基于物聯(lián)網(wǎng)的紡紗機監(jiān)控系統(tǒng)

引 言

隨著科學技術(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€領域 [1]。文獻 [2] 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用于礦山，提出一種礦井突水預警方法。文獻 [3] 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)，提出一種小麥苗情管理系統(tǒng)。文獻 [4] 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于醫(yī)學，設計一種血糖監(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。由于紡紗機分布廣泛、數(shù)量眾多，目前主要依靠人工在現(xiàn)場或監(jiān)控室對紡紗機進行故障監(jiān)控，而采用人工現(xiàn)場監(jiān)控的方式費時費力， 維護成本高，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)濟損失。實時監(jiān)控紡紗機的運行狀態(tài)與工況參數(shù)，能夠?qū)ζ溥M行及時修正，避免不必要的損失。根據(jù)紡紗機的運行記錄，可提前預估紡紗機故障，存儲歷史運行數(shù)據(jù)與報警信息，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)與紡紗機相結(jié)合，提出一種紡紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，便于對紡紗機進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)故障，從而為紡紗機的可靠運行提供技術(shù)保證。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計

本文系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)與遠程監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成。現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)主要由傳感器、ARM STM32F107 芯片及現(xiàn)場工控機組成。傳感器將采集到的紡紗機運行數(shù)據(jù)上傳至 ARM STM32F107 芯片進行處理，處理后的數(shù)據(jù)最終通過 CAN 總線上傳至工控機，工控機可通過判斷紡紗設備數(shù)據(jù)實現(xiàn)對現(xiàn)場紡紗設備的控制。通信子系統(tǒng)是連接遠程監(jiān)控子系統(tǒng)及現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)的橋梁，無線通信模塊可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控計算機與現(xiàn)場監(jiān)控計算機的透明數(shù)據(jù)通信。遠程監(jiān)控計算機既可通過運行組態(tài)王軟件顯示紡紗機運行狀況，又可通過其對紡紗機各參數(shù)設置上下限，還可將采集到的數(shù)據(jù)以報表的形式進行存儲、分析及匯總，便于管理者對數(shù)據(jù)進行歷史查閱。同時，系統(tǒng)運行過程中的非正常信號可通過手機短消息發(fā)送至相關(guān)設備維護人員，便于工作人員對設備故障進行及時處理。監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 采集節(jié)點設計

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的產(chǎn)品，能夠滿足高性能、低功耗的要求，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)。其內(nèi)核工作頻率為72MHz，內(nèi)置 256KB 閃存以及 64KBSRAM，其標準外設包括 10 個定時器、2 個 12 位 A/D、2 個 12 位 D/A、2 個 I2C 接口、5個 USART接口與 3個 SPI端口，本身集成了 CAN 控制器，可提供高達 1Mbit/s 的傳輸速率，完全滿足電路設計要求。采集節(jié)點硬件框圖如圖 2 所示。

圖 2 采集節(jié)點硬件框圖

2.2 CAN節(jié)點設計

CAN 通信節(jié)點電路主要由 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)中防止電池對地短路，對電磁干擾具有較強的抗干擾性。另外，其 TVS 管具有防總線過壓功能。STM32F107 與CTM8251T 接口簡單，接線方便。CAN 通信節(jié)點電路圖如圖 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)絡的無線數(shù)據(jù)傳輸終端設備，能夠提供全透明數(shù)據(jù)通道，可方便地實現(xiàn)遠程、無線、網(wǎng)絡化的通信方式。該設備具有網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活快捷、運行成本低等優(yōu)點，可應用于工業(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， 用戶無需了解復雜的 TCP/IP，PPP 等協(xié)議，通過該設備即可實現(xiàn)遠端監(jiān)控計算機與現(xiàn)場的透明數(shù)據(jù)通信。

3 軟件設計

CAN節(jié)點初始化

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

圖 4 CAN 節(jié)點初始化流程圖

3.2 DTU模塊設置

DTU 的主要功能是把遠端設備的數(shù)據(jù)通過無線方式傳送回后臺中心。DTU 上電后注冊到移動的 GPRS 網(wǎng)絡，然后和設置在 DTU 中的數(shù)據(jù)中心建立 Socket 連接。以數(shù)據(jù)中心作為 Socket 服務端，DTU 作為 Socket 連接的客戶端。建立連接后，前端設備就可通過DTU 與數(shù)據(jù)中心進行無線數(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 遠程計算機界面設計

本文系統(tǒng)使用組態(tài)王軟件進行界面設計。組態(tài)王軟件可運行于 Win7 系統(tǒng)，開發(fā)周期短，工作量小，應用廣泛。

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入監(jiān)控系統(tǒng)，在用戶名或密碼輸入錯誤 3 次后， 點擊“登錄”按鈕則系統(tǒng)提示“禁止登錄”。點擊“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，同時退出登錄界面。

圖 6 登錄界面

紡紗機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖 7 所示，包括紡紗機的運行狀態(tài)、閾值設置、根據(jù)實時數(shù)據(jù)生成的實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、報警記錄查詢、生成報表六個模塊。

狀態(tài)監(jiān)控主要對紡紗機運行狀態(tài)與運行參數(shù)進行監(jiān)控 ；

閾值設置對紡紗機正常工作范圍數(shù)值進行設定，當超出閾值時自動進行報警操作 ；

實時趨勢曲線顯示紡紗機的工作速度與張力 ；

歷史趨勢曲線顯示以往紡紗機的工作狀態(tài) ；

報警記錄查詢負責記錄實時報警信息及過去的報警信息，有利于對紡紗機進行故障排查 ；

生成報表可對關(guān)鍵參數(shù)進行記錄與存儲，并可以打印以便觀看。

圖 7 監(jiān)控界面

3.4 手機 APP設計

智能手機已廣泛使用，具有 WiFi 與移動通信網(wǎng)絡等多種接入網(wǎng)方式，且用戶界面友好、易操作。本文系統(tǒng)利用智能手機客戶端軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測顯示，采用 Qt 編寫手機客戶端界面 [7]。用戶可通過智能手機 APP 使用電話號碼注冊用戶賬號，注冊成功并登錄后可通過手機界面對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行查詢。

4 結(jié) 語

針對紡紗機遠程監(jiān)控的需要，本文研究了紡紗機聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)，通過 DTU 模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠程傳輸，利用組態(tài)王軟件對監(jiān)控界面進行設計，使用手機 APP 突破了遠程監(jiān)控的地點限制。實際應用表明，該系統(tǒng)具有成本低、易實現(xiàn)、運行可靠等特點，具有較大的實用價值。