吳 鑫，俞建定，趙鵬飛，王 銀

（寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211）

0 引 言

寧波及周邊地區(qū)服裝加工業(yè)非常發(fā)達，但在走訪行業(yè)協(xié)會、企業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，寧波乃至全國的服裝生產(chǎn)企業(yè)（特別是中小型服裝生產(chǎn)企業(yè)）中，許多企業(yè)仍采用傳統(tǒng)“捆扎式”生產(chǎn)模式，即在布料處理、剪裁、縫紉、釘扣等流水線環(huán)節(jié)，每個操作工位相互獨立，前后工序的半成品傳遞靠人工搬運。這種生產(chǎn)模式不僅效率低而且返工率高、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計繁瑣，在當前服裝消費更新?lián)Q代加速、企業(yè)招工難和外貿(mào)訂單不穩(wěn)定等情況下，會從內(nèi)部制約企業(yè)生存發(fā)展。服裝吊掛系統(tǒng)是一種先進的服裝生產(chǎn)管理系統(tǒng)，它通過電腦系統(tǒng)集成控制，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行即時采集、分析和實時處理，改變了服裝行業(yè)傳統(tǒng)的“捆扎式”生產(chǎn)方式，有效解決了制作過程中輔助作業(yè)時間比例大、生產(chǎn)周期長、成衣質(zhì)量難以控制等問題[1]。服裝吊掛系統(tǒng)在國外已經(jīng)開始普及，技術相對成熟。國內(nèi)由于輕紡行業(yè)技術服務機構缺乏，輕紡行業(yè)轉(zhuǎn)型升級緩慢，且本身利潤低，很少有企業(yè)和研發(fā)機構投資獨立研發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)品；而進口整套國外服裝吊掛系統(tǒng)產(chǎn)品價格高、后期維護不便。如此便從一定程度上制約了我國服裝企業(yè)的現(xiàn)代化進程。

本研究在查閱國內(nèi)外同類系統(tǒng)資料，并經(jīng)過長時間深入企業(yè)進行實地調(diào)研的基礎上，設計并實現(xiàn)基于以太網(wǎng)和RS485 總線的服裝吊掛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。上位機采用以太網(wǎng)通信，以保證通信的速度和通信的可靠性，而且連接方便，通過路由器或交換機可以方便實現(xiàn)對多條流水線的集中控制。工作站通信采用RS485 總線進行通信，在保證性能前提下，利于成本的控制。

1 系統(tǒng)構成

服裝吊掛系統(tǒng)基本構成是一套懸空的物件傳輸流水線系統(tǒng)，通過一個循環(huán)的機械傳輸裝置將各個生產(chǎn)加工工位橋接起來，由上位機控制帶有不同編碼的吊架在不同工位的傳輸，從而達到衣服或衣片的運輸，是機電一體化在服裝業(yè)的集中應用[2]。整個吊掛系統(tǒng)的基本工作程序如下：

工序加工完成——→發(fā)料臺——→上吊架——→編碼通信——→工位出衣料——→機械傳輸裝置——→下個工位進料。

以上工作程序依次循環(huán)，每個工位自動控制自身的出衣料、自動記錄自己的工作情況，同時上位機對所有工位進行監(jiān)測管理。

本研究設計實現(xiàn)的是服裝吊掛系統(tǒng)的核心控制部分，即服裝吊掛系統(tǒng)的“大腦”。其由上位機、若干個中轉(zhuǎn)器和多個工作站組成，系統(tǒng)總架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總架構

系統(tǒng)采用總線控制方法，各工作站掛接在RS485總線上，工作站數(shù)量最多可達100個。上位機作為總控設備，通過以太網(wǎng)與中轉(zhuǎn)器進行通信，中轉(zhuǎn)器重新對數(shù)據(jù)進行預處理，通過RS485總線與工作站進行數(shù)據(jù)交換。

以太網(wǎng)技術具有結(jié)構簡單、成本低廉、傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸距離長、易于擴展等特點。系統(tǒng)采用的TCP協(xié)議是一個可基于三次握手的協(xié)議，又叫“面向連接”的通信協(xié)議，它規(guī)范了客戶端和服務器的三次請求和應答的格式。從而能以較大的概率保證信道的成功建立，數(shù)據(jù)通信的可靠性高[3-4]。RS485總線通訊方式以其簡潔靈活、硬件接口簡單、軟件易實現(xiàn)、性價比較高、傳輸距離較遠、誤碼率較低、抗干擾能力強等優(yōu)點在工業(yè)控制系統(tǒng)中，尤其在中小型數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中運用廣泛[5-6]。

本研究基于以上兩種通信方式的優(yōu)點，充分考慮在服裝生產(chǎn)過程中的交互實時性和通信的數(shù)據(jù)量，將這兩種總線集成混合使用，有效解決了總控設備（上位機）和控制設備（工作站）數(shù)據(jù)傳輸時的瓶頸問題，使上位機發(fā)揮出最大的工作效率，對工作站電路處理芯片的選擇要求也不高，不僅可有效降低成本，而且連接方便、運行可靠。

