淺談智能紡的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢

李增潤 管幼平

(經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司，山西晉中，030601)

2018中國國際紡織機(jī)械展覽會暨ITMA亞洲展覽會上，多數(shù)紡織機(jī)械制造企業(yè)展示的各種裝置、主機(jī)設(shè)備、物料流轉(zhuǎn)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)，都在以“自動化，數(shù)字化，智能化，大數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)”作為主要特點(diǎn)，體現(xiàn)了紡織行業(yè)的發(fā)展趨勢和真實(shí)需求。科技進(jìn)步使先進(jìn)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用成本和難度越來越低，減少紡織廠車間內(nèi)用工數(shù)量、降低人工勞動強(qiáng)度、提高紡織品質(zhì)量和產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)設(shè)備動作和物料周轉(zhuǎn)自動化、實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生產(chǎn)流程管理以提高生產(chǎn)效率，是行業(yè)發(fā)展的大勢所趨，也是紡織工業(yè)向智能化發(fā)展的必由之路。

我國一直是紡織機(jī)械和紡織品的出口大國，在《中國制造2025》和“一帶一路”倡議的國家發(fā)展戰(zhàn)略大背景下，國內(nèi)各紡織機(jī)械制造企業(yè)如何立足于自身現(xiàn)實(shí)條件，結(jié)合紡織企業(yè)的個(gè)性化需求，自主創(chuàng)新，研發(fā)出市場需要的整套智能化技術(shù)方案，是一個(gè)很值得商榷的課題。經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司(以下簡稱經(jīng)緯智能公司)擁有棉紡成套設(shè)備的研發(fā)制造能力，其設(shè)備和相關(guān)技術(shù)方案的智能化發(fā)展程度對國內(nèi)紡織行業(yè)的進(jìn)步有一定的推進(jìn)意義。本文以環(huán)錠細(xì)紗機(jī)及其配套設(shè)施的發(fā)展為例，淺析設(shè)備智能化的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢。

1 紡紗設(shè)備的智能化發(fā)展

紡織工業(yè)現(xiàn)代化的歷程已經(jīng)有數(shù)百年的歷史，在漫長的發(fā)展過程中，各種紡織流程、設(shè)備、質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)相當(dāng)詳細(xì)完備。以普通棉紡流程為例，開棉、混棉、清棉、梳棉、精梳、并條、粗紗、細(xì)紗、絡(luò)筒整個(gè)工藝流程中，因?yàn)閷K端產(chǎn)品細(xì)紗的要求不同，每一道工序的操作規(guī)范和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有很大的差異，對設(shè)備的調(diào)整也有詳細(xì)要求。以往需要人工深度參與，而智能紡的基礎(chǔ)和依托首先就是實(shí)現(xiàn)紡紗設(shè)備的智能化，盡量由高度自動化運(yùn)行的設(shè)備來代替人工的各項(xiàng)操作。環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的總錠數(shù)量是衡量一個(gè)紡織廠規(guī)模大小的最主要標(biāo)志，因此，環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的自動化、智能化水平對整個(gè)紡紗流程具有決定意義。

