CN112904042B - 一种锭速传感器、物联网锭速监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锭速传感器、物联网锭速监控系统及方法。本发明包括锭速传感器、通信系统、云端服务器和上位机四个单元。其中锭速传感器设置在纺纱设备的每个锭位上，通过红外传感器监测锭速状态，并通过通信系统从云端服务器获得远程计算机上管理员设置的锭速预值来对监测所得数据进行处理。应对于不同的锭速状态，锭速传感器会进行不同的响应，同时通过通信系统来将处理所得锭速状态数据上传至云端服务器，再通过上位机呈现给管理员。本发明将监测所得的锭速状态数据在锭速传感器本地处理，减少了云端服务器的计算负担，同时将传感器与物联网结合，与上位机连接，实现了远程对多个车间设备进行管理。

Description

一种锭速传感器、物联网锭速监控系统及方法

技术领域

本发明专利属于纺织机械技术领域，尤其涉及一种锭速传感器、物联网锭速监控系统及其工作方法。

背景技术

纺织行业作为我国的一个重要支柱产业，与人民的生活息息相关，同时也是我国国际竞争力的主要优势，对激励市场、增加出口、提高就业率、提高收入等方面起重要作用。

包覆丝机、直捻机和倍捻机等纺织设备主要采用电机-龙带结构传动，加捻作为其中重要的工序，直接影响纱线的质量。根据行业规范，纱线捻度误差超过3％将视为不合格，其中锭子转速是影响纱线捻度的主要因素。由于设备长期运转，电机与龙带、龙带与锭子之间存在打滑，锭子转速偏离理论值，严重影响纱线的质量。每台设备通常都在百锭以上，如单层倍捻机128锭，双层256锭，包纱机320锭(双层)。对电机或龙带速度检测不能很好的表明每个锭子的转速，但由于锭位多，将所有锭位速度信号传给主控面板，会给主控芯片带来很大的计算压力，严重影响主控芯片的控制的实时性。基于此类问题，纺织行业需要一种能够对锭速本地处理分析的锭速传感器。

纺织信息化推进多年，在企业管理信息化、产品设计数字化等领域取得一些进展，但在生产制造和物流管理自动化等领域才刚刚起步。移动互联技术的出现和发展，一系列相关技术的应用加强了在线实时采集和处理数据的能力，为解决这些难题提供了一条有效的路径。物联网是指通过射频识别、红外传感器、全球定位系统等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的使用能让纺织的生产和物流可有效实现更加精细和动态的管理，提高生产效率和资源利用率，提高行业整体信息化水平。因此，物联网和传统纺织行业的有效结合，会是纺织行业未来发展的必然趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锭速传感器、物联网锭速监控系统及其工作方法，能够单独对锭速进行分析处理。

第一方面，本发明提供一种锭速传感器，其包括壳体、集纱头(5)和红外传感器。集纱头(5)安装在壳体上。集纱头(5)上设置有过纱孔。红外传感器安装在壳体上；当纱线在过纱孔内打圈时，纱线持续经过红外传感器的红外检测线。

作为优选，所述的红外传感器包括红外发射器(6)和红外接收器(7)。红外发射器(6)、红外接收器(7)均安装在壳体的底部，且分别位于集纱头(5)的过纱孔正下方的两侧。

作为优选，本发明一种锭速传感器还包括无线通信模块(10)，用以向网关或上位机发送数据。

作为优选，所述的红外传感器的输出信号通过信号预处理模块连接到处理器。

作为优选，在使用过程中，集纱头(5)设置在被测锭子的正上方。集纱头(5)上的过纱孔轴线与被测锭子的转动轴线重合。

第二方面，本发明提供一种物联网锭速监控系统，其包括前述的锭速传感器、通信系统、云端服务器和上位机。纺纱设备的每个锭子上都设置有一个锭速传感器；所述的通信系统包括网关和多个无线通信模块；每个锭速传感器均对应配备一个无线通信模块；一台纺纱设备对应一个网关，无线通信模块从网关下载锭速预值和允许差异范围；无线通信模块在管理员请求更新数据或锭速传感器检测到锭速异常时，向网关上传锭速状态数据；锭速状态数据包括锭速、锭速差异率、锭速状态和传感器编码。网关将锭速状态数据上传到上位机；上位机再将锭速状态数据上传到云端服务器。

