吕 伟

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

纺织服装业在我国国民经济发展中占据重要地位,纺织机的工作状况对纺纱厂的生产、经营和管理有重要影响。经过长期发展,我国纺织行业具有劳动力成本低、产业链完整、加工配套水平高、产业集群地众多等明显竞争优势[1]。但是,与国外纺织企业相比,我国纺织企业的管理水平与信息化程度普遍较低,目前主要依靠人工在现场或监控室对细纱机进行故障监控,维护成本高,有效性和及时性差[2-3]。

在纱线生产过程中,纱线断头率是细纱产量和质量控制的关键指标之一[4-5]。纱线断头指在纺织生产过程中,因原料、工艺、设备、温湿度等原因,使正在加工的纱线或半制品产生断裂,单位时间单位设备的纱线断头数量称为纱线断头率。如果不能及时有效处理纱线断头,那么不仅会损坏细纱机的主要零部件,而且会因纱线断头产生的飞花影响纱线质量[6]。实时监控纺纱机的运行状况,能够确保及时处理纱线断头等故障,提高生产管理效率和产品质量,并且使企业管理者通过网络了解工厂实时生产状况,建立有效的管理机制。对此,笔者研究开发了一套细纱机远程监控系统,通过获取实时生产数据实现细纱机的实时监控,能够有效提高细纱机的生产管理水平。

2 系统数据流

细纱机远程监控系统采用浏览器访问的方式,实现纺织行业异地多厂的远程数据存储、实时监控和生产管理。细纱机远程监控系统数据流如图1所示,各纺纱厂在本地布置边缘网关,对细纱机底层数据进行采集,并转发至远程数据平台。远程数据平台实现对各纺纱厂数据的解析存储,按照实时数据和统计数据分类存储,支持对历史数据的记录和追溯。服务端访问数据平台,实现对多家纺纱厂的远程监控和统一管理。客户端根据权限访问数据平台中对应的纺纱厂的数据,进行远程监控和管理。

图1 细纱机远程监控系统数据流

细纱机远程监控系统数据来源于设置在设备端的边缘网关,边缘网关获取细纱机控制系统主节点的实时生产数据,两者通过用户数据报协议交互,具有资源消耗少、处理速度快的优点[7]。边缘网关将实时生产数据通过消息队列遥测传输协议上传至数据平台,消息队列遥测传输协议具有功耗低、开放性好、简单、易于实现的优点[8]。数据解析模块对数据进行解析和统计计算,软件端读取解析后的数据,进而实现对细纱机运行状况的实时监控和历史报表分析。

3 系统架构

边缘网关获取细纱机控制系统主节点的实时生产数据,在不影响系统控制流程的情况下进行数据采集,现场每台细纱机配备一台边缘网关。由于采集的数据量较大且节点数量多,细纱机远程监控系统配备独立的数据解析模块。

细纱机远程监控系统架构自下而上划分为数据层、服务层、应用层三个层次,如图2所示。数据层用于存储整个系统的所有数据,包括边缘网关上传的实时监控数据和分析后的统计数据,以及支撑系统运行的管理数据。服务层服务于系统业务,包括数据传输模块、数据解析模块、应用程序接口模块和缓存服务模块。应用层与用户直接相关,包括实时监控模块、报表分析模块、生产参数设置模块、系统管理模块、智能分析模块、排班管理模块。

图2 细纱机远程监控系统架构

3.1 应用层

细纱机远程监控系统架构应用层中,实时监控模块通过数据分析对车间级、设备级、锭子级数据进行实时监控,监控现场的生产效率、锭子速度、实时产量等生产指标。界面通过不同的颜色表示细纱机、锭子的不同状态,实时提示纱线断头、锭子弱捻等报警信息,部分界面在车间大屏上进行显示。

报表分析模块通过对所记录的历史数据进行数据分析,生成车间、设备、班组、人员生产状况的统计报表。通过报表可以对比每台细纱机的加工情况、不同工人的生产效率,实现对人员的绩效管理和对设备的运行状况管理。

通过生产参数设置模块可以对生产参数、设备参数及基础信息进行设置,支持各数据表格的增删查改。

系统管理模块考虑整个系统的扩展性,支持基本数据的配置管理,并考虑数据安全问题,为不同用户配备对应的权限。

智能分析模块通过对纱线断头和锭子速度的对应关系进行分析,给出锭子速度设置建议,以减少纱线断头数量,从而提高生产质量。基于车间设备排布和纱线断头的具体位置,计算修复当前纱线断头的最佳路线,提高现场操作工人对纱线断头的响应速度。

通过排班管理模块可以设置每个班次的上下班时间和人员安排,以及每位操作工人在工作时间内需要负责的细纱机。将工人与设备绑定后,方便报表分析模块对工人的绩效进行统计管理。

