监控机器运行数据如机速、实际送经量等，盘头数据实时监控防止盘头用尽需要重新穿纱的情况。

统计模块：班产量统计，还有就是机器运行情况统计，每天的开机停机次数和时间，计算开机和运行效率等。

故障处理：产生故障的原因有机器系统自身原因导致的故障，另外就是外部原因导致的故障，都需要统计并且生成相关的日志数据。

人机交互：在管理中心的大屏幕显示，每个车间所有机器的状态，包含多个子界面，可以详细显示机器的运行数据，还有人机操作输入台，可以在界面上输入的数据。

3数据采集实现

数据在经编机和管理中心之间传输，主要是通过两个关键模块，第一个是基于stm32的嵌入式数据通信卡，主要是完成数据的采集和处理，数据采集卡主要从经编机电控系统获取数据，同时还通过采集经编机机床上面传感器的数据。另外一个模块是基于cc2530的zigbee无线模块，主要是完成数据的无线传输。

3.1数据通信硬件框架

整个系统控制和数据采集的对象是经编机，数据通讯卡作为中间媒介与经编机电控系统通信，同时采集机身上传感器的信号，在经编机电控系统的基础上配置数据通讯卡，数据通讯卡配置传感器接口，可以连接编码器、压力、温度及张力等传感器采集数据。配置RS485接口，连接经编机电控系统，软件实现modbus总线通信协议，与经编机电控系统实现数据的交互。

数据通信卡与经编机电控系统的主控制器之间通过串口完成通信，硬件上采用的是总线方式连接。经编机的主控制器可以有多种形式，可以为PLC，也可以是基于单片机或者DSP的运动控制卡，只要是主控制器上面配置了USART，主控制器的USART口连接MAX485芯片，通过485总线接口与stm32F407芯片通信，通过双方实现modbus总线协议，完成通信，由stm32端为modbus总线的主站，经编机主控制器作为从站。

3.2通信卡硬件电路结构

数据通讯卡通过RS485总线与经编机电控系统通信完成数据的读取，同时采集机身上的传感器的信号如油压油温张力等，汇总成监控数据包，通过zigbee无线网络传输数据到汇聚接收器，再由汇聚接收器通过有线以太网传输到数据监控中心，在监控中心的大屏幕上显示各个车间机械的状态和运行数据，每天会将每台机器的运行情况自动生成日志文档，供管理者查阅。

数据通讯卡电路包括以下部分，stm32最小系统、网络通信接口、总线通信接口、继电器控制模块以及传感器接口等部分，如图5所示。

stm32单片机最小系统部分主要是由stm32F407芯片组成，该单片机工作主频在168MHz，具备高性能Cortex-M4的内核，满足系统数据采集和无线通信的需求。

网络通信接口主要包括两个部分，一个是有线以太网接口，直接连接网线可以通过有线的方式传输数据，另外一个网络数据传输是通过低功耗的zigbee无线网络来实现，每台机器上配一个数据通讯卡和zigbee通信模块，每个zigbee通信模块作为一个无线网络的终端节点，与汇聚接收器一起组成zigbee无线网络，完成数据的传输，采集数据传输到监控管理中心。

数据通讯卡配置工业标准的通讯接口RS232接口，RS485接口，CAN总线接口等，以适应不同的经编机电控系统，部分主控制电路板可以采用CAN总线的数据通信接口，还有部分工控机和人机触摸屏采用的是RS232或者RS485的通讯接口，数据通讯卡的多接口设置是为了适应不同的经编机控制系统的需要。

3.3通讯卡软件实现

3.3.1数据采集模块软件控制流程图

数据通讯卡是以stm32单片机为核心的硬件电路，在keil环境下基于c语言开发软件，软件需要完成传感器信号的采集，与经编机电控系统的modbus总线通讯，另外一端通过zig-bee无线信号实现与监控管理中心的通信。数据通信卡的程序控制流程如图所示，上电后启动通讯卡，先对板载资源的初始化，接着采集机身传感器的信号，进行RS485总线通讯，通过zigbee通信，完成这些之后就实现了经编机电控系统到监控管理中心的连接，开启监控模式，在这个过程中如果出错或者通讯异常，则会重新初始化，重复前面的步骤，当连续初始化达到5次，说明系统存在某些故障，则输出停机信号和报警信号，提示维护人员处理。

3.3.2数据通信协议

数据通讯卡采集获取数据的主要方式是从经编机主控制板读取，通过软件实现modbus RTU协议，数据采集卡作为mod-bus总线通信的主站，经编机电控系统主控制板作为从站，实现数据的传输。

03功能码：读取多个字操作，将需要在监控中心统计的数据通过0x03功能码读出来。

主站发送报文格式：

10功能码：写人多个字操作，将监控中心传输过来的数据通过0x10功能码写入，发送经编机电控系统。

主站发送报文格式：

在modbus通信的过程中需要从控制系统读取数据，也需要将监控中心管理端传送过来的设置参数写人到控制系统之中，通过modbus协议的指令功能码0x03读多个字操作，从經编机电控系统中读取数据，通过指令的0x10功能码实现写多个字操作，将数据写入到经编机电控系统中。需要传输的数据分成数据帧，每帧数据按照modbus总线协议进行通信，需要传输的数据放在一帧信息的数据位来传输，涉及表1中的数据需要传输实现的。

4总结

经编机无线数据采集系统，在经编机电控系统的基础上添加数据通讯卡，采集经编机机床上传感器的数据，同时通过RS485总线与经编机控制系统的主控制器通信，获取机床运行时的数据，通过zigbee无线网络发送到远程的监控管理中心，远程的管理中心也可以发送的控制数据和工艺数据等传送到经编机控制系统，对经编机的织造数据完成远程快速的设置，大大提高了工作效率，同时节约了大量的人力成本。

数据采集系统会将每天机器每天的班产量等信息汇总传送到监控中心，监控中心收到数据后进行处理，会在本地机上面进行保存，生成生产产量记录和统计，方便管理者查看，由监考中心的软件处理数据，节约了人力成本。基于物联网技术在经编机生产管理中的应用研究，开发经编机物联网系统，能够节约人力资源成本，同时提高了经编机织造工作的效率。