呂 偉

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

紡織服裝業(yè)在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)重要地位,紡織機的工作狀況對紡紗廠的生產、經(jīng)營和管理有重要影響。經(jīng)過長期發(fā)展,我國紡織行業(yè)具有勞動力成本低、產業(yè)鏈完整、加工配套水平高、產業(yè)集群地眾多等明顯競爭優(yōu)勢[1]。但是,與國外紡織企業(yè)相比,我國紡織企業(yè)的管理水平與信息化程度普遍較低,目前主要依靠人工在現(xiàn)場或監(jiān)控室對細紗機進行故障監(jiān)控,維護成本高,有效性和及時性差[2-3]。

在紗線生產過程中,紗線斷頭率是細紗產量和質量控制的關鍵指標之一[4-5]。紗線斷頭指在紡織生產過程中,因原料、工藝、設備、溫濕度等原因,使正在加工的紗線或半制品產生斷裂,單位時間單位設備的紗線斷頭數(shù)量稱為紗線斷頭率。如果不能及時有效處理紗線斷頭,那么不僅會損壞細紗機的主要零部件,而且會因紗線斷頭產生的飛花影響紗線質量[6]。實時監(jiān)控紡紗機的運行狀況,能夠確保及時處理紗線斷頭等故障,提高生產管理效率和產品質量,并且使企業(yè)管理者通過網(wǎng)絡了解工廠實時生產狀況,建立有效的管理機制。對此,筆者研究開發(fā)了一套細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng),通過獲取實時生產數(shù)據(jù)實現(xiàn)細紗機的實時監(jiān)控,能夠有效提高細紗機的生產管理水平。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用瀏覽器訪問的方式,實現(xiàn)紡織行業(yè)異地多廠的遠程數(shù)據(jù)存儲、實時監(jiān)控和生產管理。細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖1所示,各紡紗廠在本地布置邊緣網(wǎng)關,對細紗機底層數(shù)據(jù)進行采集,并轉發(fā)至遠程數(shù)據(jù)平臺。遠程數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)對各紡紗廠數(shù)據(jù)的解析存儲,按照實時數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分類存儲,支持對歷史數(shù)據(jù)的記錄和追溯。服務端訪問數(shù)據(jù)平臺,實現(xiàn)對多家紡紗廠的遠程監(jiān)控和統(tǒng)一管理。客戶端根據(jù)權限訪問數(shù)據(jù)平臺中對應的紡紗廠的數(shù)據(jù),進行遠程監(jiān)控和管理。

圖1 細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源于設置在設備端的邊緣網(wǎng)關,邊緣網(wǎng)關獲取細紗機控制系統(tǒng)主節(jié)點的實時生產數(shù)據(jù),兩者通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議交互,具有資源消耗少、處理速度快的優(yōu)點[7]。邊緣網(wǎng)關將實時生產數(shù)據(jù)通過消息隊列遙測傳輸協(xié)議上傳至數(shù)據(jù)平臺,消息隊列遙測傳輸協(xié)議具有功耗低、開放性好、簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點[8]。數(shù)據(jù)解析模塊對數(shù)據(jù)進行解析和統(tǒng)計計算,軟件端讀取解析后的數(shù)據(jù),進而實現(xiàn)對細紗機運行狀況的實時監(jiān)控和歷史報表分析。

3 系統(tǒng)架構

邊緣網(wǎng)關獲取細紗機控制系統(tǒng)主節(jié)點的實時生產數(shù)據(jù),在不影響系統(tǒng)控制流程的情況下進行數(shù)據(jù)采集,現(xiàn)場每臺細紗機配備一臺邊緣網(wǎng)關。由于采集的數(shù)據(jù)量較大且節(jié)點數(shù)量多,細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng)配備獨立的數(shù)據(jù)解析模塊。

