環(huán)錠紡紗條監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

倪 遠(yuǎn)，劉廣喜

(1.紡之遠(yuǎn)(上海)紡織工作室，上海 200063；2.北京眾仁智杰科技發(fā)展有限公司，北京 100176)

0 引言

《紡織工業(yè)“十三五”科技進(jìn)步綱要》《紡織機(jī)械行業(yè)“十四五”發(fā)展指導(dǎo)性意見(jiàn)》明確了紡紗信息化、智能化的發(fā)展方向[1-2]。信息化與智能化紡紗需要完善的紡紗過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量在線實(shí)時(shí)監(jiān)控和質(zhì)量追蹤技術(shù)。其中，關(guān)鍵性和基礎(chǔ)性的信息就是細(xì)紗機(jī)紡紗狀態(tài)和紗線品質(zhì)在線實(shí)時(shí)信息，筆者將就此進(jìn)行探討。

1 細(xì)紗機(jī)斷頭檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)在線監(jiān)測(cè)，行業(yè)以細(xì)紗機(jī)紡紗斷頭檢測(cè)為典型應(yīng)用。斷頭檢測(cè)的技術(shù)方案早在40多年前就被提出，此后國(guó)際上有多家紡機(jī)制造企業(yè)推出相關(guān)產(chǎn)品并被少量應(yīng)用。近年來(lái)，隨著紡紗技術(shù)向自動(dòng)化、信息化和智能化方向發(fā)展，行業(yè)對(duì)紡紗斷頭檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的共識(shí)度有所提升，其中在節(jié)省用工、操作工勞動(dòng)強(qiáng)度降低和改善管理效應(yīng)方面已經(jīng)顯現(xiàn)，紡紗斷頭檢測(cè)技術(shù)推廣應(yīng)用加速進(jìn)行。

在2019ITMA巴塞羅那國(guó)際紡機(jī)展上，幾乎所有參展細(xì)紗機(jī)樣機(jī)都配置了斷頭檢測(cè)裝置，從目前行業(yè)應(yīng)用效應(yīng)和意愿看，進(jìn)一步普及應(yīng)用的趨勢(shì)比較明顯，甚至存在斷頭檢測(cè)裝置在中高檔細(xì)紗機(jī)或紗線產(chǎn)品上成為標(biāo)配的趨勢(shì)[3]。從當(dāng)前行業(yè)情況看，基于棉紡企業(yè)的經(jīng)營(yíng)難度和盈利壓力，信息化裝備配置中對(duì)投資成本的敏感度較高。因此，紡紗信息化進(jìn)一步普及應(yīng)用主要受限于對(duì)投資成本的考量，或者說(shuō)是對(duì)投資回報(bào)期的考量[4]。

環(huán)錠紡紗技術(shù)的產(chǎn)能主要受制于細(xì)紗機(jī)紡紗斷頭，同時(shí)紡紗斷頭對(duì)環(huán)錠紡紗生產(chǎn)的影響還包括用工、主機(jī)效率、原料損耗、紗線品質(zhì)和能耗等一系列與管理和成本相關(guān)的項(xiàng)目，這就凸顯了對(duì)紡紗紗條斷頭控制的重要性。細(xì)紗機(jī)紡紗斷頭檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用能及時(shí)監(jiān)測(cè)紡紗斷頭情況、實(shí)時(shí)了解斷頭分布、分析斷頭原因，針對(duì)性地反饋應(yīng)用這些信息，可以有目標(biāo)地改善錠速制約因素、優(yōu)化錠速與卷裝協(xié)調(diào)、優(yōu)化調(diào)度值車和加捻卷繞器材維護(hù)計(jì)劃，從而提高紡紗生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)能、降低消耗、節(jié)省用工、改善品質(zhì)和完善管理。斷頭檢測(cè)技術(shù)是紡企信息化管理必需的基礎(chǔ)信息采集，是紡紗生產(chǎn)中錠位精細(xì)管理及自動(dòng)化機(jī)器人接頭與值車等技術(shù)應(yīng)用必不可少的配置，并能有效拓展紡紗智能化應(yīng)用的深度和廣度[5]。

2 細(xì)紗機(jī)斷頭檢測(cè)技術(shù)分類

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗斷頭檢測(cè)，是紡紗信息化基礎(chǔ)信息的采集，是提高細(xì)紗機(jī)值車操作的輔助技術(shù)，也是改善紡紗生產(chǎn)錠位管理的重要手段。依據(jù)斷頭信息的檢測(cè)位置，現(xiàn)有紡紗斷頭檢測(cè)技術(shù)的信息采集點(diǎn)大致可以分為3類。

