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        基于數(shù)據(jù)流的智能紡紗工廠關(guān)鍵技術(shù)突破及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用
        ——魏橋紡織股份有限公司

        2022-09-09 06:10:44
        現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息 2022年16期
        關(guān)鍵詞:紡紗紗線智能化

        一、企業(yè)概況

        魏橋紡織是世界500強(qiáng)——魏橋創(chuàng)業(yè)集團(tuán)控股子公司,是一家從事純棉精梳紗、高支高密坯布及牛仔布的生產(chǎn)及銷售的具有全球競爭力的棉紡織企業(yè)。公司始終堅持“為國創(chuàng)業(yè)、為民造?!钡暮诵膬r值觀,以“創(chuàng)造財富、造福社會”為使命,堅守“永葆行業(yè)領(lǐng)先、爭當(dāng)行業(yè)先鋒”的愿景,現(xiàn)有職工4.7萬,建有鄒平、魏橋、濱州、威海四大生產(chǎn)基地,魏橋紡織綠色智能化分廠,基本實現(xiàn)“無人化”生產(chǎn),整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平,“魏橋”牌產(chǎn)品以檔次高、質(zhì)量好、規(guī)格全的優(yōu)勢,覆蓋全球120多個國家和地區(qū)。作為一家上市公司,企業(yè)積極履行社會責(zé)任,參與社會公益,嚴(yán)格照章納稅,建立和完善了使職工住有所居,病有所醫(yī),老有所養(yǎng)的保障體系。

        二、主要措施

        (一)立項背景

        世界經(jīng)濟(jì)正處于從信息經(jīng)濟(jì)向知識經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。以數(shù)據(jù)為核心驅(qū)動的知識經(jīng)濟(jì)將人、信息空間、物理空間等深度融合,實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、云端化、智能化的知識經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。把知識作為新的生產(chǎn)要素,以知識自主形成與已有生產(chǎn)要素的融合作為科技創(chuàng)新重點(diǎn),以價值驅(qū)動作為產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新核心,實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,是未來中國工業(yè)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)。我國是世界最大的紡織品生產(chǎn)和出口國,紡織工業(yè)在整個國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。紡紗是全產(chǎn)業(yè)鏈最基礎(chǔ)工序,將無序、含雜、多維的纖維材料制成潔凈有序的一維紗線,難度最大、用工最多、管理最繁。由于紡紗生產(chǎn)流程冗長,現(xiàn)有多家紡紗企業(yè)在建“智能紡紗”工廠,但其基本依賴裝備制造商提供的硬件及軟件、開發(fā)商提供的軟件進(jìn)行拼接組裝,全流程的纖維物流仍存在連接斷點(diǎn),工藝、裝備的在線數(shù)據(jù)未能得到實時獲取,智能化執(zhí)行仍未成體系,故“智能技術(shù)”未能真正授惠于紡紗企業(yè)。

        “智能紡紗”是目前紡織產(chǎn)業(yè)解決行業(yè)發(fā)展痛點(diǎn)和瓶頸的主要手段,本項目結(jié)合現(xiàn)有紡紗“智能化”過程中暴露出來的系統(tǒng)短板,基于企業(yè)現(xiàn)有裝備體系,在線再建新型的全流程物流、檢測與監(jiān)控、大數(shù)據(jù)與智能化執(zhí)行三大系統(tǒng),基本實現(xiàn)生產(chǎn)過程的無人化,工藝、裝備監(jiān)管的實時化,產(chǎn)品質(zhì)量的最優(yōu)化。

        (二)主要關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

        針對現(xiàn)有紡紗行業(yè)在智能化浪潮中暴露出來的系統(tǒng)短板,項目基于企業(yè)現(xiàn)有裝備體系,再建無縫化纖維物流系統(tǒng)、在線監(jiān)測監(jiān)控與響應(yīng)系統(tǒng)、基于高速網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集—分析—追蹤的數(shù)據(jù)流系統(tǒng),確保生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、高質(zhì)、高效運(yùn)轉(zhuǎn),如上頁圖1所示。

