（模式识别与智能系统专业论文）基于vb的纱线数据在线监控系统研究.pdf

摘要 纱线的条干不匀已经成为衡量纱线品质的主要目标之一。纱线的条干不匀不 仅对质量指标评定有影响，还将影响企业的经济效益。目前，测量纱线条干的上 位机软件有的是基于d o s 系统下的，虽然稳定性好，但操作单一，不灵活；有的 虽是基于w i n d o w s 系统下，功能多，容易操作，但系统运行不太稳定。因此， 开发一款基于w i n d o w s 系统下，拥有强大的数据处理功能和分析功能，运行稳 定，功能多，可移植性强，界面友好的上位机软件系统配合纱线的在线监测已成 为迫切需要。系统能够对数据进行实时处理；对于纱疵出现的原因能够给出合理 的解决方案，为纺纱专业人员提供参考。 在实际的纱线采集过程中，随着上传数据量的不断增大和为方便纱线数据的 进一步分析，上位机系统采用s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库对大量的数据进行管理， 当针对大数据量的分析运算时，如何将服务器端的数据库作为软件直接调用的单 元是必须首先解决的问题，而应用客户端服务器架构来对各类纱线数据进行分 析处理则是解决该问题的关键。所以，上位机软件系统使用v i s u a lb a s i e n e t 进 行软件前台部分的开发，采用接口编程的方法调用后台数据库，为数据的处理与 分析提供了方便。 开发系统时考虑到由于现场采集的一些数据会不同程度的存在噪声现象，因 此，在数据存入数据库之前需将数据进行滤波处理，使采集到的数据更加准确。 实验证明，通过s q ls e r v e r 数据库强大的数据管理功能，使数据分析简单方便； 系统操作起来简单易行，对于各类纱线的检测具有较强的理论意义和应用价值。 关键词：条千均匀度，数据滤波，数据库，v i s u a lb a s i c n e t ，s q ls e r v e r ，数据 处理，数据分析 a b s t r a c t y a r ne v e n n e s sh a sb e c o m eas t a n d a r dt h a tc o u l dm e a s u r et h eq u a l i t yo fy a m t h e y a mo v f f n n e s si sn o to n l yi n f l u e n c eo fq u a l i t yo fa s s e s s m e n t , b u ta l s or e l a t e t o e c o n o m i cb e n e f i to fc o m p a n y t h e r ea r em a n ym e t h o d st om e a s u r et h ey a me v e n n e s s n o w , b u tm o s to f t h e ma r eo f f - l i n ea n dm e a s u r ei nt h el a b t h e s em e t h o d ss e p a r a t e p r o c e s so fp r o d u c t i o na n dm e a s u r e m e n t s o ，t h ec o m p a n i e s o fw e a v en e e dak i n do f p o r t a b l ee q u i p m e n tw h i c hc a nc o l l e c tt h ed a t ao fy a mo n - l i n e , a n dt h e nu p l o a dt h e d a t ao fy a mt ot h ec o m p u t e r , w h i c hh a sas y s t e mo fm e a s u r e m e n tm a tc a nt u r nt h e d a t ao fy a mt ot h ea n a l y s i sg r a p h i co fc u r v e t h a tc u r v ec o u l dc h a n g ea c c o r d i n gt o t h e d a t ao fy a r nu p l o a d e d i no r d e rt om a n a g eag r e a td e a lo fd a t ao fy a ma n da n a l y s i st h e d a t a , t h i ss y s t e mo fa n a l y s i se m b e ds q ls e r v e rd a t a b a s e t h ep o i n ti sh o wc a ns o l v e t h ep r o b l e mt h a tu s et h ed a t a b a s eo fs e l v e r 嬲ac a l l e du n i ta n dd e a lw i mt h ed a t ao f y a m f a s t i tw i l li m p