劉金珠+李穎新+羅丹+藺建旺

摘要：紡織行業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)升級、設(shè)備更新?lián)Q代的關(guān)鍵時期。結(jié)合近些年來出現(xiàn)的一些新技術(shù)、新理念，加強數(shù)字化智能紡紗成套裝備的研發(fā)，使棉紡企業(yè)由勞動力密集型向少人化、無人化、高質(zhì)量方向發(fā)展是當(dāng)前重要的技術(shù)趨勢。國內(nèi)棉紡行業(yè)雖規(guī)模龐大，但大部分裝備在智能性方面還較為落后，緊密結(jié)合市場需求，研發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)字化、智能化技術(shù)，提升制造工藝的現(xiàn)代化水平，打造裝備智能化、生產(chǎn)無人化的新型棉紡工廠，已成為當(dāng)前和今后一段時期內(nèi)紡織裝備企業(yè)的主要任務(wù)之一。

關(guān)鍵詞：智能技術(shù)；無人化數(shù)字棉紡工廠；網(wǎng)絡(luò)化；大數(shù)據(jù)

中圖分類號：TS118 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Building Unmanned Digital Cotton Spinning Mill Based on Intelligent Technology

Abstract： Chinese textile industry is in a critical period for industrial upgrading， and this requires textile machinery producers strengthen their R&D on digital， intelligent spinning equipment to help cotton spinning mills use less labor or build unmanned workshop. Nowadays， although domestic cotton spinning industry has the largest production capacity around the world， most domestic cotton spinning machines are not so good in intelligent performance. To meet the requirements of market， it is significant for textile machinery producers to develop cutting-edge textile machinery applying new ideas and technology， and help to build new intelligent unmanned cotton spinning mill.

Key words： intelligent technology； unmanned digital cotton spinning mill； internet-based； big data

1 引言

近幾年，我國紡織行業(yè)的生產(chǎn)成本普遍上漲，大量企業(yè)出現(xiàn)了用工成本大幅度上升和招工難并存的局面，而企業(yè)自身科技創(chuàng)新能力不足、產(chǎn)品附加值不高，也嚴(yán)重了影響紡織企業(yè)的競爭力。

與此同時，全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式正在發(fā)生深刻變革，科技創(chuàng)新孕育新的突破，“智能制造”已成為世界制造業(yè)發(fā)展的大趨勢?！督?jīng)濟(jì)學(xué)人》2012 年4月發(fā)表的“第三次工業(yè)革命：制造業(yè)與創(chuàng)新”專題報道中闡述了目前由技術(shù)創(chuàng)新引發(fā)的制造業(yè)的深刻變化，指出數(shù)字化與智能化的制造技術(shù)是“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。

在發(fā)達(dá)國家，汽車、電子電器、工程機械等行業(yè)已大量使用工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線，出現(xiàn)了數(shù)字化、智能化工廠。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等領(lǐng)域內(nèi)各項新技術(shù)得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這將對紡織行業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、連續(xù)化和集成化、智能化方向轉(zhuǎn)型發(fā)揮強勁的驅(qū)動作用。

目前歐、美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)有紡織工廠實現(xiàn)了從原料到成品的全流程智能化生產(chǎn)，生產(chǎn)狀況和車間環(huán)境實現(xiàn)了集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，工人勞動強度大幅降低。作為紡織科技的重要載體，數(shù)字化、智能化的紡織工廠將是紡織行業(yè)未來重要的發(fā)展方向，是現(xiàn)代紡織工業(yè)化與信息化深度融合的應(yīng)用體現(xiàn)。

2 經(jīng)緯紡機新型無人化棉紡工廠

棉紡是紡織行業(yè)最重要的組成部分之一。在國內(nèi)，棉紡機械較早推廣使用數(shù)字化技術(shù)，棉紡工廠的自動化水平有了很大的提高，但與國際新技術(shù)相比在高速、高產(chǎn)、高質(zhì)、連續(xù)化、智能化及穩(wěn)定性、可靠性等方面還有很大差距。國外先進(jìn)紡機具備了高度智能化的功能，生產(chǎn)自動化、連續(xù)化程度很高。

作為中國最大的棉紡織成套設(shè)備供應(yīng)商，經(jīng)緯紡織機械股份有限公司（以下簡稱“經(jīng)緯紡機”）擁有30多家分、子公司，產(chǎn)品覆蓋清、鋼、并、粗、細(xì)、絡(luò)、捻、織、染等工藝流程。經(jīng)緯紡機通過原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和消化吸收再創(chuàng)新，加強產(chǎn)、學(xué)、研間的技術(shù)合作與交流，利用棉紡裝備開發(fā)平臺協(xié)同分、子公司研發(fā)和應(yīng)用當(dāng)代先進(jìn)的數(shù)字化、智能化技術(shù)，致力于打造新型無人化數(shù)字棉紡工廠。圖 1 描述了經(jīng)緯紡機新型無人化數(shù)字棉紡工廠的構(gòu)想。

