紡織智能工廠關鍵技術及應用現狀分析

潘如如 張寧 向軍

（江南大學，江蘇無錫，214122）

當前信息化技術的發展為制造企業的轉型升級帶來了契機，在制造業中應用越來越廣泛，全球制造大國也出臺了相關措施［1］。2014 年，德國提出“工業4.0”的概念；2015 年，我國提出“中國制造2025”的概念；2016 年，美國出臺“制造業重返美國”的政策，成立了工業互聯網聯盟；2017 年，日本提出“互聯工業”的概念，并與德國聯合發表了《漢諾威宣言》，推進互聯工業的發展。我國則在“十四五”規劃提出，建設智能制造示范工廠，完善智能制造標準體系。在相關政策和措施的推動下，信息化技術與制造裝備及技術的交叉融合、更新換代，實現了制造企業的高度自動化、智能化、柔性化生產［2］，提升了制造業的生產、管理和服務水平，逐步發展成為智能工廠。

1 紡織智能化發展歷程

紡織業作為傳統的制造行業，在幾十年的信息化、智能化轉型升級過程中，對于具有行業特點的共性技術和關鍵技術進行了大量開發、應用和推廣，覆蓋棉紡、毛紡、長絲、印染等細分行業，包括產品設計信息化、生產裝備智能化、生產過程自動化、制造管理和企業管理信息化、協作網絡化等領域［3］。20 世紀70 年代，以計算機技術為代表的電子信息技術飛速發展，紡織信息化由此萌生和起步。20 世紀80 年代，計算機管理技術應用于紡織企業，但一般屬于單項管理系統，如庫存管理、設備管理和財務管理等。此時的計算機管理技術顯示方式較為單一，大多中小企業采用微型機局域網，大中型企業則采用了主機/終端系統。同期，細紗斷頭檢測裝置得以應用，提高了產品質量控制水平。20 世紀90 年代中期，客戶機/服務器（C/S）模式開始應用于紡織企業，企業資源計劃（ERP）概念也開始引入紡織行業，加快了企業管理信息化的進程，并在21 世紀得到了廣泛應用。由于紡織企業大多屬于中小型企業，需求多樣、資金有限、管理基礎薄弱等特點導致其建立信息系統較為困難。因此，紡織公共服務信息平臺在21世紀初開始建設，實現產業集群地的互聯，可為周邊的中小型企業提供大量的信息服務。隨著信息技術與紡織裝備的日益融合，在線監測、自動控制、信息網絡等技術在紡織細分行業得到了廣泛應用，大大提高了紡織裝備的信息化水平。為了提高紡織企業的精細生產管理，針對生產制造管理的制造執行系統（MES），在21 世紀之初開始應用于紡織行業。MES 中物聯網技術的應用加強了在線實時采集和數據處理能力，以精細和動態的方式管理生產過程，提升了紡織行業的整體信息化水平。2013 年以來，移動互聯網、機器人、云計算、大數據等新一代信息技術［4］飛速發展，互聯網應用在紡織行業得到深化，深刻變革了傳統的產業模式。加之數字化、智能化技術的交叉融合，紡織智能制造應運而生，在裝備智能化、生產過程連續化、物流信息化、管理精細化等領域取得了較大進展，逐步演變為紡織智能工廠，深刻改變了制造業的生產模式和產業形態。

本文通過梳理紡織智能工廠的發展歷程，圍繞紡織智能工廠的關鍵技術展開綜述，結合紡織行業的特點，從智能化裝備和智能化管理兩個方面進行系統介紹，并對現有技術進行分析，給出了紡織智能工廠面臨的問題及未來的發展前景。

2 智能化裝備

紡織企業在推進信息化的過程中，以機械裝備的數字化、自動化、智能化為基礎，催生了在線監測、自動控制、智能物流等高新技術，大大提高了紡織裝備的智能化水平［5］。紡織智能化裝備是新一代信息技術與紡織技術相融合的載體，對于提高生產效率和產品質量具有關鍵作用。目前，智能化裝備主要包括智能化設備和智能化加工兩個方面，在紡紗和織造工序中應用廣泛。

2.1 智能化設備

自動化是指設備或過程完成預先設定的工作，系統自身缺少判斷和決策能力。智能化是指設備不僅能夠實現預先設定的目標，還能根據外界條件變化不斷地修正和優化目標，具有感知、思維、學習和自適應以及行為決策等能力。近年來，紡織設備通過應用信號傳感與檢測、自動化、智能化等高新技術，實現生產設備和生產過程的自動化、智能化，主要體現在紡織機械設備的自動化、集成控制和智能監控等方面［6］。

