環錠紡智能化系統構建思路與要點

喬 蓓 胡廣敏 王耀斌

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

隨著新興科學技術與信息技術的發展和應用，傳統生產方式和商業模式也不可避免地會發生巨大的變化，調結構、轉方式、促進經濟穩定健康發展的新目標為傳統紡織行業帶來很大挑戰。信息技術在紡織行業設計、生產、營銷、物流等環節深入應用，將推動生產模式向柔性化、智能化、精細化轉變。有專家指出：中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃(簡稱“十三五”規劃)期間紡織機械的發展重點將集中在智能制造裝備的開發以及制造過程智能化兩個方面[1]。紡織企業要實現智能化生產，完成不同類型和功能的智能單機設備互聯，形成柔性化新型生產模式，需要機械、紡織、自動化、計算機信息等多專業和技術的有效結合。企業轉型的迫切需要以及智能紡織系統構建的難度，都需要借鑒成功的經驗。

1 智能紡織工廠技術路線

紡織業在我國是一個勞動密集程度高和對外依存度較大的產業，要實現其智能化，必須通過將不同類型和功能的智能單機設備進行互聯，實現全流程連續化、智能化生產。即形成集智能管理、智能車間、智能物流運輸、產品管理、售后追蹤于一體的完整模式，通過智能計劃、智能生產調度、智能監控、實時成本分析、市場分析、智能決策形成智能管理系統。

紡織生產全過程的自動化，需要建立全集成自動化紡紗生產線、環錠智能紡紗管理系統、多維紡織質量數據關聯分析和逆向動態追蹤系統。

在生產方面，全集成自動化紡紗生產線自動進料，通過清梳聯系統、條筒自動輸送、精并粗系統、粗細聯系統等完成生產各個環節自動化紡紗。

在后臺數據分析與管理方面，生產過程自動化通過控制設備、檢測設備、視頻監控以及傳感設備等獲取相應數據，并進行實時監控和實時預警；獲取的海量數據通過與企業云服務器數據交換完成自學習和自更新，從而進行預警體系的實時更新；同時通過數據的分析和處理完成紡織質量數據關聯分析；這些數據結合生產前端的供應商、進貨價格、原料庫存以及生產末端的產品庫存、售價及用戶信息可以進行實時成本分析、經營指揮、產品追溯，并于云端數據交換進行市場分析和管理決策，其技術路線如圖1所示。

圖1 紡紗智能化工廠示意圖

由于我國目前紡織行業自動化和智能化的程度較低，智能化紡紗在實施的過程中會有以下一些困難。一是專業化與信息化融合難。要實現紡織機械的自動化與智能化，需要兼顧紡織和計算機技術，而現實的情況是跨界難，即紡織企業不懂智能化，IT企業不懂紡織[2]。二是沒有所有企業通用的全套智能化系統。每個紡織企業都有自身的特點，現成的全套智能化系統未必拿來就能直接使用，除非放棄原有車間新建廠房和設備，否則都存在不兼容和不適應的問題。為此，紡織企業需要根據可借鑒的建設思路結合企業自身特點構建智能化系統。本文以山東華興紡織集團有限公司(以下簡稱山東華興)智能紡為例，從企業現有設備及系統集成入手，探討環錠紡智能化系統的構建思路與要點。

2 智能化系統構建思路與要點

2.1 總體系統設計

從當前山東華興紡紗車間來看，有數百臺多種型號的生產主機及輔機設備，主要包括清梳聯、條并卷聯合機、精梳機、并條機、粗紗機、細絡聯、自動包裝等生產主機設備，以及空壓、除塵、供配電及實驗室等輔機設備。而這些設備是由種類眾多的控制器完成單機自動控制。同時，由于目前我國紡織設備主要依賴于進口，且眾多的設備廠商對設備數據端口進行加密或者各設備通訊協議存在差異，進而使得各種設備數據無法獲取或者設備之間信息傳遞受阻。因此，我國大多數紡織企業為了獲取生產過程中所產生的各種管理、產量、能耗和功能性的數據，只能安排管理人員定點定時來抄錄、統計和分析、匯報。其過程枯燥、繁雜，既容易出現錯誤、疏漏，又會導致生產加工信息的滯后性[3]。此外，由于企業需求的不同及設備功能的限制，僅有的數據不夠全面和準確，尚不能為企業管理層提供可靠的數據和信息支持。因此，傳統的數據統計和分析不能滿足紡織產業的技術升級，也無法實現紡織行業的智能紡。

基于現場總線技術的紡織企業底層信息集成及其綜合處理系統的研究開發可以徹底實現上述過程的信息化，使紡織業的生產管理效能得到大幅度提高，并部分實現紡織生產的智能化。采用多層總線技術非常適合于分布面積大、控制設備多、信號復雜的紡織車間使用。紡織車間現場設備及輔機設備數萬個信號使用很少的電纜連接到控制室，系統造價低，和紡織行業的實情相吻合，且系統維護便捷[4]。

利用工業以太網、PROFIBUS、MODBUS、CAN等總線將紡織生產過程的全部設備實現數據聯網，集成和處理紡織生產全過程的所有數據，實現對生產過程每個環節的可視化動態監控和管理，在此基礎上對紡織生產過程中的大數據進行智能挖掘，為企業精細化管理、管理水平提升、生產損耗降低、生產效率提高提供第一手的決策數據。

