多锭高速锭速监测系统

来源:用户上传      作者:程方晓 袁嫣红 李跃珍

　　摘 要：包覆纱机因为锭速问题导致产品不合格的现象非常普遍。针对多锭数、高转速锭子转速监测系统进行研究。该系统利用光电传感器与滞回电压比较器，实现了锭子转速信号的标准化;采用定时器的分时复用及通道多路切换技术实现多锭转速的采集;通过锭子状态判定算法实现监测系统的自动报警;利用WiFi与4G模块，并通过OneNet云平台完成本地数据的网络化，实现了系统的远程监测功能。设计完成的锭速监测系统通过了实验验证，实现了设备运行状态的实时监控。该系统的使用可以满足生产现场自动及时提醒设备维护的需求，提高了企业生产管理的自动化水平。
　　关键词：包覆纱机;锭速测速;远程监控
　　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
　　在中国制造2025与纺织工业“十三五”规划的背景下，通过利用传感器技术，嵌入式技术及网络技术对企业生产设备进行改造势在必行[1-2]。针对包覆纱机的锭速实时检测，是对现有包覆纱机自动化水平的一个提升。
　　包覆纱机的主要功能是将纱缠绕在以氨纶等为芯的材料上形成包覆纱，目前大部分设备由龙带带动锭子高速转动，完成包覆动作，锭子转速将直接影响到包覆纱成品的质量。在生产现场，由于龙带老化松弛、加油纱线包覆过程中甩出的油雾引起打滑等各种原因，会造成锭速达不到设计要求。为此，针对每一锭，每天工人必须进行锭速的检测，对转速不达标的锭位进行检修维护。这种方法，工人只能做到每天1～2次的巡检，无法及时发现问题。因此急需进行自动监测系统的研发，提高包覆纱机智能化水平。
　　在对类似设备监测的研究中，沈星林等[3]针对传统空气包覆纱机无法控制纱筒上纱线长度的问题，设计了单锭纱线计长系统，保证每锭完成的包覆纱长度与设置值的相差在允许范围内。常永和等[4]分析了环锭纺中纺纱张力、气圈张力和卷绕张力的特点，得出了纺纱张力参数对纺纱张力影响的规律;利用力与位移传感器、信号处理电路及PLC搭建了在线检测系统，实现了环锭纱条张力的检测。齐晓旭等[5]以锭子的振动为研究对象，利用故障诊断系统，通过小波变换对振动进行了分析，找出了故障特征，最终分析出了引起故障的各种原因。而针对包覆纱机的运行状态的实时监控研究还处于初始阶段。通过对包覆纱机应用企业进行调研和分析，设备运行过程的各种问题，如部件损坏、龙带松弛、龙带传动打滑等最终反映到锭速上，因此本文开展锭速检测的研究。
　　针对1台包覆纱机存在多达192个锭子，锭子的转速高达上万转的现状，本文提出采集模块化，人机交互集中化的高速錠速监测系统。采集模块之间利用CAN总线实现了数据的实时传输，设计了友好的人机交互系统，实时监控生产中所有锭速，对转速存在问题的锭子进行报警。本设计应用无线模块（WiFi与4G）将数据传到云端服务器，实现了远程监控，通过累积的历史数据，为企业大数据分析提供数据支持。
　　1 高速锭速监测系统的组成
　　锭速监测系统由采集模块、人机交互模块和云平台3个部分组成（图1）。根据设备实际采用的锭数，可以自由增减采集模块的数量。 　　采集模块完成锭速的实时采集计算，并通过CAN总线将数据传到人机交互模块。人机交互模块接收数据采集模块的数据，对其进行处理，提供锭速监测与报警功能。WiFi与4G模块将现场采集的数据传至云平台。云平台通过接收存储现场的实时数据，完成远程监测与历史数据的回溯与分析。
　　2 采集模块的设计
　　2.1 测速方案的制定
　　一节包覆纱机由上下两层、左右两面，共24个锭子组成。一台包覆纱机由6～8节包覆纱机组成，最多可达192个锭子。锭子通过龙带传动，转速可达14 000 r/min。
　　根据锭子锭速高这一特点，采取非接触式的测量方法。在常用的非接触式转速测量方法中，利用霍尔转速传感器、光电传感器测量是常用的方法[6]。采用霍尔测速的方法需要在设备上加装磁钢，在锭子转速高达14 000 r/min、轴径约20 mm的条件下动平衡要求非常高，因此不适合霍尔传感器检测方法，而利用光电传感器这种方案只需要在锭子末端涂成黑白两个区域，光在黑白两个区域反射的强度会产生大的变化，通过加装一对光电管的方式即可采集锭速的信息。