紡紗工序中，多年的快速發展大幅提升了設備的自動化水平，在上料、生頭、落紗、換筒和碼垛等工序均實現了設備的自動化。紡紗設備主要包括清梳聯、并條機、精梳機、粗紗機、細紗機、轉杯紡紗機、絡筒機等［7］。目前，自動抓包機、自動換筒系統、精梳機自動換卷和生頭系統、粗紗自動落紗機和筒紗自動打包系統等均已得到了成熟應用。隨著智能化技術的發展，部分紡紗裝置和設備［8］逐步具備了智能化的功能。開清棉工序中配置的異纖檢測清除裝置，實現了異纖的自動化檢測和智能化清除。以USTER Jossi Vision Shield異纖檢測儀為代表，對于有色合成物，甚至是透明、白色丙綸，該異纖檢測儀均能提供可靠的檢測準確率和高的去除率；此外，該儀器能夠區分棉花和異纖污染物，有效地減少浪費。梳棉和并條工序中應用的自調勻整裝置，可根據線密度變化調整產品的牽伸倍數，使得線密度保持一致。立達公司開發的Autoconer X6 型自動絡筒機裝配上紗傳感器、智能輔助找頭裝置、智能落紗裝置等，可確保自動絡筒工藝的靈活性和智能化水平。

織造工序中的設備包括整經機、穿經機、漿紗機、織機。由于設備生產企業通常較多，還未形成如紡紗工序成套的自動化設備［9］，一般是各具特色的單臺自動化設備。目前的自動化設備主要包括整經自動上紗系統、整經自動裝筒系統、自動穿經機、漿液黏度在線檢測裝置、漿紗回潮率和上漿率在線檢測裝置、噴氣織機自動抽緯開機系統、疵點在線檢測系統、面料自動包裝系統等。在智能化方面，研發較多的是智能化組件，如機器氣壓智能調控的智能節氣系統、機臺氣壓和壓縮空氣消耗量監測與報警的智能壓力監控系統、供緯失誤時自動切換到其他儲緯器的智能投緯系統。如浙江日發紡織機械股份有限公司研發的RFJA40 型噴氣織機［10］可實現織造導航、智能化實時氣路控制、自動上軸、自動落布、緯停自動處理等智能化操作。在漿紗過程中，國內研發了模塊化智能調漿系統［11］，通過存儲計量、預調漿、智能化控制實現漿料的智能化調配，適用于不同類型紗線的漿紗。

2.2 智能化加工

在紡織加工工序中，紡紗和織造均具有多工序的特點。紡紗工序包括清棉、梳棉、并條、粗紗、細紗、絡筒6 大關鍵步驟。織造工序包括整經、漿紗、穿結經、織造4 大關鍵步驟。這種多工序的特點大大增加了半成品的運輸與加工難度。因此，紡織企業提出了不同的智能化加工技術以實現紡織產品加工的連續化。

智能化加工是指紡織過程中利用機械化輸送實現不同工序連接的生產方式，可減少產品加工的中間環節，省去人工裝卸、搬運半成品的環節，從而減少企業用工，提高生產效率。在紡紗工序中，清梳聯、粗細聯、細絡聯、粗細絡聯是典型的智能化加工模式［12］，通過搭配物流自動輸送系統，可實現中間工序半成品的自動裝卸與運輸。清梳聯系統完成開清棉與梳棉的工序一體化，可實現纖維流量自動控制、異纖自動檢測與清除、梳棉機自調勻整等。粗細聯系統在粗紗滿卷后可自動落紗，滿卷與空管整列自動交換，提高了粗細聯的機動性。細絡聯系統裝配新型管紗輸送托盤結構、管紗實時報警處理系統、自動插拔管裝置、自動殘紗檢測分離裝置等，實現高速化、智能化的細絡聯合。粗細絡聯將粗紗、細紗、絡筒及打包工序進行智能化聯結，實時收集處理生產過程中的信息，使得整個系統自動運行。立達智能化紡紗系統可實現紡紗企業的自動化、連續化、數字化和智能化。

織造工序中的智能化加工設備較少，目前應用最廣泛的是整漿聯合機、漿染聯合機。整漿聯合機［13］將整經和漿紗工序合二為一，直接完成織軸的生產，集成了整經機和漿紗機的優點。漿染聯合機采用機、電、儀一體化技術，搭配工藝參數在線檢測與控制系統，用于牛仔系列面料的經紗染色與上漿。