2.1 鋼領(lǐng)上回轉(zhuǎn)的鋼絲圈

通過(guò)鋼絲圈進(jìn)行信息檢測(cè)是目前行業(yè)的主流應(yīng)用，已經(jīng)有采用光電式或電磁式等傳感器的鋼絲圈回轉(zhuǎn)信息斷頭探測(cè)裝置規(guī)?；瘧?yīng)用，也有若干行業(yè)未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)方案。從紡紗工藝的角度分析，鋼絲圈回轉(zhuǎn)信息檢測(cè)的實(shí)質(zhì)是紗條加捻狀態(tài)檢測(cè)。這類采集方法可以同時(shí)獲得斷頭和鋼絲圈運(yùn)轉(zhuǎn)速度(錠速)信息，即通過(guò)掃描鋼絲圈在鋼領(lǐng)上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)獲取鋼絲圈運(yùn)轉(zhuǎn)速度或頻率(折算為錠速)，以鋼絲圈運(yùn)轉(zhuǎn)速度為零輸出斷頭信號(hào)，鋼絲圈運(yùn)轉(zhuǎn)速度和斷頭信息的獲取有利于進(jìn)行錠子運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的錠位管理，也便于擴(kuò)展聯(lián)接粗紗自動(dòng)停喂裝置。

2.2 紡紗段的紗條信息采集

一般采用在巡回移動(dòng)載體上安裝攝像頭的方法對(duì)紡紗段紗條進(jìn)行周期性動(dòng)態(tài)圖像的分析處理，或通過(guò)對(duì)紡紗段紗條的觸碰獲取各錠位紗條是否正常運(yùn)行的信息。由于采用移動(dòng)載體巡回探測(cè)，斷頭信息為較長(zhǎng)周期斷續(xù)的非實(shí)時(shí)信息，警示信息滯后、統(tǒng)計(jì)信息誤差大，如果聯(lián)接粗紗停喂裝置，信息反饋滯后的不利因素明顯。移動(dòng)裝置及圖像處理穩(wěn)定性差，較長(zhǎng)周期斷續(xù)的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)難以用于統(tǒng)計(jì)和考核的信息化管理。同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)錠速信息采集，缺少錠速與捻度相關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息。

2.3 導(dǎo)紗鉤部位

采用光電、壓力、振動(dòng)等傳感器采集氣圈轉(zhuǎn)速或斷頭信息。設(shè)置于導(dǎo)紗鉤部位的特殊傳感器涉及成本和信號(hào)處理難度，可能也存在缺少錠速信息采集的弊端。

2.4 3類斷頭檢測(cè)技術(shù)比較

現(xiàn)有公開(kāi)的紡紗斷頭信息采集點(diǎn)與技術(shù)特征比較見(jiàn)表1，以了解和比較多種斷頭檢測(cè)方案的采集、檢測(cè)和反饋等技術(shù)特征要素及相對(duì)劣勢(shì)。

表1 現(xiàn)有公開(kāi)技術(shù)紡紗斷頭信息采集點(diǎn)與技術(shù)特征比較

表1的信息主要來(lái)自中國(guó)專利局專利公告和行業(yè)應(yīng)用信息，其中的一些方案僅僅是技術(shù)構(gòu)思，可能不具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的性價(jià)比。行業(yè)需要投資成本較低、維護(hù)管理便利、能夠在線實(shí)時(shí)警示和統(tǒng)計(jì)的斷頭檢測(cè)系統(tǒng)，普及紡紗企業(yè)信息化管理，推動(dòng)細(xì)紗機(jī)紡紗紗條監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并在可能的條件下帶動(dòng)紡紗智能化發(fā)展。

3 細(xì)紗機(jī)斷頭檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析

在斷頭檢測(cè)技術(shù)推廣應(yīng)用中，針對(duì)鋼絲圈運(yùn)動(dòng)的電磁式和光電式2種單錠實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，目前為行業(yè)應(yīng)用的主體，對(duì)于中國(guó)紡織行業(yè)來(lái)說(shuō)，超過(guò)90%的市場(chǎng)占有率，其中又以電磁式單錠實(shí)時(shí)檢測(cè)方法占比較大。采用電磁式或光電式傳感器檢測(cè)鋼領(lǐng)上高速回轉(zhuǎn)的鋼絲圈運(yùn)轉(zhuǎn)速度(回轉(zhuǎn)頻率)，錠速與斷頭檢測(cè)合二為一。對(duì)于被檢測(cè)的鐵磁性鋼絲圈，運(yùn)用勵(lì)磁電磁感應(yīng)或光照反射感應(yīng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定、信號(hào)較為可靠。