第三方面，本提供一种物联网锭速监控方法，具体步骤如下：

步骤一、在每个锭子处安装前述的锭速传感器，并设定锭速预值v₀和允许差异范围a％。

步骤二、将纱线穿过集纱头(5)上的过纱孔，并连接到锭子上；

步骤三、被测锭子开始转动，纱线会沿着集纱头的过纱孔边缘转圈。锭子每旋转一圈，红外传感器检测到纱线两次。计算当前的锭子转速

其中，T为预设时间长度，n为最近的T时间内红外传感器检测到纱线的次数。当锭子转速首次达到锭速预值v₀时，进入步骤四。

步骤四、计算锭速差异率值v₂＝|v₀-v₁|；计算锭速差异率b％＝v₂/v₀×100％；再计算差异比c＝b/a×100％。根据差异比c判断锭速状态是否正常。

作为优选，步骤四中，锭速状态的具体判断方法如下：

当差异比c为0％～60％时，锭速状态记为正常；当差异比为60％～100％时，锭速状态记为预警；当差异比大于100％时，以检测到该差异比对应的定子转速的时刻为异常数据节点；利用异常数据节点之前的历史数据预测之后的m次采样得到的锭子转速；锭速传感器继续检测m次锭子转速，m≥10。若根据历史数据预测的m个锭子转速与锭速传感器检测到的m个锭子转速的重合率大于或等于90％，则认为本次异常数据节点为偶然数据，忽略该异常数据节点；否则，认为锭子转动出现异常，锭速传感器将锭速状态标记为异常，并发出警报。

作为优选，当锭速状态为正常时，计算得到的锭速状态数据记录在传感器存储器内，不上传；设备网关在没有任何一个锭速传感器发出数据更新申请的情况下，只向云端服务器发送设备锭速正常的信息，不申请更新数据；当管理员主动申请或者锭速预警锭速状态不是正常时，锭速传感器上传锭速状态数据；锭速状态数据包括锭速、锭速差异率、锭速状态和传感器编码。

作为优选，步骤三中，红外传感器的输出信号经过放大处理后进行傅里叶变换，将时域信号转变为频域信号，然后采用最小二乘法将所得频率的幅值拟合；根据最终所得信号获取预设时间长度T内的脉冲次数n。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过设计提供了一种锭速传感器，利用纱线在锭子带动下会进行打圈的特点，使用红外传感器实现了锭子转速的快速检测，并且能够自主监控锭速，在锭速异常时示警，显著降低了锭子转速检测的成本。

2、本发明在检测到异常锭速数据时，用历史数据来预测未来数据，再检测真实的数据进行验证，从而识别出当前的异常数据是否为偶然情况。

3、本发明通过使用边缘计算的方法，让每个传感器单独进行处理数据的过程，只在管理员主动申请或者锭速预警和异常的状态申请更新状态数据，同时每台设备网关又自主监控设备所有的锭子状态，只在某个锭子状态为预警或者异常时，向云端服务器上传数据更新。

4、本发明通过将锭速传感器和物联网结合，实现批量管理设备的锭速，当某个设备的锭子出现故障时，能够快速找到故障设备以及其故障的锭子。

附图说明

图1为本发明的第一张整体结构示意图；

图2为本发明的第二张整体结构示意图；

图3为本发明锭速传感器在工作时与锭子的相对位置关系示意图；

图4为本发明专利物联网系统示意图；

图5为本发明专利工作流程示意图；

图6为本发明专利锭速传感器边缘计算流程示意图；

图7为本发明专利设备网关边缘计算流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种锭速传感器，包括设置有上壳体1、下壳体3、集纱头5、传感器开关8、无线通信模块10和红外传感器。上壳体1与下壳体3通过连接螺栓2固定。下壳体3底部两侧分别设置有带安装孔的第一安装耳4、第二安装耳9，用于将该锭速传感器固定在纺纱设备上。集纱头5固定在下壳体3侧部的U形缺口内；集纱头5上设置有过纱孔。