自動導引運輸車（以下簡稱AGV 小車）［14］采用自動導航、自主避讓等技術實現物流運輸的自動化和智能化。在紡紗和織造過程中，AGV 已被廣泛用于不同工序間半成品或成品的輸送，保證各工序間有效地進行科學銜接、路線優化、動態監控。在棉條智能輸送系統中，AGV 小車可實現棉條筒的自動裝載、輸送和卸載。在紡紗打包入庫運輸系統中，AGV 小車將筒紗產品輸送至自動打包機，完成打包后輸送至倉庫。在織造自動送緯、運軸、落布系統［15］中，AGV 小車與車間調度系統相配合，實現紗線、經軸、織軸、布匹等的自動運輸。

3 智能化管理

在紡織生產過程中，工藝路線通常較長，所用的裝備種類較多，生產工序較多，即使采用了智能化加工技術，仍存在不同工序的半成品。如何及時了解不同工序的產品生產狀態、實時監控整個生產過程、數據實時分析與展示、輔助生產管理與決策等，是紡織企業進行智能化管理的迫切需求。

隨著信息化、數字化、網絡化的發展，智能化管理技術在紡織企業得到了越來越多的應用。目前，智能化管理系統［16］主要包括ERP、MES 和倉儲管理系統（Warehouse Management System，WMS）等，可將紡織生產過程中的采購、生產、銷售、倉儲及財務等模塊緊密聯系在一起，提高紡織生產管理的智能化。

3.1 ERP

ERP 是建立在信息技術基礎上，以系統化的管理理念，為企業決策層及員工提供決策運行手段的管理平臺。發展至今，已成為對企業人力、物料、資金、信息等各種資源，面向企業計劃、生產、銷售、售后、財務等整個運作流程，進行全流程綜合管理的信息化系統。

紡織企業屬于典型的制造業，大多數紡織企業［17］都會面臨如何優化配置企業資源、優化生產計劃與排程、提升各部門之間的協作能力、提高產品質量等問題。通用的ERP 系統中的采購、銷售、倉儲、主生產計劃、物料需求計劃、財務管理等子系統均大同小異，但在局部環節中會有顯著的差別。以棉紡織行業為例，在制定開紡計劃時，通用的主生產計劃無法考慮與開紡工藝相對應的改車、用棉、用紗以及開紡能力計劃等。因此，針對紡織企業的特點，ERP 系統仍需根據具體需求進行定制化開發或改進。紡織企業通過ERP 系統進行采購、生產、倉儲和銷售管理，可以實現企業資源的有效利用，提升企業的經濟效益。目前，北京中紡達軟件開發有限公司開發的核心產品為TexERP，其功能涵蓋倉儲、銷售、采購、主生產計劃、財務、設備管理等，已在北京銅牛、深圳中冠、江蘇大生、山東如意、山東南山等企業得到成熟應用。上海環思信息技術有限公司在紡織ERP 領域有多年的開發經驗，其產品在紡紗、織造、印染和印花等不同產業鏈均有涉及，已成功實施于遠紡織染、羅萊家紡、雅戈爾、安踏體育用品公司等企業。上海百勝軟件股份有限公司的ERP 產品主要針對服裝、鞋帽等大中型企業提供信息管理服務，功能包括采購、生產計劃、作業計劃、銷售等整個業務流程，已在九牧王、羅蒙集團、圣得西集團、利郎集團等成功應用。

ERP 是計劃層，側重企業層面，主要為企業信息化管理服務。同時，ERP 系統的復雜性要求企業擁有能夠支持它的信息技術資源。因此，ERP更適用于已經市場化的中大型企業［18］，目前，體量較大的紡織企業大多已配備了ERP 系統，圍繞財務對企業資源進行計劃。對于規模較小的紡織企業，大多數ERP 系統在生產計劃和控制領域的作用非常有限，而且需要大量的成本投入才能維持ERP 系統的運轉。

3.2 MES

MES 是現代集成制造系統中制造管理自動化領域的一項重要技術，它是定位于企業上層ERP 和低層設備自動控制系統之間、面向車間作業層的管理系統，能夠對整個車間制造過程進行優化，實時收集生產過程中的數據并作出相應的分析和處理，與計劃層和控制層進行信息交互，實現企業信息全集成，是現代智能化工廠不可或缺的組成部分。隨著紡織企業的智能化升級，如何從生產現場收集、管理、傳遞、存儲生產數據，統籌維護生產數據庫，分析及展現生產狀況，實現生產現場的實時監控、實時反饋、管理優化、敏捷響應等，是紡織企業長期以來的迫切需求。