r o v et h ee f f i e n c eo f d a t aa n a l y s i s t h es y s t e mo fd a t aa n a l y s i sa n dd a t ap r o c e s s i n gw a sc o n s i d e r e du s i n gt h et h r e e k i n d so fd i f f e r e n tf i l t e rt o g e t i l e r ，i no r d e rt og e tr i do ft h en o i s ee x i s t e di nt h ed a t am a t w e r ec o l l e c t e db yp r o c e s s i n go fp r o d u c t i o n a n dt h e np u tt h ed a t ai n t od a t a b a s ea f t e r t h ef i l t e r t h i sr e s e a r c hh a sap r o f o u n de f f e c to nt h et h e o r ya n da p p l i e sv a l u eo f s 0 1 a r ed e v e l o p m e n to fs e v e r a ld i f f e r e n td a t ao fy a mm o d e l s k e yw o r d s ：y a me v e l ：l i r t e s s ，d a t af i l t e r , d a t a b a s e ，v i s u a lb a s i c n e t , s q ls e r v e r , d a t ap r o c e s s i n g , d a t aa n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些盍堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：卅岛唾使签字日期：川年月7 冬日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：碥孥暖 签字日期：w 7 年月7 ；日 翩虢匆兰 签字日期：唧年月；5 1 学位论文的主要创新点 开发了纱线条干在线监测系统的软件部分，实现了纱线条干在线实时性检 测，与以往离线的实验室检测相比，在线检测系统提高了纱线条干检测的 精确度，节省了大量的时间，具有一定的理论意义和较高的实用价值。软 件系统部分采用后台数据库对大量检测数据进行管理，用户界面友好。 使用软件编程的方法对数字信号进行处理，消弱或去除数据中随机产生的 非周期性的噪声。节省了硬件设备，降低了成本。 第一章前言 1 1 棉纱条干不匀率的检测 第一章前言 1 1 1 条干不匀与条干不匀率的涵义 沿长度方向目测纱线或纱条就会发现其粗细是不均匀的，粗细不匀是普遍存 在的，这就是条干不匀。 广义的条干不匀包括各片段长度的粗细不匀，包括纱条中含有棉结杂质短绒 等形成的粗细不匀；狭义的条干不匀是指纱条的短片段间的粗细不匀。 纱条的条干不匀可按它表现的粗细或外径大小反映，也可用其物理意义的单 位长度的质量来反映。由于纱条的截面不是理想的圆形，在三维空间外观的粗细 和外径并不相同，因此以表现几何形态表示条干不匀。用物理意义表示的条干不 匀，相对地比较稳定。由于纱条捻度分布有向纱条细节集中的趋势，因而粗细处 的纱条密度并不一致，造成表现形态的条干不匀，与物理意义的条干不匀并不完 全一致。 人们目视的条干不匀与几何形态的条干不匀是比较一致的。物理意义表达的 条干不匀与实际纱条截面中纤维根数的变异相关密切，因此前者与布面条干比较 一致，后者与纺纱工艺关系密切。 纱条的条干不匀常以纱条表现外径或粗细尺寸的均方差表示，或用纱条单位 长度的质量的均方差表示。其均方差系数可以比较不同线密度纱条条干不匀的程 度，称为条干不匀率，英文名称是c o e m c i to f v a r i a t i o n ，简称c v 。 1 1 2 条干不匀检测方法的分析和比较 1 条干不匀的黑板检测 黑板检测条干不匀是传统的经典的方法。它直接用目视检测纱线变现在黑板 上形成的粗细不匀的程度、数量、阴影的深浅，对照标准样照定性评定等级( 分 优、一、二等) ，同时可观察是否有规律性等特征，它具有直观、方便、快速等 优点，国外也常用梯形黑板现场检测是否存在周期性不匀。周期性不匀会在黑板 上形成v 形图状，据此可量出周期波的波长，推断其产生的原因，非常实用。 2 条干不匀的仪器检测 天津工业大学硕士学位论文 2 0 世纪七十年代瑞士z c l l w e g e ru s t e r 公司首创利用物理状态中质量与电容 相关的原理，发明电容式条干均匀度仪，使纱条条干的检测进入仪器化、自动化 的时代，并且不断创新，日益完善，目前已实现基本自动化、电脑数字化、分析 系统化，趋向多功能、智能化、模块化发展。主要变化有以下几方面： 1 ) 从开创的单纯条干不匀率检测扩展为常发性纱疵检测，波谱图分析。