環(huán)錠紡智能化系統(tǒng)構(gòu)建思路與要點(diǎn)

喬 蓓 胡廣敏 王耀斌

(1.西安工程大學(xué)，陜西西安，710048；2.山東華興紡織集團(tuán)有限公司，山東泰安，271400； 3.咸陽(yáng)市新興紡織工業(yè)園，陜西咸陽(yáng)，713100)

隨著新興科學(xué)技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和商業(yè)模式也不可避免地會(huì)發(fā)生巨大的變化，調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定健康發(fā)展的新目標(biāo)為傳統(tǒng)紡織行業(yè)帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。信息技術(shù)在紡織行業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、營(yíng)銷(xiāo)、物流等環(huán)節(jié)深入應(yīng)用，將推動(dòng)生產(chǎn)模式向柔性化、智能化、精細(xì)化轉(zhuǎn)變。有專(zhuān)家指出：中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃(簡(jiǎn)稱(chēng)“十三五”規(guī)劃)期間紡織機(jī)械的發(fā)展重點(diǎn)將集中在智能制造裝備的開(kāi)發(fā)以及制造過(guò)程智能化兩個(gè)方面[1]。紡織企業(yè)要實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)，完成不同類(lèi)型和功能的智能單機(jī)設(shè)備互聯(lián)，形成柔性化新型生產(chǎn)模式，需要機(jī)械、紡織、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)信息等多專(zhuān)業(yè)和技術(shù)的有效結(jié)合。企業(yè)轉(zhuǎn)型的迫切需要以及智能紡織系統(tǒng)構(gòu)建的難度，都需要借鑒成功的經(jīng)驗(yàn)。

1 智能紡織工廠技術(shù)路線

紡織業(yè)在我國(guó)是一個(gè)勞動(dòng)密集程度高和對(duì)外依存度較大的產(chǎn)業(yè)，要實(shí)現(xiàn)其智能化，必須通過(guò)將不同類(lèi)型和功能的智能單機(jī)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全流程連續(xù)化、智能化生產(chǎn)。即形成集智能管理、智能車(chē)間、智能物流運(yùn)輸、產(chǎn)品管理、售后追蹤于一體的完整模式，通過(guò)智能計(jì)劃、智能生產(chǎn)調(diào)度、智能監(jiān)控、實(shí)時(shí)成本分析、市場(chǎng)分析、智能決策形成智能管理系統(tǒng)。

紡織生產(chǎn)全過(guò)程的自動(dòng)化，需要建立全集成自動(dòng)化紡紗生產(chǎn)線、環(huán)錠智能紡紗管理系統(tǒng)、多維紡織質(zhì)量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析和逆向動(dòng)態(tài)追蹤系統(tǒng)。

在生產(chǎn)方面，全集成自動(dòng)化紡紗生產(chǎn)線自動(dòng)進(jìn)料，通過(guò)清梳聯(lián)系統(tǒng)、條筒自動(dòng)輸送、精并粗系統(tǒng)、粗細(xì)聯(lián)系統(tǒng)等完成生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)自動(dòng)化紡紗。

在后臺(tái)數(shù)據(jù)分析與管理方面，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化通過(guò)控制設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、視頻監(jiān)控以及傳感設(shè)備等獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)預(yù)警；獲取的海量數(shù)據(jù)通過(guò)與企業(yè)云服務(wù)器數(shù)據(jù)交換完成自學(xué)習(xí)和自更新，從而進(jìn)行預(yù)警體系的實(shí)時(shí)更新；同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)的分析和處理完成紡織質(zhì)量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析；這些數(shù)據(jù)結(jié)合生產(chǎn)前端的供應(yīng)商、進(jìn)貨價(jià)格、原料庫(kù)存以及生產(chǎn)末端的產(chǎn)品庫(kù)存、售價(jià)及用戶(hù)信息可以進(jìn)行實(shí)時(shí)成本分析、經(jīng)營(yíng)指揮、產(chǎn)品追溯，并于云端數(shù)據(jù)交換進(jìn)行市場(chǎng)分析和管理決策，其技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 紡紗智能化工廠示意圖

