全流程智能化成套設備的紡紗方案設計及技術特點

李明超 閆圣花 朱智偉

（1.經緯紡織機械股份有限公司，北京， 100176；2.天津宏大紡織科技有限公司，天津， 300384）

我國是世界最大的紡織品生產國、消費國和出口國，紡織行業一直以來被冠以“勞動密集型”“單位能耗大”等特點。作為紡織行業的關鍵一環，我國紡織機械制造行業一直秉持著綠色經濟、智能制造、科技創新的發展理念，業已成為滿足紡織行業需求、門類齊全、具有自主研發創新能力的支柱產業。

全球產業鏈進入加速調整期，產業鏈短鏈化、集群化、數字化、智能化趨勢日益明顯［1］。我國紡織產業鏈和供應鏈面臨產能過剩等深層次問題，一方面要“補鏈”，增加紡織供應鏈的完備性，從而增強穩定性和抗風險能力；另一方面促進紡織產業鏈向高端化邁進，通過創新驅動，形成綠色化、數字化、智能化的產業鏈與供應鏈體系。

在雙碳目標及雙循環發展格局下，市場對智能、環保、節能、高效、穩定可靠的高端紡機需求顯著增加，高效化、數字化、智能化、綠色節能成為紡機裝備發展方向［2］。

本研究以10 萬錠紡紗設計方案為例，項目高度融合當前最新的國產先進智能棉紡成套裝備、管理和控制系統，以提升紡紗全過程自動化、信息化、智能化水平，實現工藝流、信息流、物流的全面集成，力爭達到國內領先、國際先進水平，引領紡紗生產方式全流程智能化轉型升級。

1 紡紗方案規劃

1.1 產品定位

項目總規模10萬紗錠，產品定位是C 18.22 tex賽絡集聚紗，紗線總產能約48.4 t/天。

1.2 工藝流程

智能原料倉儲系統→自動排包系統→清梳聯合機（含清棉設備及梳棉機）→條筒自動輸送系統→并條機（頭并）→條筒自動輸送系統→并條機（末并）→條筒自動輸送系統→自動落紗粗紗機→粗紗自動輸送系統→全電子牽伸細紗機→細絡聯型自動絡筒機→筒紗自動輸送包裝系統→成品輸送及倉儲系統。

1.3 產能計算

基于用戶的工藝指標要求，配臺概算如表1所示。

表1 配臺概算表（基于用戶的工藝指標要求）

（1）折算至生條日產約50.83 t，梳棉機按照每小時產能約57.96 kg，理論計算需要38.7 臺，設計配臺40 臺。因用戶需要合理利用峰谷電價，故而本項目配臺數量為80 臺。

（2）因用戶需要配置并并聯條筒輸送系統，則頭并與末并需合理匹配。折算至頭道并條日產約50.35 t，頭道并條機按照單眼每小時產能約115.2 kg，理論計算需要9.56 臺（雙眼）；折算至末道并條日產約49.86 t，末道并條機按照單眼每小時產能約115.2 kg，理論計算需要9.47 臺（雙眼）。因此頭道并條和末道并條均設計配臺10 臺（雙眼）。

（3）折算至粗紗日產約49.38 t，粗紗機按照單錠每小時產能約0.592 kg，理論計算需要17.88 臺（204 錠），設計配臺18 臺。

（4）細紗機按照18 000 r/min 計算，需要紗錠總數為98 496 錠，單臺1 824 錠，即需要細紗機54臺。同理需要細絡聯型絡筒機54 臺（34 錠）。

2 主機設備的方案設計

根據項目設計運營智能化、制造數字化、裝備智聯化的總體要求，圍繞全流程智能化紡紗生產線，設計開發全流程質量管控追溯系統、全流程智慧能源管理系統、全流程智能物流運輸系統、全流程智慧倉儲管理系統、全流程在線收集系統和全流程生產執行管理系統（MES）六大系統。其中，六大系統已在部分高端用戶工廠應用［3-5］，并得到良好反饋。

2.1 智能化紡紗工藝流程及主機設備的技術特點

為適應智能管理，主機設備不僅要滿足優質高效、高產、節能的特點，還需體現連續智能化、互聯信息化、長生命周期、少維護、免維護、精準維護的鮮明特點。基于當前主流紡機產品及物流輸送系統，本方案采用的工藝流程及設備：清梳聯機組（配JWF1213A 型寬幅梳棉機）→JWF1313 型并條機（頭道）→JWF0101 型并并聯條筒輸送系統→JWF1366 型勻整并條機（末道）→JWF1458A型粗紗機→JWF9562D 型粗細聯軌道輸送系統→JWF1576L 型細紗機→VCRO-I 細絡聯型絡筒機→JWG0101 型絡包聯系統。