d r 值检测，线密度对比( a f 值) ，锭间变异系数c v b 等内容；波谱图波长分析长 度从开始4 0 m 扩大至1 0 0 0 m 以上。 2 ) 条干不匀率检测对象从传统的条子、粗纱、细纱一机兼容的测试，发展为 条粗与细纱可以单机分别测试，从而使用较方便并可简化结构，降低单台的成本。 此外也有单台可同时测试条子、粗纱和细纱的仪器问世，可提高工作效率。 3 ) 条干均匀度仪向智能化发展，目前不少厂生产仪器设置专家纱疵分析诊断 系统，模拟纱线黑板与织物外观实物系统，质量数据与u s t e r 统计值比较分析 系统等。 4 ) 新型条干仪采用模块组合式设计，便于功能选用及故障修理。 5 ) 仪器测试速度不断提高，u s t - s 8 0 0 型条干仪测试速度可达8 0 0 m m i n 。 6 ) 电容式条干仪加装光电传感器在测试条干的同时，可检测纱线毛羽、直径、 椭圆度、异纤等外形信息。 7 ) 利用光电效应检测纱线几何形态的外形( 直径) 的光电式条干均匀度仪， 已有多家问世，如德国z w e i l g l e 公司o a s y s 纱线模拟光学评定系统，我国长岭 纺电的y g l 2 2 型光电纱线外观测试仪，上海飞鹿f y 型外观品质分析仪等。 电容式条干仪检测纱条的线密度( 质量) 对控制纱线质量，指导纺纱工艺具 有重要意义，但由于纱线受捻度不匀等因素的影响，使外观不匀和质量不匀有时 会有一定的差异，检测结果和目测纱线和织物外观评价不尽一致，但检测质量不 受纱线空间位置的影响，数据较稳定。电容式仪器受温湿度变化的影响较大，须 放在恒温恒湿的条件下测试。 光电式条干仪运用光学原理及数学图像处理技术，检测纱线外形变化，可以 较正确的模拟织物外观，达到仿真效果，但纱线毛羽会影响测试结果，例如周期 性毛羽变异会误导为条干周期性不匀，纱线空间位置不同，会影响测试数据差异 光电式条干仪问世较短，不如电容式那样成熟，且已有配套对比标准及统计值， 尚需让用户认识，接收市场的检验，但两种仪器各有特点，可长期共存，让用户 按需选用。 1 1 3 条干、纱疵的在线检测 在线检测是指将检测传感器放入生产线或机台上，自动检测在线产品的质量 2 第一章前言 或工艺数据，并同时进行自动调整、控制、记录、监控、报警或将疵品消除或停 机处理，有的还可预测下工序质量或提供有价值的数据，它是检测自动化、生产 连续化、管理无人化必须解决的课题，是今后发展的方向。 目前有关条干不匀在线检测的内容，主要有： 1u s t e rs l i v e rg u a r d 在线自调匀整和质量控制系统，可装在梳棉机、 精梳机和并条机上，采集和监控条子线密度、条干c v 和周期性疵点，一旦超 过界限就能报警或停机。 2u s t e rq u a n t u me x p e r t 专家系统，利用电子清纱器及c a y ，可在络 筒机上在线检测条干不匀及纱疵，并进行纱疵分级，同时可监控每锭清纱功能， 统计清纱效率、产量、车速等数据，绘出图表并及时发现有缺陷的锭子；如采用 u s i e ra n t u m 2 型电子清纱器，可控制分析纱线毛羽和异纤，我国长岭纺电 d q s s 系列清纱检测装置，也具清纱、定长、分级、统计等以上类似的功能。 3 德国t r u t z s c h l e r2 t d 0 3 型并条机设置后牵伸优化检测装置，可按单 独配置传动电机的消耗功率，检测牵伸力的大小，自调调整在较大牵伸力状态下 选定后牵伸倍数，达到优化条干的目的。 4 陕西长岭纺织机电科技有限公司y g l 2 1 型在线条干均匀度仪能在细纱机 上，抽样实时检测细纱条干c v 和波谱图，及时发现疵点及故障，但无调控能 力。 在线检测具备检测及时，有可能实现全过程、全部产品进行质量和工艺的检 测和调控的特点，是今后的发展方向，但对单元锭子组合较多的机台如粗纱机、 细纱机，由于每锭在线检测控制的成本太高，全机单锭在线检测还有困难，目前 仅有巡回检测断头、效率、车速等在线检测。 在线检测对环境( 温湿度、检测速度) 等要求比离线仪器检测要求要低，一 般不能代替标准测试条件下产品质量评定和鉴别、仲裁等。断裂强度等破坏性测 试不能应用在线检测。今后纱线外观性指标检测如条干、纱疵、棉结、异纤、外 径等有可能全面采用在线检测，实行在线外观质量的全检。 1 2 条干不匀检测指标的解释和应用 1 2 1 条干c v ( 变异系数) c v 是反映条干不匀率的主要指标。它反映了条干不匀的平均离散性，c v 与u ( 平均差系数) ，j ( 极差系数) 相比较为严密和正确，但它不能将条干 不匀的全部变异特性表达出来，例如条干不匀的周期性、条干不匀波的波幅大小 和波长、波幅的极差等。同一线密度纱条的c v 相同时，其粗细变异的特性往 3 天津t 业大学硕十学位论文 往不一样。 由此说明同样c v ，有的存在规律性不匀，有的由细节造成，有的由粗、 细节造成的，有的有粗有细，比较正常。对于工厂纱线的调查，c v 相同时， 有时会在布面上反映比较均匀，有时有明显的粗细节，甚至出现规律性纱疵。由 此可见，c v 不能反映条干不匀的全部，仅用c v 来分析条干不匀往往是不完 整的，容易造成c v 不高而布面却存在条干不匀、粗细节突出，存在横档等问 题。