如图3所示，集纱头5设置在被测锭子的正上方。集纱头5上的过纱孔轴线与被测锭子的转动轴线重合。使用时，将纱线穿过纺纱设备的导纱环11后在集纱头5穿过过纱孔后，再穿过与固定在锭子顶部的绕纱杆12端部的过纱环12-1，连接到锭子13上套置的纱筒14上。当绕纱杆转动时，将带动纱线缠上纱筒14，并带动纱线旋转，从而使得纱线沿着过纱孔的边缘打圈，且打圈的速度与被测锭子的转速保持一致；因此通过检测纱线打圈的次数即可获得被测锭子的转动圈数。

红外传感器包括红外发射器6和红外接收器7。红外发射器6、红外接收器7均安装在下壳体3的底部，且分别位于集纱头5的过纱孔正下方的两侧。传感器开关8安装在下壳体3的侧部。Zigbee无线通信模块10安装在上壳体1上。处理器通过无线通信模块10与上位机进行Zigbee无线通信。上壳体1与下壳体3中间镂空，安装处理器和信号预处理模块。当纱线在集纱头5的过纱孔内打圈时，纱线每转一圈就穿过红外发射器6与红外接收器7之间两侧；故红外接收器7检测到红外信号被阻挡的次数除以二，即为纱线打圈的圈数，由此就得到了锭子的转动的圈数。

红外传感器的输出信号连接到信号预处理模块；信号预处理模块将处理后的信号发送给处理器。处理器控制红外传感器工作和停止，并通过红外传感器检测纱线状态，处理器使用arm芯片，能够自主将红外传感器测得数据进行处理，同时连接无线通信模块10和报警系统，能够通过无线通信模块将数据通过物联网上传至云端服务器，以及在锭速异常时进行报警警示。传感器开关8控制整个传感器的运行或停止。

如图4所示，基于前述锭速传感器的物联网设备，包括多个锭速传感器、通信系统、云端服务器以及上位机四个单元。所述上位机使用一套管理系统，包括管理预值和人机交互两个功能功能。管理预值功能主要用于管理设备锭子的锭速预值并将预值上传至云端服务器，管理员通过该功能批量设置设备的锭速预值；人机交互功能从云端服务器下载当前的各设备当前锭速状态，并对于不同的锭速状态做出不同的响应，然后呈现给管理员。

设备每个锭子上都设置有一个单独的锭速传感器，安装时纱线穿过锭速传感器连接锭子，锭速传感器能够自主处理计算检测得到的纱线状态数据，并且能够在锭速状态的不同情况下给出不同的响应，同时每个锭速传感器拥有用于识别的传感器编码，与数据分析结果一起上传；通信系统包括Zigbee无线通信模块和网关，每个传感器配备一个Zigbee无线通信模块，每个设备配备一个网关，Zigbee无线通信模块从网关下载锭速的预值以及允许锭速差异率范围传输给锭速传感器，网关负责接收设备所有锭速传感器的数据，用局域网与云端服务器相连，同时拥有用于识别的设备编码。当管理员请求更新锭速状态数值时，从锭速传感器获取当前的锭速、锭速差异率、锭速状态和传感器编码，上传至设备网关，设备网关将数据处理后添加设备编码上传到云端服务器，否则只在锭速状态为预警或者异常时才从锭速传感器获取当前的锭速、锭速差异率、锭速状态和传感器编码经过网关向云端服务器申请数据更新；云端服务器储存从上位机传输来的锭速预值和允许锭速差异率范围，以及从设备网关传输来的当前锭速、锭速差异率和锭速状态；上位机将锭速预值和允许锭速差异率范围上传至云端服务器，从云端服务器下载当前各个设备的锭速状态，通过管理系统呈现给管理人员。

如图5、6和7所示，该物联网设备的工作方法如下：

步骤一、管理人员通过上位机的管理系统给传感器设定锭速的预设值v₀以及允许差异范围a％，上位机将管理人员设定的锭速预值v₀和允许差异范围a％上传至云端服务器。

步骤二、工作人员将被测锭子对应的纱线穿过集纱头5上的过纱孔。在锭速传感器开关8开启的状态下，锭速传感器通电开始运行。设备的网关从云端服务器接收管理人员预设的锭速值v₀和允许差异范围a％；锭速传感器通过Zigbee无线通信模块从网关下载上位机所设置的锭速预值v₀以及允许差异的转速范围a％并记录为预值。同时，红外传感器开始运行，红外发射器6发射红外线至红外接收器7。