項目總體方案運用融入自診斷技術的總線網絡系統實現三層網絡架構的信息集成系統。

構建企業級冗余工業以太網，實現多車間廣領域范圍內的信息交互；設計車間級PROFIBUS、MODBUS、CAN等總線系統，通過智能紡控制設備穩定快速地獲取紡織設備運行工藝參數，并對采集的數據進行預處理和網絡故障診斷分析；建立設備級多接口、多方式、多協議的信息交互方式，創建智能紡系統需求的雙向數據交互鏈路；搭建工業及無線信息交互系統，實現車間智能無線終端和數據分析系統的實時無縫信息交互；采用上述先進的多層網絡架構完成紡織企業清棉、梳棉、并條、精梳、粗紗、細紗、絡筒等眾多工序數據穩定高速的雙向傳輸。

2.2 總體網絡架構和信息模型

根據山東華興生產車間的實際情況以及目前工業自動化技術的發展水平和現狀，采用兩層工業控制網絡系統來實現整個系統的網絡通信功能。底層采用基于現場總線技術的控制系統來完成對整個生產過程工序機臺各設備的信息采集、集成；對于自成系統并留有以太網口的機臺，采用工業交換機構建工業以太網，實現與上層集中監控和信息管理網絡的通信；上層采用基于工業以太網技術實現信息傳輸，并開發和使用專有的應用軟件系統來完成終端數據的采集和處理。

實現紡紗生產異構數據的集成。在紡紗信息化系統設計實現過程中將所涉及的數據按其特性可分為三類[5]。一是公共數據，為企業核心數據，屬于各系統中都需要的信息。如企業組織結構、崗位、工種、人員、存貨檔案、固資編碼、供應商、用戶等信息。二是共享數據，為與其他信息系統共享的信息。如在能源管理系統和成本核算系統中都需要產量、能耗、成本等信息。三是專有數據，不與其他信息系統共享的信息。如實時過程數據、系統日志、文檔信息、知識等。紡紗信息化系統所涉及的數據來自企業內部和外部。內部數據主要包括紡紗過程實時數據、生產管理數據、紡紗設備數據等。紡紗生產過程實時數據包括紡織設備運行狀態數據、紡織生產過程工藝參數、紡織生產能源消耗計量數據等，共同構成了實時數據源。生產管理數據如生產計劃、成品紗指標、原材料清單、績效考核指標等，設備描述如供應商、規格型號、操作說明、操作規程等。生產管理的各類數據共同構成業務數據源。外部數據主要包括市場信息、用戶信息、供應商信息等構成的外部數據源。無論外部數據源還是內部數據源(實時數據源和業務數據源)，均通過網絡傳輸和數據集成，存儲于生產管理數據服務器中，通過對各類數據的加工處理、規則提取和數據抽象形成各類業務數據庫、知識庫，并按照結構數據與非結構數據進行分類管理。紡織企業智能化系統數據集成的架構模型如圖2所示。

圖2 紡織企業數據集成架構模型

2.3 工藝規劃及流程

在數字環境下對產品的工藝進行規劃，就是在工廠、車間、生產線、生產裝備、制造資源的數字化模型的基礎上，在工藝分析方法和技術的指導下，在工藝分析工具的支持下，對產品的工藝路線、工序安排、制造設備進行合理的規劃，并且通過數字化模型對工藝方案進行仿真分析，最后得到最優的工藝規劃方案，使得與工廠的生產規模相適應，并且能達到工藝要求，確保產品質量。工藝規劃流程圖如圖3所示。

圖3 工藝規劃流程圖

2.4 系統功能設計

設計的功能有主要功能模塊設計和輔助功能模塊設計兩大部分。

主要功能模塊設計需要對設備監控模塊、環境監測模塊、報警預警模塊、訂單追蹤模塊、統計報表模塊、質量數據模塊、能耗分析模塊、單錠數據分析模塊、設備維護管理模塊、產能效率分析模塊、損耗率制成率分析模塊、工資及成本核算模塊進行設計。

輔助功能模塊設計需要對微信預警報警功能、生產管理功能、ERP的交互對接功能、歷史數據轉儲功能、數據備份和恢復功能進行設計。

3 環錠紡智能化系統實踐效果評價

山東華興智能紡的實施具有顯著的效果。能夠有效提高生產效率20%，縮短產品生產周期30%，在制品庫存資金周轉加快，取得間接經濟效益10%；企業萬錠用工達到15人，降低人工成本可達80%；能源利用率提高12%；智能配棉的應用，可平均降低配棉等級0.5級，大幅降低了用棉成本；企業綜合運營成本降低20%。此外，項目實施后可有效降低在庫庫存資金占用和在制品物資資金占用，降低庫存資金占用10%，有效節約了財務成本。綜上分析，項目實施可在多方面提升企業的盈利能力，全員勞動生產率大幅度提升，平均可使企業增加利潤30%左右。

我國棉紡織行業擁有規模以上企業8 700多家，紡紗規模1.2億錠，根據山東華興的經濟效益分析數據推算，預計行業可實現增加經濟效益16億元。因此，紡織企業智能化系統的實施必將有效促進棉紡織行業綜合競爭能力和利潤水平的增長。

4 結束語

針對紡織設備種類多且協調受阻的問題，本文以山東華興紡織集團有限公司為例，通過對該企業不同供應商的設備和系統，依據紡紗工序及全流程進行綜合集成，構建了從原料輸入到紡織產品入庫的環錠紡智能化生產系統。該系統將多種設備子系統(在線監測信息系統、條筒AGV輸送系統、細紗接頭智能導航系統、筒紗智能包裝與輸送系統)按照紡紗工藝規劃及流程對其進行整合。在此基礎上，針對多源異構數據的問題，提出了紡織企業數據集成架構模型，該模型實現了對各類數據的加工處理、規則提取和生產反饋，并按照結構數據與非結構數據進行分類管理及分析。通過在山東華興紡織集團有限公司的應用結果表明，本文構建的環錠紡智能化生產系統實現了對企業生產經營決策的支持，提高了生產效率，縮短了研發周期，減少了用工，紗線質量有所提升，經濟效益和社會效益明顯。