刘燕　邓维爱　曾晓君　苏柏军

摘要：针对当前针织生产过程中生产数据采集方式落后与数据反馈实时性差的问题，设计一种基于物联网的实时生产数据采集传送器。探讨针织大圆机实时生产数据采集传送器的工作原理与系统结构，分析该数据采集传送器的数据采集模块、物联网通信模块、数据库模块等主要部分。结果表明：该实时生产数据采集传送器实现了数据采集、生产管理以及企业信息控制的无缝集成，显著提高了企业的生产、管理效率，降低生产管理成本，具有较好的推广应用价值。

关键词：针织生产；实时数据采集传送器；物联网；针织制造执行系统

中图分类号：TS183.92

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2017）05-0071-05

Abstract：To solve the problems that backward data acquisition method and data feedback system of poor realtime capability are adopted in knitting production process， a realtime data acquisition system based on the Internet of Things was designed. The working principle and structure of realtime data acquisition conveyor of circular knitting machine were discussed， and the main components of the data acquisition conveyor were analyzed， including data acquisition module， InternetofThings communication module and database module. According to the test， the data acquisition conveyor could realize seamless integration of data acquisition， production management and enterprise information control， significantly improve enterprises production and management efficiency， and reduce production and management costs， which is of high value of promotion and application.

Key words：knitting production； realtime data acquisition conveyor； the Internet of Things； knitting manufacturing execution system

隨着中国工业化和信息化两化融合进程的不断推进，针织行业的生产规模日益扩大，市场竞争日益激烈，信息化战略已成为纺织企业提升市场竞争能力的重要发展战略之一。针织制造执行系统作为针织行业一种新型的生产管理手段，能够有效地将车间前端生产与企业后方管理衔接起来，顺利完成生产、管理数据的获取和传输；通过生产数据的实时反馈实现对生产过程、管理调度的控制和监控。因此，生产数据的采集是针织制造执行系统的基础[13]。

经调研佛山张槎地区织厂，生产管理数据多依赖人工记录、操作繁冗杂、记录滞后，无法实时反馈管理。传统针织大圆机无生产数据采集与统计分析，不能对生产效率进行量化评估，无法做出最优生产调度以提高企业效率。在当前国内外形势下，纺织产业装备升级提高产业效能势在必行。本文针对这一现状，提出一种低成本高效益的针织数据实时采集系统，有效解决上述状况，为针织制造执行系统（MES）在数据采集系统部分的构建提供技术基础，将针织机台接入物联网，提高企业的生产管理效率，推动针织制造执行系统（MES）在针织企业的应用。

1系统框图与构成

针织制造执行系统主要包括数据采集系统、数据处理与调度系统和信息反馈系统3部分[4]，针织MES的系统框图如图1所示。由核心数据采集传输器通过不同工业接口，包括织机生产运行数据采集接口、UHF接口、RFID接口、扫码枪接口与称重接口等等，将纺织制造生产过程的数据自动采集到MES系统。优化整体纺织制造过程的生产效率与生产管理。由图1可知，MES系统作为生产管理的核心，其数据来源于核心数据采集传输器的各个对外采集数据接口[5]。本文着重研究的内容即核心数据采集传输器的设计与实现。

2系统硬件

核心数据采集传输器的模块硬件结构框图如图2所示。FPGA芯片LCMXO2640作为采集信号并保存数据。FPGA外接EEPROM芯片保存生产数据。显示模块可用于显示部分当前生产数据。CC3200作为数据传输模块，LCMXO2640和CC3200通过IIC总线进行数据互通。传感采集信号以中断方式通知CC3200，CC3200作为IIC总线master设备，通过LCMXO2640虚拟映射内存来读取相应实时数据。

3系统软件

图3为数据传输模块CC3200系统软件结构图。底层为Freertos实时操作系统[6]，中间层为SPIFFS文件系统和物联网MQTT协议，最上层为业务流程应用软件。

上层的业务流程应用软件是在基于底层Freertos实时操作系统和中间层SPIFFS文件系统和物联网MQTT协议上运行的。

数据采集系统的软件实现按其功能可以划分为3个模块：实时数据采集模块、网络传输模块、数据储存分析及控制端模块[4]。

3.1实时数据采集模块

本系统采集的数据来自于针织大圆机自身所带传感器的输出信号，包括：停机、上断纱、下断纱、探针、探布、安全门、缺油、下布、变频异常等。可控参数包括：预算下布圈数、机速上限、机速下限。表1为一台大圆机一个班次（12 h）采集数据示例。

3.2MQTT通信协议

网络传输采用物联网MQTT协议，本设备主要应用了它的发布/订阅消息模式[7]。在设备端（数据采集端）的通信协议如表2所示，接收端的通信协议如表3所示。

3.3数据库设计

数据存储与分析模块为监控管理主机，其软件部分使用Windows平台，采用VS2008等工具进行开发，采用MSSQL进行数据库管理，管理界面采用winform用户界面，展示生产实时数据与协同配置数据。该数据库表核心数据内容主要由原料管理环节数据、车间生产数据、胚布进仓、胚布出仓环节数据组成[8]。

