程方曉 袁嫣紅 李躍珍

摘 要：包覆紗機(jī)因?yàn)殄V速問題導(dǎo)致產(chǎn)品不合格的現(xiàn)象非常普遍。針對多錠數(shù)、高轉(zhuǎn)速錠子轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究。該系統(tǒng)利用光電傳感器與滯回電壓比較器，實(shí)現(xiàn)了錠子轉(zhuǎn)速信號的標(biāo)準(zhǔn)化;采用定時(shí)器的分時(shí)復(fù)用及通道多路切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)多錠轉(zhuǎn)速的采集;通過錠子狀態(tài)判定算法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警;利用WiFi與4G模塊，并通過OneNet云平臺完成本地?cái)?shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。設(shè)計(jì)完成的錠速監(jiān)測系統(tǒng)通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)的使用可以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場自動(dòng)及時(shí)提醒設(shè)備維護(hù)的需求，提高了企業(yè)生產(chǎn)管理的自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：包覆紗機(jī);錠速測速;遠(yuǎn)程監(jiān)控

Abstract：It is common that covering yarn machine produces unqualified products due to the spindle speed problem. Thus， researches are conducted on multi-spindle and high-speed spindle speed monitoring system. The system uses photoelectric sensor and hysteresis voltage comparator to realize standardization of spindle speed signal. The multi-spindle revolving speed acquisition is realized by the time division multiplexing of the timer and the multi-channel switching technology of the acquisition channel. The automatic alarm of the monitoring system is realized by the spindle state determination algorithm. By using WiFi and 4G modules， and through the OneNet cloud platform，the networking of local data is completed， and the system's remote monitoring function is realized. The designed spindle speed monitoring system has passed the experimental verification and realized real-time monitoring of the running status of equipment. The system can be used to address the need of automatic and timely reminding equipment maintenance at the production site， and improve the automation level of production management of enterprises.

Key words：covering yarn machine; spindle speed measurement; remote monitoring

在中國制造2025與紡織工業(yè)“十三五”規(guī)劃的背景下，通過利用傳感器技術(shù)，嵌入式技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改造勢在必行[1-2]。針對包覆紗機(jī)的錠速實(shí)時(shí)檢測，是對現(xiàn)有包覆紗機(jī)自動(dòng)化水平的一個(gè)提升。

包覆紗機(jī)的主要功能是將紗纏繞在以氨綸等為芯的材料上形成包覆紗，目前大部分設(shè)備由龍帶帶動(dòng)錠子高速轉(zhuǎn)動(dòng)，完成包覆動(dòng)作，錠子轉(zhuǎn)速將直接影響到包覆紗成品的質(zhì)量。在生產(chǎn)現(xiàn)場，由于龍帶老化松弛、加油紗線包覆過程中甩出的油霧引起打滑等各種原因，會造成錠速達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。為此，針對每一錠，每天工人必須進(jìn)行錠速的檢測，對轉(zhuǎn)速不達(dá)標(biāo)的錠位進(jìn)行檢修維護(hù)。這種方法，工人只能做到每天1～2次的巡檢，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。因此急需進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，提高包覆紗機(jī)智能化水平。

在對類似設(shè)備監(jiān)測的研究中，沈星林等[3]針對傳統(tǒng)空氣包覆紗機(jī)無法控制紗筒上紗線長度的問題，設(shè)計(jì)了單錠紗線計(jì)長系統(tǒng)，保證每錠完成的包覆紗長度與設(shè)置值的相差在允許范圍內(nèi)。常永和等[4]分析了環(huán)錠紡中紡紗張力、氣圈張力和卷繞張力的特點(diǎn)，得出了紡紗張力參數(shù)對紡紗張力影響的規(guī)律;利用力與位移傳感器、信號處理電路及PLC搭建了在線檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)錠紗條張力的檢測。齊曉旭等[5]以錠子的振動(dòng)為研究對象，利用故障診斷系統(tǒng)，通過小波變換對振動(dòng)進(jìn)行了分析，找出了故障特征，最終分析出了引起故障的各種原因。而針對包覆紗機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控研究還處于初始階段。通過對包覆紗機(jī)應(yīng)用企業(yè)進(jìn)行調(diào)研和分析，設(shè)備運(yùn)行過程的各種問題，如部件損壞、龍帶松弛、龍帶傳動(dòng)打滑等最終反映到錠速上，因此本文開展錠速檢測的研究。