經(jīng)緯紡機新型無人化數(shù)字棉紡工廠主要由智能化單元設(shè)備、車間數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)、智能物流與搬運系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)和云計算的智能數(shù)據(jù)處理與分析等系統(tǒng)組成。數(shù)字棉紡工廠提供的棉紡成套工藝方案包括：精梳/緊密紡成套工藝、普梳成套工藝、氣流紡成套工藝。緊密紡流程：清梳聯(lián)合機（含清花設(shè)備、異性纖維分檢機、梳棉機）→頭并并條機→條并卷聯(lián)合機→精梳機→末并并條機→自動落紗粗紗機→集體落紗環(huán)錠細(xì)紗機→細(xì)絡(luò)聯(lián)型自動絡(luò)筒機。轉(zhuǎn)杯紡流程：清梳聯(lián)合機→并條機→轉(zhuǎn)杯紡紗機。

無人化數(shù)字棉紡工廠能夠把傳統(tǒng)上分為多個工序的棉紡裝備通過自動化、連續(xù)化、數(shù)字化技術(shù)集成為一個智能化的整體進(jìn)行管理，將原來需要大量人工管理的生產(chǎn)流程統(tǒng)一在系統(tǒng)智能管控之下，將原來大量需要人工搬運的原料和半成品實現(xiàn)自動輸送，將原來大量需要一線工人掌握高超技能的操作簡化為裝備的自動化標(biāo)準(zhǔn)操作，各項生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動采集分析、預(yù)測。無人化數(shù)字棉紡工廠是現(xiàn)代紡織工業(yè)化、信息化、智能化融合的綜合體現(xiàn)，也是實現(xiàn)智能化紡織的必經(jīng)之路。 2.1 棉紡單機設(shè)備由機電一體化走向智能化

智能化紡織機械是在原有機電一體化設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字化和計算機技術(shù)，融合傳感器技術(shù)、信息科學(xué)、人工智能等新思想、新方法，模擬人類智能，使其具有感知、推理和邏輯分析功能，以實現(xiàn)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織、自主決策能力。比如，紡織過程各種工藝參數(shù)、運行狀態(tài)能夠在線檢測、顯示和自動調(diào)節(jié)；機臺具有自適應(yīng)的生產(chǎn)控制、智能化加工編程、故障自動診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。智能化紡織機械是新型無人化數(shù)字棉紡工廠的重要組成部分，表 1列出了幾種主要棉紡單機的作用和智能化功能。

綜上所述，棉紡機械單機的智能化主要體現(xiàn)為：（1）在機電一體化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步融合機器視覺、模式識別等技術(shù)實現(xiàn)質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，如異纖分檢機、自動絡(luò)筒機的斷紗智能檢測裝置和空管自動識別裝置；（2）先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用：并條機自調(diào)勻整系統(tǒng)、細(xì)紗機集體落紗全過程恒張力控制技術(shù)、半自動轉(zhuǎn)杯紡紗機張力精確控制系統(tǒng)；（3）先進(jìn)的驅(qū)動技術(shù)，有變頻調(diào)速、交流伺服、步進(jìn)電機等；（4）聯(lián)網(wǎng)接口、RFID射頻識別、現(xiàn)場總線和人機界面，實現(xiàn)工藝參數(shù)、運行狀態(tài)的在線監(jiān)測、顯示和自動調(diào)節(jié)，使機器運行在最優(yōu)狀態(tài)，具備故障顯示和自動排除、遠(yuǎn)程診斷和服務(wù)等功能。

2.2 棉紡工序連續(xù)化

隨著紡織工廠自動化水平的提高，單機自動化已經(jīng)無法滿足紡織行業(yè)發(fā)展的需求。通過智能化技術(shù)將紡紗工序進(jìn)行合理的硬連接或軟連接，實現(xiàn)工序連續(xù)化已經(jīng)成為棉紡工廠目前的迫切需求，并為最終實現(xiàn)紡紗全自動化鋪平道路。

2.2.1 聯(lián)合機

聯(lián)合機是將不同工序設(shè)備進(jìn)行有機的自動聯(lián)結(jié)，如：清梳聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)、細(xì)絡(luò)聯(lián)等，使部分紡紗工序連續(xù)化，實現(xiàn)少人或無人管理的從原棉到成品紗的連續(xù)生產(chǎn)。

