杨艺 李强 刘基宏
（江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡214122）
摘要：针对细纱断纱自动检测与管理问题，开发细纱断纱远程监控系统。由Ring Route断纱检测装置获取断纱相关数据，并通过RS485通信完成ARM机与多个单片机之间的数据传输。开发通信软件，利用无线WiFi，由一台工控机监控所有细纱机上的断纱相关数据，并将数据存储在断纱数据表中供查询统计。重点阐述了RS485通信过程和通信软件开发思路与其中的关键技术。实践表明系统满足断纱质量管理的基本需求。
关键词：纺织行业棉纺生产纺纱工控机RS - 485通信无线WiFi通信软件远程监控检测 自动控制
0引言
随着信息技术的发展，工业计算机控制系统的应用在逐步扩大。一般情况下，由单片机构成的系统，都需要向上位机进行数据传输，实现通信功能，从而使得上位机与单片机功能互补。过去常用的RS-232通信标准，虽然稳定性和速率都有所提高，但因其通信距离过短，单片机数量多，无法满足实际需求。本文采用的RS-485通信协议传输速率高、距离远，可实现一对多通信的目的，构造简单、方便维护、成本低等优势在工业计算机控制系统中占有重要地位。
纺织行业一直被认为是劳动密集型行业，自动化水平低。在纺纱过程中，当纺纱张力大于纺纱段强力时就会出现断头，不仅造成原料浪费，而且增加工作量，也降低了成纱质量。然而传统对断纱的管理办法仅仅是人工检测与统计，不仅效率低，也难以提供更深层次的系统化管理与改进方法。本文在RingRoute细纱断纱检测装置基础上，分析RS485通信过程，利用通信软件和无线WiFi，开发一套细纱断纱远程监控系统，为实现细纱生产过程的精细化管理奠定基础。
1 RS -485通信过程分析
RS-485采用差分信号进行传输，理论上传输距离最大可达1.2 km，数据最高传输速率为10 Mbit/s。由于传输速率与传输距离成反比，只有在100 kbit/s的传输速率下才可以达到最大的传输距离。如果需传输更长的距离，可以增加RS485中继器。它允许在电路中有多个发送器，并且一个发送器可以驱动多个负载设备。通过以上数据，不难看出RS-485协议适用于远距离、多点通信。
本研究采用RS-485协议，单片机需要采用RS485接口，然而作为上位机的ARM机标准配置中一般是RS-232通信接口或USB总线；目前多在ARM机侧使用RS - 232与RS-485的电平转换接口，将TTL电平转换为与上位机一致。ARM机与单片机之间的通信选用主从式结构，即系统中只有一台ARM主机，ARM主机控制多个单片机从机，每块单片机会分配一个地址码，单片机作为从机不会主动发送命令或者数据，其通信过程由主机ARM机控制。为确保正常通信，单片机的串行口与ARM机串行口的设置保持一致，包括通信速率和数据格式。由于数据量大，综合考虑传输速率与传输的稳定性，系统选择通信速率9 600 bit/s。
RS485通信为半双工通信，即发送和接收用一个物理信道，因此在任意时刻最多只能有1台机器处于发送状态。系统中，通信起始信号由ARM机发出，ARM机首先呼叫指定的地址，当单片机收到起始信号后，根据本机的地址做出应答，当ARM发出的地址与本机相同时，回发本机地址并改变为数据等待状态，否则保持原来的状态。ARM机收到应答后，再请求纱线状态数据，相应的单片机根据所采集的数据做出响应。因此只有当ARM机发送的地址信息与单片机相符时，才接收该单片机发送的数据。数据类型包括两种，分别为断、接头数据。半双通信对主机与从机数据通信时序的要求十分严格，如果没有配合好，就会发生冲突，造成整个通信系统瘫痪。为保证数据通信与处理过程简单，规定数据传输过程中采用固定的长度。根据纺纱过程的实际情况设定为23个字节，其格式为纱线状态+细纱机编号+锭位+时间，具体表示方法如表1所示。这里假设一个车间的机器的台数不超过999台．一般细纱车间有5万到15万锭，因此细纱机的台数在100~ 300台甚至更多，现设计的车间对应的台数为280台；假设锭位号不超过9 999锭，实际机器的锭数为480锭，此处考虑到实际情况有1 080锭的细纱机。
