CN109040320B - 一种纺织生产过程多维信息采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种纺织生产过程多维信息采集系统及方法，系统包括数据汇聚层、数据集成网络和数据采集网络。数据汇聚层包括三层核心交换机、服务器和客户机，服务器和客户机均与三层核心交换机相连接，三层核心交换机通过以太网分别与数据集成网络和数据采集网络相连接，数据集成网络和数据采集网络均通过不同的网络与若干个设备控制器相连接，设备控制器安装在纺机设备上。本发明的系统和方法构建企业级冗余工业以太网实现多车间广域范围内的信息交互，同时实现了多维的信息采集方法。本发明能够实现纺织工业中生产设备的联网通信，且具有自诊断功能，抗干扰能力强、维护方便，安全可靠。

Description

一种纺织生产过程多维信息采集系统及方法

技术领域

本发明涉及纺织数据采集的技术领域，尤其涉及一种纺织生产过程多层次、多类型、多维信息采集系统及方法。

背景技术

目前，我国纺织行业的工艺水平、设备的技术水平、企业管理水平相对国外还比较低，严重地制约了企业的发展。纺织企业的车间通常是高温、高湿且棉尘较多的工业现场，设备通常24小时连续工作，电磁干扰很大，因而对车间的实时数据采集很难实现。传统的做法是进行人工监测，即由工人在现场记录和控制每台机器的工作情况。这种方式不仅浪费资源和人力，而且人为因素很大，不能即时准确的监控每台机器的工作情况。随着电子技术的发展，纺织企业开始利用电子设备实现对车间内纺织生产过程中的设备进行数据的采集，但是，仅有部分工序或者单机台基于上位机系统的信息数据获取方式，采集的数据有限，不能实现数据的汇总。现有生产中，纺织工业中纺织机台设备众多，现有电子技术不能够实现全部机台设备联网的问题，因此，不能实现全工序数据采集及车间信息交互。

发明内容

针对现有纺织工业中设备众多，不能实现全部纺织机设备联网的技术问题，本发明提出一种纺织生产过程多层次、多类型、多维信息采集系统及方法，基于多层网络架构集成实现纺织机安全稳定可靠地联网，从而完成多维信息的采集和交互。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种纺织生产过程多维信息采集系统，包括数据汇聚层、数据集成网络和数据采集网络，数据汇聚层包括三层核心交换机、服务器和客户机，服务器和客户机均与三层核心交换机相连接，三层核心交换机通过以太网分别与数据集成网络和数据采集网络相连接，数据集成网络和数据采集网络均通过不同的网络与若干个设备控制器相连接，设备控制器安装在纺机设备上。

所述数据集成网络包括核心控制器I、总线网络I和交换机I，核心控制器I与三层核心交换机相连接，核心控制器I通过总线网络I与交换机I相连接，交换机I与设备控制器相连接。

所述数据集成网络还包括能耗采集处理器，能耗采集处理器通过总线网络II与能耗计量装置相连接；所述交换机I通过综合布线与设备控制器相连接；所述总线网络I通过PROFIBUS总线协议或总线MODUBS协议利用协议网关实现RS485网络设备串联连接到各个纺机的设备控制器。

所述数据采集网络包括核心控制器II、总线网络III和信号采集站，核心控制器II分别与三层核心交换机和总线网络III相连接，总线网络III与信号采集站相连接，信号采集站与设备控制器相连接。

所述信号采集站通过多芯线与端子汇聚排相连接，端子汇聚排通过多芯连接线与设备控制器相连接；信号采集站通过数字量IO及模拟量IO的方式将设备控制器采集的设备底层信息传送至核心控制器II。

所述三层核心交换机采用冗余的光纤及超六类以太网网络分别与服务器、客户机、数据集成网络的核心控制器I和数据采集网络的核心控制器II相连接；所述服务器的数量设有2个，服务器上设有网络诊断模块和数据分析模块，网络诊断模块通过检测传输数据报文的标志位检测网络通信状态，数据分析模块进行数据分析和冗余处理。

所述数据汇聚层、数据集成网络和数据采集网络之间实现数据传输的传输线缆上设有双层屏蔽结构，双层屏蔽结构包括锡箔纸和金属屏蔽网，锡箔纸包裹在传输线缆的外侧，金属屏蔽网设置在锡箔纸的外部。