2.1.1清梳聯機組

80 臺梳棉機及清棉線分4 套實現，即4 套一機兩倉兩線配20 臺JWF1213A 型梳棉機。具體路徑：JWF1013 型往復抓棉機→FT225B 型強力磁鐵→FT247F（B）型風機→AMP3000-P 型金屬火星重雜物三合一探除器→（FT217-70 型氣流分離器+JWF0007-70 型重物分離器+FT240F 型風機）→JWF1111 型軸流開棉機→FT221 型雙路分配器（此流程后分為A、B 兩線，工藝流程、配置均相同）→（JWF1029 型多倉混棉機+FT222F 型風機+FT218 型重雜分離器）→（FT222F 型風機+JWF1115 型清棉機+FA055 型立式纖維分離器）→JWF0016F 型異纖分揀機→JWF0016F 型異纖分揀機→JWF1053 型除微塵機+FT240F 型風機+FT201B 型風機→119AII 型火星探除器→FT301B 型連續喂棉控制器→FT202A T 型分配器→JWF1213A 型梳棉機（×10 臺）。

鑒于用戶實際生產需要，清梳聯機組需做好峰谷分時用電的措施，在設計時需要著重考慮生條筒的暫存區域，避免因存筒空間不足造成生產效率下降。在本項目中梳棉機分成4 個集中區域，每兩個梳棉機集中區的空間里預留了大量存筒區域。

2.1.2并條機及并并聯條筒輸送系統

本方案使用了10 臺JWF1313 型高速并條機，10 臺JWF1366 型高速勻整并條機，10 套JWF0101 型并并聯條筒輸送系統。頭道并條機與末道并條機通過條筒輸送系統連接，實現了連續化生產、效率高、能耗低、操作便捷安全等功能。

2.1.3粗紗機及粗細聯軌道輸送系統

本方案使用的粗紗機及粗細聯系統是由JWF1458A 型外置式自動落紗粗紗機、JWF9562 D 型粗細聯軌道輸送系統和JWF0123A 型尾紗清除機構成。JWF1458A 型粗紗機18 臺，單臺錠數204 錠；JWF0123A 型尾紗清除機10 臺，單臺錠數8 錠；JWF9562D 型粗細聯軌道輸送系統1 套，內循環全進全出的方式。

2.1.4細紗機

本方案使用的JWF1576L 型智能環錠細紗機，融入了快裝技術、快速落紗技術、頭尾雙側吸棉技術、精準可靠的電子加捻系統、免調節鋼領升降技術和紡紗智能專家系統。

2.1.5絡筒機

本方案使用VCRO-I 細絡聯型自動絡筒機，管紗實現自細紗機到自動絡筒機的自動輸送，改善了紗線的清潔情況，避免了紗線的接觸損傷，大大降低了工人的勞動強度，實現了自動化、連續化生產，提高了產品質量和勞動效率。

2.2 全流程關鍵設備的技術與應用

2.2.1清梳聯機組

運用連續喂棉控制技術，對抓棉機、多倉混棉機、主除雜機的控制系統進行技術改造，使整個流程自抓棉機開始實現連續喂給，工藝運轉率達到100%，棉流均勻輸送，便于開松、除雜和梳理，為梳棉機提供狀態非常均勻的筵棉，可大大降低生條不勻率。從清棉單機到梳棉機再到濾塵系統，全部采用壓力傳感器監控，保證系統正常連續運轉，避免了不必要的故障停車和設備損傷［6］。全流程所有輸棉風機和主要運轉部件，均采用變頻智能控制，工藝調整靈活方便。全流程配有多項金屬檢測和裝置，確保設備安全運行。

2.2.2并并聯條筒輸送系統

JWF0101 型并并聯條筒輸送系統采用整體更換條筒以及空筒一次全部推送，完全模擬人工工作形式，再通過自動化程序的配合，使其效率大幅提高。主要原理：末并的導條喂入條筒紡完后，同時頭并輸出的滿筒也已備齊，此時，系統機構進行一次動作，即將所有滿筒替換到導條喂入的條筒工作位置，同時紡空的條筒也被推到運輸軌道上。所有推到軌道上的空條筒，通過輸送系統，一次全部推送至頭并備筒準備區。

使用并并聯條筒輸送系統可實現：條筒追溯，頭并每個眼紡出的條筒，經輸送系統循環后，始終回歸相同的眼；條筒位置和機構位置兩套檢測系統及配合程序互鎖，防止人為干涉造成動作混亂；節省空間，智能輸送系統控制單元及人機交互觸摸屏全部內置于并條機主機內，無需空間單獨布置控制箱；數據聯網，遠程監控。

2.2.3粗細絡聯系統

JWF9562D 型粗細聯軌道輸送系統是以全自動落紗粗紗機為中心或發起點，實現紗庫儲存、粗紗到細紗的自動輸送、空管尾紗的自動在線清理、紗管尾紗篩選、空管的自動配置、粗紗品種識別等功能，最終實現粗紗紡制和輸送的自動化、連續化、數字化控制，滿足紡紗廠自動化生產需求［7-8］。在本設計方案中，粗紗全自動輸送采用內循環雙側八列集體換紗模式（也稱內循環全進全出模式），實現粗紗機和細紗機之間的互聯互通，如圖1 所示。