但是，就電磁式和光電式2種單錠實(shí)時(shí)檢測(cè)方法的應(yīng)用情況看，仍有一些問(wèn)題值得思考。

a) 作為檢測(cè)對(duì)象的鋼絲圈是紡紗轉(zhuǎn)速的間接載體，因而不能采集到與紗條本體相關(guān)的紡紗信息，也不能對(duì)檢測(cè)對(duì)象采集更多紡紗相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)多元信息擴(kuò)展。

b) 由于受限于傳感器在鋼領(lǐng)板上的安裝位置，和讓位于必要的接頭操作空間，傳感器能夠檢測(cè)到的鋼絲圈運(yùn)動(dòng)信號(hào)就是微弱的模擬量信號(hào)，因而需要通過(guò)微電子信息傳感、信號(hào)放大變換傳輸處理等步驟，這就使信號(hào)的處理轉(zhuǎn)換過(guò)程和電路復(fù)雜化，使系統(tǒng)配置成本相對(duì)較高，限制了斷頭檢測(cè)裝置的普及應(yīng)用。

c) 對(duì)鋼領(lǐng)直徑變更的工藝，可能會(huì)改變檢測(cè)鋼絲圈回轉(zhuǎn)信息的途徑，影響斷頭檢測(cè)裝置的工作。

d) 采用電磁傳感器會(huì)對(duì)鋼絲圈產(chǎn)生磁化和磁場(chǎng)作用力，影響氣圈回轉(zhuǎn)的圓度。

e) 采用光電模擬信號(hào)采集時(shí)會(huì)因光電元件老化而影響檢測(cè)精度和使用壽命。

f) 由于鋼絲圈正常運(yùn)動(dòng)到停止的慣性，以及為了降低硬件成本采用的分時(shí)運(yùn)算，從斷頭到警示具有一定的時(shí)滯。

g) 鋼領(lǐng)板外側(cè)被斷頭檢測(cè)裝置占位可能會(huì)給后續(xù)自動(dòng)接頭機(jī)的配置和工作帶來(lái)影響。

因此，選擇合適的紡紗斷頭檢測(cè)信息采集點(diǎn)、信息采集對(duì)象與傳感器，是研發(fā)設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)功能、采集信號(hào)效用和系統(tǒng)性價(jià)比的決定性因素。

基于當(dāng)下行業(yè)對(duì)紡紗相關(guān)項(xiàng)目投資成本的敏感度，單錠成本對(duì)該技術(shù)的推廣應(yīng)用影響很大。一方面紡織行業(yè)確需擴(kuò)大此類成熟和有價(jià)值的信息化項(xiàng)目應(yīng)用，另一方面又受限于經(jīng)濟(jì)條件。技術(shù)研發(fā)制造企業(yè)必須以工藝技術(shù)路線為導(dǎo)向，尋找技術(shù)突破口，力爭(zhēng)做到“馬兒好，少吃草”。

4 細(xì)紗機(jī)紗條品質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

對(duì)于細(xì)紗機(jī)紡紗的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用，一直停留在斷頭和錠速的檢測(cè)上，即紗條工作狀態(tài)和錠子回轉(zhuǎn)狀態(tài)2個(gè)方面，對(duì)應(yīng)的是紗條產(chǎn)出和捻度2個(gè)關(guān)聯(lián)紡紗產(chǎn)量和質(zhì)量的度量，但是捻度僅是紡紗紗條加捻卷繞方面的一個(gè)指標(biāo)。有關(guān)紗條品質(zhì)，特別是表征紗體結(jié)構(gòu)的線密度及其變化率等方面的指標(biāo)，才是紡紗生產(chǎn)及后續(xù)應(yīng)用更重要、更難以掌控及更需要在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的品質(zhì)項(xiàng)目。讓紗線品質(zhì)從生成之際就“了然”，才是杜絕不良品、掐滅根源的上策。遺憾的是，對(duì)紗條這些品質(zhì)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，始終沒(méi)有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

行業(yè)需要紡紗紗條在線監(jiān)測(cè)信號(hào)采集便利、投資成本較低、能夠在線實(shí)時(shí)警示和統(tǒng)計(jì)的斷頭與錠速監(jiān)測(cè)技術(shù)和裝置，進(jìn)一步希望能夠在在線監(jiān)測(cè)錠速和斷頭的同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)紡紗紗條品質(zhì)，為紡紗信息化乃至紡紗智能化技術(shù)發(fā)展提供更多的與紡紗主體工程基礎(chǔ)信息相關(guān)的信息采集，及可供深度挖掘的單錠紡紗紗條監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)，普及紡紗行業(yè)信息化管理，推動(dòng)紡紗智能化技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