2 工作站模塊設計

工作站作為員工直接操作的工作平臺，主要負責接收處理上位機下發(fā)的命令，并把自己的生產(chǎn)情況應答給上位機，另外還對工作平臺的機電設備進行控制，如采集吊架信息的讀卡器的信息交互，控制工位電磁閥的開關、傳動裝置電機的運轉(zhuǎn)、手持設備命令控制等等。工位電路主要由MCU、存儲芯片、輸入/輸出通道、485通信模塊、手持設備電路等模塊組成。輸入/輸出均采用光耦隔離，保證了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，工作站電路結(jié)構框圖如圖2所示。

圖2 工作站電路結(jié)構

MCU 采用STC 系列單片機，STC系列單片機屬超強抗干擾、高速、加密性強、低功耗單片機，適合在服裝加工車間使用，而且開發(fā)方便，性價比高。

工作站的軟件主要由485通信模塊、總控模塊、時鐘模塊、手持器顯示模塊、I/O 控制模塊構成。程序流程如圖3 所示。

圖3 工作站程序流程

3 中轉(zhuǎn)器模塊設計

中轉(zhuǎn)器是通信的橋梁，是對系統(tǒng)采用的兩種通信方式的承接，在系統(tǒng)中主要起數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換作用。其基本構成有以太網(wǎng)通信模塊、中央處理模塊MCU、RS485通信模塊、電源模塊和I/O接口，其結(jié)構框圖如圖4所示，以太網(wǎng)通信模塊和上位機相連，RS485 模塊和各工作站相連。其中MCU采用的也是STC系列的單片機，以太網(wǎng)通信模塊的網(wǎng)絡控制芯片采用的是W5100。W5100 是一款高性能且內(nèi)部集成硬件協(xié)議棧的網(wǎng)絡控制芯片，具有控制方便，外圍電路簡單等特點[7]。

圖4 中轉(zhuǎn)器電路結(jié)構

中轉(zhuǎn)器程序設計思路如下：

中轉(zhuǎn)器要處理的數(shù)據(jù)包括所有工位的數(shù)據(jù)，上位機下發(fā)給工位的數(shù)據(jù)，先到達W5100發(fā)送緩存區(qū)，再由MCU取出轉(zhuǎn)換后下發(fā)給工位，工位接到命令后立即應答，這些應答信息也是先由MCU 轉(zhuǎn)換后填入W 5100接收緩存區(qū)。

系統(tǒng)工作時，MCU 實時判斷W5100 的發(fā)送緩存區(qū)（TX）是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，取出一部分數(shù)據(jù)放入一個數(shù)組，對數(shù)據(jù)進行處理，再把這部分數(shù)據(jù)下發(fā)給所有工位，數(shù)據(jù)中含有工位地址，每個工位根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行地址匹配，如果是自己的數(shù)據(jù)就接受處理并立即應答給上位機。MCU 接收到工位的應答數(shù)據(jù)后，先將數(shù)據(jù)存入一個數(shù)組，再將這部分數(shù)據(jù)發(fā)送到W5100的接收緩存區(qū)（RX）。

RS485配置程序分為UART初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收3個部分。UART初始化模塊，主要設置波特率、串口工作模式和開啟中斷等，數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢方式是為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蛯崟r性。數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式。

中轉(zhuǎn)器處理程序的流程如圖5所示。

圖5 中轉(zhuǎn)器程序流程

4 上位機軟件設計

上位機是系統(tǒng)的控制中心，對下位機上傳的數(shù)據(jù)進行分析、保存和顯示，控制每件衣服的整個生產(chǎn)過程。通過對數(shù)據(jù)的收集和處理，系統(tǒng)可以實時呈現(xiàn)工作量、產(chǎn)量和返工量等數(shù)據(jù)，利于用戶對生產(chǎn)情況的了解和調(diào)整。其主要由通信模塊、人機交互界面模塊和后臺數(shù)據(jù)庫等組成。

4.1 通信模塊設計

為了實時監(jiān)控每個工位的生產(chǎn)情況，系統(tǒng)上位機和工位間需頻繁進行數(shù)據(jù)交互，則對后臺數(shù)據(jù)庫操作會很頻繁。若將通信模塊程序嵌在人機交互界面的實現(xiàn)上，則對多線程的處理要求較高。

基于Delphi 在數(shù)據(jù)庫操作方面的強大優(yōu)勢[8]，本研究使用Delphi 技術將通信模塊做成人機交互界面的一個插件，系統(tǒng)工作時，通過人機交互界面啟動通信模塊。通信模塊負責實時與下位機進行數(shù)據(jù)的交互，人機交互界面負責數(shù)據(jù)查詢和更新。這樣的組織方式使得上位機軟件結(jié)構性更強，開發(fā)難度反而下降，也利于軟件的升級。