一种纺织生产过程多维信息采集系统的信息采集方法，其步骤如下：

步骤一：数据采集网络中的设备控制器通过采集信息点与信号采集站相连，信号采集站通过获取采集信息点的脉冲信号计算各个设备的产量、效率和运行参数；信号采集站通过现场总线或者工业以太网与核心控制器II交换设备的产量、效率和运行参数的数据；

步骤二：数据集成网络的核心控制器I通过总线网络和以太网直接读取带有通讯接口设备控制器中的设备运行参数和工艺信息；同时数据集成网络将不同协议、不同网络的数据通过协议转换网关统一并通过总线网络II或以太网传输到核心控制器II中，传递的数据包含设备的基础数据和各种网络的诊断信息；

步骤三：数据汇集层承担上位机系统与底层采集网络的数据交换，数据汇聚层为不同拓扑结构的工业以太网，收集核心控制器I、核心控制器II、能耗采集处理器和各类主站的数据，服务器通过三层核心交换机将数据收集到数据库中，服务器通过算法和深度学习分析数据，将数据按照生产管理及精益化管理进行展示和存储，同步生成各类生产报表。

所述数据集成网络将单一的设备运行数据和产量与班次和产品批次的信息进行融合；网络的诊断信息通过传输数据的标志位实时监控全场所有机台的数据采集情况，服务器上的网络诊断模块采取轮询的方式读取全场设备的采集状态；当某台设备控制器采集出现异常时，服务器会向三层核心交换机发送查询指令查询当前交换机的对应端口状态，若是发现端口异常，服务器会读取交换机的工作日志，分析端口异常原因，然后会在上位机的信息交互部分产生报警，并显示异常原因和通过分析给出的维修方式。

所述三层核心交换机和交换机I为采用基于端口的VLAN技术的交换机，三层核心交换机和交换机I将所有设备控制器采集的数据进行网络分割；核心控制器I和核心控制器II均根据运转班次和产品批次对设备产量进行统计和整理，拥有通讯接口的三层核心交换机通过服务器、核心控制器I或核心控制器II发送数据读取报文，设备控制器收到报文后返回数据报文，通过对数据报文的解析整理出设备的基础参数和产量的数据。

本发明的有益效果：解决了目前纺织工业中纺织机台设备众多、不能够实现全部机台设备联网的问题；构建企业级冗余工业以太网实现多车间广域范围内的信息交互，实现纺织集团打造跨车间、跨工序、跨平台、跨区域的数据集成，不仅满足于进口及国产设备的数据集成需求，还可以满足实验测试数据、原棉数据、辅机及能耗系统信息的总集成，并可实现与ERP数据的无缝对接，为纺织生产、质量追溯、精益化管理等提供全面的信息集成系统。本发明能够实现纺织工业中生产设备的联网通信，且具有自诊断功能，抗干扰能力强、维护方便，安全可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明网络自诊断方法的流程。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种纺织生产过程多维信息采集系统，包括数据汇聚层、数据集成网络和数据采集网络，数据汇聚层包括三层核心交换机、服务器和客户机，服务器和客户机均与三层核心交换机相连接，三层核心交换机通过网络分别与数据集成网络和数据采集网络相连接，数据集成网络和数据采集网络均通过不同的网络与若干个设备控制器相连接，设备控制器安装在纺机上。本发明是基于多层网络架构集成的信息集成系统，能够实现纺织工业中生产设备的联网通信，构建企业级冗余工业以太网实现多车间广域范围内的信息交互。数据汇聚层用于广域范围内信息交互的，数据集成网络是用于车间的二级总线网络，包括车间级TCP/IP、PROFIBUS、Modbus、CAN等总线系统。数据采集网络是连接车间底层各设备通信的三级基础网络，设备控制器设计底层信息点直接获取数据。

所述三层核心交换机采用冗余的光纤及超六类以太网网络分别与服务器、客户机、数据集成网络的核心控制器I和数据采集网络的核心控制器II相连接。通过高吞吐能力三层核心交换机实现车间以太网节点数据的高速冗余汇聚，同时数据汇聚层的网络负责企业局域网与外网的数据交互。所述服务器的数量设有2个，一个为主服务器，一个是冗余备份服务器，保证数据的安全采集和存储。服务器上设有网络诊断模块和数据分析模块，网络诊断模块通过检测传输数据报文的标志位检测网络通信状态，数据分析模块进行数据分析和去冗余处理。网络诊断模块使各个传输网络具有自诊断功能，通过系统通信及信息获取时不断检测判断传输网络的通信状态变数及数据变化，实时获取设备数据集成状态信息，一旦发生通信故障则通过车间设备序号关联位传递站点通信状态值，达到网络自动诊断功能，便于维护人员便捷及时的直接故障定位。