由于我國(guó)目前紡織行業(yè)自動(dòng)化和智能化的程度較低，智能化紡紗在實(shí)施的過(guò)程中會(huì)有以下一些困難。一是專(zhuān)業(yè)化與信息化融合難。要實(shí)現(xiàn)紡織機(jī)械的自動(dòng)化與智能化，需要兼顧紡織和計(jì)算機(jī)技術(shù)，而現(xiàn)實(shí)的情況是跨界難，即紡織企業(yè)不懂智能化，IT企業(yè)不懂紡織[2]。二是沒(méi)有所有企業(yè)通用的全套智能化系統(tǒng)。每個(gè)紡織企業(yè)都有自身的特點(diǎn)，現(xiàn)成的全套智能化系統(tǒng)未必拿來(lái)就能直接使用，除非放棄原有車(chē)間新建廠房和設(shè)備，否則都存在不兼容和不適應(yīng)的問(wèn)題。為此，紡織企業(yè)需要根據(jù)可借鑒的建設(shè)思路結(jié)合企業(yè)自身特點(diǎn)構(gòu)建智能化系統(tǒng)。本文以山東華興紡織集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)山東華興)智能紡為例，從企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備及系統(tǒng)集成入手，探討環(huán)錠紡智能化系統(tǒng)的構(gòu)建思路與要點(diǎn)。

2 智能化系統(tǒng)構(gòu)建思路與要點(diǎn)

2.1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從當(dāng)前山東華興紡紗車(chē)間來(lái)看，有數(shù)百臺(tái)多種型號(hào)的生產(chǎn)主機(jī)及輔機(jī)設(shè)備，主要包括清梳聯(lián)、條并卷聯(lián)合機(jī)、精梳機(jī)、并條機(jī)、粗紗機(jī)、細(xì)絡(luò)聯(lián)、自動(dòng)包裝等生產(chǎn)主機(jī)設(shè)備，以及空壓、除塵、供配電及實(shí)驗(yàn)室等輔機(jī)設(shè)備。而這些設(shè)備是由種類(lèi)眾多的控制器完成單機(jī)自動(dòng)控制。同時(shí)，由于目前我國(guó)紡織設(shè)備主要依賴(lài)于進(jìn)口，且眾多的設(shè)備廠商對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)端口進(jìn)行加密或者各設(shè)備通訊協(xié)議存在差異，進(jìn)而使得各種設(shè)備數(shù)據(jù)無(wú)法獲取或者設(shè)備之間信息傳遞受阻。因此，我國(guó)大多數(shù)紡織企業(yè)為了獲取生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的各種管理、產(chǎn)量、能耗和功能性的數(shù)據(jù)，只能安排管理人員定點(diǎn)定時(shí)來(lái)抄錄、統(tǒng)計(jì)和分析、匯報(bào)。其過(guò)程枯燥、繁雜，既容易出現(xiàn)錯(cuò)誤、疏漏，又會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)加工信息的滯后性[3]。此外，由于企業(yè)需求的不同及設(shè)備功能的限制，僅有的數(shù)據(jù)不夠全面和準(zhǔn)確，尚不能為企業(yè)管理層提供可靠的數(shù)據(jù)和信息支持。因此，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析不能滿(mǎn)足紡織產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)紡織行業(yè)的智能紡。

基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的紡織企業(yè)底層信息集成及其綜合處理系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)可以徹底實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程的信息化，使紡織業(yè)的生產(chǎn)管理效能得到大幅度提高，并部分實(shí)現(xiàn)紡織生產(chǎn)的智能化。采用多層總線技術(shù)非常適合于分布面積大、控制設(shè)備多、信號(hào)復(fù)雜的紡織車(chē)間使用。紡織車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及輔機(jī)設(shè)備數(shù)萬(wàn)個(gè)信號(hào)使用很少的電纜連接到控制室，系統(tǒng)造價(jià)低，和紡織行業(yè)的實(shí)情相吻合，且系統(tǒng)維護(hù)便捷[4]。

利用工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS、MODBUS、CAN等總線將紡織生產(chǎn)過(guò)程的全部設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，集成和處理紡織生產(chǎn)全過(guò)程的所有數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程每個(gè)環(huán)節(jié)的可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)控和管理，在此基礎(chǔ)上對(duì)紡織生產(chǎn)過(guò)程中的大數(shù)據(jù)進(jìn)行智能挖掘，為企業(yè)精細(xì)化管理、管理水平提升、生產(chǎn)損耗降低、生產(chǎn)效率提高提供第一手的決策數(shù)據(jù)。

