胡旭東， 沈春婭， 彭來湖， 汝 欣

(浙江理工大學 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

針織裝備的智能制造及互聯(lián)互通標準驗證

胡旭東， 沈春婭， 彭來湖， 汝 欣

(浙江理工大學 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

為解決目前針織行業(yè)內(nèi)針織設備接口不統(tǒng)一，設備難以實現(xiàn)互聯(lián)互通及互操作等諸多問題，制定了針織機械網(wǎng)絡通信接口系列行業(yè)標準。這些標準規(guī)范針織裝備，包括橫機、圓緯機和經(jīng)編機的通信接口和數(shù)據(jù)協(xié)議，實現(xiàn)標準內(nèi)設備互聯(lián)互通及互操作。同時建設不少于3個試驗驗證平臺，分別對橫機、圓緯機和經(jīng)編機的互聯(lián)互通方法及可靠性進行試驗驗證，以期在驗證的基礎上進行行業(yè)示范和推廣。對于現(xiàn)役裝備，通過制定網(wǎng)關標準將其納入標準范圍。

針織裝備； 智能制造； 網(wǎng)絡通信接口標準； 標準驗證

我國是世界人口最多的國家，吸納勞動力最多的制造業(yè)是我們國家的立國之本、興國之器、強國之基[1]。制造業(yè)作為我國實體經(jīng)濟的主體，國民經(jīng)濟的支柱[2]，對我國的國民經(jīng)濟、社會進步以及人民富裕起到關鍵作用[3]。紡織業(yè)作為我國傳統(tǒng)和優(yōu)勢的制造業(yè)，紡織產(chǎn)值占全國工業(yè)總產(chǎn)值6%左右，紡織工人約1 300萬，占全國產(chǎn)業(yè)工人的13%，紡織業(yè)是用工最多的產(chǎn)業(yè)，也是關系國計民生的重要產(chǎn)業(yè)，在國際上占據(jù)重要的地位，是我國主要出口產(chǎn)業(yè)之一。然而，近年來，紡織行業(yè)的發(fā)展受到了極大的挫折，勞動力成本紅利的消失、原材料成本的快速上升、東南亞國家制造業(yè)的崛起和國際競爭的加劇等，都對我國紡織業(yè)的發(fā)展帶來巨大的沖擊。

重振紡織業(yè)的輝煌，就要在自主創(chuàng)新、資源利用效率、產(chǎn)業(yè)結構水平、信息化程度、質(zhì)量效益等方面縮小與制造強國的差距[4]，著力提高紡織裝備自動化和智能化水平，主動接入物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，利用網(wǎng)絡的邊際效應和倍增效應，提升紡織業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品對市場的快速響應能力。實現(xiàn)從制造大國向制造強國的轉變，紡織業(yè)的轉型升級和跨越發(fā)展是重中之重[5]。

智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術[1]?！吨袊圃?025》將智能制造定位為中國制造業(yè)實現(xiàn)由大變強，深度融合工業(yè)化與信息化的主攻方向[6]。發(fā)展智能制造，要加強紡織裝備的智能化、設計過程的智能化、加工工藝的優(yōu)化、管理的信息化、服務的敏捷化/遠程化。在此過程中，加強紡織機械設備的標準化體系建設是關鍵，也是實現(xiàn)紡織裝備網(wǎng)絡化與智能化的基礎。本文主要探討針織機械網(wǎng)絡通信接口系列行業(yè)標準的制定。

1 制約紡織智能制造的技術因素

要實現(xiàn)智能制造，需將制造技術與數(shù)字技術、智能技術及新一代信息技術融合，開發(fā)面向產(chǎn)品全生命周期的具有信息感知、優(yōu)化決策、執(zhí)行控制功能的制造系統(tǒng)，以實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、柔性、清潔、安全、敏捷的產(chǎn)品制造和用戶服務。體現(xiàn)于紡織智能制造，就是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及無線傳感網(wǎng)絡技術，把各類紡織設備進行聯(lián)網(wǎng)上線，構成設備的機聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡，建立大數(shù)據(jù)平臺，實時采集紡織產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)(如編織花樣、產(chǎn)量、工藝參數(shù))、設備數(shù)據(jù)(如設備轉速、各部件的運行情況、設備報警信息)、環(huán)境數(shù)據(jù)(如溫度、濕度)等，對設備的運行情況進行監(jiān)控和匯集，并根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度需求在線下達單機的生產(chǎn)計劃，下發(fā)產(chǎn)品信息，實現(xiàn)智能遠程運維，并結合大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，整合紡織行業(yè)長期積累的產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)、 資源和技術創(chuàng)新及管理經(jīng)驗，重新建構紡織產(chǎn)業(yè)鏈各要素，實現(xiàn)智能分析，促進企業(yè)的生產(chǎn)模式和組織形式的變革[7]，這對行業(yè)智能制造意義重大。