所述数据集成网络包括核心控制器I、总线网络I和交换机I，核心控制器I与三层核心交换机相连接，核心控制器I通过总线网络I与交换机I相连接，交换机I与设备控制器相连接。

所述数据集成网络还包括能耗采集处理器，能耗采集处理器通过总线网络II与能耗计量装置相连接；所述交换机I通过综合布线与设备控制器相连接；所述总线网络I通过PROFIBUS总线协议或总线MODUBS协议利用协议网关实现RS485网络设备串联连接到各个纺机的设备控制器。数据集成网络采用现场总线网络层，通过挂接在一层以太网网络的核心控制器I建立总线网络I，通过不同的总线协议及协议网关实现RS485网络设备串联方式连接各纺机设备控制器，总线网络I通过已有的PROFIBUS、MODUBS等协议实现数据交互。

数据采集网络是数据集成网络的下一级网络，属于纺织设备及车间现场信号直接采集层。所述数据采集网络包括核心控制器II、总线网络III和信号采集站，核心控制器II分别与三层核心交换机和总线网络III相连接，总线网络III与信号采集站相连接，信号采集站与设备控制器相连接。所述信号采集站通过多芯线与端子汇聚排相连接，端子汇聚排通过多芯连接线与设备控制器相连接；信号采集站通过数字量IO及模拟量IO的方式将设备控制器采集的设备底层信息传送至核心控制器II。数据采集网络通过挂接在总线网络II的核心控制器II实现数据集成和转发，设备控制器直接通过电气端子排及多芯线缆，通过数字及模拟量IO的方式将设备底层信息直接输入给核心控制器II，核心控制器II通过数据集成和处理软件完成数据处理，进而通过核心控制器II扩展总线网络III实现数据集成。

所述数据汇聚层、数据集成网络和数据采集网络之间实现数据传输的传输线缆上设有双层屏蔽结构，双层屏蔽结构包括锡箔纸和金属屏蔽网，锡箔纸包裹在传输线缆的外侧，金属屏蔽网设置在锡箔纸的外部。金属屏蔽网会可靠接地，及时的将电磁干扰消除。总线网络I、总线网络II和总线网络III在网络的两个终端都加装电阻，吸收网络信号在传输线终端形成的反射波。传输线缆距离过长时需要加装信号放大器保证信号传输质量。传输线缆都采用双绞线的方式，在信号传输的过程中可以有效的消除共模干扰。从硬件上进行网络通信抗干扰，保障数据传输的稳定性。

一种纺织生产过程多层次、多类型、多维信息采集系统的信息采集方法，其步骤如下：

步骤一：数据采集网络中的设备控制器通过采集信息点与信号采集站相连，信号采集站通过获取采集信息点的脉冲信信号计算各个设备的产量和运行参数；信号采集站通过现场总线或者工业以太网与核心控制器II交换设备的产量和运行参数的数据；采集信息点信号为脉冲信号，采集站通过对脉冲信号的处理计算，将脉冲信号转换成设备的运行参数和产量。信号采集站从核心控制获取工艺参数等数据用于各种参数和产量的计算，并将转换后的参数和产量传送给核心控制器进行进一步的处理。

数据采集层的信号采集站通过对设备采集点的信号采集脉冲信号，信号采集站通过对脉冲信号的计算将脉冲信号转换为产量等设备基础参数（通过工艺参数和质量参数计算）。设备的基础参数通过数据集成网络传输到核心控制器II中，在核心控制器II中将会根据运转班次和产品批次对设备产量进行分割和整理。拥有通讯接口的设备控制通过服务器或者核心控制器II发送数据读取报文，设备控制收到报文后返回数据报文。通过对数据报文的解析整理出设备的基础参数和产量等数据，从而实现数据的预处理。

步骤二：数据集成网络的核心控制器I通过总线网络和以太网直接读取带有通讯接口设备控制器中的设备相关参数和产量信的息；同时，数据集成网络将不同协议的不同网络的数据通过网关统一并通过总线网络II或以太网传输到核心控制器II中，传递的数据包含设备的基础数据和各种网络的诊断信息。数据集成网络主要用于集成带有通讯接口的设备，包括各种总线型接口和以太网接口。数据集成网络也承担相应的协议转换的任务。数据在二层的数据集成网络将单一的设备运行数据和产量与班次和产品批次等生产及订单信息融合，赋予设备基础参数更多的实际意义。