（1）清梳聯(lián)：將清花工序與梳棉工序組合成一條新的生產(chǎn)線，實現(xiàn)棉纖維的抓取、開松、除雜、混合、梳理自動聯(lián)接，直接生成棉條。該設(shè)備精確配合自調(diào)勻整系統(tǒng)，對棉流、棉箱、棉層、棉條進(jìn)行智能控制；工藝參數(shù)在線調(diào)整、數(shù)據(jù)實時采集、傳遞；設(shè)備故障自動診斷和維護(hù)。

（2）粗細(xì)聯(lián)軌道自動輸送系統(tǒng)：與自動落紗粗紗機配合，使用空中電動軌道小車系統(tǒng)EMS（Electrified Monorail Systems）牽引運紗單元將滿筒粗紗送至滿筒紗庫，待細(xì)紗機發(fā)出需求信號后再將滿筒粗紗送至細(xì)紗機；將細(xì)紗機用完的空管送回空管庫，待粗紗機發(fā)出需求信號后再將空管送至粗紗機，供粗紗機自動落紗使用，實現(xiàn)粗細(xì)聯(lián)。

（3）細(xì)絡(luò)聯(lián)：在細(xì)紗機和自動絡(luò)筒機之間增加一個軌道聯(lián)接系統(tǒng)，其主要功能是將經(jīng)細(xì)紗機自動落紗裝置落下的管紗自動運輸?shù)阶詣咏j(luò)筒機進(jìn)行絡(luò)紗，并將空管自動運回到細(xì)紗機。經(jīng)緯紡機研發(fā)的新型細(xì)絡(luò)聯(lián)型自動絡(luò)筒機，可以與細(xì)紗機直接連接，自動落紗、生頭、插管、換管、空管返回，實現(xiàn)了管紗從細(xì)紗機到絡(luò)筒機的自動輸送，改善紗線的清潔情況，避免紗線的接觸損傷，減少毛羽增量，生產(chǎn)效率大大提高。

2.2.2 智能化柔性物流倉儲系統(tǒng)

自動導(dǎo)引車AGV（automated guided vehicle）、電動軌道小車系統(tǒng)EMS與機器人技術(shù)在一些現(xiàn)代制造企業(yè)，比如汽車制造等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，但是在棉紡行業(yè)中尚無應(yīng)用。AGV、EMS系統(tǒng)配有電磁、磁條、光學(xué)、視覺等自動導(dǎo)引裝置，按規(guī)定的導(dǎo)引路線自動行駛，用于多功能運輸，是一個完全自動化、智能化的系統(tǒng)。

AGV、EMS系統(tǒng)具有自動導(dǎo)航、優(yōu)化路線、自動作業(yè)、交通管理、車輛調(diào)度、安全避碰、自動充電、自動診斷、多傳感器控制、網(wǎng)絡(luò)交互等功能。數(shù)字棉紡工廠利用AGV、EMS系統(tǒng)與機器人技術(shù)，實現(xiàn)智能物流系統(tǒng)的柔性搬運、傳輸、打包等功能，包括條桶智能輸送系統(tǒng)、精梳棉卷智能輸送系統(tǒng)、粗紗空中輸送系統(tǒng)、筒紗智能整理輸送與包裝系統(tǒng)等。

2.3 網(wǎng)絡(luò)化、智能化系統(tǒng)實現(xiàn)棉紡工廠管控一體化

2.3.1 棉紡設(shè)備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理系統(tǒng)

棉紡設(shè)備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理系統(tǒng)利用傳感器、通信、總線、數(shù)據(jù)庫、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，把棉紡廠單機設(shè)備的運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)、產(chǎn)量數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)（如異纖分檢機、電子清紗器等）、設(shè)備的用電數(shù)據(jù)、人員、環(huán)境溫濕度、空壓、除塵系統(tǒng)、電力供應(yīng)、ERP數(shù)據(jù)等相互獨立的信息流集成在一個平臺上，消除生產(chǎn)過程的黑箱運行，實現(xiàn)紡織工廠的敏捷化、透明化、數(shù)字化生產(chǎn)和現(xiàn)代化管理。

該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，實時顯示設(shè)備的狀態(tài)，記錄主機設(shè)備運行的各種數(shù)據(jù)；可按班組、員工、品種自動統(tǒng)計報表；實時記錄設(shè)備的每個狀態(tài)變化，如細(xì)紗機的落紗次數(shù)、落紗時間、落紗長度；把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)的管理報警，如速度過高、CV值過高的報警；車間環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，可對溫濕度、空壓、粉塵濃度等環(huán)境狀況進(jìn)行監(jiān)控，使得電力供應(yīng)統(tǒng)一調(diào)度，工廠少人或無人值守，為各種設(shè)備的運行維護(hù)提供有利工具。

