针织生产线智能监管系统关键技术的研究

【摘要】在针织生产线升级改造过程中，以单片机、Zigbee模块、智能传感器模块、上位机管理控制软件为核心组成的生产线智能监管系统，可以实现对生产线的实时监控和调度，在提高生产效率、减少次品率、处理突发事故等方面发挥了巨大作用。

【关键词】单片机;Zigbee;传感器;智能管理

一、引言

圆纬机是针织生产线的核心设备，其安全生产受设备状态、场地温度、湿度、工人熟练程度等多种因素影响。我国现有大多数针织企业规模偏小，对圆纬机生产过程中产生的瑕疵基本依靠人工肉眼识别，对影响圆纬机正常运行的温度、湿度等参数基本依靠经验调整。这种生产模式导致次品率居高不下，生产成本得不到有效控制。近几年，受国际金融危机以及落后的生产管理体系等因素的影响，针织企业的生存发展日益面临严峻的困难，在这种形势下，只有针对现有生产线中存在的不足，因时制宜、加快进行生产线升级改造，尽快建立起先进完备、科学合理的现代化生产线，对生产线各种要素进行有机整合，才能在日益激烈的竞争中脱颖而出。

二、系统概述

针织生产线智能监管系统主要由圆纬机生产监控模块、生产线安全预警模块、zigbee通信网络和上位机管理控制软件组成。系统以传感器、单片机、Zigbee无线网络为核心架构，通过单片机采集生产线的温度、湿度、粉尘、圆纬机运行参数、布匹缺陷等参数，由zigbee网络统一上传至管理软件。管理软件进行统计分析，生成生产线维护建议。系统组成框图如下：

图1 系统组成框图

系统主要可实现以下功能：

1.实时显示每一台圆纬机的转速和生产进度，并可及时发现生产过程中产生的破洞、漏针等缺陷，提高了产品的合格率。

2.实时掌握生产线的温度、湿度参数，帮助管理人员合理安排车间洒水、清洁等工作。保证车间内圆纬机和纱线始终处于最佳温度、湿度范围内。

3.实时上传生产数据，每匹布的材质、花色、缺陷数等参数都将被存入数据库，以供后期分析应用。

4.定期提供生产线健康程度分析报表，可根据设定周期内生产线各生产要素、环境要素的参数汇总，自主完成对生产线健康程度的评估，并提供生产线优化建议。

三、系统关键技术

1.圆纬机生产监控

圆纬机是针织厂最主要的生产设备，其运行状态直接影响到针织布的品质，现有大多数针织厂均使用人工看护圆纬机，受工人视觉疲劳和注意力不集中等因素影响，圆纬机发生故障造成缺陷时，仅有60%左右的概率能够得到及时处理，其他情况将不可避免造成损失。

为实时监控布匹生产的状态，专门研制了红外扫描探头，用于实时监测布面的缺陷，

扫描头利用红外线反射原理制成，使用台湾亿光公司生产的红外发光与接收管，如果布面出现破洞或者漏针，接收管的受光量将明显减少，通过高精密度运算放大器及其电路对此微弱信号进行放大处理，然后由单片机进行A/D采集，通过算法判断，可以及时发现布面出现的破洞、漏针等缺陷。

本文选用的运算放大器为ADI公司生产的AD623，具有低噪声、高共模抑制比、低漂移的优点，其增益范围主要取决于外部电阻，经过测试，使用0.1% 1/10W的电阻器可以获得令人满意的增益精度。在实际应用中，生产线存在一定的的射频干扰（RFI），尤其是在信号强度较低的情况下，需要专门设计RFI抑制电路，本文使用的AD623受RFI影响较少，可以保证输入电阻器在10kΩ～20 kΩ之间进行调整，达到了设计要求。

2.生产线安全预警

圆纬机一般采取24小时不间断生产，在夏季，圆纬机表面温度可达60℃，如果不及时对圆纬机周边地表进行洒水降温，有可能导致圆纬机过热起火。冬天车间温度过低，圆机运转有阻力。夏天温度过高会影响变频器正常工作，所以在冬季和夏季，要对车间温度有所控制，通常是控制在28-30℃。