細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構自下而上劃分為數(shù)據(jù)層、服務層、應用層三個層次,如圖2所示。數(shù)據(jù)層用于存儲整個系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù),包括邊緣網(wǎng)關上傳的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)和分析后的統(tǒng)計數(shù)據(jù),以及支撐系統(tǒng)運行的管理數(shù)據(jù)。服務層服務于系統(tǒng)業(yè)務,包括數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、應用程序接口模塊和緩存服務模塊。應用層與用戶直接相關,包括實時監(jiān)控模塊、報表分析模塊、生產參數(shù)設置模塊、系統(tǒng)管理模塊、智能分析模塊、排班管理模塊。

圖2 細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構

3.1 應用層

細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構應用層中,實時監(jiān)控模塊通過數(shù)據(jù)分析對車間級、設備級、錠子級數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控,監(jiān)控現(xiàn)場的生產效率、錠子速度、實時產量等生產指標。界面通過不同的顏色表示細紗機、錠子的不同狀態(tài),實時提示紗線斷頭、錠子弱捻等報警信息,部分界面在車間大屏上進行顯示。

報表分析模塊通過對所記錄的歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析,生成車間、設備、班組、人員生產狀況的統(tǒng)計報表。通過報表可以對比每臺細紗機的加工情況、不同工人的生產效率,實現(xiàn)對人員的績效管理和對設備的運行狀況管理。

通過生產參數(shù)設置模塊可以對生產參數(shù)、設備參數(shù)及基礎信息進行設置,支持各數(shù)據(jù)表格的增刪查改。

系統(tǒng)管理模塊考慮整個系統(tǒng)的擴展性,支持基本數(shù)據(jù)的配置管理,并考慮數(shù)據(jù)安全問題,為不同用戶配備對應的權限。

智能分析模塊通過對紗線斷頭和錠子速度的對應關系進行分析,給出錠子速度設置建議,以減少紗線斷頭數(shù)量,從而提高生產質量。基于車間設備排布和紗線斷頭的具體位置,計算修復當前紗線斷頭的最佳路線,提高現(xiàn)場操作工人對紗線斷頭的響應速度。

通過排班管理模塊可以設置每個班次的上下班時間和人員安排,以及每位操作工人在工作時間內需要負責的細紗機。將工人與設備綁定后,方便報表分析模塊對工人的績效進行統(tǒng)計管理。

實際運行過程中,細紗機的實時數(shù)據(jù)通過邊緣網(wǎng)關傳遞至遠程數(shù)據(jù)平臺,數(shù)據(jù)解析模塊對接收的數(shù)據(jù)進行存儲和解析,實時統(tǒng)計數(shù)據(jù)和報警信息,以3 s的周期推送至實時監(jiān)控模塊。車間現(xiàn)場的管理人員可以通過實時監(jiān)控模塊了解車間生產狀況,通過排班管理模塊對生產計劃進行制訂,通過報表了解一定周期內車間的生產狀況,方便進行生產調整和工人績效考核?，F(xiàn)場操作人員可以通過智能分析模塊了解紗線斷頭的分布情況,按照給出的維修建議進行修復,并合理調整細紗機的運轉速度,以減少紗線斷頭情況和質量問題。

3.2 服務層

邊緣網(wǎng)關上傳的信息包括當前的設備狀態(tài)信息和細紗機錠子信息。每臺細紗機有1 200個錠子,每60個錠子信息為一個數(shù)據(jù)包,每個數(shù)據(jù)包的具體信息包括機器編碼、落紗標志位、細紗機轉速、錠子速度、紗線斷頭標志、傳感器故障標志等。

數(shù)據(jù)解析模塊對接收的數(shù)據(jù)進行存儲和解析,按照錠子、細紗機、車間、班次等層級進行紗線斷頭數(shù)量、產量、生產效率、錠子弱捻、報警等的統(tǒng)計分析。

紗條繞軸心旋轉360°稱為一個捻回,退捻前規(guī)定長度內的捻回數(shù)稱為捻度[9]。紗線加捻的目的是改變紗線的機械性能和光澤度[10]。捻度因數(shù)是紗線加捻程度的相對數(shù)值,可用于比較不同粗細紗線的加捻程度,計算設定速度。連續(xù)接收數(shù)據(jù)時,錠子速度均小于設定速度,則判斷為弱捻。