針對1臺包覆紗機(jī)存在多達(dá)192個(gè)錠子，錠子的轉(zhuǎn)速高達(dá)上萬轉(zhuǎn)的現(xiàn)狀，本文提出采集模塊化，人機(jī)交互集中化的高速錠速監(jiān)測系統(tǒng)。采集模塊之間利用CAN總線實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)中所有錠速，對轉(zhuǎn)速存在問題的錠子進(jìn)行報(bào)警。本設(shè)計(jì)應(yīng)用無線模塊（WiFi與4G）將數(shù)據(jù)傳到云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過累積的歷史數(shù)據(jù)，為企業(yè)大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支持。

1 高速錠速監(jiān)測系統(tǒng)的組成

錠速監(jiān)測系統(tǒng)由采集模塊、人機(jī)交互模塊和云平臺3個(gè)部分組成（圖1）。根據(jù)設(shè)備實(shí)際采用的錠數(shù)，可以自由增減采集模塊的數(shù)量。

采集模塊完成錠速的實(shí)時(shí)采集計(jì)算，并通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳到人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互模塊接收數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行處理，提供錠速監(jiān)測與報(bào)警功能。WiFi與4G模塊將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳至云平臺。云平臺通過接收存儲現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，完成遠(yuǎn)程監(jiān)測與歷史數(shù)據(jù)的回溯與分析。

2 采集模塊的設(shè)計(jì)

2.1 測速方案的制定

一節(jié)包覆紗機(jī)由上下兩層、左右兩面，共24個(gè)錠子組成。一臺包覆紗機(jī)由6～8節(jié)包覆紗機(jī)組成，最多可達(dá)192個(gè)錠子。錠子通過龍帶傳動(dòng)，轉(zhuǎn)速可達(dá)14 000 r/min。

根據(jù)錠子錠速高這一特點(diǎn)，采取非接觸式的測量方法。在常用的非接觸式轉(zhuǎn)速測量方法中，利用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、光電傳感器測量是常用的方法[6]。采用霍爾測速的方法需要在設(shè)備上加裝磁鋼，在錠子轉(zhuǎn)速高達(dá)14 000 r/min、軸徑約20 mm的條件下動(dòng)平衡要求非常高，因此不適合霍爾傳感器檢測方法，而利用光電傳感器這種方案只需要在錠子末端涂成黑白兩個(gè)區(qū)域，光在黑白兩個(gè)區(qū)域反射的強(qiáng)度會產(chǎn)生大的變化，通過加裝一對光電管的方式即可采集錠速的信息。

光電轉(zhuǎn)速傳感器選用TCRT5000紅外傳感器，它由一個(gè)藍(lán)色紅外發(fā)射管與一個(gè)黑色紅外接收管組成，相比同類的紅外光電管，它中間有一個(gè)黑色塑料隔板，提高了感應(yīng)元件的靈敏度。

感應(yīng)元件得到的是一個(gè)模擬量，需要檢測電路的放大、濾波及模擬量轉(zhuǎn)化為開關(guān)量等方法來實(shí)現(xiàn)檢測信號的標(biāo)準(zhǔn)化處理。針對一臺設(shè)備上錠子數(shù)量龐大的特點(diǎn)，可采用多路轉(zhuǎn)速分時(shí)復(fù)用一個(gè)定時(shí)器單元的方法來實(shí)現(xiàn)多錠的測量。

