淺談智能紡的發展現狀和未來趨勢

李增潤 管幼平

(經緯智能紡織機械有限公司，山西晉中，030601)

2018中國國際紡織機械展覽會暨ITMA亞洲展覽會上，多數紡織機械制造企業展示的各種裝置、主機設備、物料流轉和生產管理系統，都在以“自動化，數字化，智能化，大數據，物聯網”作為主要特點，體現了紡織行業的發展趨勢和真實需求。科技進步使先進技術在工業生產中的應用成本和難度越來越低，減少紡織廠車間內用工數量、降低人工勞動強度、提高紡織品質量和產量、實現設備動作和物料周轉自動化、實現基于大數據和物聯網技術的生產流程管理以提高生產效率，是行業發展的大勢所趨，也是紡織工業向智能化發展的必由之路。

我國一直是紡織機械和紡織品的出口大國，在《中國制造2025》和“一帶一路”倡議的國家發展戰略大背景下，國內各紡織機械制造企業如何立足于自身現實條件，結合紡織企業的個性化需求，自主創新，研發出市場需要的整套智能化技術方案，是一個很值得商榷的課題。經緯智能紡織機械有限公司(以下簡稱經緯智能公司)擁有棉紡成套設備的研發制造能力，其設備和相關技術方案的智能化發展程度對國內紡織行業的進步有一定的推進意義。本文以環錠細紗機及其配套設施的發展為例，淺析設備智能化的發展現狀和未來趨勢。

1 紡紗設備的智能化發展

紡織工業現代化的歷程已經有數百年的歷史，在漫長的發展過程中，各種紡織流程、設備、質量評價標準體系已經相當詳細完備。以普通棉紡流程為例，開棉、混棉、清棉、梳棉、精梳、并條、粗紗、細紗、絡筒整個工藝流程中，因為對終端產品細紗的要求不同，每一道工序的操作規范和評價標準有很大的差異，對設備的調整也有詳細要求。以往需要人工深度參與，而智能紡的基礎和依托首先就是實現紡紗設備的智能化，盡量由高度自動化運行的設備來代替人工的各項操作。環錠細紗機的總錠數量是衡量一個紡織廠規模大小的最主要標志，因此，環錠細紗機的自動化、智能化水平對整個紡紗流程具有決定意義。

在10年的時間里，國產環錠細紗機完成了由機械化向電氣化、智能化的轉變。此前，環錠細紗機的主機牽伸、加捻、卷繞成形這三大運動基本還停留在機械化控制的狀態。機械化是一種模擬量的控制方法，雖然穩定性好，但細紗工藝參數的選擇不夠精細，且可選范圍受到限制，管紗的卷繞成形也是模糊化調節。每次更改細紗工藝參數時，都需要重新調節機械上的傳動結構，這種近似逼近的方法使得生產組織、產品工藝設計、實際機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，其過程繁瑣，管理困難。目前這三大運動在新型細紗機上都可以做到數字化控制，伺服牽伸代替了機械牽伸，牽伸區的動力不再來源于主軸，而是由單獨的伺服電機跟隨主軸的運動狀態實時精確調整牽伸區運動，不但節省了調整細紗工藝時需要更換傳動齒輪的繁瑣過程，同時也使紡紗工藝的范圍大為擴展。一些牽伸電子化比較徹底的機型，其前中后羅拉分別由單獨的伺服電機帶動，使細紗號數更加可控，重量偏差范圍可以由原來的±5%精確控制到±1.5%，甚至更好；變頻電機帶動錠子轉動取代了以往的雙速電機，雙速電機只有高低兩檔速度，而變頻電機則可以根據紡紗過程中紗線張力的變化，在控制系統中設置變頻器的輸出頻率，進而控制錠速變化，實現錠速變頻控制，紡紗穩定性有了實質性的提高，細紗落紗斷頭率、開機斷頭率和運行時千錠斷頭率等指標有了統計意義上的明顯好轉；卷繞成形數字化，在經歷了由“機械凸輪-機械位叉”和“電子凸輪-電子位叉”實現的鋼領板牽吊式運動后，目前已經配備成熟的積極升降式鋼領板運動機構，積極式鋼領板運動機構的實施使細紗機高速高效穩定運行成為現實，這是因為隨著細紗機長車、超長車推向市場，原來的鋼領板牽吊式升降運動，在配重比例上控制困難，細紗機錠數的增加，長度尺寸成倍加長，原來的牽吊式柔性傳動不穩定。另外，集體落紗系統的自動化、穩定性、智能化水平也是細紗工序里非常重要的部分，經緯智能公司的細紗機從JWF1562系列長車型開始，優化設計落紗動作流程，空滿管交換時間能夠控制在2.5 min以內，減少了落紗停車時間，提高了設備利用效率，同時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，為細絡聯提供支持。其中，鋼帶凸盤式使紗管傳輸更快，可實現超長型細紗機紡粗號紗的要求。細紗機主機的智能化，不僅僅是機械上執行機構的自動化，更重要的是軟件上控制系統的智能化，通過“人機交互界面”或者“遠程控制終端”設置紡紗要求和查看設備的實時狀態，目前已經是新型細紗機的基本功能。環錠細紗機主機及附屬執行結構實現了全數字化控制，這不僅使細紗工序實現了智能化控制，也是整個紡紗工藝流程實現整體智能化的重要環節[1]。