　　光电转速传感器选用TCRT5000红外传感器，它由一个蓝色红外发射管与一个黑色红外接收管组成，相比同类的红外光电管，它中间有一个黑色塑料隔板，提高了感应元件的灵敏度。
　　感应元件得到的是一个模拟量，需要检测电路的放大、滤波及模拟量转化为开关量等方法来实现检测信号的标准化处理。针对一台设备上锭子数量庞大的特点，可采用多路转速分时复用一个定时器单元的方法来实现多锭的测量。
　　2.2 传感电路的设计
　　传感器输出的是模拟信号（图2），MCU定时器外设输入的是数字信号，所以要把0～5 V的模拟信号转化为开关量。电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，可完成模拟信号的标准化处理。
　　在对模拟信号的处理中，若使用单限比较器，由于模拟信号存在高频成分（图3），模拟信号到达阈值电压时，会发生多次跳变，这时锭子只转一圈，却有多个上升/下降沿（图4），不能满足设计的要求。
　　针对这种情况，采用滞回比较器，图5是它的特性图，Voh与Vol分别是滞回比较器输出的高低电平，Uh与Ul是正向输入端电压的上下阈值，它将电压跳变的条件划为一个区间。在图3中，只要高频信号的振幅不超过电压上限与电压下限差值（即滞回区间）就不会产生跳变。选取合理的滞回区间即可使输出信号在一个锭子旋转周期内只有一对上升/下降沿[7]，排除高频信号的干扰，满足测量的需求。
　　本设计选用自带开漏特性的电压比较器EG393可实现Vol=0 V，通过选取3K上拉电阻可以实现输出Voh=5 V。
　　根据滞回比较电路原理（图6），可推导出以下公式：
　　根据式（1）来选取参数Ul与Uh，选取R1=33 K，R2=330 K;当UREF选择2.5 V时，可以得到Ul=2.27 V，Uh=2.72 V。
　　经过试验可得到输出信号，如图7所示。锭子转一圈，只有一个上升/下降沿（图7圆圈部分），满足计量的要求。
　　一台包覆纱机最多可达192个锭子。如若每一个锭子用一个专用的定时器来测量转速度，实时性固然好，但是会消耗大量的定时器资源。在现场，10 s内测量完1组的数据即可满足监控的要求，本设计采用分时复用定时器的方法，使用数据选择器74HC151（图8）。INPUT1～6是输入的6个通道，S1～S3是选择引脚，图6滞回比较电路中Uo接到INPUT1～6中的一个通道，MCU通过选择引脚S1～S3即可实现INPUT1～6中的一个通道连通至IN1引脚，由于通道的切换时间可以达63 ns，因此通过此种切换模式，1路定时器可以分时实现6路输入锭速的采集。本系统采用的MCU带有4个定时器，1个采集模块可通过分时切换通道实现对24路锭速的采集。
　　2.3 采集模块的软件设计
　　锭速采集模块的运行如图9所示，通过切换数据选择器通道分时复用定时器的方法来实现多路锭速数据的采集。
　　速度求解通常有两种方式，一是固定时间数脉冲个数;二是计量脉冲间隔，即在脉冲的上升沿或下降沿时开始计时，直到下一个上升或下降沿。在高速测量的应用场景下，一般选取计量脉冲间隔的测速方法。
　　STM32F103C8T6这款单片机有4个定时器，可以用输入捕获的功能来实现计时的目的。定时器的使用主要包含初始化定时器参数与中断函数的设计。
　　锭子的转速在13 000～15 000 r/min，在定时器分频系数的设定中，分频系数越高精度越好。定时器的时钟为72 MHz，选用分频系数71，即每秒可获得106脉冲，最大可以测量6×107 r/min的速度，满足当前的转速要求。选择定时器的输入捕获，设置下降沿为捕获的特征，并开启捕获中断与更新中断。
　　在中断函数的编写中，包含捕获中断与更新中断的编写。在首次进入捕获中断时，清空定时器，第二次进入捕获中断时，存储定时器的值，关闭捕获中断;更新中断是在定时器值大于65 535时记录下溢出的次数。
　　通过式（2）即可获得当前转速ω（r/min）。
　　3 CAN协议的制定与缓存机制
　　数据采集模块与人机交互模块通过CAN总线进行通信，CAN协议如表1所示。本系统由8个数据采集模块组成，通過帧ID来区别设备，数据段首字节是机位号，次字节是锭子号，后两个字节是该位置传感器测得的转速。
　　4 人机交互模块