步骤三：数据汇集层主要的任务是承担上位机系统与底层采集网络的数据交换，数据汇聚层为不同拓扑结构的工业以太网，收集核心控制器I、核心控制器II、能耗采集处理器和各类主站的数据，三层核心交换机和服务器将数据收集到数据库中，服务器通过算法和深度学习分析数据，将数据生成各类生产报表。数据汇聚层为工业以太网，网络的拓扑结构根据不同车间环境设计。三层核心交换机为此层的核心设备，通过三层核心交换机、服务器和核心控制器通讯将核心控制器内的数据收集到服务器上的数据库中。各类生产报表可以提高企业生产和管理效率。

所述数据集成网络将单一的设备运行数据和产量与班次和产品批次的信息进行融合；网络的诊断信息通过传输数据的标志位实时监控全场所有机台的数据采集情况，服务器上的网络诊断模块采取轮询的方式读取全场设备的采集状态；当某台设备控制器采集出现异常时，服务器会向三层核心交换机发送查询指令查询当前交换机的对应端口状态；若是发现端口异常，服务器会读取交换机的工作日志，分析端口异常原因，然后会在上位机的信息交互部分产生报警，并显示异常原因和通过分析给出的维修方式，如图2所示，提示维修人员及时维护。查询部分、收集工作日志和分析给出维护方式部分通过在系统中增加程序及函数即可实现。在网络通过诊断程序称诊断完成后，针对不同设备的处理方法不同。在提示维修方法时，服务器会根据不同的纺织设备给出具体的解决方法，实现纺织生产过程的融入。

所述三层核心交换机和交换机I为采用基于端口的VLAN技术的交换机，三层核心交换机和交换机I将所有设备控制器采集的数据进行网络分割。软件上进行网络通信抗干扰处理，提高网络的利用率同时也能增加网络的稳定性。

核心控制器I和核心控制器II均根据运转班次和产品批次对设备产量进行分割和整理，拥有通讯接口的三层核心交换机通过服务器、核心控制器I或核心控制器II发送数据读取报文，设备控制器收到报文后返回数据报文，通过对数据报文的解析整理出设备的基础参数和产量的数据。

本发明的数据汇集层利用底层工业级现场总线技术在稳定性和快速传输数据方面有保障。通过三层网络与总线网络的相连，进一步加强了网络的稳定性。在传输速率上，通过不同传输速率和不同协议网络之间的组合相连，实现网络的高速和高利用率的数据传输。同时。本发明融入自诊断功能，可以快速定位故障点，可以实现网络的快速恢复。服务器既从设备上采集基础数据，也会将工艺参数和设备运行参数发送给设备控制器，不用品种的产品运行参数也有所不同。设备控制器根据服务器的指示按照标准运行，所有信息的交互都基于三层数据传输网络实现双向数据交互链路。

本发明建立设备级多接口、多方式、多协议的信息交互方式，创建智能纺系统需求的双向数据交互链路，从而完成纺织企业清花、梳棉、并条、精梳、粗纱、细纱、络筒、倍捻、整经、浆纱、织布、整理等众多工序数据稳定高速的传输。本发明充分考虑超大网络现场通信抗干扰处理，现场网络设备易维护等技术难点。

本发明具有网络状态自诊断功能，运用融入诊断技术的总线网络系统实现三层网络架构的信息集成，构建企业级冗余工业以太网实现多车间广域范围内的信息交互；设计车间级TCP/IP、PROFIBUS、Modbus、CAN等总线系统，通过智能纺控制设备稳定快速的获取纺织设备运行工艺参数，并对采集的数据进行预处理和网络故障诊断分析。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种纺织生产过程多维信息采集系统，其特征在于，包括数据汇聚层、数据集成网络和数据采集网络，数据汇聚层包括三层核心交换机、服务器和客户机，服务器和客户机均与三层核心交换机相连接，三层核心交换机通过以太网分别与数据集成网络和数据采集网络相连接，数据集成网络和数据采集网络均通过不同的网络与若干个设备控制器相连接，设备控制器安装在纺机设备上；