        圖1 纖維流-檢測群-數(shù)據(jù)流統(tǒng)籌示意圖

        創(chuàng)新點(diǎn)一:全流程無人化橋接

        1.智能化上包技術(shù)

        上包過程要求棉包從分級室定向運(yùn)輸至抓棉機(jī)包臺指定位置,該過程影響原料混合的準(zhǔn)確性。本項目所采用的是自主設(shè)計的激光導(dǎo)航AGV機(jī)器人,根據(jù)訂單要求生成最優(yōu)配棉方案及排包圖,企業(yè)數(shù)據(jù)中心根據(jù)生產(chǎn)訂單安排計劃,向AGV小車下達(dá)訂單指令信息,AGV小車自動導(dǎo)航至棉包堆放區(qū)域,精準(zhǔn)夾取相應(yīng)批號的棉包;根據(jù)場地狀況,規(guī)劃最優(yōu)路徑往復(fù)從分級室夾取棉包,放置于抓棉機(jī)的棉包臺上。該技術(shù)消除了人工操作的隨機(jī)性和隨意性。

        2.并粗條筒智能化儲運(yùn)技術(shù)

        并粗工序間至今未有良好的物流解決方案,尤其針對204錠的超長錠智能粗紗機(jī),仍采用人工推運(yùn)等大量用工方案,不僅費(fèi)時費(fèi)力,還時常發(fā)生推送出錯。項目發(fā)明的條末并與粗紗間條筒運(yùn)輸專用AGV小車,通過疊加式二次定位,一次性對多條筒的位置進(jìn)行精準(zhǔn)獲取并批量推送置換(同時推送4只條筒),并可根據(jù)粗紗機(jī)的錠數(shù)優(yōu)選空滿筒的置換模式。

        3.細(xì)紗管紗按質(zhì)在線分流技術(shù)

        細(xì)紗管紗質(zhì)量關(guān)乎整批紗線的質(zhì)量,某一管紗的質(zhì)量跳動將影響最終紗線的質(zhì)量判定。管紗在線分流技術(shù)可根據(jù)細(xì)紗錠錠檢測獲取的質(zhì)量信號,在線對每管紗的質(zhì)量進(jìn)行定標(biāo)并寫入管底電子標(biāo)簽。在細(xì)絡(luò)聯(lián)軌道上,管紗質(zhì)量由RFID在線讀取,根據(jù)所帶質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分流,優(yōu)質(zhì)與非優(yōu)質(zhì)紗線進(jìn)行分類絡(luò)筒,品質(zhì)統(tǒng)一的筒紗再進(jìn)入包裝環(huán)節(jié),保證所有筒紗質(zhì)量完全一致,實現(xiàn)紗線優(yōu)質(zhì)優(yōu)用的產(chǎn)業(yè)需求。若某一錠位管紗質(zhì)量頻繁出現(xiàn)跳動,系統(tǒng)將發(fā)出預(yù)警信號,大數(shù)據(jù)中心將通過網(wǎng)絡(luò)智能調(diào)用技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場干預(yù)。

        創(chuàng)新點(diǎn)二:紡紗全流程智能化檢測與監(jiān)控

        1.棉網(wǎng)質(zhì)量在線監(jiān)控技術(shù)

        高速梳理后的纖維網(wǎng)中若存有棉結(jié)、雜質(zhì),將影響最終的紗線質(zhì)量。本項目開發(fā)了高速光電子檢測技術(shù):從現(xiàn)有CCD圖象輸入系統(tǒng)誤差引起圖象檢測信號失真的原因分析出發(fā),提出了校正方法的原理和數(shù)學(xué)描述;使用高速線陣CCD為2048*2048像元,最高幀頻速率可達(dá)900幀/s。首先進(jìn)行了圖像還原算法設(shè)計,找尋到灰度的跳變點(diǎn),再將跳變點(diǎn)的過渡區(qū)間進(jìn)行還原;再降噪,滿足了跳躍過程的圖像壓縮,使其跳躍在2—3個像素質(zhì)值完成,保證圖像的清晰度。

        2.細(xì)紗質(zhì)量在線監(jiān)控技術(shù)