在10年的時(shí)間里，國產(chǎn)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)完成了由機(jī)械化向電氣化、智能化的轉(zhuǎn)變。此前，環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的主機(jī)牽伸、加捻、卷繞成形這三大運(yùn)動基本還停留在機(jī)械化控制的狀態(tài)。機(jī)械化是一種模擬量的控制方法，雖然穩(wěn)定性好，但細(xì)紗工藝參數(shù)的選擇不夠精細(xì)，且可選范圍受到限制，管紗的卷繞成形也是模糊化調(diào)節(jié)。每次更改細(xì)紗工藝參數(shù)時(shí)，都需要重新調(diào)節(jié)機(jī)械上的傳動結(jié)構(gòu)，這種近似逼近的方法使得生產(chǎn)組織、產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)、實(shí)際機(jī)臺操作等過程需要大量的人工參與，對于多品種、小批量的紡紗企業(yè)，其過程繁瑣，管理困難。目前這三大運(yùn)動在新型細(xì)紗機(jī)上都可以做到數(shù)字化控制，伺服牽伸代替了機(jī)械牽伸，牽伸區(qū)的動力不再來源于主軸，而是由單獨(dú)的伺服電機(jī)跟隨主軸的運(yùn)動狀態(tài)實(shí)時(shí)精確調(diào)整牽伸區(qū)運(yùn)動，不但節(jié)省了調(diào)整細(xì)紗工藝時(shí)需要更換傳動齒輪的繁瑣過程，同時(shí)也使紡紗工藝的范圍大為擴(kuò)展。一些牽伸電子化比較徹底的機(jī)型，其前中后羅拉分別由單獨(dú)的伺服電機(jī)帶動，使細(xì)紗號數(shù)更加可控，重量偏差范圍可以由原來的±5%精確控制到±1.5%，甚至更好；變頻電機(jī)帶動錠子轉(zhuǎn)動取代了以往的雙速電機(jī)，雙速電機(jī)只有高低兩檔速度，而變頻電機(jī)則可以根據(jù)紡紗過程中紗線張力的變化，在控制系統(tǒng)中設(shè)置變頻器的輸出頻率，進(jìn)而控制錠速變化，實(shí)現(xiàn)錠速變頻控制，紡紗穩(wěn)定性有了實(shí)質(zhì)性的提高，細(xì)紗落紗斷頭率、開機(jī)斷頭率和運(yùn)行時(shí)千錠斷頭率等指標(biāo)有了統(tǒng)計(jì)意義上的明顯好轉(zhuǎn)；卷繞成形數(shù)字化，在經(jīng)歷了由“機(jī)械凸輪-機(jī)械位叉”和“電子凸輪-電子位叉”實(shí)現(xiàn)的鋼領(lǐng)板牽吊式運(yùn)動后，目前已經(jīng)配備成熟的積極升降式鋼領(lǐng)板運(yùn)動機(jī)構(gòu)，積極式鋼領(lǐng)板運(yùn)動機(jī)構(gòu)的實(shí)施使細(xì)紗機(jī)高速高效穩(wěn)定運(yùn)行成為現(xiàn)實(shí)，這是因?yàn)殡S著細(xì)紗機(jī)長車、超長車推向市場，原來的鋼領(lǐng)板牽吊式升降運(yùn)動，在配重比例上控制困難，細(xì)紗機(jī)錠數(shù)的增加，長度尺寸成倍加長，原來的牽吊式柔性傳動不穩(wěn)定。另外，集體落紗系統(tǒng)的自動化、穩(wěn)定性、智能化水平也是細(xì)紗工序里非常重要的部分，經(jīng)緯智能公司的細(xì)紗機(jī)從JWF1562系列長車型開始，優(yōu)化設(shè)計(jì)落紗動作流程，空滿管交換時(shí)間能夠控制在2.5 min以內(nèi)，減少了落紗停車時(shí)間，提高了設(shè)備利用效率，同時(shí)極大地減少了人工參與的工作量，操作安全性也有提升。在紗管傳輸方式上，有氣缸凸盤式和鋼帶凸盤式兩種方案可供選擇，為細(xì)絡(luò)聯(lián)提供支持。其中，鋼帶凸盤式使紗管傳輸更快，可實(shí)現(xiàn)超長型細(xì)紗機(jī)紡粗號紗的要求。細(xì)紗機(jī)主機(jī)的智能化，不僅僅是機(jī)械上執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動化，更重要的是軟件上控制系統(tǒng)的智能化，通過“人機(jī)交互界面”或者“遠(yuǎn)程控制終端”設(shè)置紡紗要求和查看設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，目前已經(jīng)是新型細(xì)紗機(jī)的基本功能。環(huán)錠細(xì)紗機(jī)主機(jī)及附屬執(zhí)行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制，這不僅使細(xì)紗工序?qū)崿F(xiàn)了智能化控制，也是整個(gè)紡紗工藝流程實(shí)現(xiàn)整體智能化的重要環(huán)節(jié)[1]。

2 配套設(shè)施的智能化發(fā)展

僅僅關(guān)注設(shè)備本身的自動化是不夠的，必須重視配套設(shè)施自動化和智能化，確保生產(chǎn)流程順利。細(xì)紗工序里需要關(guān)注的細(xì)節(jié)太多，過去依賴擋車工連續(xù)巡車確保生產(chǎn)連續(xù)和生產(chǎn)安全，非常耗費(fèi)人工。因此，必須提供智能化的配套設(shè)施，以節(jié)省人工勞動，也使生產(chǎn)流程更加可控，實(shí)現(xiàn)檢測和統(tǒng)計(jì)自動化。