2 配套設施的智能化發展

僅僅關注設備本身的自動化是不夠的，必須重視配套設施自動化和智能化，確保生產流程順利。細紗工序里需要關注的細節太多，過去依賴擋車工連續巡車確保生產連續和生產安全，非常耗費人工。因此，必須提供智能化的配套設施，以節省人工勞動，也使生產流程更加可控，實現檢測和統計自動化。

環錠細紗機以往加捻主流模式是“變頻主電機-主軸-多根錠帶”式的傳輸結構，在紡紗過程中的管理相對開放，不關注具體某一錠位或者某幾錠位的運行狀態，而是總體上模糊化估算和監測。隨著管理和成本控制日益精細化，原來的開放式管理狀態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-粗紗自停”雙功能相結合的檢測裝置，對每一錠的紡紗狀態實施監控，通過檢測鋼絲圈運轉狀態做出判斷，對于運行不良和已經斷紗的錠位及時停喂粗紗，并做出準確的位置示警，此裝置可以進一步減少擋車工的勞動強度和擋車工的人數，由過去的主動巡車變成根據示警信號處理問題，這也是實現萬錠用工減少到15人目標的重要舉措之一。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，同時還提高了設備運轉的安全性。過去個別錠位在紡紗過程中斷頭后，吸棉笛管不一定能及時吸走牽伸口輸出的纖維，存在卷繞羅拉的現象，如果處理不及時，卷繞量過多則會引起生產事故。

經緯智能公司提供的“單錠斷頭檢測-粗紗自停”裝置，可根據紡紗車間的需要選配車間版管理系統或者遠程監控，組成細紗單錠在線網絡檢測，可以在人機分離狀態下設置和檢測統計，包含參數設置、單錠狀態顯示、當前斷紗、當前弱捻、歷史數據、斷紗排序、弱捻排序、落紗留頭率、千錠時斷頭、運行報告等部分，能夠給細紗車間無人化和夜間無人值守巡車提供重要的安全保證，給車間數字化管理提供具體的數據統計和技術支持。

另外，其配套設施也是實現細紗生產流程智能化的重要保證。諧波治理及電能監測系統能夠有效地消除諧波干擾，提高控制系統的穩定性；電能監測系統對整機功率、電壓、電流等參數狀態進行檢測，方便用戶直觀地了解機器的狀態及噸紗耗電情況；電子牽伸加捻卷繞系統，其前羅拉與中后羅拉采用獨立的伺服系統進行控制，無需更換變換齒輪，減少更換齒輪的工作量，牽伸倍數等紡紗工藝參數通過界面輸入，可達到紡紗工藝參數的精準控制。如調整操作面板上的捻度參數后，電腦程序可通過采集主軸編碼器的信號自動調整前羅拉速度，捻度調整方便簡單；紗線捻度精確控制系統通過電子加捻系統修正開車和落紗捻度，在開車升速和停車降速過程中，穩定紗線捻度差異在4%以內；精確留尾控制系統，其電子剎車能夠快速、精準地控制剎車動作，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，斷電時同步停車，利用直流母線技術及相應控制回路的電源保持等，實現羅拉和錠子的同步快速停車；精確計數落管系統可提高落管效率，減少用工；紡紗留頭工藝專家系統，具有紡紗工藝一鍵導航功能，程序中內置多套工藝參數，可根據用戶紡紗品種進行調用，用戶亦可根據需要進行修改并保存，方便紡紗品種的更換，大幅度縮短更換紡紗品種設定工藝參數所用的時間，提升落紗留頭率，指導工藝制定；細紗單元在線監測管理網絡系統是基于經緯系列的細紗機，建立一個車間級網絡環境下的生產過程數據采集、數據存儲、數據分析處理和數據管理的軟硬件系統，實現實時數據采集、流程監控、趨勢分析，并完成歷史數據存儲記錄，從而實現企業過程控制系統與分析系統的應用集成，提高企業生產管理水平及信息化水平[2]。

3 紡紗車間的智能化發展

以前限于紡織機械的加工水平、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，工作環境比較惡劣。受就業多元化的影響，紡紗廠招工難、用工難成為一個共性問題，改善紡紗車間的生產條件，總體上是有限度的。而且紡織原料、半成品、成品在不同設備之間的周轉加工和評價監測，過去基本上全由人工參與，時間周期和執行標準受控程度低。在一切都向高度智能化方向發展的今天，過于依賴人工勞動，失去的不僅僅是成本優勢，也會制約產品質量提升。因此，將大量人工從繁瑣的低效勞動中解放出來，依靠智能化的設備保證生產流程，是目前紡紗的新要求。