單臺細紗機實時紗線斷頭數(shù)量指落紗周期內單臺細紗機所有錠子累計紗線斷頭數(shù)量,在一個落紗周期結束,下一個落紗周期開始時,實時紗線斷頭數(shù)量清零。

單臺細紗機實時弱捻次數(shù)為落紗周期內單臺細紗機所有錠子累計弱捻次數(shù),在一個落紗周期結束,下一個落紗周期開始時,實時弱捻次數(shù)清零。

單臺細紗機當前班次產量為單臺細紗機所有錠子產量之和,當前班次產量為所有單臺細紗機當前班次產量之和,當前班次紗線斷頭數(shù)量為所有單臺細紗機當前班次紗線斷頭數(shù)量之和,當前班次弱捻錠子數(shù)量為所有單臺細紗機當前班次弱捻錠子數(shù)量之和,當前班次生產效率為所有單臺細紗機生產效率的平均值。

設計緩存服務模塊的目的是提高系統(tǒng)響應速度。系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)的刷新頻率較高,在實時監(jiān)控時如果從數(shù)據(jù)庫中讀寫,那么效率很低。對此,在系統(tǒng)設計時將大部分需要在應用層進行展示的實時數(shù)據(jù)存入緩存數(shù)據(jù)庫,應用層可以直接從緩存數(shù)據(jù)庫中調用,縮短訪問延時,提高訪問效率。

為了方便數(shù)據(jù)庫的維護和統(tǒng)一管理,通過統(tǒng)一的應用程序接口模塊訪問數(shù)據(jù)。訪問數(shù)據(jù)庫時,只需要將操作語句提交至應用程序接口模塊,而不必關注數(shù)據(jù)庫的每一個操作步驟。

3.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層用于存儲細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù),包括邊緣網(wǎng)關上傳的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、分析統(tǒng)計數(shù)據(jù),以及支撐系統(tǒng)運行的管理數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)是高頻時間流數(shù)據(jù),系統(tǒng)選用基于分布式文件存儲的數(shù)據(jù)庫MangoDB存儲。統(tǒng)計數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)是關系型數(shù)據(jù),選用關系型數(shù)據(jù)庫MySQL存儲。

4 系統(tǒng)界面

細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用瀏覽器與服務器架構和Java開發(fā)語言設計,細紗機主監(jiān)控界面如圖3所示。細紗機主監(jiān)控界面實時顯示車間的整體加工情況,包括所有細紗機的狀態(tài)、當前效率較差且紗線斷頭數(shù)量較多的細紗機、車間的工作效率。

圖3 細紗機主監(jiān)控界面

細紗機實時監(jiān)控界面如圖4所示,顯示單臺細紗機錠子排布、實時紗線斷頭和錠子弱捻信息。其中,每個藍色長方形代表60個錠子,若有紗線斷頭,則對應的藍色長方形變?yōu)榧t色長方形,提示故障,下方列表顯示具體紗線斷頭的錠子。

圖4 細紗機實時監(jiān)控界面

班次設置界面如圖5所示,可以設置班次信息和每日的排班情況,包括每班次的人員安排和每位人員負責的細紗機。

圖5 班次設置界面

斷頭報表界面如圖6所示,基于落紗完成比例,可以對歷史成紗過程中的紗線斷頭情況進行分類統(tǒng)計。

圖6 紗線斷頭報表界面

落紗完成0～5%稱為始紡階段,落紗完成5%～25%稱為小紗階段,落紗完成25%～90%稱為中紗階段,落紗完成90%～99%稱為大紗階段,落紗完成100%稱為滿紗。

5 結束語

筆者研究開發(fā)了細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了紡織行業(yè)異地多廠的遠程數(shù)據(jù)存儲、實時監(jiān)控、生產管理、報表分析,有利于提高紡織行業(yè)的智能運維水平。通過細紗機遠程監(jiān)控系統(tǒng),可以指導現(xiàn)場操作人員快速解決紗線斷頭、錠子弱捻等問題,幫助管理者了解車間的實時生產狀況、人員績效,有助于提高紡紗廠的生產管理水平,具有實用價值。