2.2 傳感電路的設(shè)計(jì)

傳感器輸出的是模擬信號（圖2），MCU定時(shí)器外設(shè)輸入的是數(shù)字信號，所以要把0～5 V的模擬信號轉(zhuǎn)化為開關(guān)量。電壓比較器是對輸入信號進(jìn)行鑒幅與比較的電路，可完成模擬信號的標(biāo)準(zhǔn)化處理。

在對模擬信號的處理中，若使用單限比較器，由于模擬信號存在高頻成分（圖3），模擬信號到達(dá)閾值電壓時(shí)，會發(fā)生多次跳變，這時(shí)錠子只轉(zhuǎn)一圈，卻有多個(gè)上升/下降沿（圖4），不能滿足設(shè)計(jì)的要求。

針對這種情況，采用滯回比較器，圖5是它的特性圖，Voh與Vol分別是滯回比較器輸出的高低電平，Uh與Ul是正向輸入端電壓的上下閾值，它將電壓跳變的條件劃為一個(gè)區(qū)間。在圖3中，只要高頻信號的振幅不超過電壓上限與電壓下限差值（即滯回區(qū)間）就不會產(chǎn)生跳變。選取合理的滯回區(qū)間即可使輸出信號在一個(gè)錠子旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)只有一對上升/下降沿[7]，排除高頻信號的干擾，滿足測量的需求。

本設(shè)計(jì)選用自帶開漏特性的電壓比較器EG393可實(shí)現(xiàn)Vol=0 V，通過選取3K上拉電阻可以實(shí)現(xiàn)輸出Voh=5 V。

根據(jù)滯回比較電路原理（圖6），可推導(dǎo)出以下公式：

根據(jù)式（1）來選取參數(shù)Ul與Uh，選取R1=33 K，R2=330 K;當(dāng)UREF選擇2.5 V時(shí)，可以得到Ul=2.27 V，Uh=2.72 V。

經(jīng)過試驗(yàn)可得到輸出信號，如圖7所示。錠子轉(zhuǎn)一圈，只有一個(gè)上升/下降沿（圖7圓圈部分），滿足計(jì)量的要求。

一臺包覆紗機(jī)最多可達(dá)192個(gè)錠子。如若每一個(gè)錠子用一個(gè)專用的定時(shí)器來測量轉(zhuǎn)速度，實(shí)時(shí)性固然好，但是會消耗大量的定時(shí)器資源。在現(xiàn)場，10 s內(nèi)測量完1組的數(shù)據(jù)即可滿足監(jiān)控的要求，本設(shè)計(jì)采用分時(shí)復(fù)用定時(shí)器的方法，使用數(shù)據(jù)選擇器74HC151（圖8）。INPUT1～6是輸入的6個(gè)通道，S1～S3是選擇引腳，圖6滯回比較電路中Uo接到INPUT1～6中的一個(gè)通道，MCU通過選擇引腳S1～S3即可實(shí)現(xiàn)INPUT1～6中的一個(gè)通道連通至IN1引腳，由于通道的切換時(shí)間可以達(dá)63 ns，因此通過此種切換模式，1路定時(shí)器可以分時(shí)實(shí)現(xiàn)6路輸入錠速的采集。本系統(tǒng)采用的MCU帶有4個(gè)定時(shí)器，1個(gè)采集模塊可通過分時(shí)切換通道實(shí)現(xiàn)對24路錠速的采集。

2.3 采集模塊的軟件設(shè)計(jì)

錠速采集模塊的運(yùn)行如圖9所示，通過切換數(shù)據(jù)選擇器通道分時(shí)復(fù)用定時(shí)器的方法來實(shí)現(xiàn)多路錠速數(shù)據(jù)的采集。

速度求解通常有兩種方式，一是固定時(shí)間數(shù)脈沖個(gè)數(shù);二是計(jì)量脈沖間隔，即在脈沖的上升沿或下降沿時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到下一個(gè)上升或下降沿。在高速測量的應(yīng)用場景下，一般選取計(jì)量脈沖間隔的測速方法。

