簾子布直捻車間MES 系統的設計與實現

江 豪 段瓊海 王永華 張保威 黃少華

（鄭州輕工業大學，河南鄭州，450001）

直捻工序是簾子布生產的重要組成環節，直捻車間生產的捻絲質量是決定簾子布優良特性的基礎。而在直捻生產車間內部，基本是傳統的紙質辦公，還未建設專注于生產過程管理及控制的MES 系統，對于計劃下達、生產追溯、質量控制、數據統計和數據分析等，還依賴于半自動或者人工，這在一定程度上制約了生產效率的進一步提升。現有車間生產設備的運行數據僅能通過機臺上的屏幕實地查看，車間的生產安排和生產監控主要依賴于人工，一線生產信息的掌控基本依靠人工巡回，不僅需要大量的人力投入，而且信息的獲取和反饋存在較大的滯后性；另外各設備數據、各部門數據形成了信息孤島。

隨著工業4.0 時代的到來，數字化、網絡化、智能化成為企業發展的方向［1］，MES 系統的應用也成為企業關注的焦點。崔士濤［2］利用MES 在線監控系統，實現在線質量監控、質量記錄和快速整改，在提升紗線質量的穩定性和使用效果方面有顯著成效；葛陳鵬等［3］結合紡紗制造執行系統的應用實踐，分析模型架構、功能模塊方面等，表明了MES 系統在效率、質量、能耗管理等方面的優越性；張慧霞等［4］采用織機在線聯網采集系統對設備的管理，打造數字化車間和智能化設備管理，對織機效率和產品質量有提高作用；萬由順等［5］以MES 管控為核心，運用智能化紡紗技術，對穩定紡紗質量、提高生產效率等方面提升顯著；劉燕等［6］針對針織生產過程中存在的問題，從而設計了針織MES 系統，搭建起數據、通信和控制之間的橋梁，提高了企業的生產管理效率；楊衡亮［7］利用RFID 技術設計倉庫管理系統，優化企業倉庫中入庫、出庫等流程，為企業信息化的提升帶來顯著效果；溫國娜［8］總結了影響簾子布生產效率的因素，并提出精準安排生產計劃等是提高生產效率的關鍵措施。但是國內未見簾子布生產過程MES 系統的相關報導。

1 簾子布直捻車間生產流程

直捻生產車間的功能主要是將原絲庫中的原絲投入直捻機中，直捻機對兩根沒有加捻的單股原絲直接捻合成簾子線，并卷繞成筒進行存放，以供織布使用。直捻車間的主要生產流程包括品種翻改、上絲、加捻、落絲、倒筒、捻絲盤存等環節，如圖1 所示。

圖1 直捻車間生產流程

（1）品種翻改。由于不同批次產品所要求的性能不同，在更改生產批次前，需要對生產設備的參數如錠速、捻度等進行設置，試紡并檢測合格后再正式投入生產。

（2）上絲。將原絲安裝在筒子架上，并記錄生產品種、直捻機臺號、區號、上絲個數等信息，為加捻做準備。

（3）加捻。將兩根單股原絲通過一定的捻度，卷繞成線。未加捻的絲線所織出來的布面松弛、牢度差；而加捻后的絲線能夠獲得一定強度、延伸性和彈性。

（4）落絲。從直捻機上取下加捻完成并卷繞成筒的簾子線，并記錄直捻機臺號、絲長、落筒個數等信息，為倒筒做準備。

（5）倒筒。將加捻的簾子線退繞并重新卷繞在一個大筒子上。其目的是增大絲筒的卷裝容量，提高設備的運轉效率；同時，加捻簾子線定形后略有皺縮、張力不勻，通過倒筒可使簾子線張力均勻，改善筒子質量。

（6）捻絲盤存。倒筒后的簾子線記錄品種、數量，并存放在絲線存放區，供織布車間使用；未使用完的原絲整合、統計后，退回原絲庫。

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2 直捻車間MES 系統總體架構設計

直捻車間MES 系統總體架構如圖2 所示，其主要分為數據采集系統和MES 軟件系統兩個部分。位于車間級的TCP/IP、PB/PN、Modbus 等總線系統，通過控制設備獲取生產設備運行參數，并對采集的數據進行預處理和網絡故障診斷分析，最后將數據上傳至云數據庫。各生產部門通過PC 端、移動終端和車間電子看板進行查詢訪問、生產管理和數據追蹤等任務。