在已經(jīng)公開(kāi)的眾多紡紗紗條在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，十多年前引起筆者關(guān)注的是比利時(shí)巴可公司推出的OptiSpin單錠式導(dǎo)紗鉤紗條運(yùn)動(dòng)光路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱OptiSpin系統(tǒng)；見(jiàn)圖1)，該監(jiān)測(cè)方案除了具有紡紗斷頭和氣圈速度(頻率)基本監(jiān)測(cè)信息外，據(jù)說(shuō)還具有紗條直徑監(jiān)測(cè)功能(見(jiàn)圖2)[6-7]。

圖1 OptiSpin系統(tǒng)

1—電線通道；2—導(dǎo)紗鉤；3—監(jiān)測(cè)頭；4—紗條； 5—鋼絲圈；6—鋼領(lǐng)。圖2 OptiSpin系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理

監(jiān)測(cè)頭由調(diào)制光發(fā)射接收光電轉(zhuǎn)換組件組成，設(shè)置在導(dǎo)紗鉤下方經(jīng)導(dǎo)紗鉤引導(dǎo)后小氣圈的路徑上，該位置也是氣圈段張力最大處。監(jiān)測(cè)頭的信息連接到傳感器控制單元SCU和機(jī)臺(tái)計(jì)算機(jī)。巴可公司的斷頭監(jiān)測(cè)管理軟件SpinMaster Monitoring System包含斷頭與運(yùn)轉(zhuǎn)效率分析、錠速及其優(yōu)化、操作與維護(hù)引導(dǎo)和粗紗停喂等功能。有別于其他斷頭檢測(cè)方案之處在于，其還宣稱具有紗條直徑在線監(jiān)測(cè)功能。提取圖2左下方波形中的脈沖谷底深度信息作為紗條直徑d的模擬量信息，通過(guò)機(jī)臺(tái)計(jì)算機(jī)處理，進(jìn)行整機(jī)各錠位紗條直徑及其不勻率、紗疵等在線監(jiān)測(cè)和分析，成為名符其實(shí)的在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

但是該技術(shù)一直未見(jiàn)市場(chǎng)應(yīng)用信息，近年又見(jiàn)該技術(shù)轉(zhuǎn)變成為BMSvision公司的產(chǎn)品，雖然將產(chǎn)品稱為“環(huán)錠細(xì)紗機(jī)在線質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)”，但更新后的OptiSpin系統(tǒng)產(chǎn)品介紹文字中不再提及具有紗條直徑檢測(cè)功能，而只是宣傳可精確記錄錠子速度和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷頭情況。顯然，距離真正意義的“質(zhì)量監(jiān)控”還是缺少了若干重要功能。

有關(guān)紗條直徑信息的檢測(cè)采集，確實(shí)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的課題。細(xì)紗機(jī)所有錠位實(shí)時(shí)在線的線密度信息采集難度極大，成為一項(xiàng)難以突破瓶頸的行業(yè)潛在需求，或者說(shuō)是一個(gè)至今沒(méi)有確定性研發(fā)途徑的項(xiàng)目。隨著紡紗品質(zhì)管理的深入，紡紗主體工程信息化智能化技術(shù)的發(fā)展，包括紡紗品質(zhì)追溯系統(tǒng)在內(nèi)等事后監(jiān)控項(xiàng)目的應(yīng)用，以及智能紡紗發(fā)展涉及虛擬紗條與紗體數(shù)字孿生概念的提出，細(xì)紗機(jī)錠位紗條在線品質(zhì)監(jiān)控技術(shù)的行業(yè)需求逐漸顯現(xiàn)，行業(yè)關(guān)注度提升，項(xiàng)目應(yīng)用的需求已提到議事日程上，并將從潛在的隱性需求逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轱@性需求。

5 細(xì)紗機(jī)紗條品質(zhì)非實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在紡紗紗條在線實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)不能覆蓋到細(xì)紗機(jī)紡紗生產(chǎn)中的情況下，2020年6月有公開(kāi)信息顯示，國(guó)內(nèi)有紡紗智能化項(xiàng)目，重視機(jī)臺(tái)錠位質(zhì)量信息監(jiān)測(cè)應(yīng)用，研發(fā)了移動(dòng)巡回式紗條視覺(jué)識(shí)別監(jiān)測(cè)裝備，見(jiàn)圖3、圖4[8]。