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)以往加捻主流模式是“變頻主電機(jī)-主軸-多根錠帶”式的傳輸結(jié)構(gòu)，在紡紗過程中的管理相對開放，不關(guān)注具體某一錠位或者某幾錠位的運(yùn)行狀態(tài)，而是總體上模糊化估算和監(jiān)測。隨著管理和成本控制日益精細(xì)化，原來的開放式管理狀態(tài)明顯跟不上智能化的需要。目前許多公司推出“單錠斷頭檢測-粗紗自?！彪p功能相結(jié)合的檢測裝置，對每一錠的紡紗狀態(tài)實(shí)施監(jiān)控，通過檢測鋼絲圈運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)做出判斷，對于運(yùn)行不良和已經(jīng)斷紗的錠位及時(shí)停喂粗紗，并做出準(zhǔn)確的位置示警，此裝置可以進(jìn)一步減少擋車工的勞動強(qiáng)度和擋車工的人數(shù)，由過去的主動巡車變成根據(jù)示警信號處理問題，這也是實(shí)現(xiàn)萬錠用工減少到15人目標(biāo)的重要舉措之一。粗紗自停減少了紗廠的回花量，可以使回花量減少到原來的5%，原材料的利用率大幅上升，同時(shí)還提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性。過去個(gè)別錠位在紡紗過程中斷頭后，吸棉笛管不一定能及時(shí)吸走牽伸口輸出的纖維，存在卷繞羅拉的現(xiàn)象，如果處理不及時(shí)，卷繞量過多則會引起生產(chǎn)事故。

經(jīng)緯智能公司提供的“單錠斷頭檢測-粗紗自停”裝置，可根據(jù)紡紗車間的需要選配車間版管理系統(tǒng)或者遠(yuǎn)程監(jiān)控，組成細(xì)紗單錠在線網(wǎng)絡(luò)檢測，可以在人機(jī)分離狀態(tài)下設(shè)置和檢測統(tǒng)計(jì)，包含參數(shù)設(shè)置、單錠狀態(tài)顯示、當(dāng)前斷紗、當(dāng)前弱捻、歷史數(shù)據(jù)、斷紗排序、弱捻排序、落紗留頭率、千錠時(shí)斷頭、運(yùn)行報(bào)告等部分，能夠給細(xì)紗車間無人化和夜間無人值守巡車提供重要的安全保證，給車間數(shù)字化管理提供具體的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和技術(shù)支持。

另外，其配套設(shè)施也是實(shí)現(xiàn)細(xì)紗生產(chǎn)流程智能化的重要保證。諧波治理及電能監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地消除諧波干擾，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；電能監(jiān)測系統(tǒng)對整機(jī)功率、電壓、電流等參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行檢測，方便用戶直觀地了解機(jī)器的狀態(tài)及噸紗耗電情況；電子牽伸加捻卷繞系統(tǒng)，其前羅拉與中后羅拉采用獨(dú)立的伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，無需更換變換齒輪，減少更換齒輪的工作量，牽伸倍數(shù)等紡紗工藝參數(shù)通過界面輸入，可達(dá)到紡紗工藝參數(shù)的精準(zhǔn)控制。如調(diào)整操作面板上的捻度參數(shù)后，電腦程序可通過采集主軸編碼器的信號自動調(diào)整前羅拉速度，捻度調(diào)整方便簡單；紗線捻度精確控制系統(tǒng)通過電子加捻系統(tǒng)修正開車和落紗捻度，在開車升速和停車降速過程中，穩(wěn)定紗線捻度差異在4%以內(nèi)；精確留尾控制系統(tǒng)，其電子剎車能夠快速、精準(zhǔn)地控制剎車動作，提高留頭率，減少或免尾紗清除，如配夾紗錠子；斷電同步停車系統(tǒng)，斷電時(shí)同步停車，利用直流母線技術(shù)及相應(yīng)控制回路的電源保持等，實(shí)現(xiàn)羅拉和錠子的同步快速停車；精確計(jì)數(shù)落管系統(tǒng)可提高落管效率，減少用工；紡紗留頭工藝專家系統(tǒng)，具有紡紗工藝一鍵導(dǎo)航功能，程序中內(nèi)置多套工藝參數(shù)，可根據(jù)用戶紡紗品種進(jìn)行調(diào)用，用戶亦可根據(jù)需要進(jìn)行修改并保存，方便紡紗品種的更換，大幅度縮短更換紡紗品種設(shè)定工藝參數(shù)所用的時(shí)間，提升落紗留頭率，指導(dǎo)工藝制定；細(xì)紗單元在線監(jiān)測管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于經(jīng)緯系列的細(xì)紗機(jī)，建立一個(gè)車間級網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)管理的軟硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、流程監(jiān)控、趨勢分析，并完成歷史數(shù)據(jù)存儲記錄，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)過程控制系統(tǒng)與分析系統(tǒng)的應(yīng)用集成，提高企業(yè)生產(chǎn)管理水平及信息化水平[2]。