2远程监控软件的设计
为了统一管理细纱机的断纱情况，每台ARM机装配一个以太网模块，接入以太网，作为一个以太网的结点，将采集到的断纱相关数据发送至工控机，并为每一台细纱机分配一个IP地址。该地址也作为细纱机软件的内部编号，地址编号的范围可从192. 168.0.2到192. 168. 255. 250。为了管理方便，本系统也建立了每一台细纱机的IP地址与原有细纱机的编号之间的对应关系。本系统工控机为服务器，ARM机作为客户端，服务器的访问采用Client/Senver模式，利用无线WiFi作为数据传输介质。每个WiFi分配11个信道，每10台细纱机分配一个中继器，延长网络传输距离。
监控软件的通信流程如图1所示，系统初始化完成后，工控机上采用Socket控件进行IP地址和端口号的匹配，完成相应的连接。连接请求由工控机发起，ARM机侦听到后，通过以太网模块建立连接。工控机与ARM机连接并握手成功后，由工控机发送数据请求，逐条接收ARM机回复的断、接头数据，并完成显示、存储，从而实现远程监控功能。
为了加强监控系统的准确性和稳定性，软件设计过程采用3项关键技术。本系统中，由于一台工控机下挂多台ARM机，使工控机与ARM机之间的通信效率降低，通信过程中等待的时间过长，因此，通信软件应该实现多线程通信。线程可以认为是ARM机与工控机之间的数据传输通道，对其编号加以区分，各个线程之间可以并行通信，互相之间没有影响。我们为每个线程都建立一个标示符，初始状态下，各个线程都未被占用，这些标示符均为“N”。ARM机在发送断纱相关数据时，从最低位线程查看标示符，若查看到某线程标示符为“N”时，表明此线程空闲，那么占用此线程传输数据，并将其标示符更改为“Y”。ARM机在占用线程后，与工控机握手，握手成功并收到工控机的数据请求后再进行数据传输。若工控机没有结束此线程的通信，线程的标示符始终为“Y”，直至接收到通信结束信号，标示符变为“N”。在软件设计中应用多线程通信，可以大大提高通信效率，使多个线程同时使用。需要说明的是，这里的“同时”并不是真正意义上的同时，只是线程切换很快，给软件使用者的感受是同时的。
差错控制由通信控制和数据校验两个部分组成，主要用于防止通信中断和保证通信的准确性。ARM机与工控机进行通信时，工控机向ARM机发送握手信号或者数据请求，若在设定时间内一直未收到ARM机的回应，那么认为此ARM机存在通信故障，结束此次通信，释放此线程，转接下一线程。通过通信控制，不会因为某台ARM机通信中断而受到影响。此外。通信的重要意义不仅仅是能够完成数据交换，更需要准确地传递信息。考虑到通信过程中可能存在的数据丢包的问题，为保证数据的准确性，软件设计中加入对接收到的数据长度进行校验，若校验长度不为23 B，等待接收下一段数据，对其进行重组，重组无效数据同样标志为通信故障，转接下一线程。
为加强管理，工控机每接收一段通过校验无误的信息，都按照通信协议进行拆分，转换为数据库中断纱管理数据表所要求的数据类型，并存储供后期查询、统计。断纱管理数据表设置4列，列名及数据类型依次为：EventType(varchar)，TerminaISerial(varchar)、Spindle( int)、RecordTime( datatime)，分别对应纱线状态、细纱机编号、锭位和时间。
3应用实例
某纺纱厂将本系统装配于20台FA506型细纱机上，每台480锭位。装配前，断纱管理依然采用人工方式：测试人员在一个车弄同时检查两个半台细纱机，统计在测试时间内细纱的断头根数，最后按照公式得出断头率，再手工输入计算机。然而实际操作过程中，纱线断头往往不易被及时发现，人工检测范围小、准确性低、用工量大，最终也无法通过统计结果追踪至断头出现的锭位。装配后，在Ring Route断纱检测装置的基础上实现对断纱相关数据远程实时监控、存储，明确断头的分布，更精细化地分析断纱数据。