根據(jù)美國能源部對智能制造的定義：智能制造是先進的傳感、儀器、監(jiān)測、控制和過程優(yōu)化的技術和實踐的組合，它們將信息和通訊技術與制造環(huán)境融合在一起，實現(xiàn)工廠和企業(yè)中能量、生產(chǎn)率和成本的實時管理。構成智能制造的關鍵是設備互連的標準和通訊協(xié)議[8]，這也是制約我國紡織智能制造的最主要因素。迄今為止，在紡織裝備領域國內(nèi)外還沒有現(xiàn)成的設備互聯(lián)標準及相關數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，不同企業(yè)生產(chǎn)的同類設備之間無法實現(xiàn)事實上的聯(lián)通，哪怕物理上將設備連接在一起，也難以取得所需要的數(shù)據(jù)，更不要說設備之間的互聯(lián)、互通及互操作。

其次，智能制造需要設備具有原位檢測、信息傳送和執(zhí)行驅(qū)動的智能單元，現(xiàn)階段在紡織裝備中，單元智能部件的缺失使得紡織裝備的智能制造處于一種淺層的智能化，或者說的是一種在自動化程度上增加了網(wǎng)絡功能，與真正意義上的智能制造還有相當?shù)木嚯x。

再有，紡織智能制造不能只是要求設備具有信息采集、傳送等功能，更重要的是要將紡織生產(chǎn)工藝與設備的控制系統(tǒng)有機融合，智能控制系統(tǒng)要有能自行學習和維護生產(chǎn)的工藝數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)，在此基礎上還要進一步挖掘生產(chǎn)工藝，為紡織品生產(chǎn)提供更好的工藝參數(shù)，破除目前的數(shù)字化裸機現(xiàn)象。

為此，紡織裝備智能化的首要任務是將智能制造標準體系制定納入到頂層設計中[9]，給傳統(tǒng)設備接入互聯(lián)網(wǎng)提供規(guī)范的標準，實現(xiàn)設備間的互聯(lián)互通，進行信息融合，為大數(shù)據(jù)挖掘、實現(xiàn)智能優(yōu)化決策提供可能，為信息時代的“互聯(lián)網(wǎng)+”提供技術支撐。

2 針織裝備互聯(lián)互通標準的制定

針織產(chǎn)品是紡織品中的一個大類，針織生產(chǎn)是近年來發(fā)展最為迅速的生產(chǎn)模式之一，針織品花型變化靈活，生產(chǎn)效率比機織要高很多，而且可不經(jīng)過裁剪直接編織成型，因此針織已超過機織成為紡織品生產(chǎn)的主要方式。制定針織裝備互聯(lián)互通標準，主要需解決企業(yè)機聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡連接結構以及層級結構，特別是要兼容現(xiàn)有的有線連接方式和已經(jīng)出現(xiàn)或者將要出現(xiàn)的無線連接方式，使得標準有一定的前瞻性和可操作性。

本文探討針織機械裝備間互聯(lián)、互通及互操作的 7 項行業(yè)/國家標準的制定，實現(xiàn)橫機、圓緯機和經(jīng)編機等針織機械裝備間互聯(lián)互通及互操作。在數(shù)據(jù)通訊協(xié)議中，對設備現(xiàn)有的狀態(tài)做出明確的描述，同時還兼顧不同針織設備的特殊性，使標準可覆蓋所有的針織機械；在通訊協(xié)議上，對組成智能制造的信息需求進行合理歸納，結合數(shù)據(jù)庫技術提出有效的通信協(xié)議。

標準中將整個針織設備監(jiān)控網(wǎng)絡結構分為廠級網(wǎng)絡、主干控制網(wǎng)絡、設備組控制網(wǎng)絡。采用分層互聯(lián)結構，可根據(jù)所管理針織設備的規(guī)模及分布地域的情況，在管理層級上靈活配置和調(diào)整，以適應實際的需要。具體結構如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡拓撲結構Fig.1 Network topology