圖2 直捻車間MES 系統總體架構

3 數據采集網絡設計

直捻車間有各種不同的設備，根據設備的接口方式不同，規劃了以下的數據采集方式。

（1）底層信號轉換的數據采集。針對那些不具有控制器，還使用繼電器、接觸器控制的設備，通過采用PLC 控制和信號轉換，將采集到的5 V、12 V 的電信號，轉換為符合PLC 控制系統需要的24 V 信號，從而完成對設備數據的采集。

（2）底層非開放數據采集。針對車間中設備及型號繁雜、控制器種類多的情況，采用Modbus通訊網絡和TCP/IP 協議，通過串口服務器引出的以太網進行遠距離傳輸。在上位機中讀取不同控制器的數據，并存儲在數據庫中，這樣減少了不同設備、不同控制器之間數據交換和信息共享的復雜性。

（3）PLC 數據采集。對于PLC 控制的設備，利用PLC 主機或子模塊提供的RS232/RS485、RJ45 等多種接口作為網關；或者利用I/O 口作為數據采集接口，對設備數據進行采集，并將不同類型PLC 的數據分別進行轉換，以獲取設備的工作參數和工作日志（如PLC 控制的直捻機中錠子轉速、絲線張力、卷繞張力）。

（4）電能數據采集。通過在設備的送電線路上安裝電流互感器，將設備的用電參數采集到智能電表內，通過智能電表的RS485 通信接口，利用接口轉換模塊，建立上位機與電表之間的通訊連接，實現對生產設備電能消耗數據的采集。

（5）人工數據采集。在車間一些需要人工操作的環節中（如上絲、落絲、空錠原因記錄等），不能配置自動化的信息采集設備，采用條碼槍、操作屏、手持式終端等方式來采集車間中一些生產狀態、單號信息、操作員信息等。

4 直捻車間MES 系統設計

4.1 系統功能模塊

直捻車間MES 系統應用的功能模塊如圖3所示。

圖3 直捻車間MES 系統功能模塊

（1）生產調度流程管理模塊。緊密契合生產車間現有的生產管理流程，將生產計劃下發→工藝數據關聯→車間品種試紡→試化室生產檢測→正式生產整個流程中的每一步操作都記錄在系統中，形成數據檔案，使生產流程電子化。

（2）生產異常登記及分析模塊。生產過程中的空錠登記、欠長登記、倒筒登記等生產數據可以永久存儲在系統中，形成設備及產品的異常數據檔案，輔助于產品優化及設備產能的提升。

（3）投入及產出統計模塊。將原絲的投入及捻線的產出等信息通過簡單的操作將信息記錄在案，詳細記錄各個品種每個班次的投入及產出情況，形成投入產出報表，簡化生產統計操作。

（4）設備狀態監控模塊。該模塊包含對設備主機和輔機、能源、環境參數的監控。實現直捻工序生產設備的聯網，可在系統中實時查看生產設備的運行狀態及主要的工藝設定參數，并根據生產需求對設備的異常狀態信息進行監控報警。

（5）生產質量追溯模塊。通過生產過程中的數據記錄及標簽的粘貼，可以從捻絲成品追溯到原絲的投入，尋找生產流程中的異常節點，輔助生產問題追蹤。

（6）設備及產品能耗分析模塊。通過添加能耗監測硬件，將設備的能耗數據與生產品種信息結合，詳細記錄設備分時段、分品種的能耗數據，輔助于產品的成本分析，并結合生產設備的橫向對比和生產品種的縱向對比，輔助生產管理人員發現設備異常或工藝缺陷。

（7）產能統計及分析模塊。該模塊按照品種、機臺、班組、機型分類統計產量、效率，形成多種報表，并借助圖表分析便于發現異常數據，減少人工抄錄與統計，縮短數據處理時間和數據流程。

4.2 生產主流程設計

直捻車間MES 系統結合直捻生產工藝流程，可將系統的生產主流程分為計劃下發、品種翻改、上絲登記、落絲登記、空錠原因記錄、倒筒數據記錄、原絲捻絲盤存等幾個部分。

（1）計劃下發。在生產初期，由計劃人員根據訂單需求在MES 中錄入生產計劃，包含生產品種、數量、計劃開始時間和結束時間等數據。計劃下發后，車間調度人員結合生產狀況安排機臺，并創建生產調度單，包括機臺號、改前品種、改后品種、計劃執行時間等。

（2）品種翻改。直捻車間品種翻改流程如圖4 所示。生產調度單創建后由試化室工藝負責人針對調度安排的機臺及生產品種，下發生產工藝單，包括喂入原絲品種、車速等數據。通過手持終端PDA 可查詢已完成下發的工藝生產調度單，操作人員執行改紡操作，并將機臺的生產狀態設置為試紡階段。試紡完成后，試化室將試驗結果錄入到MES 系統內，記錄試驗明細數據，并將機臺切換為正常生產狀態。