項(xiàng)目總體方案運(yùn)用融入自診斷技術(shù)的總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的信息集成系統(tǒng)。

構(gòu)建企業(yè)級(jí)冗余工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多車(chē)間廣領(lǐng)域范圍內(nèi)的信息交互；設(shè)計(jì)車(chē)間級(jí)PROFIBUS、MODBUS、CAN等總線系統(tǒng)，通過(guò)智能紡控制設(shè)備穩(wěn)定快速地獲取紡織設(shè)備運(yùn)行工藝參數(shù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和網(wǎng)絡(luò)故障診斷分析；建立設(shè)備級(jí)多接口、多方式、多協(xié)議的信息交互方式，創(chuàng)建智能紡系統(tǒng)需求的雙向數(shù)據(jù)交互鏈路；搭建工業(yè)及無(wú)線信息交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)間智能無(wú)線終端和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的實(shí)時(shí)無(wú)縫信息交互；采用上述先進(jìn)的多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)完成紡織企業(yè)清棉、梳棉、并條、精梳、粗紗、細(xì)紗、絡(luò)筒等眾多工序數(shù)據(jù)穩(wěn)定高速的雙向傳輸。

2.2 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和信息模型

根據(jù)山東華興生產(chǎn)車(chē)間的實(shí)際情況以及目前工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展水平和現(xiàn)狀，采用兩層工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能。底層采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程工序機(jī)臺(tái)各設(shè)備的信息采集、集成；對(duì)于自成系統(tǒng)并留有以太網(wǎng)口的機(jī)臺(tái)，采用工業(yè)交換機(jī)構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與上層集中監(jiān)控和信息管理網(wǎng)絡(luò)的通信；上層采用基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，并開(kāi)發(fā)和使用專(zhuān)有的應(yīng)用軟件系統(tǒng)來(lái)完成終端數(shù)據(jù)的采集和處理。

實(shí)現(xiàn)紡紗生產(chǎn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成。在紡紗信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中將所涉及的數(shù)據(jù)按其特性可分為三類(lèi)[5]。一是公共數(shù)據(jù)，為企業(yè)核心數(shù)據(jù)，屬于各系統(tǒng)中都需要的信息。如企業(yè)組織結(jié)構(gòu)、崗位、工種、人員、存貨檔案、固資編碼、供應(yīng)商、用戶(hù)等信息。二是共享數(shù)據(jù)，為與其他信息系統(tǒng)共享的信息。如在能源管理系統(tǒng)和成本核算系統(tǒng)中都需要產(chǎn)量、能耗、成本等信息。三是專(zhuān)有數(shù)據(jù)，不與其他信息系統(tǒng)共享的信息。如實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志、文檔信息、知識(shí)等。紡紗信息化系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)來(lái)自企業(yè)內(nèi)部和外部。內(nèi)部數(shù)據(jù)主要包括紡紗過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、紡紗設(shè)備數(shù)據(jù)等。紡紗生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括紡織設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、紡織生產(chǎn)過(guò)程工藝參數(shù)、紡織生產(chǎn)能源消耗計(jì)量數(shù)據(jù)等，共同構(gòu)成了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源。生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)如生產(chǎn)計(jì)劃、成品紗指標(biāo)、原材料清單、績(jī)效考核指標(biāo)等，設(shè)備描述如供應(yīng)商、規(guī)格型號(hào)、操作說(shuō)明、操作規(guī)程等。生產(chǎn)管理的各類(lèi)數(shù)據(jù)共同構(gòu)成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)源。外部數(shù)據(jù)主要包括市場(chǎng)信息、用戶(hù)信息、供應(yīng)商信息等構(gòu)成的外部數(shù)據(jù)源。無(wú)論外部數(shù)據(jù)源還是內(nèi)部數(shù)據(jù)源(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)源)，均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)集成，存儲(chǔ)于生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)服務(wù)器中，通過(guò)對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)的加工處理、規(guī)則提取和數(shù)據(jù)抽象形成各類(lèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)，并按照結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)管理。紡織企業(yè)智能化系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成的架構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 紡織企業(yè)數(shù)據(jù)集成架構(gòu)模型