對于紡織企業，MES 系統［19］通過結果來優化產品的制造過程，生產過程及紡織產品追溯功能可以在很大程度上提高生產效率和降低成本。MES 系統可以優化紡織企業的生產管理模式，強化過程管理和控制，從而達到精細化管理的目的；可以加強各生產部門如采購、倉儲、生產等系統辦公能力，提高工作效率，降低生產成本；通過數據采集設備實時采集紡織生產裝備的數據，并及時分析，提高數據的及時性、準確性，避免人為干擾，促使企業管理的標準化；為企業的產品（面料）、中間產品（坯布）、原材料（紗線及其他物料）等質量檢驗提供有效、規范的管理支持；實時掌控計劃、調度、質量、工藝、裝備運行等信息，使相關部門及時發現問題和解決問題；最終可利用MES 系統建立起規范的生產管理信息平臺，使得企業內部的現場生產層和管理層之間信息互通，提高企業核心競爭力。在當前“小批量，多品種，緊交期”的紡織商業模式下，MES 制造執行系統可以為紡織企業提供一個快速反應、有彈性、精細化的制造業環境，幫助企業減低成本、按期交貨、提高產品質量和服務質量。

目前，MES 由于其輕量級和靈活性的特點流行于各種規模的紡織企業的各個生產現場，按照覆蓋紡織流程可分為紡紗MES、前織MES、織造MES 等。江蘇格羅瑞節能科技有限公司開發了一套適用于紡紗企業的MES 架構模型［20］，能夠監控訂單生命周期中的每一個環節，包括訂單生成、工藝單制定、織造BOM、生產排產、工藝翻改、質量檢測、車間開臺、生產了機、生產報工等流程，實現對人員與機臺生產數據的實時監控和管理。針對前織和織造工序，江南大學分別研發了前織MES 系統、織造MES 系統、質檢MES 系統，通過數據采集器從機臺上實時獲取生產數據并傳輸到數據庫進行存儲，軟件系統通過展示、分析采集的數據以實現對生產過程的管理，主要包括訂單品種管理、織軸管理、上軸管理、了機管理、實時看板、大屏展示、智能報表系統等模塊，可實現從訂單到產品的全流程追蹤。如江南大學為無錫鼎球絹絲紡有限公司開發的MES 系統，通過生產可視化大屏可以清晰地實時監測到每臺機器及整個車間的生產狀況，數字化報表功能取代了以前的手抄報表，大大提高了企業的生產效率，提升了企業的管理水平。

廣義上，MES 是在ERP 框架下運行的，是ERP 的子集或者交集。MES 是對ERP 計劃的一種監控和反饋，是ERP 業務管理在生產現場的細化。ERP 的執行前期需要投入大量的人力和物力，而MES 比較靈活，投入比較少，在同時具備MES 和ERP 的情況下，MES 可以作為ERP 的有力補充，將生產和企業連成一個整體，實現閉環的系統控制。而在不具備MES 與ERP 集成的中小紡織企業，選擇MES 還是ERP，取決于企業的業務重點及發展階段，如果企業訂單增長，主要關注點集中在持續優化流程上，管理生產和排產的MES 是最合適的。而將其他額外模塊添加到組合中去支付更高的ERP 系統費用，最終建成一個專注于業務的財務和記錄保存而非生產的系統，是沒有意義的。

3.3 WMS

隨著倉儲物流行業競爭日益激烈，越來越多的企業意識到，企業間的競爭實際上是企業的作業效率和成本控制能力的競爭。為了有效控制并跟蹤倉庫業務的物流和成本管理全過程，WMS應運而生。大部分WMS 是從ERP 發展而來［21］，能夠實現倉儲業務單據的信息化，記錄倉庫作業所處理的訂單、物料和產品信息。WMS 是一款標準化、智能化過程導向管理倉庫的管理軟件，能夠準確、高效地管理跟蹤用戶訂單、采購訂單及倉庫的綜合業務。WMS 顛覆了傳統的倉庫管理模式，從傳統的“結果導向”轉變為“過程導向”；從“數據錄入”轉變成“數據采集”，同時兼容了原有的“數據錄入”方式；從“人工找貨”轉變成“導向定位取貨”；同時引入“監控平臺”讓管理更加高效、快捷。大多數WMS 以條碼的形式管理倉儲，過程更加精細可控。