步骤三、当被测锭子开始转动时，纱线会沿着集纱头的过纱孔边缘不停的转圈。此时，锭子每旋转一圈，纱线在集纱头下的部分会切割红外发射器6和红外接收器7之间的红外线两次。每切割一次红外线，便会由红外传感器对处理器发送一次脉冲信号；

红外传感器向处理器发送的输出信号经过放大处理后进行快速傅里叶变换，将时域信号转变为频域信号，保留下所设固定频率的幅值，将其他频率的幅值置为零，从而将其他干扰信号滤除，然后采用最小二乘法将所得频率的幅值拟合，最终所得信号输出到处理器。通过处理器记录下输出信号在预设时间长度内的脉冲次数n。

通过预设时间长度T内的脉冲次数n计算出当前的锭子转速

并将当前计算得到的锭子转速v₁与锭速预值v₀进行比对，当计算所得的锭子转速首次达到锭速预值v₀时，记为第一次数据，并进入步骤四。

步骤四、从第一次数据开始，后续数据开始进行分析处理。将锭子转速v₁与锭速预值v₀的相差值的绝对值作为当前锭速差异率值v₂，即v₂＝|v₀-v₁|，然后使用当前锭速差异率值v₂计算出当前锭速差异率b％，即b％＝v₂/v₀×100％；再计算当前锭速差异率b％与允许差异的转速范围a％两个数据计算差异比c，即c＝b/a×100％。传感器会记录一段时间内的历史锭速数据。

当差异比c为正负0％～60％之间时，锭速状态记为正常；当差异比为正负60％～100％之间时，锭速状态记为预警；当差异比超过100％时，锭速传感器将锭子转速v₁记录为异常锭速数据；并以此次异常数据节点，对历史数据进行重新处理；历史数据表示异常锭速数据前检测到的若干次锭子转速；利用历史数据和锭子转速变化规律预测未来的m次采样得到的锭子转速；锭速传感器继续按照预设的采样周期检测m次锭子转速；预测数据与真实数据的差异在预设的误差范围内时，认为预测数据与真实数据重合。若根据历史数据预测的m个锭子转速与锭速传感器检测到的m个锭子转速的重合率大于或等于90％，则认为本次异常数据节点为偶然数据，忽略该异常数据节点；否则，认为锭子转动出现异常，锭速传感器将锭速状态标记为异常，并向上位机发出警报。

作为一种优选的具体方案，m的值取30；如果预测锭速与真实锭速不重合的次数少于或等于三次，那将该异常数据节点的异常数据记为偶然数据，依然记录锭速状态为正常；如果预测锭速与真实锭速不重合的次数多于三次，则认为该锭速异常数据节点不为偶然数据，说明锭子出现异常，则锭速传感器标记锭速状态为异常。

为了减少服务器负担，锭速传感器只会在管理员主动申请或者锭速预警或异常状态时通过Zigbee无线通信模块向设备网关申请数据更新，然后上传锭速相关数据到设备网关。

步骤五、上位机使用专门的管理系统，从云端服务器下载所管理的锭速状态以及对应的设备编码。首先，管理系统通过分类功能，识别下载得到的设备编码，再在系统数据库中查找记录的设备编码，找到数据所对应设备的设备，然后将从云端服务器下载的数据存入所对应设备数据库，再呈现给管理人员，对多个车间多台设备的锭速进行统一监控管理。