2.3 工藝規(guī)劃及流程

在數(shù)字環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品的工藝進(jìn)行規(guī)劃，就是在工廠、車(chē)間、生產(chǎn)線、生產(chǎn)裝備、制造資源的數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，在工藝分析方法和技術(shù)的指導(dǎo)下，在工藝分析工具的支持下，對(duì)產(chǎn)品的工藝路線、工序安排、制造設(shè)備進(jìn)行合理的規(guī)劃，并且通過(guò)數(shù)字化模型對(duì)工藝方案進(jìn)行仿真分析，最后得到最優(yōu)的工藝規(guī)劃方案，使得與工廠的生產(chǎn)規(guī)模相適應(yīng)，并且能達(dá)到工藝要求，確保產(chǎn)品質(zhì)量。工藝規(guī)劃流程圖如圖3所示。

圖3 工藝規(guī)劃流程圖

2.4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的功能有主要功能模塊設(shè)計(jì)和輔助功能模塊設(shè)計(jì)兩大部分。

主要功能模塊設(shè)計(jì)需要對(duì)設(shè)備監(jiān)控模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、報(bào)警預(yù)警模塊、訂單追蹤模塊、統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊、質(zhì)量數(shù)據(jù)模塊、能耗分析模塊、單錠數(shù)據(jù)分析模塊、設(shè)備維護(hù)管理模塊、產(chǎn)能效率分析模塊、損耗率制成率分析模塊、工資及成本核算模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

輔助功能模塊設(shè)計(jì)需要對(duì)微信預(yù)警報(bào)警功能、生產(chǎn)管理功能、ERP的交互對(duì)接功能、歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能、數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 環(huán)錠紡智能化系統(tǒng)實(shí)踐效果評(píng)價(jià)

山東華興智能紡的實(shí)施具有顯著的效果。能夠有效提高生產(chǎn)效率20%，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期30%，在制品庫(kù)存資金周轉(zhuǎn)加快，取得間接經(jīng)濟(jì)效益10%；企業(yè)萬(wàn)錠用工達(dá)到15人，降低人工成本可達(dá)80%；能源利用率提高12%；智能配棉的應(yīng)用，可平均降低配棉等級(jí)0.5級(jí)，大幅降低了用棉成本；企業(yè)綜合運(yùn)營(yíng)成本降低20%。此外，項(xiàng)目實(shí)施后可有效降低在庫(kù)庫(kù)存資金占用和在制品物資資金占用，降低庫(kù)存資金占用10%，有效節(jié)約了財(cái)務(wù)成本。綜上分析，項(xiàng)目實(shí)施可在多方面提升企業(yè)的盈利能力，全員勞動(dòng)生產(chǎn)率大幅度提升，平均可使企業(yè)增加利潤(rùn)30%左右。

我國(guó)棉紡織行業(yè)擁有規(guī)模以上企業(yè)8 700多家，紡紗規(guī)模1.2億錠，根據(jù)山東華興的經(jīng)濟(jì)效益分析數(shù)據(jù)推算，預(yù)計(jì)行業(yè)可實(shí)現(xiàn)增加經(jīng)濟(jì)效益16億元。因此，紡織企業(yè)智能化系統(tǒng)的實(shí)施必將有效促進(jìn)棉紡織行業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和利潤(rùn)水平的增長(zhǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)紡織設(shè)備種類(lèi)多且協(xié)調(diào)受阻的問(wèn)題，本文以山東華興紡織集團(tuán)有限公司為例，通過(guò)對(duì)該企業(yè)不同供應(yīng)商的設(shè)備和系統(tǒng)，依據(jù)紡紗工序及全流程進(jìn)行綜合集成，構(gòu)建了從原料輸入到紡織產(chǎn)品入庫(kù)的環(huán)錠紡智能化生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將多種設(shè)備子系統(tǒng)(在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)、條筒AGV輸送系統(tǒng)、細(xì)紗接頭智能導(dǎo)航系統(tǒng)、筒紗智能包裝與輸送系統(tǒng))按照紡紗工藝規(guī)劃及流程對(duì)其進(jìn)行整合。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的問(wèn)題，提出了紡織企業(yè)數(shù)據(jù)集成架構(gòu)模型，該模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)的加工處理、規(guī)則提取和生產(chǎn)反饋，并按照結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)管理及分析。通過(guò)在山東華興紡織集團(tuán)有限公司的應(yīng)用結(jié)果表明，本文構(gòu)建的環(huán)錠紡智能化生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策的支持，提高了生產(chǎn)效率，縮短了研發(fā)周期，減少了用工，紗線質(zhì)量有所提升，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。