分析条干优劣，必须结合其他指标共同判断、全面分析。 1 2 2 条干曲线图( d i a g r a m ) 从实测的条干曲线中可以看出纱条粗、细节出现规律及波幅、波长的大小， 可弥补波谱图看不出粗、细节分布的不足。图中长度与试样长度的缩小比例应按 分析要求调整。 1 2 3 波谱图 分析波谱图中长度及波幅的特征，可以了解条干不匀的性质，及时找出纺纱 工艺或机件缺陷特别是周期性变异的原因，并能估计它对织物的影响，对减少突 发性沙疵起指导性作用。波谱图己成为条干不匀分析不可缺少的工具。 1 3 棉纱的条干标准和u s t e r 统计值 棉纱条干的优劣应有一个科学和考核标准或比对客观依据。 1 3 1 我国的棉纱考核标准 我国棉纱国家标准现定棉纱的品质分为“优、一、二三种品等，棉纱均匀 度c v 是五项考核主要内容之一。优等棉纱另加十万米纱疵一项考核标准。条 干均匀度可用生产厂选用黑板检测或仪器c v 检测，试验方法另有标准规定。 1 3 2u s t e r 统计值 瑞士u s t e r 公司常在西欧、东欧、亚太、南美、北美、非洲、中东等地区， 使用该公司的仪器、进行纤维、条子、粗纱、细纱的测试；然后进行数据整理、 统计分析，每相隔4 年5 年发布一次统计值( u s t e r s t a t i s t i c s ) 。某年发表统计 值是三年试验数据的积累和分析，一般可供后4 年5 年产品质量分析的参数。 u s t e r 统计值一般分成5 、2 5 、5 0 、7 5 、9 5 五档。一般认为5 0 属一 4 第一章前言 般水平，2 5 以下属先进水平，7 5 以上属较差水平。 u s t e r 统计值不是国际标准和我国的质量标准，但能比较客观反映当前国 际上纺织品的质量，因此被人们认可，在生产和国内外贸易中广泛使用，作为用 户要求的指标或衡量质量水平的依据。u s t e r 统计值也有其局限性，它仅适用 于它所统计的地区和u s t e r 公司的仪器，不能反映全球水平和适应我国水平。 u s t e r 统计的产品常能反映国际上大类产品的趋势，它使用的仪器可以代 表当前新技术发展和新潮流，值得借鉴。 1 4 提出问题 根据以上阐述的目前纱线条干的检测方法和国内外的研究现状可知，实现纱 线的在线检测对于纺织业与计算机自动化技术的相结合将具有重要的意义。本节 对于研究大量的纱线条干检测方法后，提出以下问题： 1 目前的检测方法主要采用离线的实验室检测法，但这种实验室检测方法的 结果只能是取决于对随机抽样检测结果。因为在随机抽样检验时，很可能存在某 些质量缺陷的纱锭很长时间都采集不到样品进行检测，且以子样水平代表总体水 平的棉纱平均质量，这样的检测结果并不能完全决定布面质量，往往在总体水平 不差的一批棉纱中，个别卷装的次品会影响到整个布面质量和实用质量。 2 由于现阶段没有棉条的检测设备，往往棉条的条干不匀将流入纱线阶段， 只能切除，既影响了纱线质量又造成了浪费。 3 针对国内部分纺纱厂进行调研，以并条机为例，现在使用的国产机型号有 a 2 7 2 f 、f a 3 0 2 、f a 3 0 3 、f a 3 0 4 、f a 3 0 6 以及f a 3 2 6 ，其中f a 3 2 6 使用了乌斯特 公司的u s g 自调匀整装置，但是这种装置无法用于便携式检测装置。 4 现今采用的纱线实验室检测的软件有的是基于d o s 系统下的，虽然稳定性 好，但操作单一，不灵活；有的虽是基于w i n d o w s 系统下，功能多，容易操作， 但系统运行不太稳定。 5 大部分相关纱线的检测软件是直接将采集到的纱线数据生成波谱图形，对 于纱线采集数据的噪声问题并没有做进一步的处理，而且计算机辅助生成的图形 不易于进行数据方面的分析。 以上阐述的五个问题，是纱线条干检测中普遍存在的问题。而在线检测技术 在现代纺纱工程中起着越来越重要的作用，电子技术和计算机应用技术的快速发 展推动了纺纱工程中在线检测技术应用的深度和广度，深入研究和大力推广在线 检测技术，对于改进和完善纺纱生产传统质量控制方法的不足，稳定和提高棉纺 产品质量，增强我国纺织产品的国际竞争力，意义深远。在线检测系统重视数据 5 天津工业大学硕士学位论文 应用和数据维护分析，能够实现对产品质量的有效控制。 1 5 课题研究的内容 课题是以工业中纱线条干均匀度测试方法为背景，研究实现纱线在线检测的 软件部分的开发，将采集到的数据上传至上位机的在线检测系统进行处理。考虑 到在纱线实际生产过程中，需采用p l c 进行控制，因此课题中的下位机采用p l c 进行现场纱线数据的采集，将采集后的数据存储于p l c 的存储单元中，最后将 数据从p l c 上传至计算机进行下一步的处理。在线检测系统会将纱线数据以图 表的形式给出，为数据分析提供了依据。另外，系统还提供了在线打印功能，如 有需要可将检测图表及时打印出来。对于纱线条干c v 值采用报警的方式设定， 根据测量纱线条干c v 值的平均值，按照质量要求设定条干c v 值的报警上 限和报警下限，当生产过程中纱线条干c v 值超过设定上限或低于设定下限时， 将产生一次报警。 