2.1 物理接口規(guī)范

針織設備監(jiān)控網(wǎng)絡不同層級具有不同的物理接口，制定的標準規(guī)定了中央監(jiān)控中心、設備組監(jiān)控中心及網(wǎng)關、針織設備的相關物理接口標準，包括有線和無線標準規(guī)范。中央監(jiān)控中心通過廠級網(wǎng)絡與企業(yè)資源計劃(ERP)系統(tǒng)連接，并通過以太網(wǎng)連接主干控制網(wǎng)；設備組監(jiān)控中心通過主干控制網(wǎng)絡/廣域網(wǎng)連接到中央監(jiān)控中心；針織設備則通過設備組控制網(wǎng)絡連接到設備組監(jiān)控中心，或直接通過主干控制網(wǎng)絡/廣域網(wǎng)連接到中央控制中心。與主干控制網(wǎng)直接相連的針織設備的物理接口采用以太網(wǎng)；與設備組監(jiān)控中心或網(wǎng)關相連的針織設備的物理接口可采用以太網(wǎng)、WIFI等，采用這類接口的針織設備需通過特定的設備代理服務器(網(wǎng)關)進行通訊接口和內(nèi)容的轉換與中繼，接入其上級網(wǎng)絡管理服務器。為讓已有老設備也能接入互聯(lián)網(wǎng)，打通現(xiàn)役設備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的最后通道，本文還研制了相關3類針織設備專用網(wǎng)關，并制定相關網(wǎng)關標準。

2.2 接口通信協(xié)議規(guī)范

互聯(lián)互通標準對各類物理接口的通訊協(xié)議及數(shù)據(jù)格式也做了相關規(guī)定。廠級網(wǎng)絡應采用基于以太網(wǎng)連接的傳輸控制協(xié)議(TCP)及用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)的通信協(xié)議。主干控制網(wǎng)絡可采用工業(yè)以太網(wǎng)(Profinet)、網(wǎng)絡通訊協(xié)議(Modbus)、傳輸控制/網(wǎng)絡通訊協(xié)定(TCP/IP)等。設備組控制網(wǎng)絡根據(jù)針織設備連接到不同的網(wǎng)絡層可采用Profinet、Modbus、TCP/IP等。

針織設備與管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互分為3類指令：控制型指令、數(shù)據(jù)傳輸型指令、狀態(tài)查詢型指令。針織設備向管理系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)稱上行指令，管理設備向針織設備發(fā)送數(shù)據(jù)稱下行指令。上行指令或下行指令都以數(shù)據(jù)幀格式進行，每條數(shù)據(jù)幀分為指令信息頭、指令信息。指令信息頭包括：指令類型代碼、時間戳、設備ID(設備唯一標志)3部分內(nèi)容，為定長數(shù)據(jù)。指令信息部分根據(jù)指令類型不同而內(nèi)容不同，為可變長數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 指令信息數(shù)據(jù)幀格式

指令中的指令信息內(nèi)容包括參數(shù)塊代碼與參數(shù)代碼，將3類針織設備相關的所有數(shù)據(jù)按照功能分成各參數(shù)塊，包括設備數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)及工藝數(shù)據(jù)，在各參數(shù)塊中再對所包含的參數(shù)編碼，每塊參數(shù)塊中留有擴展空間。每一類針織設備依據(jù)設備參數(shù)不同都有各自的參數(shù)列表。以圓緯機為例，參數(shù)劃分格式如表2所示。

表2 圓緯機參數(shù)劃分格式

3 標準驗證

試驗和驗證是互聯(lián)互通標準制定的關鍵一環(huán)。在對制定的標準進行全面試驗驗證過程中，構建不同設備混合交互操作的實驗室平臺，對協(xié)議本身技術和數(shù)據(jù)通訊進行試驗。驗證平臺的結構如圖2所示。

圖2 針織機械互聯(lián)互通驗證平臺結構Fig.2 Platform structure of verification about interconnection

為驗證標準的正確性和可靠性，本文通過構建以網(wǎng)絡化、信息化思想為基礎，有效銜接各局部數(shù)字化控制系統(tǒng)的針織設備機聯(lián)網(wǎng)，對互聯(lián)互通標準中制定的通信接口規(guī)范、數(shù)據(jù)協(xié)議進行驗證。云平臺端參數(shù)設置頁面如圖3所示，設備信息、生產(chǎn)信息顯示頁面如圖4所示。