        現(xiàn)有環(huán)錠紡質(zhì)量均采用隨機(jī)采樣對整臺管紗質(zhì)量進(jìn)行預(yù)估,不但效率極低,還難以捕捉到任意管紗發(fā)生的質(zhì)量隨機(jī)跳動,嚴(yán)重影響到整批紗線的使用質(zhì)量。本項目建立了基于紗體視覺感知,在細(xì)紗機(jī)上使用高速CCD,采用超分辨率圖像重構(gòu)技術(shù)與多元混合結(jié)構(gòu)光,融合結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),利用深度學(xué)習(xí)算法修正模型,實現(xiàn)細(xì)紗條干CV、棉結(jié)、毛羽等質(zhì)量指標(biāo)的實時在線檢測。

        3.筒紗質(zhì)量在線監(jiān)控技術(shù)

        現(xiàn)有筒紗自動打包系統(tǒng)基本服務(wù)于單一品種,而當(dāng)前多有小批量多品種訂單,極易發(fā)生錯碼現(xiàn)象,造成極大的質(zhì)量事故。項目采用筒紗在線品類讀碼分類、自動稱量、體型光電子檢測等組合檢驗技術(shù),在一條“絡(luò)筒—打包”通道上完成不同筒紗在線品種、品質(zhì)、卷裝質(zhì)量等進(jìn)行檢驗再檢測并分類碼垛,以實現(xiàn)按品種、質(zhì)量進(jìn)行分類碼垛與包裝貼碼,以保障某一品類筒紗最終質(zhì)量的完全一致。

        創(chuàng)新點(diǎn)三:數(shù)據(jù)流行動基礎(chǔ)與智能化執(zhí)行

        1.基于纖維流的全流程數(shù)據(jù)融合技術(shù)

        基于紡織作業(yè)信息系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的項目及屬性,對多源異構(gòu)裝備、工藝表單、監(jiān)測時序、紗線圖像等數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式抽?。粯?gòu)建多源數(shù)據(jù)的集成模型,建立多維度數(shù)據(jù)描述模板、紡紗數(shù)據(jù)倉庫,集成全流程紡紗過程數(shù)據(jù);縱向建立各工序數(shù)據(jù)關(guān)系結(jié)構(gòu)樹,橫向鏈接對齊全流程數(shù)據(jù),實現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)的一對一或一對多關(guān)聯(lián),建立紡紗全流程數(shù)字主線,如圖2所示。

        圖2 纖維流與數(shù)據(jù)流系統(tǒng)統(tǒng)籌示意圖

        2.面向智能車間運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析技術(shù)

        在融合集成全流程紡紗過程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,項目通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù)構(gòu)建紗線評價指標(biāo)體系及綜合評價度量體系,統(tǒng)計紗線指標(biāo)隨配棉工藝的統(tǒng)計學(xué)特征;通過大數(shù)據(jù)聚類分析技術(shù)智能劃分、評估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等級,預(yù)測正/異常運(yùn)行狀況及異常時所屬的故障類型;通過大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析技術(shù)挖掘影響紡紗質(zhì)量的關(guān)鍵因素,量化評估工藝參數(shù)對紡紗質(zhì)量的影響;通過智能車間運(yùn)行規(guī)律挖掘技術(shù),揭示相互耦合的紡紗數(shù)據(jù)對車間性能的影響規(guī)律,預(yù)測未來車間各性能指標(biāo)走勢(下頁圖3),指導(dǎo)生產(chǎn)過程調(diào)整。工業(yè)大數(shù)據(jù)集成與共享對于管理和提供制造系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)具有重要意義,提出將控制策略分為加工順序調(diào)整、系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和結(jié)構(gòu)調(diào)整三種模式的一種三層彈性調(diào)度模型。設(shè)計了一個大數(shù)據(jù)驅(qū)動框架來保護(hù)制造系統(tǒng)不受這些變化的影響。

        圖3 故障知識庫構(gòu)建主流程圖

        3.數(shù)據(jù)驅(qū)動的紡紗生產(chǎn)智能執(zhí)行技術(shù)

