基于CPS的智能棉紡車(chē)間制造單元管控策略研究

章國(guó)政

（北京經(jīng)緯紡機(jī)新技術(shù)有限公司，北京 100176）

1 CPS環(huán)境下棉紡車(chē)間制造單元管控模型構(gòu)建

清梳工序主要包括了抓棉機(jī)、開(kāi)棉機(jī)、混棉機(jī)、清棉機(jī)和梳棉機(jī)。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(jià)格便宜、功能齊全、應(yīng)用靈活方便、操作維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。PLC在原來(lái)CPU模板上逐漸增加了各種通訊接口，使得現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以及無(wú)線(xiàn)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(chē)間清梳工作站下達(dá)生產(chǎn)指令，通過(guò)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)主機(jī)設(shè)備的動(dòng)作執(zhí)行。生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋?zhàn)詣?dòng)優(yōu)化生產(chǎn)指令，實(shí)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(biāo)準(zhǔn)；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(biāo)準(zhǔn)。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(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)

廠(chǎng)級(jí)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(qiáng)、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(qiáng)、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(kāi)放性強(qiáng)、應(yīng)用較廣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(lèi)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(lèi)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)信息和經(jīng)過(guò)預(yù)處理得到的有效業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)用戶(hù)權(quán)限數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、工單數(shù)據(jù)及各類(lèi)統(tǒng)計(jì)匯總數(shù)據(jù)等內(nèi)容，對(duì)上層的部分系統(tǒng)功能提供支持。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)則主要是傳感器獲得的各類(lèi)設(shè)備的原始性能數(shù)據(jù),包括各類(lèi)設(shè)備實(shí)時(shí)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(lèi)型對(duì)清梳CPS單元的信息進(jìn)行分類(lèi)匯總，將不同設(shè)備的運(yùn)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(xiàn)進(jìn)行描述。主要包括幾個(gè)方面的信息。

2.2.1 抓棉機(jī)

抓棉機(jī)主要完成原棉初步開(kāi)松、混合，涉及到打手轉(zhuǎn)速、外側(cè)壓棉羅拉線(xiàn)速度、中間壓羅拉線(xiàn)速度等工藝參數(shù)，其自身的固有參數(shù)包括故障報(bào)警設(shè)置參數(shù)、最大負(fù)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(zhǎng)度、雜質(zhì)量、原料混合數(shù)等方面。

2.2.2 開(kāi)棉機(jī)

開(kāi)棉機(jī)主要完成棉塊的開(kāi)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(bào)警設(shè)置參數(shù)、最大負(fù)載量、最大開(kāi)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(jī)

混棉機(jī)主要完成小棉束混合、開(kāi)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(xiàn)速度等工藝參數(shù)，其自身的固有參數(shù)包括故障報(bào)警設(shè)置參數(shù)、最大負(fù)載量、最大棉倉(cāng)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(jī)

清棉機(jī)主要完成棉層細(xì)致開(kāi)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(bào)警設(shè)置參數(shù)、最大負(fù)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(jī)

梳棉機(jī)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(zhǎng)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(bào)警設(shè)置參數(shù)、最大負(fù)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(yǔ)

CPS作為智能制造的核心支撐技術(shù)，必將在中國(guó)智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)中發(fā)揮重要的價(jià)值。中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部近期發(fā)布的白皮書(shū)，在規(guī)范對(duì)CPS的認(rèn)知、厘清CPS的特點(diǎn)、層級(jí)、實(shí)現(xiàn)等方面都具有積極的推動(dòng)作用。本課題將CPS理論引入棉紡生產(chǎn)制造過(guò)程，構(gòu)建智能棉紡車(chē)間，實(shí)現(xiàn)棉紡企業(yè)的柔性生產(chǎn)，提出了智能棉紡車(chē)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(xì)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。