圖3 移動(dòng)巡回式紗條視覺(jué)識(shí)別監(jiān)測(cè)裝備

圖4 紡紗段紗條視覺(jué)識(shí)別監(jiān)測(cè)頭

該技術(shù)采用視覺(jué)識(shí)別深度智能化分析和最新的高速率低時(shí)延5G通訊技術(shù)，進(jìn)行細(xì)紗機(jī)錠位在線監(jiān)測(cè)，為紡紗紗條的機(jī)臺(tái)和錠位提供智能化輔助管理。該技術(shù)雖然不是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但至少能在一個(gè)規(guī)劃的周期內(nèi)完成預(yù)設(shè)機(jī)臺(tái)和錠位的在線監(jiān)測(cè)，為細(xì)紗機(jī)錠位監(jiān)控提供重要的基礎(chǔ)信息采集，填補(bǔ)了一項(xiàng)紡紗紗條線上監(jiān)測(cè)管理的空缺。從圖3、圖4可知，細(xì)紗機(jī)鋼領(lǐng)板上還設(shè)置了斷頭檢測(cè)裝置，表明移動(dòng)巡回式紗條視覺(jué)識(shí)別監(jiān)測(cè)裝備，在線但非實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的對(duì)象只是紡紗段紗條，對(duì)斷頭和錠速的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，還是由斷頭檢測(cè)裝置完成。當(dāng)然，對(duì)于縱橫向雙重動(dòng)態(tài)掃描檢測(cè)、長(zhǎng)周期回測(cè)的品質(zhì)數(shù)據(jù)，是一種很短片段的抽樣檢查，較難拼接出每個(gè)錠位的紗體品質(zhì)數(shù)據(jù)，究竟能夠溯源并監(jiān)測(cè)哪些品質(zhì)項(xiàng)目、能夠輔助提升哪些品質(zhì)管控，尚待實(shí)踐檢驗(yàn)。

在現(xiàn)有技術(shù)無(wú)細(xì)紗機(jī)紗條品質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的情況下，一個(gè)工藝技術(shù)的補(bǔ)救方法，就是采用RFID電子標(biāo)簽紗管或托盤(pán)的紡紗質(zhì)量追蹤系統(tǒng)，依靠自絡(luò)機(jī)上的電子清紗系統(tǒng)檢測(cè)出問(wèn)題紗線，再通過(guò)帶有電子標(biāo)簽的紗管或托盤(pán)跨工序追溯細(xì)紗機(jī)紡紗錠位，其基本上只能用于自動(dòng)落紗細(xì)紗機(jī)或細(xì)絡(luò)聯(lián)，不但應(yīng)用條件受限，而且投資成本高昂、管理繁復(fù)、信息滯后，該技術(shù)長(zhǎng)期未能推廣應(yīng)用。

6 數(shù)字信號(hào)紗條實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在滿足信號(hào)采集功能多元、信號(hào)處理便捷和系統(tǒng)成本較低的條件下，筆者構(gòu)建了一套數(shù)字信號(hào)紗條監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)(見(jiàn)圖5)，從選擇合適的信息采集對(duì)象、信息采集點(diǎn)與傳感器類型出發(fā)，確定以對(duì)射光路的光電傳感器在導(dǎo)紗鉤部位采集紗條回轉(zhuǎn)信息，光電發(fā)射管與光電接收管分別設(shè)置在外形為“U”形的紗條監(jiān)測(cè)器兩臂里面，兩臂內(nèi)側(cè)對(duì)光窗口均設(shè)有聚焦和約束光電發(fā)射管和接收管對(duì)射光束尺寸的結(jié)構(gòu)，使發(fā)射管射向接收管的光束寬度接近于紗條直徑，紗條監(jiān)測(cè)器光路靠近導(dǎo)紗鉤下部或徑向穿過(guò)導(dǎo)紗鉤的導(dǎo)紗孔，紗條在導(dǎo)紗孔中回轉(zhuǎn)時(shí)能夠阻斷射向光電接收管光路，使光電接收管的光電轉(zhuǎn)換工作處于飽和(電平1)或阻斷(電平0)狀態(tài)，從而直接產(chǎn)生數(shù)字脈沖信號(hào)(見(jiàn)圖6)。

圖5 數(shù)字信號(hào)紗條監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意

圖6 數(shù)字信號(hào)紗條監(jiān)測(cè)系統(tǒng)脈沖信號(hào)

紗條監(jiān)測(cè)器與錠位控制器組合一體，錠位控制器安裝在導(dǎo)紗板下部。多個(gè)錠位控制器采集到的錠位信息輸入到段位控制器，由段位控制器集中處理，一方面段位控制器中的信息處理模塊反饋出錠位和段位警示信號(hào)，同時(shí)段位控制器里的通訊模塊將處理后的信息發(fā)送到機(jī)臺(tái)控制器。

依據(jù)不同需求，以上原理和結(jié)構(gòu)及不同的信號(hào)處理，可以構(gòu)建以下2種紗條監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