        基于原棉及用棉品質(zhì)需求,建立基于誤差反饋的紗線性能預(yù)測方法,啟發(fā)式搜索算法動態(tài)調(diào)整配棉;根據(jù)設(shè)備狀態(tài)時間序列數(shù)據(jù),設(shè)計基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備征兆性預(yù)測算法,提前發(fā)現(xiàn)故障征兆,及時做出維護(hù)計劃;建立不同工藝下的紡紗質(zhì)量演化模型提前預(yù)測紗線質(zhì)量,并建立紡紗工藝專家知識庫推薦合理工藝參數(shù)實時調(diào)整方案;利用大數(shù)據(jù)處理和分析方法,構(gòu)建調(diào)度規(guī)則自動生成模型與自適應(yīng)優(yōu)化模型,建立智能車間運(yùn)營優(yōu)化系統(tǒng);實時故障點(diǎn)(或斷頭)由系統(tǒng)指派人員現(xiàn)場干預(yù)。

        項目通過發(fā)掘“智能紡紗流程”中的短板和痛點(diǎn)問題,牽頭聯(lián)合高校和紡機(jī)企業(yè)從基礎(chǔ)理論到創(chuàng)新設(shè)計,深度研發(fā)課題和技術(shù)攻關(guān),建立全流程無人化橋接、紡紗全流程智能化檢測與監(jiān)控、數(shù)據(jù)流行動基礎(chǔ)與智能化執(zhí)行三大創(chuàng)新點(diǎn)及9項核心關(guān)鍵技術(shù);實踐制訂纖維物流、質(zhì)量在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)流及智能執(zhí)行等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),滿足了“無人化車間”的行業(yè)夢想,滿足了訂單工藝的梯度式更迭、產(chǎn)品質(zhì)量可溯源、生產(chǎn)管理更便捷、加工能耗最優(yōu)的智能化生產(chǎn)目標(biāo),為未來智能化紡紗技術(shù)推廣提供了借鑒。

        三、實施效果

        一是技術(shù)效益:項目建成后生產(chǎn)效率提高37.5%,研發(fā)周期縮短40%,紗線質(zhì)量2018烏斯特公報5%—50%的條干水平提高15%,紗線強(qiáng)力提高21%;能耗下降20.5%,產(chǎn)品不良率下降36.3%。

        二是管理效益:項目實現(xiàn)了生產(chǎn)管控、質(zhì)量在線、設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維、成本在線預(yù)算等管理模式的創(chuàng)新,由原來的四個車間合并為兩個車間管理,體制合并精簡50%,普通環(huán)錠紡分廠用工55人/萬錠,智能化分廠的用工10人/萬錠,同比用工減少80%;產(chǎn)品質(zhì)量可追溯率達(dá)100%。

        三是經(jīng)濟(jì)效益:項年總產(chǎn)值17 765.6萬元,同比提高33%;利潤總額2 933.48萬元,同比提高242.39%;稅收1 529萬元,同比提高88.1%;利潤率16.51%,同比提高10.1個百分點(diǎn)。

        四是社會效益:項目已申請相關(guān)專利34件,其中發(fā)明專利18件,授權(quán)12件;軟著11件;企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3項;論文3篇。項目以紡紗智能制造新模式、紡紗智能裝備和紡紗全流程智能化檢測與監(jiān)控及共性技術(shù)等為重點(diǎn),構(gòu)建基于數(shù)據(jù)流的紡紗產(chǎn)業(yè)智能制造體系,大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率。

        項目采用創(chuàng)新性先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù),與傳統(tǒng)紡紗技術(shù)相比具有工藝流程簡單、生產(chǎn)率高、成本低、能耗低等優(yōu)點(diǎn);生產(chǎn)過程廢水、廢氣、廢渣達(dá)標(biāo)排放,噪聲源獲得到有效控制,具有科技型、環(huán)保型和節(jié)約型等優(yōu)點(diǎn);循環(huán)利用再生資源,節(jié)能環(huán)保造福社會,產(chǎn)生了良好的社會效益。

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