STM32F103C8T6這款單片機(jī)有4個(gè)定時(shí)器，可以用輸入捕獲的功能來實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的目的。定時(shí)器的使用主要包含初始化定時(shí)器參數(shù)與中斷函數(shù)的設(shè)計(jì)。

錠子的轉(zhuǎn)速在13 000～15 000 r/min，在定時(shí)器分頻系數(shù)的設(shè)定中，分頻系數(shù)越高精度越好。定時(shí)器的時(shí)鐘為72 MHz，選用分頻系數(shù)71，即每秒可獲得106脈沖，最大可以測量6×107 r/min的速度，滿足當(dāng)前的轉(zhuǎn)速要求。選擇定時(shí)器的輸入捕獲，設(shè)置下降沿為捕獲的特征，并開啟捕獲中斷與更新中斷。

在中斷函數(shù)的編寫中，包含捕獲中斷與更新中斷的編寫。在首次進(jìn)入捕獲中斷時(shí)，清空定時(shí)器，第二次進(jìn)入捕獲中斷時(shí)，存儲定時(shí)器的值，關(guān)閉捕獲中斷;更新中斷是在定時(shí)器值大于65 535時(shí)記錄下溢出的次數(shù)。

通過式（2）即可獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)速ω（r/min）。

3 CAN協(xié)議的制定與緩存機(jī)制

數(shù)據(jù)采集模塊與人機(jī)交互模塊通過CAN總線進(jìn)行通信，CAN協(xié)議如表1所示。本系統(tǒng)由8個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊組成，通過幀ID來區(qū)別設(shè)備，數(shù)據(jù)段首字節(jié)是機(jī)位號，次字節(jié)是錠子號，后兩個(gè)字節(jié)是該位置傳感器測得的轉(zhuǎn)速。

4 人機(jī)交互模塊

emWin是Segger公司針對嵌入式平臺開發(fā)的穩(wěn)定、高效的圖形軟件庫，它適合用于任何圖形LCD的操作應(yīng)用，并可輸出高質(zhì)量的無鋸齒的文字和圖形，通過調(diào)用它提供的函數(shù)接口，即可開發(fā)出人機(jī)交互界面。

在人機(jī)交互的設(shè)計(jì)中，為方便現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)置了3個(gè)界面（圖10），實(shí)時(shí)監(jiān)控界面、監(jiān)控設(shè)置界面、報(bào)警界面。

在實(shí)時(shí)監(jiān)控界面中，使用listview控件呈現(xiàn)錠子的轉(zhuǎn)速，設(shè)置定時(shí)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的刷新，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性;在監(jiān)控設(shè)置界面，提供轉(zhuǎn)速上下限的設(shè)置，當(dāng)啟用過濾時(shí)，系統(tǒng)會對每個(gè)錠子的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判定，對不符合要求的錠子進(jìn)行報(bào)警，在報(bào)警頁面顯示出來。

在生產(chǎn)中，錠子可以分為特殊、正常和非正常3種生產(chǎn)狀態(tài)。其特殊狀態(tài)主要是指換筒過程中的非運(yùn)行狀態(tài)，以及啟停過程。

由于錠子啟停過程中，速度從0與設(shè)定值之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短，且變化趨勢不變。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，若連續(xù)幾次測量的轉(zhuǎn)速均為0，或穩(wěn)定上升/下降，則可判斷該錠位于靜止或啟動(dòng)階段。

排除特殊生產(chǎn)過程外，正常生產(chǎn)過程中錠子實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值的偏差應(yīng)該在一個(gè)有限的范圍內(nèi)，因此錠速與設(shè)定值比較超過了給定的偏差范圍則可有效判定該錠工作不正常。