　　emWin是Segger公司针对嵌入式平台开发的稳定、高效的图形软件库，它适合用于任何图形LCD的操作应用，并可输出高质量的无锯齿的文字和图形，通过调用它提供的函数接口，即可开发出人机交互界面。
　　在人机交互的设计中，为方便现场监控设置了3个界面（图10），实时监控界面、监控设置界面、报警界面。 　　在实时监控界面中，使用listview控件呈现锭子的转速，设置定时器实现转速数据的刷新，保证了系统的实时性;在监控设置界面，提供转速上下限的设置，当启用过滤时，系统会对每个锭子的运行状态进行判定，对不符合要求的锭子进行报警，在报警页面显示出来。
　　在生产中，锭子可以分为特殊、正常和非正常3种生产状态。其特殊状态主要是指换筒过程中的非运行状态，以及启停过程。
　　由于锭子启停过程中，速度从0与设定值之间的转换时间非常短，且变化趋势不变。根据这个特点，若连续几次测量的转速均为0，或稳定上升/下降，则可判断该锭位于静止或启动阶段。
　　排除特殊生产过程外，正常生产过程中锭子实际转速与设定值的偏差应该在一个有限的范围内，因此锭速与设定值比较超过了给定的偏差范围则可有效判定该锭工作不正常。
　　5 联网模块及云平台的选择
　　为了将本地监控数据网络化，实现远程监控，要将采集到的锭速数据上传至服务器。一般状况下，优先选择WiFi模块上传数据。图11是WiFi模块联网的工作流程，ESP8266把数据从MCU转发送到云端，通过连接路由器，与服务器建立TCP连接，转发串口数据，实现监控数据的上传。
　　4G模块作为一个冗余的单元来保证数据上传的可靠性。图12是4G模块的联网流程，当WiFi模块无法接入互联网或者无法连接服务器时，启用4G模块来上传数据，它通过移动网络，与服务器建立TCP连接，转发锭速数据，完成数据的上传。
　　OneNet是中国移动推出的物联网平台，它作为连接和数据的中心，具有方便的设备接入，丰富的API支持等优点[8]，远程监控的功能可在此平台实现。人机交互模块汇集到的数据均可通过网络模块上传至此平台，通过网页、移动终端可远程监控设备的运行状态。
　　6 实验验证
　　本监测系统包含数据采集模块，人机交互模块与云平台3部分。实验将验证这3部分的工作情况。
　　数据采集模块采集到的锭速数据是本监测系统的基础数据，数据的准确性直接决定本系统的可靠性。在实验室搭建实验台（图13），通过伺服电机来模拟锭子的转动。由于伺服电机转速最高只有3 000 r/min，为了模拟出高转速，在电机轴一周划分为4个黑白重复的周期，模拟出12 000 r/min的转速，转速准确的被采集。在某纺织厂的实验车间，安装采集模块，部署监测系统，14 000 r/min的转速被采集，与工人手头采集的数据一致。
　　人机交互模块接收来自采集模块的数据，其页面主要包含设置页面（图14）与报警页面。在设置页面设置好转速的上下限后，点击启动监测按钮，系统运行数据处理程序，切换到报警历史页面即可查看报警的锭子的历史记录。转速有误的锭子的信息被准确地记录下来。
　　现场的数据通过无线模块发送到OneNet平台（图15）上，在此平台上可以实现锭子运行状态的远程监控与历史数据的回溯。通过实验，数据实时上传到了云平台，可以在线完成历史数据的查看，实现远程监控的功能。
　　7 结 语
　　针对包覆纱机设计了一套锭速监测系统，通过设计专用电路解决了监控系统锭数多、锭速高的问题，设计了友好的人机交互界面，提供了现场报警服务，通过无线模块与OneNet云平台实现了远程监控。通过实验，锭速数据准确地被采集并在现场人机交互的模块中呈现出来，当转速不合格时，锭子的标号在报警页面呈现出来，实现了设备运行状态的实时监控。通过联网，数据上传至云端，实现了远程监控，为企业的生产管理提供了相关数据，方便了维护工作。相信通过一段時间的数据积累，进一步对数据的分析，可以预测出可能会出问题的锭子，实现预测性维护。
　　参考文献：
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　　[8] 刘晓剑.基于Onenet的物联网监控系统[D].郑州：郑州大学，2016.
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