圖1 內循環雙側八列集體換紗模式示意圖

紗庫為立體庫的形式，上層為尾紗庫，下層為粗紗庫，粗紗到細紗實現儲存及自動輸送功能。將滿管粗紗送至滿紗庫，待細紗機發出需求信號后再將滿管粗紗送至細紗機；將細紗機用完的空管送回空管庫，待粗紗機發出需求信號后再將空管送至粗紗機，完成粗紗尾紗自動清除、紗管篩選、空滿管交換，供粗紗機自動落紗使用，實現粗細聯自動輸送。

細紗機與自動絡筒機采用鋼性連接，實現管紗從細紗機到絡筒機的自動輸送，改善紗線的清潔情況，避免紗線間的磨損，實現自動化、連續化生產，提高了產品質量和勞動生產率。

2.2.4絡包聯系統

筒紗經過托舉提升機構運送到空中軌道中，經軌道輸送至打包區域，再經過下紗機構將紗按品種排好等待機器人碼垛，不同品種的紗排在不同的下紗機構；利用多關節機械手實現筒紗的自動抓取、自動擺放；打包系統可實現筒紗篩選、密封包裝、自動稱重和配重、包裝、自動噴碼；形成產品自動倉儲及發運數據庫，可供查詢、統計。

2.2.5全流程智能化系統等軟硬件技術的應用

全流程質量管控追溯系統。通過使用RFID技術，實現對車間異常管紗對應的細紗、粗紗、并條、梳棉機臺號以及錠位的追溯功能，指導生產、定向維修，從而保證紗線產品質量。

全流程智慧能源管理系統。能源管理系統采用分層分布式系統體系結構，對主要耗能設備加裝檢測裝置，實時采集消耗情況。通過對能源計劃、能源監控、能源統計、能源消耗的分析，整合匯總耗能報表，再結合生產數據，精確導出各工段的分品種噸紗能耗指標，以指導車間的節能減排工作；根據大數據耗能對比分析，對耗能異常設備進行篩選并針對性處理，實現車間能耗精益化管理。

全流程智能物流運輸系統。使用傳感器、條碼、射頻識別、工業機器人、自動導航和數據庫等技術實現智能工廠智能物流，包括原料自動出入庫、自動排包、條筒自動輸送、粗紗自動輸送、管紗自動輸送、筒紗自動輸送、成品自動出入庫等。通過自動化設備實現內部物料的自動轉移。

全流程智慧倉儲管理系統。一是原料智能倉儲。運用智能物流技術，實現原料庫存智能化，滿足項目的周轉存儲需求。總控系統調度AGV 智能小車運送原料至指定倉庫存儲位，并將電子表單自動導入庫管系統。基于大數據配棉系統，合理配比不同等級的原料，通過AGV 運至車間待排包區。二是成品及機物料智能倉儲。利用立體倉儲技術、AGV 柔性輸送技術，實現筒紗、包裝材料、托盤的中轉及搬運；運用倉儲調度軟件，實時管理庫存；利用RFID 技術對自動入庫及出庫情況進行更新。

全流程生產執行管理系統。采用新一代信息通訊技術（特別是物聯網技術）與車間生產制造、工藝設計、物流輸送深度融合。實時采集主輔機設備的生產數據、產品工藝質量數據、車間環境能耗數據、人員數據、原料數據等，形成車間生產管控大數據平臺。利用大數據分析技術實現生產過程管理透明化、指標考核精細化、部門協同高效化、決策支持數字化、生產經營精益化。

3 主輔機的協同配合

在現代化紡織工業中，空調濾塵作為紡織企業中的配套輔機設施，在紡紗生產過程中起到了重要作用，直接影響紡紗的生產質量與產量。空調濾塵設備提供了紡紗所需要的一系列必要條件，如溫濕度、清潔度、氣流速度等［9］。在進行主機設備工藝布局設計時，應在滿足最優工藝條件的前提下，從用戶長期使用的成本與節能觀點出發，綜合考量空調濾塵的協同設計，以期達到主機設備與輔機設備的高效結合。

4 結束語

全流程智能化成套紡紗設備具有感知、決策、執行功能，符合國家高端裝備制造業的重點發展方向，是信息化與工業化深度融合的重要體現。其對加快棉紡企業轉型升級，提升生產效率、技術水平和產品質量，降低能源資源消耗，實現紡紗生產過程的數字化、智能化發揮重要作用，具有良好的發展前景。本研究以10 萬錠紡紗項目為例，介紹了環錠紡紗項目工程設計過程中的幾個關鍵環節，如工藝路徑、設備配臺方案、工程設計方案。基于項目設計運營智能化、制造數字化、裝備智聯化的總體要求，重點闡述了智能化紡紗工藝流程及設備的基本特點，全流程關鍵設備的技術與應用，以及項目設計時應注重主輔機的協同配合。在規劃成套紡紗項目時，工藝設計尤為關鍵，工藝流程應先進合理、成熟可靠，有利于提高產品質量、產量和勞動生產率，節約投資，減少消耗并降低成本。本研究的工程設計思路和理念可以為棉紡織工廠設計部門提供一定的參考。