在當前“小批量，多品種，緊交期”的生產模式下，紡織企業的倉庫中堆放了大量不同的物料和產品，傳統的人工記錄方式已經不能滿足企業需求，許多頗具規模的紡織企業在倉庫管理中付出了巨大的財力、物力。提高倉儲管理水平、降低倉儲管理的耗費、及時監控倉儲狀況等，是降低紡織企業生產管理成本、提升核心競爭力的重要工作。WMS 的應用［22］不但節約了這些人力物力，更是提高了倉庫管理效率，使得倉庫類別管理得以輕松實現。WMS 的計算和記錄功能可以使數量統計輕松實現，出入庫均以條碼方式實現，更加方便快捷。據統計，企業在使用WMS 后，倉庫的作業效率至少提升了30%以上。WMS 通過條碼對倉庫進行管控，使得倉庫盤點等流程規范化，能夠實時準確反映庫存情況，為企業決策者提供有力的決策依據。廣東溢達紡織有限公司基于條碼技術研發了一套WMS 系統，有效避免了手寫票據的繁瑣步驟，提升了工作效率，通過引進現代化科學技術，在很大程度上避免了倉儲信息滯后所帶來的弊端。

4 紡織智能工廠發展展望

紡織企業在智能化裝備和智能化管理方面的應用，標志著紡織行業進入了高質量發展的新時代。新一代信息技術的發展，加速了不同學科之間的交叉融合，加快了制造業的產業結構調整，促進了產業升級轉型，對于未來紡織智能工廠的發展具有極大的促進作用。未來，紡織智能工廠將著重開展以下4 個方面的工作。

（1）推進先進紡織智能化裝備的開發和應用。目前的紡織智能化設備大都停留在數字化、自動化的階段，缺少真正智能化的功能。盡管紡紗智能化加工裝備的智能化較為成熟，但織造工序中連續化設備較少，智能化程度較低。未來，結合人工智能、機器人等新一代信息技術，組織高效的協同創新體系，從傳統的高端紡織裝備擴展到智能化紡織裝備、全流程智能化生產線，促進紡織行業智能化、協同化發展，進一步提升行業制造水平。

（2）開發輕量型、通用型的紡織智能化管理系統。紡織企業大多屬于中小型企業，面臨著資金短缺、人才不足等問題，在智能化轉型中面臨較多困難。現有的紡織ERP、MES 等智能化管理系統的體量一般較大、功能較多，而且通用性不強，難以在紡織中小型企業中實施。未來，結合紡織企業的行業特點，應開發輕量型、通用型的紡織智能化管理系統，以服務不同規模的紡織企業智能化轉型，推動制造業的發展。

（3）構建集成多功能的紡織智能化管理平臺。現有的紡織ERP、MES 和WMS 等系統在不同的業務流程中適用性不同，而且各有優缺點。為了發揮不同系統的優勢，通過結合“互聯網+”技術，集成ERP、MES 和WMS 等系統的優點，構建集成多功能的紡織智能化管理平臺［23］，覆蓋紡織業務全流程，將是未來紡織智能化管理方向發展的趨勢。平臺可集成不同智能化管理系統的功能，并將不同業務流程的信息即時發布給相關人員，形成全方位的監控與管理。

（4）推動人工智能技術與紡織技術的深度融合。近年來，機器感知、機器思維和智能機器人等技術在紡織智能化裝備和智能化管理均得到了一定應用，形成了一定的基礎。目前，知識獲取、深度學習、優化決策、專家系統等智能化技術還存在短缺。通過推動人工智能技術與紡織技術的深度融合［24］，發揮人工智能技術在紡織生產過程中的智能決策、智能生產與控制、質量監測、設備故障智能處理等方面的優勢，建設更加智能的紡織設備及管理系統，是未來紡織智能工廠的發展趨勢。

5 結語

當前紡織行業面臨產能過剩、競爭激烈的問題，建設紡織智能工廠是紡織行業智能化轉型的必由之路。通過總結與分析現有紡織智能工廠的關鍵技術，對已在紡織企業成功應用的關鍵技術范例進行了介紹。隨著新一代智能化技術的發展，紡織行業的智能化需求進一步增加，未來仍需探索最新技術在紡織行業的智能化應用，助力紡織行業的智能化轉型與升級，提高紡織生產和管理的全流程智能化水平，增強企業的核心競爭力。