6 第二章纱线数据在线监控系统的相关分析 第二章纱线数据在线监控系统的相关分析 2 1 系统需求分析 纱线数据在线监控系统是为配合整套硬件系统而开发的，并在原先的数据采 集的基础上增加了对于数据中噪声的处理和对数据的管理分析功能，方便实验人 员对纱线进行检测的工程中，可以参照系统给出的分析图能快速、准确的予以推 测一批纱线的品质以及造成纱线出现不匀的原因。 2 1 1 功能需求分析 纱线数据在线监控系统的开发需要具备以下功能： 1 数据上传功能：用p l c 对数据进行现场采集后，将数据上传至上位机系统。 2 数据滤波功能：对于现场采集到的数据进行分析后滤除其中的噪声，为数 据成图提供了必要的前提条件，使动态显示图更加的清晰和精确。 3 数据管理功能：运用后台数据库对上传至系统的数据进行保存、查找等， 另外系统提供一些基本的数据处理功能，包括数据输入、存储、修改、统计、打 印等。 4 数据成图功能：将采集到的纱线直径数据转换成纱线的c v 值，根据计算 出的c v 值自动生成关于纱线c v 的曲线，随着下位机不断的采集数据，曲线 将显示动态的变化。 5 统计分析功能：在数据库中存储了纺纱设备工艺传动系统图，它能够结合 测试结果给出的曲线图评估工艺流程，便于纺织专业人员及时发现生产中出现的 问题。 6 系统界面人性化：软件以菜单方式作为主要驱动方式、配以必要的工具栏 按钮；系统在运行时实时显示表格统计信息；完善错误检测功能，将系统出错的 情况反馈给操作人员；界面设计尽量适合专业人员的操作习惯。 2 1 2 纱线数据流程分析 数据流程分析主要包括对信息、传递、处理和存储等的分析。对数据分析多 采用分层的数据流程图( d a t af l o wd i a g r a m ，简称d f d 图) ，它是描述新系统 数据输入、数据输出、存储及数据处理之间关系的一种很有效的分析方法，为系 天津工业大学硕士学位论文 统功能划分打下了基础。本系统按照自顶向下、逐层分解、逐步细化的方式进行。 根据纱线数据处理流程，绘出本监控系统的数据流程图。 1 顶层数据流程图反应了系统的整体功能结构，有原始数据输入、数据处理 和数据输出，如图2 1 所示。 图2 1 顶层d f d 图 2 二层数据流程图反应了整个系统的功能划分，本系统分为四个处理过程， 如图2 2 所示。 图2 2 二层d f d 图 3 三层数据流程图，这是对每个逻辑处理实行进一步划分。 1 ) 数据输入流程图，如图2 3 所示。 第二章纱线数据在线监控系统的相关分析 图2 3 数据输入的三层d f d 2 ) 数据滤波流程图，如图2 4 所示。 图2 4 数据滤波的三层d f d 3 ) 数据保存流程图，如图2 - 5 所示。 图2 5 数据保存的三层d f d 4 ) 数据成图流程图，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 数据成图的三层d f d 9 天津工业大学硕士学位论文 2 2 系统可行性分析 本监控系统的设计是在了解了纱线数据的特点和数据处理方法的情况下，立 足应用、强调实用和兼顾技术先进性的指导思想下，进行总体方案设计和系统开 发，因而是切实可行的。下面从技术可行性、经济可行性及操作可行性进行分析。 2 2 1 技术可行性 本系统从总体框架设计，到分级模块设计，以及系统的规划都运用了众多的 技术和方法，如v b 开发技术、结构化设计方法、s q ls e r v e r 数据库的运用，每 一种技术和方法都是先进的。虽然其中一些技术需要依靠纺织领域专业人员的丰 富的实际经验判断，但软件本身提供了较为详尽的解决方案，提高了工作效率。 所以通过这些技术开发本系统是可行的，并且具有一定的创新性。 2 2 2 经济可行性 对于本系统中所设计的功能和所能解决的问题，虽然可以通过其它方法足够 解决，而且去买其它可供使用的软件也是可以的。但一方面不一定适应不同的纱 线数据研究需要，另一方面，由于没有一种有关纱线监控软件是集数据库，数据 滤波，数据分析于一体的，使用起来非常不便，所以权衡利弊，决定自我开发。 再加上本系统中所引用的软件，都是免费软件，这些都不需要经济支出的。因此， 从长期来看，在经济方面既节约了开支，又达到了对纱线数据研究的弹性要求， 所以从经济上分析也是可行的。 2 2 3 操作可行- i 生 针对系统的需求设计及开发，需要将数据库统计的使用方法及相关理论整理 成文，以供给用户进行参考；通过查阅历史文献资料及网上检索获取系统开发相 关技术的参考文档；将系统需要的英文开发技术文档翻译过来，以进行学习及开 发；收集在纱线数据处理中可供使用的第三方免费软件，增强本监控系统的数据 处理可操作性及灵活性。 由上可知，本系统在技术上、经济上、操作上都得到了充分的支持，在数据 资料和技术文档可获取性方面也得到了充分的保证，因此本系统是可以按期、保 质保量地开发完成的。 1 0 第三章纱线数据在线监控系统总体设计 第三章纱线数据在线监控系统总体设计 3 1 系统总体功能设计 3 1 1 系统总体功能结构图 系统的总体结构设计是根据对系统分析的结果来对新系统的总体结构形式 和可利用资源进行大致的设计，它是一种宏观、总体上的设计和规划。