5 聯(lián)網(wǎng)模塊及云平臺的選擇

為了將本地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，要將采集到的錠速數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。一般狀況下，優(yōu)先選擇WiFi模塊上傳數(shù)據(jù)。圖11是WiFi模塊聯(lián)網(wǎng)的工作流程，ESP8266把數(shù)據(jù)從MCU轉(zhuǎn)發(fā)送到云端，通過連接路由器，與服務(wù)器建立TCP連接，轉(zhuǎn)發(fā)串口數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的上傳。

4G模塊作為一個(gè)冗余的單元來保證數(shù)據(jù)上傳的可靠性。圖12是4G模塊的聯(lián)網(wǎng)流程，當(dāng)WiFi模塊無法接入互聯(lián)網(wǎng)或者無法連接服務(wù)器時(shí)，啟用4G模塊來上傳數(shù)據(jù)，它通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，與服務(wù)器建立TCP連接，轉(zhuǎn)發(fā)錠速數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的上傳。

OneNet是中國移動(dòng)推出的物聯(lián)網(wǎng)平臺，它作為連接和數(shù)據(jù)的中心，具有方便的設(shè)備接入，豐富的API支持等優(yōu)點(diǎn)[8]，遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能可在此平臺實(shí)現(xiàn)。人機(jī)交互模塊匯集到的數(shù)據(jù)均可通過網(wǎng)絡(luò)模塊上傳至此平臺，通過網(wǎng)頁、移動(dòng)終端可遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本監(jiān)測系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集模塊，人機(jī)交互模塊與云平臺3部分。實(shí)驗(yàn)將驗(yàn)證這3部分的工作情況。

數(shù)據(jù)采集模塊采集到的錠速數(shù)據(jù)是本監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接決定本系統(tǒng)的可靠性。在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)臺（圖13），通過伺服電機(jī)來模擬錠子的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速最高只有3 000 r/min，為了模擬出高轉(zhuǎn)速，在電機(jī)軸一周劃分為4個(gè)黑白重復(fù)的周期，模擬出12 000 r/min的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確的被采集。在某紡織廠的實(shí)驗(yàn)車間，安裝采集模塊，部署監(jiān)測系統(tǒng)，14 000 r/min的轉(zhuǎn)速被采集，與工人手頭采集的數(shù)據(jù)一致。

人機(jī)交互模塊接收來自采集模塊的數(shù)據(jù)，其頁面主要包含設(shè)置頁面（圖14）與報(bào)警頁面。在設(shè)置頁面設(shè)置好轉(zhuǎn)速的上下限后，點(diǎn)擊啟動(dòng)監(jiān)測按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)處理程序，切換到報(bào)警歷史頁面即可查看報(bào)警的錠子的歷史記錄。轉(zhuǎn)速有誤的錠子的信息被準(zhǔn)確地記錄下來。

現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到OneNet平臺（圖15）上，在此平臺上可以實(shí)現(xiàn)錠子運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與歷史數(shù)據(jù)的回溯。通過實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到了云平臺，可以在線完成歷史數(shù)據(jù)的查看，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

7 結(jié) 語

針對包覆紗機(jī)設(shè)計(jì)了一套錠速監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)專用電路解決了監(jiān)控系統(tǒng)錠數(shù)多、錠速高的問題，設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面，提供了現(xiàn)場報(bào)警服務(wù)，通過無線模塊與OneNet云平臺實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過實(shí)驗(yàn)，錠速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地被采集并在現(xiàn)場人機(jī)交互的模塊中呈現(xiàn)出來，當(dāng)轉(zhuǎn)速不合格時(shí)，錠子的標(biāo)號在報(bào)警頁面呈現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)上傳至云端，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，為企業(yè)的生產(chǎn)管理提供了相關(guān)數(shù)據(jù)，方便了維護(hù)工作。相信通過一段時(shí)間的數(shù)據(jù)積累，進(jìn)一步對數(shù)據(jù)的分析，可以預(yù)測出可能會出問題的錠子，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)。

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