6.1 數(shù)字信號(hào)紗條斷紗檢測(cè)系統(tǒng)

紗條在直徑為2.0 mm～2.4 mm的導(dǎo)紗孔內(nèi)回轉(zhuǎn)1圈，產(chǎn)生對(duì)光束的2次切割，產(chǎn)生2個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)，以9.8 tex紗條直徑約0.12 mm計(jì)，占空比約為0.016，在最高氣圈回轉(zhuǎn)速度為20 kr/min時(shí)回轉(zhuǎn)頻率為333 Hz，紗條脈寬約為48 μs，滿足一般光電管最小上升沿或下降沿不小于15 μs的極限響應(yīng)。

在錠位紗條數(shù)字信息采集中，紗條回轉(zhuǎn)1圈T0時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生對(duì)光束的2次切割(如圖6所示)，在光電接收管接收信號(hào)S上產(chǎn)生2組間隔為T(mén)1和T2的脈沖，2次切割中由于紗條距離光電接收管的距離不同，或者對(duì)射光束可能偏離氣圈回轉(zhuǎn)中心線，實(shí)際監(jiān)測(cè)到的T1，t1與T2，t2是不一定相等的，因此在計(jì)算紗條回轉(zhuǎn)頻率f、回轉(zhuǎn)速度n相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，可以應(yīng)用式(1)、式(2)計(jì)算：

紗條頻率f=1/T0=1/(T1+T2)

(1)

紗條轉(zhuǎn)速n=60/T0=60/(T1+T2)

(2)

當(dāng)然，由于紗條回轉(zhuǎn)頻率、回轉(zhuǎn)速度需要的計(jì)算精度不高，可以認(rèn)為T(mén)1=T2，則簡(jiǎn)化計(jì)算為：紗條平均頻率f=1/(2T1)，或f=1/(2T2)；紗條平均轉(zhuǎn)速n=30/T1，或n=30/T2。

利用錠位紗條光電數(shù)字脈沖頻率和脈沖寬度信息進(jìn)行整機(jī)通訊與運(yùn)算，可以獲得包括單錠和整機(jī)實(shí)際產(chǎn)量和效率、重復(fù)斷頭錠位、管紗成形不同階段斷頭數(shù)、錠子實(shí)際轉(zhuǎn)速及其變化率等生產(chǎn)與品質(zhì)管理所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可按照用戶需求擴(kuò)展其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。斷頭信息可以實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)粗紗停喂、吸棉風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)降頻節(jié)能等擴(kuò)展應(yīng)用。

6.2 數(shù)字信號(hào)紡紗斷紗檢測(cè)與質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在上述數(shù)字信號(hào)細(xì)紗機(jī)斷紗檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分別對(duì)回轉(zhuǎn)頻率和紗條脈寬信號(hào)進(jìn)行采集運(yùn)算處理，計(jì)算紗條直徑的公式見(jiàn)式(3)：

紗條直徑d∝(t1+t2)/(T1+T2)

(3)

利用錠位紗條光電數(shù)字脈沖頻率和脈沖寬度信息進(jìn)行整機(jī)通訊與運(yùn)算，既可以獲得包括單錠和整機(jī)實(shí)際產(chǎn)量和效率、重復(fù)斷頭錠位、管紗成形不同階段斷頭數(shù)、錠子實(shí)際轉(zhuǎn)速及其變化率實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，又獲得紗條直徑及其變化率等生產(chǎn)與品質(zhì)管理所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

對(duì)所得在線數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，用以表征各個(gè)錠位紡紗紗條的線密度水平及其分片段變異狀況。表2為常用紗線號(hào)數(shù)的取樣參數(shù)計(jì)算，可看出隨著紗線號(hào)數(shù)變小，每米采樣數(shù)量增加，每數(shù)據(jù)表征長(zhǎng)度降低，這符合紗線質(zhì)量管理特性。與目前行業(yè)應(yīng)用的電容式細(xì)紗線密度檢測(cè)儀檢測(cè)極板長(zhǎng)度為8 mm類比，表1中每數(shù)據(jù)表征長(zhǎng)度為8 mm的1/10～1/20，即長(zhǎng)度方向的檢測(cè)精度提高1個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

表2 常用紗線線密度品種的取樣參數(shù)

紗條直徑及其變化率的計(jì)算，可以通過(guò)分長(zhǎng)度片段計(jì)算單錠均方差變異系數(shù)、錠間均方差變異系數(shù)和單錠平均直徑，以及對(duì)頻發(fā)性和偶發(fā)性疵點(diǎn)作出計(jì)數(shù)，通過(guò)標(biāo)定或修正獲得品質(zhì)考核所需的條干不勻、質(zhì)量不勻、線密度和紗疵等一系列質(zhì)量數(shù)據(jù)。