3.1现场监控方案
在综合考虑了现场操作、安装成本和通信的准确性问题之后，本研究中确定系统结构图如图2所示，具体安装方案如下。
(1) Ring Route断纱检测采用单锭检测方式，每块单片机控制6个检测头采集断纱相关数据。
(2)每台ARM机控制一台细纱机上所有单片机共80块，通过RS -485通信和信号转换模块获取断纱信息。
(3)为每台ARM机配备一个以太网模块，IP地址分配从192. 168.1.10到192. 168.1.30分别对应10号到30号机器。采集到的断纱相关数据通过无线WiFi发送至工控机，工控机选用型号为TPC150TC -L的嵌入式人机界面。
为验证系统准确性与适用性，下面分析两台工艺参数不同的细纱机断纱相关数据，具体如下：机台一纺制708细纱，捻系数385，锭速为15 000 r/min；机台二纺制115 s细纱，捻系数400，锭速为13 500 r/min。两机台均采用定量为4.5 g/10 m的棉粗纱为原料，由工控机统计纺纱过程中断纱管理数据表内两机台24 h内的断纱相关数据。
3.2结果与讨论
两机台24 h的断头锭位分布分别如图3和图4所示，断头时间分布分别如图5和图6所示。
为分析两机台断纱情况，本文考虑以下4个评价指标。
(1)断纱根数：24 h内断纱总根数；
(2)千锭时断头数：1 000锭l h的平均断头数；
(3)断头异常锭位比：异常锭位所占比例，系统定义24 h内累计断头数超过5根（包括5根）的锭位为异常锭位；
(4)无断头锭位比：24 h内无断头锭位所占比例。
综上所述，由图3和图4可分析两机台断纱情况结果如表2所示。
如表2所示，机台一断头情况相对比较严重。溯源其异常锭位，发现：第25号锭位（累计断头8根）锭子松动，锭子转速不匀、振动，最终导致纺纱张力不稳定，增加纱线断头；第348号锭位（累计断头5根），其钢丝圈磨损，使纺纱中钢丝圈在钢领上高速转动时产生顿挫或振动，纺纱张力会突然增大，产生断头。机台二的异常锭位如下：第93号锭位（累计断头9根）、313号锭位（累计断头5根）、318号锭位（累计断头5根），筒管磨损，使得筒管转速不匀、纺纱张力波动，断头数增加；第104号锭位（累计断头6根）、第145号锭位（累计断头5根）和第259号锭位（累计断头5根）断头异常均由钢丝圈磨损所致。生产中除了有针对性地对这些异常锭位进行保全，同时也应相应调整工艺参数，降低断头率，减少纱线的浪费。
该厂工作时间采用两班制（早班和晚班），每天8:00和20:00为交班时间。为明确断头出现的时间，绘制断头时间分布如图5和图6所示。其中，横坐标序号1~24分别表示00:00—00:59至23：00—23：59这24个时间区间，纵坐标表示断头数目。由图5和图6可知，机台一早班累计断头数为164根，晚班49根；机台二早班累计断头数为111根，晚班84根。显然，两机台早班断头根数较多，应优化早班期间纺纱工艺，加大保全保养工作。
实践表明，系统对不同纱支纱线断头情况统计准确无误，具有良好的适用性。同时可追溯到断纱出现锭位和时间，工作人员可远程监控细纱断纱情况，及时发现异常锭位，相应调整工艺参数和进行保全保养工作，从而减少纱线的浪费，提高纱线品质。
4结束语
本监控系统将计算机技术初步应用于棉纺生产管理中，由Ring Route断纱检测装置获取断纱相关数据，再利用RS485通信将数据传输至ARM机，最后设计通信软件通过无线WiFi将数据传输至工控机，同时存储于断纱数据表中，实现对断纱数据的远程实时监控。实践表明，系统数据传输准确，用户可以远程实时监控细纱断纱情况，并能根据工控机存储的断纱数据获取断头锭位和时间分布，能适应纺纱企业日常断纱质量管理的需求。
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