圖4 直捻車間品種翻改流程

（3）上絲登記。將原絲投入直捻機設備中，并在MES 系統中登記上絲信息。使用PDA 掃描原絲車上的條碼，查詢該車原絲的生產日期、班次、品種、批次、車號等信息，并根據查詢信息在上絲登記界面錄入上絲的機臺號、區位、位置、個數、日期、操作人等信息并保存。上絲登記界面如圖5（a）所示。

（4）落絲登記。在MES 系統中登記落絲信息，根據落絲的機臺號，查詢該機臺當前生產的訂單、品種、批次等信息，并在落絲登記界面錄入落絲個數、托盤號、日期、操作人、欠長個數等信息，最后打印托盤標簽，并粘貼在托盤上。落絲登記界面如圖5（b）所示。

圖5 生產過程信息登記1

（5）空錠原因記錄。當加捻中途斷頭后，為了保證簾子布的質量，不允許直接將結頭繼續加捻，而應該把筒管拔出做不合格絲處理，則拔出筒管后的錠子就成了空運轉的錠子。直捻生產過程中出現空錠情況時，系統會根據實時采集的設備數據自動記錄空錠的機臺號和錠號，并人工在系統中登記空錠的原因。空錠原因登記界面如圖6（a）所示。

（6）倒筒數據記錄。倒筒后產出的質量合格的捻絲，將其產出信息登記在MES 系統內，根據生產訂單、品種、批次，錄入托盤號、個數，并打印托盤標簽，粘貼在托盤上。倒筒數據登記界面如圖6（b）所示。

圖6 生產過程信息登記2

（7）原絲捻絲盤存。原絲經過直捻機加工等一系列操作形成捻絲后，需對捻絲數目等信息進行統計并盤存以供后續織布車間使用，還需統計未使用完的原絲并退入原絲庫，根據絲線種類不同可分為原絲盤存和捻絲盤存。原絲盤存：系統實時計算原絲庫的存量，直捻車間原絲車上未使用的原絲直接統計錄入系統，未使用完的原絲通過手動方式錄入系統，根據機上數據和機下數據，生成原絲盤存信息表。捻絲盤存：系統根據機臺的實時數據自動計算直捻機上各品種的實時存量，結合托盤上的捻絲數量，匯總出捻絲數據，生成捻絲盤存信息表。

4.3 應用效果

該系統在某企業應用后，效果明顯，得到了用戶的一致好評。其效果主要表現在3 個方面。

（1）生產效率的提高。MES 系統的應用使生產車間的數字化和智能化得到顯著提升，企業可以及時動態地掌握車間的設備狀態、訂單情況、生產進度、投入產出等信息。采用該系統前后車間的生產操作時間如表1 所示。可以看出，對同一臺直捻機從上絲到落紗，系統應用后，人工操作時間減少了54.3%，極大提高了生產效率。

表1 系統應用前后人工操作時間對比

（2）質量管理水平的提升。通過智能化系統快速發現、分析和解決質量問題，縮短問題發現周期，降低了由于質量問題帶來的損失，對產品質量的穩定性有促進作用。早期出現質量問題需要人工查閱每個生產環節的記錄單，分析并找出問題原因，任務量龐大。系統應用后，直接掃描問題產品的條形碼或生產批號，即可獲取與之相關的使用物料信息和生產數據。

（3）能源消耗的降低。通過MES 系統提供的電能分析等，實現生產的靈活調節，降低用電成本。系統對生產的有效監控也可以使各工序產能充分釋放，顯著提升生產效率，縮短產品生產周期，從而降低產品能耗。以錦綸66 1 400 dtex 工業絲為原料，設定錠速為8 700 r/min，捻度為380 捻/m，對比CC3 型和CC4 型直捻機在應用系統前后的耗電量對比，如表2 所示。可以看出，節能率為10.5%～11.4%。

表2 系統應用前后耗電量對比

5 結束語

由于簾子布直捻車間信息化程度較低等現狀，阻礙了企業的進一步發展和提升。本研究設計的簾子布直捻車間MES 系統，能夠完成直捻車間全流程生產數據的采集和處理，實現從原料投入到成品產出整個生產過程的數字化監控和管理。系統應用效果表明，MES 系統的應用不僅進一步提升了車間生產和管理水平，而且提高了企業的效率和競爭力，具有較高的應用和推廣價值。