通信模塊與下位機進行數(shù)據(jù)的交互主要包括：一是對采集到的每個生產(chǎn)工位的數(shù)據(jù)進行處理，將相關數(shù)據(jù)同步到數(shù)據(jù)庫；二是響應工位的請求，下發(fā)相關命令給每個生產(chǎn)工位。交互的數(shù)據(jù)包含了所有的工位的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)幀格式如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)幀格式

在與中轉(zhuǎn)器通過以太網(wǎng)通信中，PC 扮演的是客戶端角色，利用Delphi7中的TcpClient控件可以很方便地實現(xiàn)其功能。

處理程序的偽代碼如下：

4.2 人機交互界面模塊設計

該界面是在Visual Studio 2005.Net編程環(huán)境中使用C#語言編程完成，通過在.Net平臺上運用C#可以很便捷地進行應用軟件的快速開發(fā)[9-10]，后臺數(shù)據(jù)庫采用廣泛使用、操作簡便的SQLServer2000來存儲數(shù)據(jù)[11]。其主界面框架如圖7所示。

圖7 上位機軟件主界面

人機交互界面主要功能包括：

（1）實時顯示各個工位的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。通過更新每個工位上傳的數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)給管理者，以利于生產(chǎn)進程的判斷和調(diào)整；

（2）制定加工方案。根據(jù)要生產(chǎn)服裝款式的工藝要求，制定相應的加工方案，即安排工位制作相應的工序；

（3）員工信息的管理。對員工個人基本信息的統(tǒng)計，員工工作狀態(tài)的設置，對生產(chǎn)小組的設置；

（4）自動生成報表。將數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，按著用戶的要求生成對應的報表；

（5）進行多任務工作機制管理。多種款式同時加工，按尺寸、顏色分類統(tǒng)計，可以對多條流水線集中控制。

5 系統(tǒng)測試

為了方便系統(tǒng)通信的調(diào)試和系統(tǒng)工作過程中事故的排查，在上位機軟件的通信模塊中，本研究將與下位機的數(shù)據(jù)交互過程以日志的形式記錄下來。測試日志截圖如圖8所示。

圖8 測試日志截圖

測試：設置10個加工工位，1號2號3號站上吊架，上位機接收到數(shù)據(jù)后對其進行分析，在13:55:23時刻做出應答，發(fā)送命令工位。在13:55:27時刻，上位機收到工位執(zhí)行命令后的應答信息。吊架進入機械傳輸裝置前后經(jīng)歷大概在4 s左右，滿足生產(chǎn)需求。

從日志中可以看到，上位機和下位機通信呈應答模式，下位機上傳的數(shù)據(jù)和上位機下發(fā)的命令都可以比較直觀地呈現(xiàn)，調(diào)試和事故的查找非常方便。

6 結(jié)束語

本研究設計和實現(xiàn)的服裝吊掛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)與目前市場同類產(chǎn)品相比，通信架構產(chǎn)生了全新的變化，整個結(jié)構靈活性更強，所設計的連接兩種通信方式的中轉(zhuǎn)器，其結(jié)構簡便、成本低，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效果理想。系統(tǒng)的上位機軟件界面友好，操作簡單。該系統(tǒng)已經(jīng)在寧波纖真服飾有限公司、寧波華鑫針織制衣有限公司等企業(yè)投入使用，得到用戶滿意反饋。

（References）:

[1]陳洪倩，陳 雁，丁 佳，等.服裝吊掛線生產(chǎn)組織分析[J].絲綢，2012，49（1）:30-32.

[2]周旭東，宋曉霞，劉靜萍.智能服裝吊掛生產(chǎn)管理系統(tǒng)的研究[J].上海工程技術大學學報，2000，14（3）:63-67.

[3]唐 粲，贠 超，寧遠明.密集架安全監(jiān)測與控制技術研究[J].機電工程，2008，25（6）:1-4.

[4]張早生，黃廷磊.基于以太網(wǎng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與應用[J].計算機系統(tǒng)應用，2010，19（7）:122-125.

[5]李秉榮，劉夫云，魯倪亞.基于RS485 和TCP/IP 網(wǎng)絡的分布式稱重系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用，2011（9）:35-38

[6]高軍麗，王寶珠.基于RS-485 總線的智能分布式測控系統(tǒng)設計[J].計算機與現(xiàn)代化，2012（3）:151-154.

[7]王計元.單片網(wǎng)絡接口芯片W5100 的原理與應用[J].上海電力學院學報，2011，27（2）:153-159.

[8]王林瑋.Delphi7 數(shù)據(jù)庫工程實用編程技術[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[9]高 揚.基于NET 平臺的三層架構軟件框架的設計與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展，2011，21（2）:77-80，85.

[10]張 立.C#程序設計編程經(jīng)典[M].北京:清華大學出版社，2008.

[11][美]Jeffrey R.Shapiro.Microsoft SQL Server2000 參考大全[M].周 之，等譯.北京:清華大學出版社，2002.