驗證平臺的功能設計有：1)信息反應快速，實時追蹤查詢機臺狀況、訂單進度；2)管理加速，集中/獨立管理，遠程/機臺操控；3)數(shù)據(jù)追蹤，工藝、生產(chǎn)數(shù)據(jù)全程紀錄、追蹤、顯示；4)提高生產(chǎn)效率，車間實時報工，減少統(tǒng)計人力；5)控制能源成本，準確核算機臺電、氣能耗；6)提質(zhì)與節(jié)源，降低疵品率，減少車間偷圈、偷料現(xiàn)象；7)提高產(chǎn)品質(zhì)量，確保按照標準的工藝指標操作等。構建機聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，避免出現(xiàn)信息化孤島，實現(xiàn)各工序生產(chǎn)設備的數(shù)字化智能控制，將成本管理、訂單管理、生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理等融為一體，實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的數(shù)字化、可視化、再現(xiàn)化，提高生產(chǎn)效益、加強管理效能、降低生產(chǎn)成本。

圖3 設備參數(shù)設置界面Fig.3 Set machine parameters

圖4 設備信息詳情界面Fig.4 Details of machine data

該機聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)目前已在浙江日發(fā)紡織機械股份有限公司的生產(chǎn)線上進行示范使用，實現(xiàn)多臺針織設備聯(lián)網(wǎng)上線，使用標準中制定的數(shù)據(jù)幀格式實現(xiàn)現(xiàn)場設備與服務器端數(shù)據(jù)交互。在云平臺端可設置設備信息上報頻率、限速度值、當前角度等設備參數(shù)，可向設備傳輸花型、升級程序文件等，實現(xiàn)工藝參數(shù)的自動導航設置和批量化下載、系統(tǒng)程序遠程在線批量化更新；此外，機聯(lián)網(wǎng)云平臺還實現(xiàn)生產(chǎn)信息的在線采集和顯示、設備故障的自動報警、現(xiàn)場故障遠程診斷、遠程維護等功能。并在這些過程中，對針織裝備間互聯(lián)互通的網(wǎng)絡接口、數(shù)據(jù)格式進行驗證。

4 結 語

智能制造是一個循序漸進的過程，在推進和實施智能制造的過程中，要遵循不在落后的工藝基礎上搞自動化、不在落后的管理基礎上搞信息化、不在不具備網(wǎng)絡化數(shù)字化基礎時搞智能化的“三不要”原則。同時還要堅持智能制造標準規(guī)范要先行，智能制造支撐基礎要強化，賽博物理系統(tǒng)(CPS)理解要全面的“三要”原則[10]。

本文通過制定針織設備互聯(lián)互通標準，將現(xiàn)役裝備通過網(wǎng)關納入標準體系，為紡織裝備的智能制造提供參考模式，對傳統(tǒng)制造業(yè)有一定的參考價值。本文的標準體系已通過試驗，對不同設備制造商提供的符合標準的接口進行驗證，并獲得可信的結論。

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Intelligentmanufacturingandstandardaboutinteroperabilityverificationofknittingmachine

HU Xudong， SHEN Chunya， PENG Laihu， RU Xin

(ZhejiangProvincialKeyLabofModernTextileMachineryTechnology,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

In order to solve problems such as the inconsistent interface of the knitting machines in the knitting industry and difficult realization of the intercommunication and interoperability of the machines, a series of industrial standards of the knitting machinery network communication interface were established. The standards cover the communication interface and data communication protocol of a flat knitting machine, a circular knitting machine and a warp knitting machine, and the intercommunication and interoperability of the knitting machine within the standards are realized. At least three test platforms were built to test the intercommunication method and the reliability of the flat knitting machine, the circular knitting machine and the warp knitting machine so as to carry out industrial demonstration and generalization on the basis of standards verification. For the serving machines, the gateway standard is established and brought into the standard range.

knitting machine; intelligent manufacturing; network communication interface standard; standard verification

TP 311；TS 184.5

A

10.13475/j.fzxb.20170606905

2017-06-22

2017-07-15

胡旭東(1959—)，男，教授，博士。主要研究方向為紡織裝備自動化。E-mail：xdhu@zstu.edu.cn。