從2018年開始，經緯智能公司在國內打造了“武漢裕大華”和“夏邑恒天永安新織造項目”兩條紡紗智能化工廠示范線項目，嘗試建立全流程智能紡紗新模式。“武漢裕大華”項目不管是設備單機還是成套設備的智能化水平，和以前相比都有大幅度提升，例如：JWF1572型環錠細紗機錠速可以穩定在20 000 r/min。該項目從開始便把“實現萬錠用工在15人以內”定為目標，通過新型的條筒自動運輸、精梳換卷自動化、并粗聯、質量追溯、倉儲運輸等智能化流程，全流程自動物流輸送系統、回花收集打包系統、質量追溯系統等軟硬件的應用，為實現“無人值守車間”和“無人化工廠”奠定基礎[3]。“夏邑恒天永安新織造項目”全流程采用經緯智能化的設備，并配備全流程智能紡紗系統，包含各種智能化的紡紗設備、清梳聯、粗細聯、自動打包系統、經緯E系統及物流自動輸送AGV小車等，是車間生產智能化的一次重要嘗試[4]。

紡紗智能化工廠示范線項目，特別是配備全流程智能紡紗系統，完全區別于傳統的、無法解決真實痛點的軟件系統，利用物聯網技術+大數據技術+互聯網思維，搭建智能運維大數據平臺，實現設備產品數據的全面實時采集、清洗、分析和應用，使產品故障診斷與預測智能化，設備海量數據展示可視化，可為企業產品售后服務、產品創新、市場競爭提供強大的技術支撐，全面提升棉紡成套設備的一體化、成套化、數字化、智能化的水平，這是紡織機械制造企業給紡紗用戶提供技術方案的標桿工程和重要參考。

4 經緯智能紡的未來發展趨勢

未來的紡紗企業必定是淘汰和改造落后產能和技術，減少人工參與，以實現自動化、智能化生產為趨勢。

對于紡紗設備，從機械化向全面電子化和智能化過渡，對于一些基礎性的、原理性的技術研究和成果積累，依然是企業研發的必修課。未來，現有的棉紡成套產品在智能化方面將會進一步增強，并呈現多樣化、個性化的發展。同時一些創新性的成紗技術也值得關注研究。例如：短流程直紡項目可以直接輸入棉條生產細紗，省去工藝流程里的粗紗環節，這是一個創新項目。可以預見，在省去粗紗環節后，流程減少，耗能減少，物料流轉過程縮短，能夠使物流系統更加穩定可靠，減少維護成本；更重要的是，條筒可以盛裝更多重量的紡紗材料，這使連續紡紗成為可能，配合相關的物流系統，能夠為車間無人化生產提供重要支持。多通道智能環錠細紗機在不斷探索完善相關理論和結構的基礎上，目前多應用在色紡和花式細紗領域。對于傳統的色紡，纖維主要在前紡工序里進行混和，在細紗工序里基本不混和，或是賽絡紡式的簡單混和。多通道技術的引入能夠執行多種紡紗工藝，覆蓋市場上目前有需求的各種花式細紗，可以做到在紡紗過程隨時變號數、變捻度，細紗顏色可根據各通道牽入粗紗的比例不同和粗紗所處的通道不同產生變化，風格獨特多變，而這個過程不需要加裝其他裝置，僅通過控制羅拉伺服系統來實現，是細紗機單機智能化水平較高的一款設備[5]。

對于紡紗企業智能化管理方案，紡織機械制造企業的任務將是根據紡紗廠的生產實際需要，完善和發展全流程智能紡紗系統，打造大數據智能服務中心，在遠程運行維護、智能管控、大數據分析、數據共享服務、知識服務、產品創新服務、安全防護、用戶增值服務等方面，建立一個全方位的分析管控服務平臺， 實現設備的遠程控制、遠程維護、遠程監控、遠程診斷，重要數據的全面采集、集中管理、網絡控制以及可視化展現；通過構建業務分析算法模型，實現設備運行、維護、故障、預警、產量、效率、能耗等多方面的大數據分析；構建開放式的對外服務接口，實現平臺與其他軟件系統的數據共享，提前消除信息孤島；通過建立專家知識庫、產品故障知識庫、故障處理知識庫、業務算法模型庫，實現企業知識的數據積累和價值發揮；通過將產品運行數據、預警數據、故障數據、維護數據以及售后數據整合融入 PDM，補全產品全生命周期，形成產品全生命周期數據閉環，為企業的產品研發創新提供數據支撐，實現平臺及數據的全方面安全防護。通過為用戶提供行業分析、商情分析以及云服務軟件平臺等，實現增值服務。

5 結束語

科技更新對紡織行業的發展影響重大，紡織流程實現自動化、智能化生產是紡織企業的需求，也是對紡織機械制造企業的要求。紡紗設備及其配套設施，乃至紡紗車間全流程的智能化，決定了三個層面上軟硬件智能化方面的發展情況，紡織流程向智能化發展，終究是紡機制造企業的責任，這是一個需要長期不斷完善、持續推進和改善的過程。