基于CPS的智能棉紡車間制造單元管控策略研究

章國政

（北京經(jīng)緯紡機新技術(shù)有限公司，北京 100176）

1 CPS環(huán)境下棉紡車間制造單元管控模型構(gòu)建

清梳工序主要包括了抓棉機、開棉機、混棉機、清棉機和梳棉機。在棉紡設(shè)備的電氣控制上主要以PLC控制為主，PLC具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、應(yīng)用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點。PLC在原來CPU模板上逐漸增加了各種通訊接口，使得現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以及無線通訊技術(shù)在工控領(lǐng)域得到快速發(fā)展。[1-2]

1.1 數(shù)據(jù)流

車間清梳工作站下達生產(chǎn)指令，通過清梳CPS單元中主干網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇LC控制部件，由PLC通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)主機設(shè)備的動作執(zhí)行。生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的實時反饋自動優(yōu)化生產(chǎn)指令，實現(xiàn)清梳制造單元的閉環(huán)控制。

1.2 物理接口

清梳設(shè)備連接到主干控制網(wǎng)的棉紡設(shè)備的物理接口采用RJ45標準；設(shè)備組監(jiān)控中心或網(wǎng)關(guān)的物理接口可以是RJ45或RS-485。

中央監(jiān)控中心連接主干控制網(wǎng)的物理接口應(yīng)采用RJ45標準。傳輸速率宜不小于100 Mb/s。連接主干控制網(wǎng)絡(luò)的通信接口應(yīng)與中央監(jiān)控中心的通信接口一致，連接設(shè)備組控制網(wǎng)絡(luò)的通信接口應(yīng)與組內(nèi)棉紡設(shè)備的接口一致。

1.3 通信協(xié)議

1.3.1 廠級網(wǎng)絡(luò)

廠級網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用基于以太網(wǎng)連接的、TCP及UDP的通信協(xié)議。

1.3.2 主干控制網(wǎng)絡(luò)

主干控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用基于以太網(wǎng)連接的、適合于工業(yè)控制要求、可互操作性強、適應(yīng)性廣的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議或工業(yè)通信協(xié)議，如：Profinet、ModbusTCP/IP等。

1.3.3 設(shè)備組控制網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)清梳設(shè)備連接到不同的網(wǎng)絡(luò)層可采用：（1）基于以太網(wǎng)連接的、適合于工業(yè)控制要求、可互操作性強、適應(yīng)性廣的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議或工業(yè)通信協(xié)議，如：Profinet、Modbus TCP/IP等。（2）開放性強、應(yīng)用較廣的工業(yè)現(xiàn)場總線或其他技術(shù)，如：ProfiBus、CANopen等。

2 清梳CPS單元信息模型構(gòu)建

2.1 信息分類和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

紡織業(yè)制造數(shù)據(jù)主要包括業(yè)務(wù)類數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)信息和經(jīng)過預(yù)處理得到的有效業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)用戶權(quán)限數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、工單數(shù)據(jù)及各類統(tǒng)計匯總數(shù)據(jù)等內(nèi)容，對上層的部分系統(tǒng)功能提供支持。監(jiān)測數(shù)據(jù)則主要是傳感器獲得的各類設(shè)備的原始性能數(shù)據(jù),包括各類設(shè)備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括各種傳感器數(shù)據(jù)，PLC的追蹤器數(shù)據(jù)等。CPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層中涉及的數(shù)據(jù)被劃分為操作型數(shù)據(jù)、穩(wěn)定型數(shù)據(jù)、整合型數(shù)據(jù)。[3-4]

2.2 清梳CPS單元信息模型

按照清梳棉設(shè)備類型對清梳CPS單元的信息進行分類匯總，將不同設(shè)備的運行參數(shù)、紡織中間產(chǎn)品的質(zhì)量參數(shù)以及紡織工藝信息以清梳工藝流程為主線進行描述。主要包括幾個方面的信息。

2.2.1 抓棉機

抓棉機主要完成原棉初步開松、混合，涉及到打手轉(zhuǎn)速、外側(cè)壓棉羅拉線速度、中間壓羅拉線速度等工藝參數(shù)，其自身的固有參數(shù)包括故障報警設(shè)置參數(shù)、最大負載量、最大抓取精度值等，生成的棉塊質(zhì)量主要涉及適用纖維長度、雜質(zhì)量、原料混合數(shù)等方面。

2.2.2 開棉機

開棉機主要完成棉塊的開松、除雜，工藝參數(shù)包括滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒與塵棒間的隔距和塵棒間的隔距。設(shè)備參數(shù)包括故障報警設(shè)置參數(shù)、最大負載量、最大開松效能等，生成的小棉束質(zhì)量包括雜質(zhì)與纖維間分離率、短絨率、棉結(jié)雜質(zhì)粒數(shù)等。

2.2.3 混棉機

混棉機主要完成小棉束混合、開松、除雜，涉及到角釘打手轉(zhuǎn)速、勻棉打手轉(zhuǎn)速、角釘簾主軸轉(zhuǎn)速、角釘簾線速度等工藝參數(shù)，其自身的固有參數(shù)包括故障報警設(shè)置參數(shù)、最大負載量、最大棉倉容量等，生成的棉層質(zhì)量的依據(jù)是配棉比例。

2.2.4 清棉機

清棉機主要完成棉層細致開松、去雜，涉及到綜合打手轉(zhuǎn)速、綜合打手與天平羅拉間隔距、綜合打手與塵棒間隔距、塵棒間隔距等工藝參數(shù)，其自身的固有參數(shù)包括故障報警設(shè)置參數(shù)、最大負載量、最大去雜率等，生成的棉卷或棉流質(zhì)量依據(jù)是棉卷均勻程度。

2.2.5 梳棉機

梳棉機主要完成棉卷或棉流梳理、去雜、混合、成條，涉及到刺輥速度、落雜區(qū)長度、除塵刀位置、小漏底工藝數(shù)據(jù)等工藝參數(shù)，其自身的固有參數(shù)包括故障報警設(shè)置參數(shù)、最大負載量、生條均勻度等，生成的棉條質(zhì)量主要受落棉率、除雜率等方面的影響。

3 結(jié)語

CPS作為智能制造的核心支撐技術(shù)，必將在中國智能制造轉(zhuǎn)型升級中發(fā)揮重要的價值。中華人民共和國工業(yè)和信息化部近期發(fā)布的白皮書，在規(guī)范對CPS的認知、厘清CPS的特點、層級、實現(xiàn)等方面都具有積極的推動作用。本課題將CPS理論引入棉紡生產(chǎn)制造過程，構(gòu)建智能棉紡車間，實現(xiàn)棉紡企業(yè)的柔性生產(chǎn)，提出了智能棉紡車間CPS體系的基本框架。制造單元的管控策略研究是系統(tǒng)CPS重要的環(huán)節(jié)，本課題以清梳CPS單元管控策略的研究為例，詳細闡述了棉紡制造單元如何構(gòu)建通信模型、信息模型和控制模型的思路。