根据前面 分析的结果，为达到子系统具有相对独立性、数据冗余度小和充分利用数据资源 的要求，采用目前最常用的功能划分方法将本系统划分为通信控制、数据库管理、 数据处理、数据分析四个功能模块，如图3 1 所示。 3 1 2 子系统功能分析 图3 - 1 系统总体功能结构图 1 通信控制模块 根据系统的要求，此模块主要实现p l c 对计算机的数据传输，包括采集参 数设置、流程控制、采集数据实时显示以及综合显示处理结果等功能。 2 数据库管理模块 在进行采集时，大量的数据必须实时记录到数据库中，数据库管理模块负责 将采集的数据和相关的参考信息按预定义的数据结构加入到数据库中，数据库管 理模块也负责对数据库中的信息进行检索。 3 数据处理模块 由于现场采集到的纱线数据可能存在噪声，因此本模块实现了对数据去除噪 天津工业大学硕士学位论文 声的预处理功能。并对采集到的一组数据进行编辑整理，计算出纱线条干均匀度 c v 值，生成关于c v 值的动态曲线图。 4 数据分析模块 主要完成对采集的数据进行参数测量、特征分析、数据特征提取。数据分析 模块可在数据库的辅助下进行。结合纱线条干曲线图所呈现的曲线特征来评估纱 线的生产工艺流程，便于专业人员及时发现生产中出现的问题。 3 2 系统功能模块设计 3 2 1 通信控制模块功能设计 1 通信控制模块结构图，如图3 2 所示。 图3 2 通信控制模块结构图 2 功能设计：通信控制模块分为数据上传、数据显示两个子模块。利用此模 块把p l c 采集到的数据传至计算机，再将数据以表格的形式和动态曲线图的形 式显示于客户端。 1 ) 数据上传模块：实现了计算机与p l c 之间的r s 2 3 2 通信传输，将p l c 现 场采集到的数据上传至计算机，以待进行后续的数据处理和分析。 2 ) 数据显示模块：系统通过此模块实现采集数据以表格的形式实时显示的功 能。 3 2 2 数据库管理模块功能设计 1 数据库管理模块结构图，如图3 3 所示。 1 2 第三章纱线数据在线监控系统总体设计 图3 - 3 数据库管理模块结构图 2 功能设计：数据库管理模块分为数据存储，数据检索，数据操作三个子模 块。利用此模块将实时采集到的数据存入数据库进行管理，为纺织专业人员提供 必要的查询、添加、修改、更新、删除等操作。 1 ) 数据存储模块：将采集到计算机的数据和相关信息，按照预定义的字段实 时存入数据库中进行存储。 2 ) 数据检索模块：此模块将主要实现用户通过关键字的搜索对历史数据和关 联数据的查询功能，并以表格的形式将检索结果显示于客户端。 3 ) 数据操作模块：该模块可实现对数据库中的数据进行添加、修改、更新、 删除等操作。 3 2 3 数据处理模块功能设计 l 数据处理模块结构图，如图3 - 4 所示。 图3 4 数据处理模块结构图 2 功能设计：数据处理模块分为数据滤波，数据成图，数据保存打印三个子 模块。利用此模块对采集到的数据进行预处理，计算出纱线条干的c v 值，并以 曲线图的形式显示出来。 1 ) 数据滤波模块：由于在工业现场采集的数据中可能存在噪声，为不影响最 后数据处理的结果，使结果更加的准确，利用数据滤波模块对数据进行预处理。 2 ) 数据成图模块：p l c 现场采集是纱线的直径数据，需经此模块换算成纱线 天津工业大学硕士学位论文 的条干均匀度c v 值。然后将数据以曲线图的形式显示于客户端，并随着数据不 断上传曲线将呈现动态的变化。 3 ) 数据保存打印模块：此模块实现了将数据以文档的形式保存，并提供了数 据的打印功能。 3 2 4 数据分析模块功能设计 1 数据分析模块结构图，如图3 5 所示。 图3 5 数据分析模块结构图 2 功能设计：数据分析模块分为数据库软件辅助分析、解决方案显示两个子 模块。利用此模块可对前面模块生成的纱线条干曲线图与数据库中存储的具有一 定特征的曲线相比较，提取数据特征。对纱线疵点进行分析，得出解决方案。 1 ) 数据库软件辅助分析模块：在数据库中存储纺纱设备工艺传动系统图，以 及具有一定特征的曲线图及产生原因。 2 ) 解决方案显示模块：通过本模块可将生成的纱线条干曲线图与数据库中存 储的曲线图进行对比，给出分析产生条干不匀的原因和发生条干不匀的机件部 位。 3 3 软件组成框图 系统功能实现的组成框图如图3 - 6 所示。 1 4 第三章纱线数据在线监控系统总体设计 3 4 人机会话设计 图3 - 6 软件组成图 人机会话设计主要指在计算机运行应用程序时，用户与计算机系统之间通过 终端屏幕或其他装置进行信息交互。会话设计的任务是与用户共同确定对话方 式、内容与格式等。纱线数据在线监控系统是面向纺织技术研究人员或纺织数据 分析人员的，这些人多数是纺织技术专家，但不是计算机专家，他们不参与系统 的实现，而是通过系统来进行辅助分析。因此，人机会话的设计通常要满足以下 几项基本要求。 3 4 1 会话设计原则 在会话设计中，要考虑终端或微机的使用环境、响应时间、操作方便和对用 户的友好问答，并要注意保密。会话设计原则如下： 1 ) 会话要清楚、简单，不能具有二义性； 2 ) 直观形象，尽可能考虑适应研究人员的操作习惯； 3 ) 会话本身应具有指导用户怎样操作和回答问题的能力； 4 ) 画面清晰、明了、简洁，数据输入量尽可能少。 