該系統(tǒng)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)把棉紡工廠的各個單元聯(lián)接起來，消除信息孤島，構(gòu)建全廠信息流，實現(xiàn)生產(chǎn)高效的管理；可對整個工廠的各種資源（如設(shè)備、能源、人員等）進(jìn)行優(yōu)化配置，提高效率，降低能耗；提高棉紡工廠的智能化、信息化、管控一體化水平。

2.3.2 大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合

隨著信息化的發(fā)展，棉紡工業(yè)將應(yīng)對大數(shù)據(jù)時代來臨的挑戰(zhàn)。數(shù)字化紡織工廠設(shè)備（棉紡設(shè)備、輔助設(shè)備）眾多，棉紡設(shè)備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理系統(tǒng)實時采集成千上萬個傳感器的數(shù)據(jù)，并生成各種統(tǒng)計圖表。企業(yè)ERP系統(tǒng)每天都在生成大量數(shù)據(jù)和報表。圖 2 展示了數(shù)字化棉紡工廠信息數(shù)據(jù)處理流程圖。這些數(shù)據(jù)不僅體量巨大，而且種類多樣、實時性強。面對大數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)的效率就是企業(yè)的生命，傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對其難以存儲，單機數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計工具也無法對其處理。

擁有數(shù)千萬臺機器的大規(guī)模并行運行的云計算平臺為這些海量數(shù)據(jù)提供了廉價的存儲空間和超強的計算能力。云存儲不僅為數(shù)字棉紡工廠提供了遠(yuǎn)端大容量存儲空間，而且可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，如對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行本地與云端的兩級備份。另外，還可通過web方式、PC客戶端、手機客戶端等形式訪問數(shù)據(jù)，對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對生產(chǎn)進(jìn)行控制和管理等。

大數(shù)據(jù)的核心是要獲得數(shù)據(jù)價值，數(shù)據(jù)需要理解才能轉(zhuǎn)化為有用的信息，最關(guān)鍵的部分是數(shù)據(jù)分析。打造智能化的數(shù)字棉紡工廠，就要依靠專家系統(tǒng)與智能軟件對大數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析、歸納推理，從中挖掘出潛在的模式，調(diào)節(jié)紡織機械設(shè)備達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)，進(jìn)而更好地控制生產(chǎn)，同時將有用的信息反饋給管理者幫助其正確決策、執(zhí)行，減少風(fēng)險。隨著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于機器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計學(xué)、數(shù)據(jù)庫、可視化等技術(shù)的數(shù)據(jù)挖掘方法有了很大的進(jìn)步。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計、對比分析、關(guān)聯(lián)分析、聚類分析、異常分析、預(yù)測分析等，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的問題，并對生產(chǎn)異常狀況進(jìn)行報警、預(yù)測、判斷和敏捷響應(yīng)。

大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)相輔相成，與棉紡設(shè)備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理系統(tǒng)、企業(yè)ERP等系統(tǒng)的融合，將會對棉紡企業(yè)帶來革命性的影響，改變企業(yè)傳統(tǒng)的管理和運營模式，成為企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng)及決策中心，能有效降低管理成本，提高生產(chǎn)、商務(wù)和服務(wù)的智能化水平。

3 結(jié)論與展望

新型無人化數(shù)字棉紡工廠實現(xiàn)了從原料到筒紗的自動化生產(chǎn)流程；從工廠環(huán)境輔助設(shè)備的監(jiān)控到設(shè)備運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的采集；從設(shè)備單元的自動化、智能化到工廠生產(chǎn)的連續(xù)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，并最終實現(xiàn)少人化、無人化管理。智能棉紡設(shè)備具有高速、高產(chǎn)、高效的性能，能極大提高成紗品質(zhì)和產(chǎn)品附加值。聯(lián)合機和基于AGV、EMS、機器人系統(tǒng)的物流倉儲系統(tǒng)實現(xiàn)了棉紡工序之間的剛/柔性聯(lián)接，保證了全流程運行的穩(wěn)定性、可靠性、連續(xù)性，極大地提高了生產(chǎn)效率。大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)將助力棉紡設(shè)備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)，提高棉紡工廠的信息化水平。因此，利用智能化技術(shù)，融合新思想、新技術(shù)，打造新型無人化數(shù)字棉紡工廠將成為當(dāng)前和今后一段時期內(nèi)紡織裝備企業(yè)的主要任務(wù)之一。

建設(shè)新型無人化數(shù)字棉紡工廠，將對加快棉紡企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，提高生產(chǎn)效率、技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源、資源消耗，節(jié)約用工成本，實現(xiàn)紡紗生產(chǎn)過程的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，提高企業(yè)競爭力，在應(yīng)對國際挑戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。因此，智能化數(shù)字棉紡工廠將會給紡織行業(yè)、紡機制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，具有良好的發(fā)展前景。

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