基于物聯(lián)網(wǎng)的紡紗機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已迅速深入到人們?nèi)粘Ｉ畹亩鄠€(gè)領(lǐng)域 [1]。文獻(xiàn) [2] 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于礦山，提出一種礦井突水預(yù)警方法。文獻(xiàn) [3] 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，提出一種小麥苗情管理系統(tǒng)。文獻(xiàn) [4] 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，設(shè)計(jì)一種血糖監(jiān)控系統(tǒng)。紡織企業(yè)在線監(jiān)控系統(tǒng)及紡織信息化是我國紡織工業(yè)“十一五”規(guī)劃的重要內(nèi)容之一 [5]，隨著紡織業(yè)的發(fā)展與對(duì)紡紗技術(shù)智能制造的要求，連續(xù)化與智能化是紡紗技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。由于紡紗機(jī)分布廣泛、數(shù)量眾多，目前主要依靠人工在現(xiàn)場(chǎng)或監(jiān)控室對(duì)紡紗機(jī)進(jìn)行故障監(jiān)控，而采用人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力， 維護(hù)成本高，且事后排查故障存在較大滯后性，故給工作人員帶來不便，容易造成經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)時(shí)監(jiān)控紡紗機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與工況參數(shù)，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行及時(shí)修正，避免不必要的損失。根據(jù)紡紗機(jī)的運(yùn)行記錄，可提前預(yù)估紡紗機(jī)故障，存儲(chǔ)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)與報(bào)警信息，便于故障分析，提高維修效率。因此， 本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與紡紗機(jī)相結(jié)合，提出一種紡紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，便于對(duì)紡紗機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，從而為紡紗機(jī)的可靠運(yùn)行提供技術(shù)保證。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)主要由傳感器、ARM STM32F107 芯片及現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)組成。傳感器將采集到的紡紗機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至 ARM STM32F107 芯片進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)最終通過 CAN 總線上傳至工控機(jī)，工控機(jī)可通過判斷紡紗設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)紡紗設(shè)備的控制。通信子系統(tǒng)是連接遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)的橋梁，無線通信模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)的透明數(shù)據(jù)通信。遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)既可通過運(yùn)行組態(tài)王軟件顯示紡紗機(jī)運(yùn)行狀況，又可通過其對(duì)紡紗機(jī)各參數(shù)設(shè)置上下限，還可將采集到的數(shù)據(jù)以報(bào)表的形式進(jìn)行存儲(chǔ)、分析及匯總，便于管理者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史查閱。同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行過程中的非正常信號(hào)可通過手機(jī)短消息發(fā)送至相關(guān)設(shè)備維護(hù)人員，便于工作人員對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行及時(shí)處理。監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要以 STM32F107 為核心完成數(shù)據(jù)采集及控制功能。STM32F107型微處理器是一款采用 ARM Cortex-M3核微處理器的性能較強(qiáng)的產(chǎn)品，能夠滿足高性能、低功耗的要求，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。其內(nèi)核工作頻率為72MHz，內(nèi)置 256KB 閃存以及 64KBSRAM，其標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括 10 個(gè)定時(shí)器、2 個(gè) 12 位 A/D、2 個(gè) 12 位 D/A、2 個(gè) I2C 接口、5個(gè) USART接口與 3個(gè) SPI端口，本身集成了 CAN 控制器，可提供高達(dá) 1Mbit/s 的傳輸速率，完全滿足電路設(shè)計(jì)要求。采集節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖 2 所示。

圖 2 采集節(jié)點(diǎn)硬件框圖

2.2 CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

CAN 通信節(jié)點(diǎn)電路主要由 STM32F107 與 CTM8251T 構(gòu)成。CTM8251T 內(nèi)部集成了 CAN 收發(fā)器及隔離器，在 24 V 系統(tǒng)中防止電池對(duì)地短路，對(duì)電磁干擾具有較強(qiáng)的抗干擾性。另外，其 TVS 管具有防總線過壓功能。STM32F107 與CTM8251T 接口簡(jiǎn)單，接線方便。CAN 通信節(jié)點(diǎn)電路圖如圖 3 所示。