3 紡紗車間的智能化發(fā)展

以前限于紡織機(jī)械的加工水平、成本及紡織材料的特殊性，紡紗車間一直是高溫高濕高噪聲的代名詞，加上空氣中的短纖飛絮無法根除，工作環(huán)境比較惡劣。受就業(yè)多元化的影響，紡紗廠招工難、用工難成為一個(gè)共性問題，改善紡紗車間的生產(chǎn)條件，總體上是有限度的。而且紡織原料、半成品、成品在不同設(shè)備之間的周轉(zhuǎn)加工和評價(jià)監(jiān)測，過去基本上全由人工參與，時(shí)間周期和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)受控程度低。在一切都向高度智能化方向發(fā)展的今天，過于依賴人工勞動，失去的不僅僅是成本優(yōu)勢，也會制約產(chǎn)品質(zhì)量提升。因此，將大量人工從繁瑣的低效勞動中解放出來，依靠智能化的設(shè)備保證生產(chǎn)流程，是目前紡紗的新要求。

從2018年開始，經(jīng)緯智能公司在國內(nèi)打造了“武漢裕大華”和“夏邑恒天永安新織造項(xiàng)目”兩條紡紗智能化工廠示范線項(xiàng)目，嘗試建立全流程智能紡紗新模式?！拔錆h裕大華”項(xiàng)目不管是設(shè)備單機(jī)還是成套設(shè)備的智能化水平，和以前相比都有大幅度提升，例如：JWF1572型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)錠速可以穩(wěn)定在20 000 r/min。該項(xiàng)目從開始便把“實(shí)現(xiàn)萬錠用工在15人以內(nèi)”定為目標(biāo)，通過新型的條筒自動運(yùn)輸、精梳換卷自動化、并粗聯(lián)、質(zhì)量追溯、倉儲運(yùn)輸?shù)戎悄芑鞒?，全流程自動物流輸送系統(tǒng)、回花收集打包系統(tǒng)、質(zhì)量追溯系統(tǒng)等軟硬件的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)“無人值守車間”和“無人化工廠”奠定基礎(chǔ)[3]?！跋囊睾闾煊腊残驴椩祉?xiàng)目”全流程采用經(jīng)緯智能化的設(shè)備，并配備全流程智能紡紗系統(tǒng)，包含各種智能化的紡紗設(shè)備、清梳聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)、自動打包系統(tǒng)、經(jīng)緯E系統(tǒng)及物流自動輸送AGV小車等，是車間生產(chǎn)智能化的一次重要嘗試[4]。

紡紗智能化工廠示范線項(xiàng)目，特別是配備全流程智能紡紗系統(tǒng)，完全區(qū)別于傳統(tǒng)的、無法解決真實(shí)痛點(diǎn)的軟件系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+大數(shù)據(jù)技術(shù)+互聯(lián)網(wǎng)思維，搭建智能運(yùn)維大數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)設(shè)備產(chǎn)品數(shù)據(jù)的全面實(shí)時(shí)采集、清洗、分析和應(yīng)用，使產(chǎn)品故障診斷與預(yù)測智能化，設(shè)備海量數(shù)據(jù)展示可視化，可為企業(yè)產(chǎn)品售后服務(wù)、產(chǎn)品創(chuàng)新、市場競爭提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐，全面提升棉紡成套設(shè)備的一體化、成套化、數(shù)字化、智能化的水平，這是紡織機(jī)械制造企業(yè)給紡紗用戶提供技術(shù)方案的標(biāo)桿工程和重要參考。