紗條線密度指標(biāo)基本計(jì)算公式如下，實(shí)際紗條平均線密度和紗條片段不勻率，需要根據(jù)纖維和紗線品種進(jìn)行修正。設(shè)：

脈寬比例值Xi=(t1+t2)/(T1+T2)

(4)

(5)

(6)

7 數(shù)字信號(hào)紗條監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

7.1 與OptiSpin系統(tǒng)的區(qū)別及優(yōu)勢(shì)效應(yīng)

目前行業(yè)中尚無(wú)細(xì)紗機(jī)單錠紡紗紗條直徑實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)應(yīng)用，即使與十多年前比利時(shí)巴可公司OptiSpin系統(tǒng)所說(shuō)的紗條直徑檢測(cè)功能相比，數(shù)字信號(hào)紗條監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)具有3大顯著性區(qū)別，并產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)效應(yīng)。

a) 采集位置不同。OptiSpin系統(tǒng)位于導(dǎo)紗鉤下部，紗條回轉(zhuǎn)直徑較大且隨大小紗氣圈形態(tài)而改變，導(dǎo)致紗條阻隔光路的信號(hào)占空比極小且不穩(wěn)定，光電管獲得的模擬信號(hào)很弱，信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換成本較高，該技術(shù)紗條回轉(zhuǎn)直徑等于或接近導(dǎo)紗孔直徑，回轉(zhuǎn)直徑小而穩(wěn)定，可以獲得脈寬大且穩(wěn)定的信號(hào)。

b) 采集信號(hào)制式不同。OptiSpin系統(tǒng)采集的是模擬量信號(hào)，該技術(shù)直接采集數(shù)字量脈沖信號(hào)，應(yīng)用二值電平邏輯數(shù)字信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理便利，抗干擾能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)差錯(cuò)的運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)，因而在應(yīng)用性價(jià)比方面，相比模擬量信號(hào)，具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

c) 采集紗條直徑信號(hào)不同。OptiSpin系統(tǒng)采集的紗條直徑信號(hào)是模擬量脈沖幅度，期望采用脈沖幅度信號(hào)來(lái)表征紗條直徑，由于信號(hào)弱、脈寬窄、幅度小，實(shí)現(xiàn)的可能性不大，這可能就是該產(chǎn)品長(zhǎng)期未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用，以及更換公司后不再宣傳紗條直徑監(jiān)測(cè)功能的主要原因。該技術(shù)的數(shù)字信號(hào)細(xì)紗機(jī)斷紗檢測(cè)與紗條監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以脈沖寬度表征紗條直徑，方便采集與信號(hào)穩(wěn)定，當(dāng)然由于需要增加脈沖寬度信號(hào)的統(tǒng)計(jì)、傳輸、存儲(chǔ)和運(yùn)算，系統(tǒng)配置與僅有錠速和斷頭信息檢測(cè)功能的數(shù)字信號(hào)細(xì)紗機(jī)斷紗檢測(cè)與紗條監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，需增加一定的軟硬件成本。

7.2 主要結(jié)構(gòu)特征與應(yīng)用效應(yīng)

7.2.1 工藝技術(shù)合理

紗條監(jiān)測(cè)器對(duì)紗條回轉(zhuǎn)信息直接用數(shù)字化采集，以較低信息采集與處理成本、較穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和較高的系統(tǒng)性價(jià)比，實(shí)現(xiàn)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)每個(gè)紡紗錠位的實(shí)時(shí)錠速信息、斷頭信息及至紗條品質(zhì)信息的采集。

7.2.2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔精巧

對(duì)激光或紅外對(duì)射光束進(jìn)行約束或聚焦處理，直接產(chǎn)生實(shí)時(shí)錠位數(shù)字化監(jiān)測(cè)信息，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便，抗干擾性能好，紗條監(jiān)測(cè)器與錠位控制器一體設(shè)置，與導(dǎo)紗鉤一體固定或安裝在導(dǎo)紗板下部，大幅減輕鋼領(lǐng)板負(fù)荷。

7.2.3 功能多元實(shí)用

實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線對(duì)錠速狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，斷頭錠位、段位或車側(cè)位的警示，紗條品質(zhì)的監(jiān)測(cè)，獲得與錠速、斷頭和紗條品質(zhì)相關(guān)的原始數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，用于紡紗生產(chǎn)工藝技術(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)操作、設(shè)備維護(hù)等管理考核。由于品質(zhì)數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)性，可以大大減少跨工序質(zhì)量追蹤的項(xiàng)目，如可以不再需要帶有RFID芯片的智能紗管的配置及其成本投入，也能解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的對(duì)賽絡(luò)紡紗條斷股的監(jiān)測(cè)。紗條品質(zhì)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)功能的集成，對(duì)創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)施和應(yīng)用性價(jià)比的提升非常有利。