2.3 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用ZWG-20AL，這是一款基于 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)備，能夠提供全透明數(shù)據(jù)通道，可方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、無線、網(wǎng)絡(luò)化的通信方式。該設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活快捷、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控。其內(nèi)嵌完備可靠的協(xié)議棧，數(shù)據(jù)全透明傳輸， 用戶無需了解復(fù)雜的 TCP/IP，PPP 等協(xié)議，通過該設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)的透明數(shù)據(jù)通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

CAN節(jié)點(diǎn)初始化

CAN 節(jié)點(diǎn)初始化主要包括模式寄存器設(shè)置、中斷方式設(shè)置、波特率初始化 [6]，以及錯(cuò)誤警告、發(fā)送優(yōu)先級(jí)模式寄存器設(shè)置等。CAN 節(jié)點(diǎn)初始化流程如圖 4 所示。

圖 4 CAN 節(jié)點(diǎn)初始化流程圖

3.2 DTU模塊設(shè)置

DTU 的主要功能是把遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)通過無線方式傳送回后臺(tái)中心。DTU 上電后注冊(cè)到移動(dòng)的 GPRS 網(wǎng)絡(luò)，然后和設(shè)置在 DTU 中的數(shù)據(jù)中心建立 Socket 連接。以數(shù)據(jù)中心作為 Socket 服務(wù)端，DTU 作為 Socket 連接的客戶端。建立連接后，前端設(shè)備就可通過DTU 與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。DTU 組網(wǎng)通信過程如圖 5 所示。

圖 5DTU 組網(wǎng)流程圖

3.3 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)界面設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)使用組態(tài)王軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。組態(tài)王軟件可運(yùn)行于 Win7 系統(tǒng)，開發(fā)周期短，工作量小，應(yīng)用廣泛。

登錄界面如圖 6 所示。工作人員可通過輸入正確的用戶名與密碼進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)，在用戶名或密碼輸入錯(cuò)誤 3 次后， 點(diǎn)擊“登錄”按鈕則系統(tǒng)提示“禁止登錄”。點(diǎn)擊“重置” 按鈕可將輸入的用戶名及密碼全部刪除?！白N”按鈕也可刪除用戶名及密碼，同時(shí)退出登錄界面。

圖 6 登錄界面

紡紗機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖 7 所示，包括紡紗機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、閾值設(shè)置、根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)生成的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線、報(bào)警記錄查詢、生成報(bào)表六個(gè)模塊。

狀態(tài)監(jiān)控主要對(duì)紡紗機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控 ；

閾值設(shè)置對(duì)紡紗機(jī)正常工作范圍數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)超出閾值時(shí)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警操作 ；

實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線顯示紡紗機(jī)的工作速度與張力 ；

歷史趨勢(shì)曲線顯示以往紡紗機(jī)的工作狀態(tài) ；

報(bào)警記錄查詢負(fù)責(zé)記錄實(shí)時(shí)報(bào)警信息及過去的報(bào)警信息，有利于對(duì)紡紗機(jī)進(jìn)行故障排查 ；

生成報(bào)表可對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行記錄與存儲(chǔ)，并可以打印以便觀看。

圖 7 監(jiān)控界面

3.4 手機(jī) APP設(shè)計(jì)

智能手機(jī)已廣泛使用，具有 WiFi 與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等多種接入網(wǎng)方式，且用戶界面友好、易操作。本文系統(tǒng)利用智能手機(jī)客戶端軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)顯示，采用 Qt 編寫手機(jī)客戶端界面 [7]。用戶可通過智能手機(jī) APP 使用電話號(hào)碼注冊(cè)用戶賬號(hào)，注冊(cè)成功并登錄后可通過手機(jī)界面對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

4 結(jié) 語

針對(duì)紡紗機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要，本文研究了紡紗機(jī)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過 DTU 模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，利用組態(tài)王軟件對(duì)監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用手機(jī) APP 突破了遠(yuǎn)程監(jiān)控的地點(diǎn)限制。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有成本低、易實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，具有較大的實(shí)用價(jià)值。