步骤六、当锭速状态为正常时，计算得到的锭速状态数据记录在传感器存储器内，不上传设备网关数据更新，设备网关在没有任何一个锭子发出数据更新申请的情况下，只向云端服务器发送设备锭速正常的信息，不申请更新数据；云端服务器接到设备网关上传状态为正常时，不更新设备状态数据，始终保持该设备锭速状态为正常，上位机识别云端服务器锭子的锭速状态为正常时，管理系统对应设备编码的指示灯显示绿色；当锭速状态为预警时，锭速传感器通过Zigbee无线通信模块向网关发出数据更新请求，上传锭速相关数据到网关，网关接收数据后向服务器申请数据更新，然后上传对应锭子的状态数据，上位机识别云端服务器锭子的锭速状态为预警时，会从云端服务器下载对应锭子的锭速和锭速差异率数据呈现在管理系统上，同时管理系统对应设备编码的指示灯显示黄色，提醒管理员对相应的锭子锭速进行关注监控；当锭速状态为异常时，锭速传感器通过Zigbee无线通信模块向网关发出警告，并将异常数据上传至设备网关，设备网关接收到警告后通过与其相连的报警系统报警，同时将对云端服务器发出数据更新请求，将异常数据通过无线通信模块上传至云端服务器更新数据，上位机识别云端服务器锭子的锭速状态为异常时，会从云端服务器下载异常数据，通过管理系统呈现给管理员，同时将对应设备编码的指示灯显示红色并发出报警声对管理员示警，然后远程控制设备，关闭设备当前故障的锭位，并将异常转速的锭子标记出来，管理人员通过管理系统可以迅速看到锭速异常的锭子所在的设备，并通过设备编码和传感器编码得找到锭速异常所在设备的对应锭子，及时做出后续对应措施，通知修理人员对异常设备进行修理。

本发明通过让锭速传感器自主处理监测所得数据，并将决策计算分布到锭位传感终端模块，采用边缘计算的手段有效的发挥决策的实时性，大大减少了原始数据的网络传输，减小了云端服务器的处理压力。还将该锭速传感器与物联网结合起来，与传统的机型相比，提高了设备的数字化、智能化水平，是实现捻线加工数据互联互通互操作的重要智能传感终端，可为捻线工厂数字化提供数据采集和决策的重要功能。

Claims (7)

1.一种物联网锭速监控方法，其特征在于：步骤一、在每个锭子处安装锭速传感器，并设定锭速预值v₀和允许差异范围a％；锭速传感器包括壳体、集纱头(5)和红外传感器；集纱头(5)安装在壳体上；集纱头(5)上设置有过纱孔；红外传感器安装在壳体上；当纱线在过纱孔内打圈时，纱线持续经过红外传感器的红外检测线；

步骤二、将纱线穿过集纱头(5)上的过纱孔，并连接到锭子上；

步骤三、被测锭子开始转动，纱线会沿着集纱头的过纱孔边缘转圈；锭子每旋转一圈，红外传感器检测到纱线两次；计算当前的锭子转速

其中，T为预设时间长度，n为最近的T时间内红外传感器检测到纱线的次数；当锭子转速首次达到锭速预值v₀时，进入步骤四；

步骤四、计算锭速差异率值v₂＝|v₀-v₁|；计算锭速差异率b％＝v₂/v₀×100％；再计算差异比c＝b/a×100％；根据差异比c判断锭速状态是否正常。

2.根据权利要求1所述的一种物联网锭速监控方法，其特征在于：所述的红外传感器包括红外发射器(6)和红外接收器(7)；红外发射器(6)、红外接收器(7)均安装在壳体的底部，且分别位于集纱头(5)的过纱孔正下方的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种物联网锭速监控方法，其特征在于：还包括无线通信模块(10)，用以向网关或上位机发送数据。

4.根据权利要求1所述的一种物联网锭速监控方法，其特征在于：所述的红外传感器的输出信号通过信号预处理模块连接到处理器。

5.根据权利要求1所述的一种物联网锭速监控方法，其特征在于：在使用过程中，集纱头(5)设置在被测锭子的正上方；集纱头(5)上的过纱孔轴线与被测锭子的转动轴线重合。

6.根据权利要求1所述的一种物联网锭速监控方法，其特征在于：当锭速状态为正常时，计算得到的锭速状态数据记录在传感器存储器内，不上传；设备网关在没有任何一个锭速传感器发出数据更新申请的情况下，只向云端服务器发送设备锭速正常的信息，不申请更新数据；当管理员主动申请或者锭速预警锭速状态不是正常时，锭速传感器上传锭速状态数据；锭速状态数据包括锭速、锭速差异率、锭速状态和传感器编码。

7.根据权利要求1所述的一种物联网锭速监控方法，其特征在于：步骤三中，红外传感器的输出信号经过放大处理后进行傅里叶变换，将时域信号转变为频域信号，然后采用最小二乘法将所得频率的幅值拟合；根据最终所得信号获取预设时间长度T内的脉冲次数n。

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