4 經(jīng)緯智能紡的未來發(fā)展趨勢

未來的紡紗企業(yè)必定是淘汰和改造落后產(chǎn)能和技術(shù)，減少人工參與，以實(shí)現(xiàn)自動化、智能化生產(chǎn)為趨勢。

對于紡紗設(shè)備，從機(jī)械化向全面電子化和智能化過渡，對于一些基礎(chǔ)性的、原理性的技術(shù)研究和成果積累，依然是企業(yè)研發(fā)的必修課。未來，現(xiàn)有的棉紡成套產(chǎn)品在智能化方面將會進(jìn)一步增強(qiáng)，并呈現(xiàn)多樣化、個(gè)性化的發(fā)展。同時(shí)一些創(chuàng)新性的成紗技術(shù)也值得關(guān)注研究。例如：短流程直紡項(xiàng)目可以直接輸入棉條生產(chǎn)細(xì)紗，省去工藝流程里的粗紗環(huán)節(jié)，這是一個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目。可以預(yù)見，在省去粗紗環(huán)節(jié)后，流程減少，耗能減少，物料流轉(zhuǎn)過程縮短，能夠使物流系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，減少維護(hù)成本；更重要的是，條筒可以盛裝更多重量的紡紗材料，這使連續(xù)紡紗成為可能，配合相關(guān)的物流系統(tǒng)，能夠?yàn)檐囬g無人化生產(chǎn)提供重要支持。多通道智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)在不斷探索完善相關(guān)理論和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，目前多應(yīng)用在色紡和花式細(xì)紗領(lǐng)域。對于傳統(tǒng)的色紡，纖維主要在前紡工序里進(jìn)行混和，在細(xì)紗工序里基本不混和，或是賽絡(luò)紡式的簡單混和。多通道技術(shù)的引入能夠執(zhí)行多種紡紗工藝，覆蓋市場上目前有需求的各種花式細(xì)紗，可以做到在紡紗過程隨時(shí)變號數(shù)、變捻度，細(xì)紗顏色可根據(jù)各通道牽入粗紗的比例不同和粗紗所處的通道不同產(chǎn)生變化，風(fēng)格獨(dú)特多變，而這個(gè)過程不需要加裝其他裝置，僅通過控制羅拉伺服系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，是細(xì)紗機(jī)單機(jī)智能化水平較高的一款設(shè)備[5]。

對于紡紗企業(yè)智能化管理方案，紡織機(jī)械制造企業(yè)的任務(wù)將是根據(jù)紡紗廠的生產(chǎn)實(shí)際需要，完善和發(fā)展全流程智能紡紗系統(tǒng)，打造大數(shù)據(jù)智能服務(wù)中心，在遠(yuǎn)程運(yùn)行維護(hù)、智能管控、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享服務(wù)、知識服務(wù)、產(chǎn)品創(chuàng)新服務(wù)、安全防護(hù)、用戶增值服務(wù)等方面，建立一個(gè)全方位的分析管控服務(wù)平臺， 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷，重要數(shù)據(jù)的全面采集、集中管理、網(wǎng)絡(luò)控制以及可視化展現(xiàn)；通過構(gòu)建業(yè)務(wù)分析算法模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)、故障、預(yù)警、產(chǎn)量、效率、能耗等多方面的大數(shù)據(jù)分析；構(gòu)建開放式的對外服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)平臺與其他軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，提前消除信息孤島；通過建立專家知識庫、產(chǎn)品故障知識庫、故障處理知識庫、業(yè)務(wù)算法模型庫，實(shí)現(xiàn)企業(yè)知識的數(shù)據(jù)積累和價(jià)值發(fā)揮；通過將產(chǎn)品運(yùn)行數(shù)據(jù)、預(yù)警數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)以及售后數(shù)據(jù)整合融入 PDM，補(bǔ)全產(chǎn)品全生命周期，形成產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)閉環(huán)，為企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新提供數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)平臺及數(shù)據(jù)的全方面安全防護(hù)。通過為用戶提供行業(yè)分析、商情分析以及云服務(wù)軟件平臺等，實(shí)現(xiàn)增值服務(wù)。

5 結(jié)束語

科技更新對紡織行業(yè)的發(fā)展影響重大，紡織流程實(shí)現(xiàn)自動化、智能化生產(chǎn)是紡織企業(yè)的需求，也是對紡織機(jī)械制造企業(yè)的要求。紡紗設(shè)備及其配套設(shè)施，乃至紡紗車間全流程的智能化，決定了三個(gè)層面上軟硬件智能化方面的發(fā)展情況，紡織流程向智能化發(fā)展，終究是紡機(jī)制造企業(yè)的責(zé)任，這是一個(gè)需要長期不斷完善、持續(xù)推進(jìn)和改善的過程。