实际运行过程中,细纱机的实时数据通过边缘网关传递至远程数据平台,数据解析模块对接收的数据进行存储和解析,实时统计数据和报警信息,以3 s的周期推送至实时监控模块。车间现场的管理人员可以通过实时监控模块了解车间生产状况,通过排班管理模块对生产计划进行制订,通过报表了解一定周期内车间的生产状况,方便进行生产调整和工人绩效考核。现场操作人员可以通过智能分析模块了解纱线断头的分布情况,按照给出的维修建议进行修复,并合理调整细纱机的运转速度,以减少纱线断头情况和质量问题。

3.2 服务层

边缘网关上传的信息包括当前的设备状态信息和细纱机锭子信息。每台细纱机有1 200个锭子,每60个锭子信息为一个数据包,每个数据包的具体信息包括机器编码、落纱标志位、细纱机转速、锭子速度、纱线断头标志、传感器故障标志等。

数据解析模块对接收的数据进行存储和解析,按照锭子、细纱机、车间、班次等层级进行纱线断头数量、产量、生产效率、锭子弱捻、报警等的统计分析。

纱条绕轴心旋转360°称为一个捻回,退捻前规定长度内的捻回数称为捻度[9]。纱线加捻的目的是改变纱线的机械性能和光泽度[10]。捻度因数是纱线加捻程度的相对数值,可用于比较不同粗细纱线的加捻程度,计算设定速度。连续接收数据时,锭子速度均小于设定速度,则判断为弱捻。

单台细纱机实时纱线断头数量指落纱周期内单台细纱机所有锭子累计纱线断头数量,在一个落纱周期结束,下一个落纱周期开始时,实时纱线断头数量清零。

单台细纱机实时弱捻次数为落纱周期内单台细纱机所有锭子累计弱捻次数,在一个落纱周期结束,下一个落纱周期开始时,实时弱捻次数清零。

单台细纱机当前班次产量为单台细纱机所有锭子产量之和,当前班次产量为所有单台细纱机当前班次产量之和,当前班次纱线断头数量为所有单台细纱机当前班次纱线断头数量之和,当前班次弱捻锭子数量为所有单台细纱机当前班次弱捻锭子数量之和,当前班次生产效率为所有单台细纱机生产效率的平均值。

设计缓存服务模块的目的是提高系统响应速度。系统中实时数据的刷新频率较高,在实时监控时如果从数据库中读写,那么效率很低。对此,在系统设计时将大部分需要在应用层进行展示的实时数据存入缓存数据库,应用层可以直接从缓存数据库中调用,缩短访问延时,提高访问效率。

为了方便数据库的维护和统一管理,通过统一的应用程序接口模块访问数据。访问数据库时,只需要将操作语句提交至应用程序接口模块,而不必关注数据库的每一个操作步骤。

3.3 数据层

数据层用于存储细纱机远程监控系统的所有数据,包括边缘网关上传的实时监控数据、分析统计数据,以及支撑系统运行的管理数据。实时数据是高频时间流数据,系统选用基于分布式文件存储的数据库MangoDB存储。统计数据和管理数据是关系型数据,选用关系型数据库MySQL存储。

4 系统界面

细纱机远程监控系统采用浏览器与服务器架构和Java开发语言设计,细纱机主监控界面如图3所示。细纱机主监控界面实时显示车间的整体加工情况,包括所有细纱机的状态、当前效率较差且纱线断头数量较多的细纱机、车间的工作效率。

图3 细纱机主监控界面

细纱机实时监控界面如图4所示,显示单台细纱机锭子排布、实时纱线断头和锭子弱捻信息。其中,每个蓝色长方形代表60个锭子,若有纱线断头,则对应的蓝色长方形变为红色长方形,提示故障,下方列表显示具体纱线断头的锭子。

图4 细纱机实时监控界面

班次设置界面如图5所示,可以设置班次信息和每日的排班情况,包括每班次的人员安排和每位人员负责的细纱机。

图5 班次设置界面

断头报表界面如图6所示,基于落纱完成比例,可以对历史成纱过程中的纱线断头情况进行分类统计。

图6 纱线断头报表界面

落纱完成0～5%称为始纺阶段,落纱完成5%～25%称为小纱阶段,落纱完成25%～90%称为中纱阶段,落纱完成90%～99%称为大纱阶段,落纱完成100%称为满纱。

5 结束语

笔者研究开发了细纱机远程监控系统,实现了纺织行业异地多厂的远程数据存储、实时监控、生产管理、报表分析,有利于提高纺织行业的智能运维水平。通过细纱机远程监控系统,可以指导现场操作人员快速解决纱线断头、锭子弱捻等问题,帮助管理者了解车间的实时生产状况、人员绩效,有助于提高纺纱厂的生产管理水平,具有实用价值。