7.2.4 獨(dú)特進(jìn)步效應(yīng)

增加采集到的與紗條品質(zhì)相關(guān)的數(shù)字化數(shù)據(jù)，是關(guān)乎紡紗工藝技術(shù)管理中品質(zhì)監(jiān)控的紡紗主體工程大數(shù)據(jù)，其對(duì)紡紗介質(zhì)采集和處理的數(shù)據(jù)量，將是整個(gè)紡紗過(guò)程中最為關(guān)鍵和龐大的數(shù)據(jù)集。對(duì)紗線形成關(guān)鍵部位的大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和智能化運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)“十四五”發(fā)展規(guī)劃提出的基于人工智能和數(shù)字孿生的新一代紡紗檢測(cè)與信息智能系統(tǒng)，產(chǎn)生很大的紡紗工藝技術(shù)進(jìn)步。

8 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)紡織行業(yè)“十三五”“十四五”規(guī)劃把紡紗數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)列入重點(diǎn)工程和重點(diǎn)任務(wù)，也提出了紡紗信息化的數(shù)字孿生應(yīng)用，為我國(guó)在基本實(shí)現(xiàn)紡織強(qiáng)國(guó)后指明了紡紗信息化、智能化的發(fā)展方向，成為行業(yè)科技發(fā)展最重要的趨勢(shì)與目標(biāo)。在紡紗信息化和智能化技術(shù)研發(fā)應(yīng)用中，對(duì)信息的采集和處理，應(yīng)遵循信號(hào)采集功能多元、信號(hào)處理便捷和系統(tǒng)成本較低的原則。特別對(duì)于細(xì)紗機(jī)紡紗狀態(tài)和品質(zhì)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，由于存在著運(yùn)行錠位數(shù)量多、紗條運(yùn)動(dòng)速度高、可設(shè)置采集點(diǎn)少、信息傳感難度大和成本敏感度高等特點(diǎn)，更需要優(yōu)化工藝技術(shù)路線，突破現(xiàn)狀難點(diǎn)約束，開(kāi)創(chuàng)應(yīng)用新架構(gòu)。

由于現(xiàn)有技術(shù)對(duì)細(xì)紗機(jī)紡紗紗條實(shí)時(shí)在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)的缺位，創(chuàng)新研發(fā)出巡回式紡紗段紗條品質(zhì)非實(shí)時(shí)視覺(jué)識(shí)別監(jiān)測(cè)裝備，可以輔助紡紗生產(chǎn)信息化、智能化管理，但其應(yīng)用效應(yīng)尚待評(píng)估。也有采用RFID電子標(biāo)簽的質(zhì)量追蹤系統(tǒng)，但應(yīng)用局限、投資成本高、管理不便及信息響應(yīng)滯后。

數(shù)字信號(hào)紗條監(jiān)測(cè)系統(tǒng)巧妙設(shè)置紡紗紗條信息采集點(diǎn)和信息傳感方式，多元采集錠速、斷頭、捻度和紗條直徑相關(guān)信息，直接形成數(shù)字脈沖信號(hào)，有效降低信號(hào)處理成本，改善信號(hào)處理精度；實(shí)現(xiàn)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)每個(gè)紡紗錠位的實(shí)時(shí)錠速信息、斷頭信息和紗條直徑信息采集，完成錠速狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，斷頭錠位、段位或車側(cè)位的警示，紡紗工程最重要的細(xì)紗紗條品質(zhì)的監(jiān)測(cè)。其中，與紗體相關(guān)的品質(zhì)監(jiān)測(cè)功能，是一項(xiàng)行業(yè)始終沒(méi)有突破的重要紡紗主體工程基礎(chǔ)信息，其將在源頭上監(jiān)測(cè)紡紗紗條形成形態(tài)，構(gòu)建紗條虛擬信息，形成紗體數(shù)字孿生，輔助工藝質(zhì)量管理、提升紡紗品質(zhì)，并大大降低事后品質(zhì)追蹤管理難度；以較低的投資成本獲得與錠速、斷頭、捻度和紗條線密度等品質(zhì)相關(guān)的原始數(shù)據(jù)和運(yùn)算數(shù)據(jù)，并便于從這些紡紗主體工程基礎(chǔ)信息的大數(shù)據(jù)中進(jìn)行深度挖掘，為紡織行業(yè)向紡紗生產(chǎn)信息化和智能化推進(jìn)提供高性價(jià)比的技術(shù)解決方案。