3 4 2 会话方式设计 天津工业大学硕士学位论文 本系统采用如下几种会话方式： 1 菜单式：这是目前采用最为普遍的一种方式，在系统中采用菜单式会话， 帮助纺织技术人员选择系统功能，选择统计方法进行统计分析帮助，提供数据处 理过程控制等。 2 表格式：对与纱线数据处理有关的数据的提取、输入及信息的输出，常采 用输入输出表格式的对话方式。 3 工具栏：这也是目前流行的软件设计方式，采用工具栏可以快捷简洁地选 择系统常用参数，使得操作方便性大大提高。 4 在线帮助：通过实时显示帮助文档和动画来协助研究人员熟练软件的使用 方法。 5 对话框：功能设置及错误提示信息都采用对话框的形式显示。 3 4 3 会话系统容错纠错设计 本系统要求有较强的会话交互能力，在会话系统中除了给用户提供友好的会 话方式外，还要考虑到会话结果的正确性。本系统采用的容错纠错方案如下： 1 提示法：提示操作者的有效操作范围。如在某些参数的选取时，给出参数 可能取值的范围。如超出范围，则出现系统提示。 2 确认回答法：为了避免用户的误操作，采用确认回答法提醒用户，给用户 一个改错的机会。在某些重要操作完成时出现系统提示，让用户确认操作行为。 3 无效处理法：在人机会话过程中，若用户操作不当，系统拒绝接受，为提 醒用户，可利用信息提示，提醒用户注意，而不至于让用户不知所措，茫然等待。 3 5 系统开发工具 本系统在v b 2 0 0 5 开发环境下开发，通过硬件接口底层开发实现通信。尝试 利用滤波算法对数据进行噪声处理，采用a d o n e t 技术进行数据库的连接和数 据编辑，显示等操作。运用v b 中类模块将数据进行成图处理。 1 6 第四章系统关键模块设计 第四章系统关键模块设计 4 1 系统通信控制设计 本文设计的数据监控系统目的是把地理位置不同的计算机和p l c 设备连接 起来进行信号的通信传输，完成数字的传送、信息交换和通信处理。由于本上位 机系统以开发便携式纱线检测系统为背景，在整套硬件中采用p l c 作为下位机 采集数据，上位计算机进行数据接收。 4 1 1 数据通信的概念及方法 数据通信就是将数字信息通过适当的传送线路从一台机器传送到另一台机 器。这里的机器可以是计算机、p l c 或是有数字通信功能的其他数字设备。通信 的形式通常可以划分为两种，其一为并行通信，另一种是串行通信。如图4 1 所 示： 国一圉 图4 - l 计算机通讯方式 通常对于传输线比较长的，往往会采取串行方式。因为数据电压在传送的过 程中容易因线路的因素而发生变化，最常见的是电压衰减问题，以及信号间串扰 的问题，因而使得传输的数据容易发生错误，相比较之下，串行通信一次只传1 位，处理的数据电压只有一位，因此数据不容易丢失，再加上一些防范措施后， 即可保证通信数据万无一失。因此，本监控系统采用r s 2 3 2 标准进行串行通信 传输。 天津工业大学硕士学位论文 1 串行通信的概念 所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线( 另外需要地线， 可能还需要控制线) ，数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数 据都占据一个固定的时间长度。如图4 - 2 所示。这种通信方式使用的数据线少， 在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输慢。 | d o l n l i d 2 l d 3 i b 4 i d 瘩l d 6 i d 7 ii 厂 门门厂 叫t 降 图4 2 串行通信方式 由于c p u 与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输， 因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”( 串一并) 和“发送移位寄 存器 ( 并一串) 。典型的串行接口的结构如图4 3 所示。 图4 - 3 串行接口结构图 在数据输入过程中，数据1 位1 位地从外设进入接口的“接收移位寄存器， 当“接收移位寄存器”中已接收完1 个字符的各位后，数据就从“接收移位寄存 器”进入“数据输入寄存器 。c p u 从“数据输入寄存器”中读取接收到的字符。 “接收移位寄存器的移位速度由“接收时钟”确定。 在数据输出过程中，c p u 把要输出的字符( 并行地) 送入“数据输出寄存 器”，“数据输出寄存器”的内容传输到“发送移位寄存器”，然后由“发送移位 寄存器移位，把数据1 位1 位地送到外设。“发送移位寄存器”的移位速度由 “发送时钟 确定。 第四章系统关键模块设计 接口中的“控制寄存器用来容纳c p u 送给此接口的各种控制信息，这些 控制信息决定接口的工作方式。 “状态寄存器的各位称为“状态位 ，每一个状态位都可以用来指示数据传 输过程中的状态或某种错误。 2p l c 与计算机间串行传输过程 当数据要由计算机传送到p l c 时，数据会先被送到计算机的数据输出缓冲 区，接着再由此缓冲区将数据由r s 2 3 2 线路传送到p l c ；同样地，当数据经由 硬件线路传送到计算机时，数据首先会送到接收缓冲区，而计算机的c p u 再到 接收缓冲区将数据读取并作处理，若数据流向是从计算机到p l c ，其硬件部分的 处理亦是如此。 