其信息采集方法的步骤如下：

步骤一：数据采集网络中的设备控制器通过采集信息点与信号采集站相连，信号采集站通过获取采集信息点的脉冲信号计算各个设备的产量、效率和运行参数；信号采集站通过现场总线或者工业以太网与数据采集网络的核心控制器II交换设备的产量、效率和运行参数的数据；

步骤二：数据集成网络的核心控制器I通过总线网络和以太网直接读取带有通讯接口设备控制器中的设备运行参数和工艺信息；同时数据集成网络将不同协议、不同网络的数据通过协议转换网关统一并通过数据采集网络的总线网络II或以太网传输到核心控制器II中，传递的数据包含设备的基础数据和各种网络的诊断信息；

步骤三：数据汇集层承担上位机系统与底层采集网络的数据交换，数据汇聚层为不同拓扑结构的工业以太网，收集核心控制器I、核心控制器II、能耗采集处理器和各类主站的数据，服务器通过三层核心交换机将数据收集到数据库中，服务器通过算法和深度学习分析数据，将数据按照生产管理及精益化管理进行展示和存储，同步生成各类生产报表。

2.根据权利要求1所述的纺织生产过程多维信息采集系统，其特征在于，所述数据集成网络包括核心控制器I、总线网络I和交换机I，核心控制器I与三层核心交换机相连接，核心控制器I通过总线网络I与交换机I相连接，交换机I与设备控制器相连接。

3.根据权利要求2所述的纺织生产过程多维信息采集系统，其特征在于，所述数据集成网络还包括能耗采集处理器，能耗采集处理器通过总线网络II与能耗计量装置相连接；所述交换机I通过综合布线与设备控制器相连接；所述总线网络I通过PROFIBUS总线协议或总线MODUBS协议利用协议网关实现RS485网络设备串联连接到各个纺机的设备控制器。

4.根据权利要求1所述的纺织生产过程多维信息采集系统，其特征在于，所述数据采集网络包括核心控制器II、总线网络III和信号采集站，核心控制器II分别与三层核心交换机和总线网络III相连接，总线网络III与信号采集站相连接，信号采集站与设备控制器相连接。

5.根据权利要求4所述的纺织生产过程多维信息采集系统，其特征在于，所述信号采集站通过多芯线与端子汇聚排相连接，端子汇聚排通过多芯连接线与设备控制器相连接；信号采集站通过数字量IO及模拟量IO的方式将设备控制器采集的设备底层信息传送至核心控制器II。

6.根据权利要求1所述的纺织生产过程多维信息采集系统，其特征在于，所述三层核心交换机采用冗余的光纤及超六类以太网网络分别与服务器、客户机、数据集成网络的核心控制器I和数据采集网络的核心控制器II相连接；所述服务器的数量设有2个，服务器上设有网络诊断模块和数据分析模块，网络诊断模块通过检测传输数据报文的标志位检测网络通信状态，数据分析模块进行数据分析和冗余处理。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的纺织生产过程多维信息采集系统，其特征在于，所述数据汇聚层、数据集成网络和数据采集网络之间实现数据传输的传输线缆上设有双层屏蔽结构，双层屏蔽结构包括锡箔纸和金属屏蔽网，锡箔纸包裹在传输线缆的外侧，金属屏蔽网设置在锡箔纸的外部。

8.根据权利要求7所述的纺织生产过程多维信息采集系统，所述数据集成网络将单一的设备运行数据和产量与班次和产品批次的信息进行融合；网络的诊断信息通过传输数据的标志位实时监控全场所有机台的数据采集情况，服务器上的网络诊断模块采取轮询的方式读取全场设备的采集状态；当某台设备控制器采集出现异常时，服务器会向三层核心交换机发送查询指令查询当前交换机的对应端口状态，若是发现端口异常，服务器会读取交换机的工作日志，分析端口异常原因，然后会在上位机的信息交互部分产生报警，并显示异常原因和通过分析给出的维修方式。

9.根据权利要求8所述的纺织生产过程多维信息采集系统，所述三层核心交换机和交换机I为采用基于端口的VLAN技术的交换机，三层核心交换机和交换机I将所有设备控制器采集的数据进行网络分割；核心控制器I和核心控制器II均根据运转班次和产品批次对设备产量进行统计和整理，拥有通讯接口的三层核心交换机通过服务器、核心控制器I或核心控制器II发送数据读取报文，设备控制器收到报文后返回数据报文，通过对数据报文的解析整理出设备的基础参数和产量的数据。

Images