面向绒布织造车间的数据采集系统设计及应用

王 蕾

（沙洲职业工学院 智能制造学院，张家港 215600）

在过去的几十年里，纺织行业为我国经济的发展做出了巨大贡献。但是，国内劳动力成本持续上涨、同质化产品的出现和制造成本的上升，使得纺织企业的生存空间不断被压缩。目前，很多产业已进入智改数转阶段，而纺织行业特别是中小微企业机器老旧、数字化程度低，数字化改造已迫在眉睫。在此背景下，纺织行业内逐渐形成共识。我国纺织加工业的出路在于不断吸收新技术、学习新模式，将提高数字化和智能制造水平作为主攻方向，推动纺织行业通过工业智能技术应用与业务形态优化实现转型升级。

我国中小微纺织企业特别是三维立体织物生产企业的机型多种多样，机台运行稳定性好，加工质量高，但是机台老旧、自动化程度低，产量统计过程多为人工操作，难以实现运行数据的实时性，且无法保存产量数据。为解决这些缺陷，文章设计了一种产量数据采集系统，通过终端可以直接查看和保存产量数据，为管理人员提供决策依据，提高了企业的信息化和自动化水平，降低了劳动力成本[1]。

1 需求分析

纺织企业的各项数据主要来源于纺织过程。织造过程中，生产关键数据的采集是当前设备实现产品数据、生产过程数据、在线检测数据、使用过程数据等产品全流程周期管理的基础，总体分为设备数据信息、环境参数信息、质量信息等[2]。因此，纺织企业信息化和数字化改造的重点在于构建数据采集系统，搭建中小型企业物联网平台，完善开发适应各种异构设备的数据采集技术，解决数据采集、传输、存储问题，最终实现企业织造设备状态的信息化。

在纺织企业中，生产设备如织机、剖绒机、剪毛机等不仅是工具和设备，更是车间生产信息的节点。通过生产数据的自动化采集、统计、分析和反馈，可以大大提高产品生产质量和效率。虽然国外纺织品加工领域的数字化、信息化改造开始的时间较早且已经取得了较大进步，但是系统仅做到了单类型规模化设备的改造，在企业车间、多种机型设备之间的互联互通、数据共享及综合数据分析却没有突出进展。此外，研发的系统目前只针对国外高端进口设备，并不适用于国内传统织造企业的设备数据采集与智能分析。

纺织企业的机台运行稳定性好、精度高，但机台老旧、自动化程度低，需在每台机器上安装测头，并通过通信模块将数据存入云端。每日采集数据量大，且企业没有统一评价标准，多靠经验判断机台运转状况，存在误差大、标准化低等缺点。通过搭建数据采集系统采集机台运转数据，可实现企业生产管控的数字化、可视化，并建立分析模型对采集的数据进行统计分析处理，提取关键特征参数反映机台运转状况[3]。

2 系统设计

2.1 系统总体框架

我国中小型三维立体织物企业产量统计采用传统方式，多为人工挂码。生产设备多为20 世纪90 年代进口织机，不具备数据统计功能。后期引进的一些根据销售需要组装的国产小机型，不具备通信功能。考虑此种情况，根据实时查看数据的需求，系统在功能上需要有3 个层次，分别为数据采集层、网络传输层和管理层[3]，总体框架如图1 所示。

图1 总体框架

数据采集层是系统的基础，由多个电磁感应式传感器和采集器组成，不仅是系统稳定运行的根基，也是实现整个系统功能的关键。数据采集器通过探头采集生产设备运转信息，并经过处理得到产量信息。

网络传输层是系统的中间层，由数据处理服务器、应用服务器和数据库服务器组成，其中数据服务器用来存储系统的相关数据。它通过RS-485 通信模块进行传输，将产量信息上传至云端进行处理和存储。

管理层是系统的顶端，可由管理人员通过系统监控生产设备的运行状态，通过分析查看车间的生产进度，以便制订合适的生产计划。设备管理人员可通过数据分析及时掌握生产设备的运转情况，并对有故障的设备进行必要的维护和检修。

2.2 设备产量数据的检测与传输

三维立体织物有一定的毛高。为保证数据采集精度，系统的产量数据通过霍尔式传感器和数据采集器收集生产数据，处理后将数据通过RS-485 总线上传至车间的数据库服务器。以某三维织物小微企业为例，该企业机型种类较多。有的织机为20 世纪90 年代进口织机，精度高、稳定性好，但是设备老旧、自动化程度低；有的织机为根据自身生产需求组装的小型织机，缺乏信息化部分；有的织机配备有剖绒机、剪毛机等后处理机器。企业车间进行数字化改造，需要在生产设备和后处理设备上安装数据采集装置和通信模块。数据采集装置由霍尔式传感器和数据采集器组成，通过RS-485 通信模块传输将产量信息上传至服务器，完成生产数据的存储、数据分析、报表生成以及状态显示等功能。管理人员可通过网络实时了解车间生产状况。数据采集装置原理如图2 所示。

图2 数据采集装置原理图

纺织车间内各种生产设备分布紧密，各种线路错综复杂，电磁环境复杂，必须使用具有高抗电磁辐射干扰能力的模块。RS-485 总线具有平衡差分传输特性，抗干扰能力强，传输距离较远，具有强的级联能力，可以实现远程多站通信，成本低，组网方便，广泛用于工业控制领域[4]。考虑企业情况，综合性价比，此次系统设计采用RS-485 总线通信。

因为车间内生产设备和线路复杂，所以在网络传输时选用无线网络。常见的无线通信技术包括通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）、Wi-Fi、ZigBee 和蓝牙4 种[5]。其中，ZigBee需要重新建立网络，适合短距离传输。如果增加一个ZigBee 节点，就会改变原有的网络拓扑结构，且可扩展性和可移动性差。蓝牙技术可实现短距离传输，但是能够连接的数量有限。常用的Wi-Fi 技术是通过接入无线接入点连接到网络。当遇到无线接入点故障时，会影响所有接入这个接入点的设备，可能引起较大的网络风险。

当每台设备的数据采集器采集到各设备生产运行的状态后，将以太网模块与对应的服务器进行互联，从而实现数据的传输。数据采集器中的控制器一般采用单片机或者可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。如果控制器采用的是PLC，则可以选择对应的以太网通信模块，实现基于以太网的数据通信。如果控制器采用的是单片机，一般采用串口转以太网通信模块，实现基于以太网的数据通信。图3 为某公司双串口转以太网通信模块。

图3 以太网通信模块

2.3 数据分析与处理

服务器通过网络接收到各生产设备的状态信息后，将数据存储于数据服务器，统计分析相关数据后对结果进行显示和统计分析。此时，用户可通过浏览器登录系统查看相关信息。设备管理界面如图4 所示。

图4 设备管理界面

系统除显示各台设备的运行状态外，可以提供单台设备和整个车间的生产统计报表。统计报表可以通过数据窗口查看，也可以通过直接查询数据库获得。有些数据报可以直接在系统中读取，但是有些报表需将系统采集的生产数据和实际生产经验相结合才能得出分析结果。统计报表的类型可根据企业管理需求进行个性化定制，如分析一段时间内生产设备的效率、故障次数以及停机次数等。

3 结语

基于传感器技术、网络通信技术和数据处理等技术，搭建了一个面向三体立体织物纺织车间的集生产数据采集、存储和统计分析的生产数据采集平台，并在某企业车间进行测试，验证了该系统数据采集、传输和统计分析的实时性和可靠性。管理人员能够利用台式计算机、手机、平板电脑等随时查看车间生产情况，提升了车间数字化程度，提高了车间信息化水平。