3r s 2 3 2 串行通信 串行通信端口在系统控制领域中一直占据着重要的角色。作为每台计算机均 配备的r s 2 3 2 通信端口，通常含有c o m l 和c o m 2 两个信道，在计算机上的 r s 2 3 2 以九针接出，均是公头。在进行通信传输时是将采集到的数据信号转变成 电信号进行传递的，所以r s 2 3 2 具有相关的电平定义，如下图4 4 所示： + 5 v 5 v 1 5 v + 1 5 v + 1 5 v l o r ：融，晦l j i 1 r 信号电平 + 3 v 3 v 1 5 v 图4 - 4 r s 2 3 2 电平图 以上图中定义+ 5 v 计1 5 v 之间为0 ，一5 v 一1 5 v 之间为l ，考虑到噪声的干扰后， 天津工业大学硕士学位论文 可允许的范围成为+ 3 v 计1 5 v 之间为0 ，3 v 1 5 v 之间为1 。如果电压落在模糊 区，此部分的电压将使得计算机无法判断，可能会得到0 ，但也有可能得到1 ， 如此得到的结果是不可信的，因此所有信号必须明确地落于规定的范围内才行。 4r s 2 3 2 引脚的意义及方向 计算机上的r s 2 3 2 ，其9 只引脚的定义如4 1 表所示。 表4 i 引脚的编号及意义 引脚简写意义 p i l l ld c d 载波检测( c a r r i e rd e t e c t ) p i n 2r x d 接收( r e c e i v e ) p i n 3t ) ( d发送( t r a n s m i t ) p i n 4d t r 数据终端设备( d t e ) 备好( d a t at e r m i n a lr e a d y ) p i n 5g n d 接地( g r o u n d ) p 硒d s r 数据电路终接设备( d c e ) 备好( d a t as e tr e a d y ) p i n 7i 玎s 请求发送( r e q u e s tt os e n d ) p h 8c t s 清除以发送( c l e a r t os e n d ) p i n 9r i 响铃指示( r i n gi n d i c a t o r ) 4 1 2p l c 通信控制 1p l c 的组成 p l c 可以被看成是一种特殊用途的计算机，它的基本组成包含了三个部分， 分别是中央处理单元、内存、输出输入；在这3 个主要部分的架构下，再开发出 具备p l c 特色的软硬件结构。 p l c 通常包含继电器、定时器、计数器，以及众多的常开接点以及常闭接点， 以欧姆龙c s l 系列p l c 为例，系统的构架如图4 5 所示。 第四章系统关键模块设计 季 根据语e 容量魏 髓络功能， c 嘲分为1 1 种 爹 、l 外围设备端日l ，9 、# 图4 5 欧姆龙c s l 系列p i , c 系统构架 - - 2p l c 通信方式及其参数格式 计算机与p l c 之间是一种主从关系，计算机为主端，p l c 为从端。关系如 图4 6 所示。 图4 - 6 p l c 通信过程 系统的通信过程，首先由计算机发出命令，p l c 接到命令解读后，不管是 正确还是错误，均会响应信息给计算机端。计算机传给p l c 的格式称为命令格 式，而p l c 回传给计算机的格式称为响应格式，两者皆以a s c i i 码表示。因此， 当发送命令给p l c 时，由其处理之后，会将处理的结果返回给上位机程序。 在纱线数据通信中，只需要在上位机中编写上位机通信程序，无需在p l c 中编写任何程序，p l c 的c p u 会根据上位机发来的命令帧自动生成响应帧返回 给上位机。命令帧和响应帧之间包含需要通讯的数据，只有保证正确实现命令帧 和响应帧之间的应答，才能实现准确的数据交换。系统中采用从上位机发命令到 p l c 的命令和p l c 应答方式。 从上位机发送命令时的命令帧和响应帧如图4 7 所示。 l l节点号i 标题码 i 正文 i f c s l 结束符i 图4 7 命令帧和响应帧格式 甲。里 ，。_i-tt 天津工业大学硕士学位论文 命令帧中： 一是命令开始标志，所有命令都以“ 开始。 节点号一与上位机连接的p l c 在1 ：1 连接中默认值为o o 。 标题码一设置两字节的命令代码，如r d 代表读p l c 的d m 区数据。 正文一设置命令参数。 f c 卜设置两个字符的帧检查顺序码，用于校验，是用两位a s c i i 码表示的 8 位数据，是从“ ”开始到j 下文结束的所有字符的a s c ii 码按位异或运算的结 果。 结束符一表示命令的结束，用“和回车符表明。 应答帧中： 、节点号、标题码、f c s 和结束符同命令帧中的含义。 异常号一返回命令的执行状态，是否有错误发生。 3p l c 与计算机串行通信设计 1 ) 硬件部分 欧姆龙p l c c j l m 有两个串行通讯口，本系统是通过欧姆龙九针串口通讯线 x m 2 z 2 0 0 s c v ，其网络类型设置为s y s m a c w a y ，其它为默认设置，包括端 口为c o m