针织生产线为保证纱线经过钩针时的摩擦系数尽量小，一般要求纱线柔软、顺滑、强力好，否则钩针等部件容易断裂变形，造成产品缺陷。因此对车间相对湿度有着严格的要求。针织厂为了保持纱线的强度，车间内相对湿度应保持在65-75%。相对湿度过小，纱线会变得发硬，布面易出现漏针、小破洞并损坏织针。相对湿度过大，会造成织针和设备配件生锈。

在温湿度传感器模块上，本文选择瑞士森斯瑞公司公司的SHT15型智能传感器，该传感器是一款由多个传感器模块组成的单片全校准数字输出相对湿度和温度的传感器。它采用工业级CMOS技术，保证了极高的可靠性和卓越的长期稳定性，能够通过串行方式输出温度和相对湿度数据。其温度测量范围是-40～123.8℃，分辨率为0.1℃，相对湿度测量范围0～100%RH，在10～90%RH范围内，最高测量精度为±2%RH，可以满足本系统的设计需要。

3.单片机数据采集

本系统涉及到多处数据采集，包括布面瑕疵检测、圆纬机转速、温度、湿度等，采用宏晶公司生产的STC12C5A60S2单片机完成模拟量和数字量信号的采集，该单片机是一款具有8路高速A/D转换功能的单片机，指令代码完全兼容8051。

本系统需要对AD623放大后的信号进行A/D转换，设计中使用单片机以自身电源作为A/D转换的参考电压，为保证转换结果的一致性，需要保证电源电压的稳定，即滤除电源中的干扰，本设计通过多电容并联的方式滤除。

为了获取圆纬机的实时转速，在圆纬机上安装了沪工集团生产的金属接近开关，圆纬机每旋转一圈，接近开关即形成一个脉冲，此脉冲信号经单片机计算得出圆纬机的实时转速。并通过累积脉冲数，可实时掌握圆纬机的生产进度。

4.Zigbee组网

Zigbee作为一种低速率、低功耗、低成本的短程无线网络协议，以其技术可靠、组网便捷、维护成本低的优势在各行各业中得到广泛应用，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。本系统节点数量较少，位置比较固定，因此采用星型网络拓扑结构，

无线模块选择TI公司的CC2530，该模块采用工业标准的8051MCU，具有多种运行模式，抗干扰性好，响应时间短。在设计上，为了区分开各个子模块，需要为每个子模块设定独立的网络ID号，主节点对所有子节点的网络地址和ID号进行注册，并设定心跳时间，超过心跳时间无响应的子节点将被注销，并且进行报警提示。

图2 监控界面

5.上位机监管软件

上位机监管软件采用开发语言和Access数据库实现，软件将每台圆纬机的运行参数和工作进度以图形化的方式进行显示。该软件主要有以下功能：用户权限管理、数据查询打印、数据曲线显示、子节点参数设置、疵点统计分析、生产线健康度评估。

如图2显示的是监控界面，该界面可以实时显示生产线所有圆纬机的运行状态和生产进度，还有各个监测点位的温度、湿度，通过报警的方式可以将生产线的异常情况及时通知管理员，提醒管理员前往排查问题，减少损失。

四、结语

本文采用单片机、智能传感器模块、Zigbee模块和上位机管理控制软件共同搭建了针织生产线智能监管系统，通过对圆纬机实时生产状态和现场温湿度的采集并进行有效调控，降低了次品率和生产线劳动强度。初步实现了对生产线的集中控制和调度，通过现场温湿度的反馈，合理进行设备维护，保证了圆纬机始终处于良好的运行状态，提高了生产效率，具有良好的应用推广前景。

参考文献

[1]王冬霞 张玉辉 洪耀球. 温湿度传感器SHT15及其在嵌入式系统中的应用 [J].电子设计工程，2011

[2]陈景运 周祥平 zigbee技术在工业控制领域的应用 [J].无线电工程，2006

作者简介：董浩，大学本科，工程师，现供职于河北省自动化研究所，主要从事工业过程控制方面技术研究。