管理软件通过数据接收端，通过相应报文获得设置数据，将监听到的报文分析后，转成对应数据储存于数据库表格式内，更新数据库数据内容；并可根据监听到实时生产数据在可视化设备上展示以及根据实时生产数据进行分析处理，分析是否发出生产调度指示控制生产。

4功能验证

为验证数据采集系统的在针织生产中的作用，已将系统投入于佛山某针织企业进行测试使用。现随机从排产中的40台中抽取5台佰源针织大圆机的生产数据，如表3所示。由表3可知：针织大圆机上安装的数据采集终端所采集的圈数与针织大圆机与RW1000工控机（实际圈数）上所测的机速在数据存在较小的误差，总体误差都未超过0.1%。所采集的断纱次数在数据上是一致的，不存在误差。

由于织机的生产利用率取决于停机时间和开机时间，其中停机时间中断纱停机时间占总停机时间的83%左右，由此可知，提高织机的生产利用率的关键在于减少断纱停机时间。图6、图7展示了该数据采集传输器实时采集数据效果图和自动化监管机台的功能，该数据采集传送器具有断纱落布报警提醒功能，在监测到机器有断纱时能够让值机工更迅速准确找到断纱处，并迅速接上纱线。监测到需要落布时提前几分钟让值机工做好准备。因此在断纱落布流程比人工观测更迅速准确，能够减少因断纱、落布等产生的停机时间。之前一个值机工管理3～4台大圆机的生产，采用该数据采集传送器后，一个值机工可以至多管理5～6台大圆机的生产。同时，该数据采集器能够通过工人刷卡进行交接班并实时计算工资，改善了此前人工抄表的数据准确度不高、计算薪酬及交接班费时费力的缺点。

同时对采用该系统后的管理方式进行数据采集并对比，对一个车间的排产机台40台织机进行统计计算平均值，如表4所示。由表4可看出，采用了自动化数据采集与计算之后的管理效率在数据的准确率、精度以及织机的平均生产利用率上都有了提升。根据式（1）计算可知织机平均生产利用率从70.7%提高到80.2%，企业的效益和利润得到较大幅的增长[9]。因此，通过在织机上应用此数据采集传送器，可以提高织机生产利用率，提升工厂自动化程度，进而降低工厂的人工成本和管理成本。

5结论

本研究在了解针织制造执行系统（MES）的基础上，深入研究核心数据采集传输模块的工作原理，得出如下结论。

a） 通过对针织大圆机生产实际和针织制造执行系统核心模块——数据采集模块的研究，设计了低成本的FPGA+CC3200的核心数据采集传输模块硬件方案；

b） 对核心数据采集传输器的功能进行划分，着重分析了数据采集模块、物联网MQTT通信协议的应用及核心数据库的设计；

c） 通过对比传统工控机采集的圈数，验证了该数据采集传输器的数据准确性；对比生产中人工采集数据和自动化采集数据的管理方式，验证了核心数据采集传输器在提高机器生产利用率和降低管理成本上的优越性。通过使用该系统，实现数据采集、生产管理以及企业信息控制的无缝集成，企业能在一定程度上提高织机工作效率和生产管理效率，降低生产管理成本，增加企业效益，最终增强企业的市场竞争力。

此外，鉴于本阶段的研究水平还处于针织制造执行系统MES的基础，后续的数据分析、优化调度算法仍需要在进一步研究中进行解决。

参考文献：

[1] 蒋高明，彭佳佳.面向先进制造的针织装备技术及发展趋势[J].纺织导报，2015（2）：43-47.

[2] 吴迪.连接企业管理层和生产控制层的桥梁——纺织MES蓄势待发[J].纺织服装周刊，2007（4）：38.

[3] 何峰，李哲.针织制造执行系统的原理和应用[J].针织工业，2010（2）：10-13.

[4] 夏栋，蒋高明.基于ARM的经编生产数据实时采集系统[J].纺织学报，2015（2）：116-120.

[5] 缪旭红，赵帅权，徐存东，等.纺织制造执行系统开发与应用中的关键技术[J].棉纺织技术，2015（6）：37-40.

[6] 张龙彪，张果，王剑平，等.嵌入式操作系统FreeRTOS的原理与移植实现[J].信息技术，2012（11）：31-34.

[7] 姜妮，张宇，赵志军.基于消息队列遥测传输的推送系统[J].计算机工程，2015（9）：1-6.

[8] 杨衡亮.纺织企业仓库管理系统的设计与应用[J].棉紡织技术，2015（5）：29-32.

[9] 张加乐.基于ERP管控视角下的纺织企业缝隙成本优化[J].棉纺织技术，2015（5）：33-36.

（责任编辑：陈和榜）