江 豪 段瓊海 王永華 張保威 黃少華

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南鄭州，450001）

直捻工序是簾子布生產(chǎn)的重要組成環(huán)節(jié)，直捻車間生產(chǎn)的捻絲質(zhì)量是決定簾子布優(yōu)良特性的基礎(chǔ)。而在直捻生產(chǎn)車間內(nèi)部，基本是傳統(tǒng)的紙質(zhì)辦公，還未建設(shè)專注于生產(chǎn)過(guò)程管理及控制的MES 系統(tǒng)，對(duì)于計(jì)劃下達(dá)、生產(chǎn)追溯、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等，還依賴于半自動(dòng)或者人工，這在一定程度上制約了生產(chǎn)效率的進(jìn)一步提升。現(xiàn)有車間生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)僅能通過(guò)機(jī)臺(tái)上的屏幕實(shí)地查看，車間的生產(chǎn)安排和生產(chǎn)監(jiān)控主要依賴于人工，一線生產(chǎn)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(shè)備數(shù)據(jù)、各部門(mén)數(shù)據(jù)形成了信息孤島。

隨著工業(yè)4.0 時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化成為企業(yè)發(fā)展的方向［1］，MES 系統(tǒng)的應(yīng)用也成為企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。崔士濤［2］利用MES 在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線質(zhì)量監(jiān)控、質(zhì)量記錄和快速整改，在提升紗線質(zhì)量的穩(wěn)定性和使用效果方面有顯著成效；葛陳鵬等［3］結(jié)合紡紗制造執(zhí)行系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐，分析模型架構(gòu)、功能模塊方面等，表明了MES 系統(tǒng)在效率、質(zhì)量、能耗管理等方面的優(yōu)越性；張慧霞等［4］采用織機(jī)在線聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的管理，打造數(shù)字化車間和智能化設(shè)備管理，對(duì)織機(jī)效率和產(chǎn)品質(zhì)量有提高作用；萬(wàn)由順等［5］以MES 管控為核心，運(yùn)用智能化紡紗技術(shù)，對(duì)穩(wěn)定紡紗質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率等方面提升顯著；劉燕等［6］針對(duì)針織生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，從而設(shè)計(jì)了針織MES 系統(tǒng)，搭建起數(shù)據(jù)、通信和控制之間的橋梁，提高了企業(yè)的生產(chǎn)管理效率；楊衡亮［7］利用RFID 技術(shù)設(shè)計(jì)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)，優(yōu)化企業(yè)倉(cāng)庫(kù)中入庫(kù)、出庫(kù)等流程，為企業(yè)信息化的提升帶來(lái)顯著效果；溫國(guó)娜［8］總結(jié)了影響簾子布生產(chǎn)效率的因素，并提出精準(zhǔn)安排生產(chǎn)計(jì)劃等是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵措施。但是國(guó)內(nèi)未見(jiàn)簾子布生產(chǎn)過(guò)程MES 系統(tǒng)的相關(guān)報(bào)導(dǎo)。

1 簾子布直捻車間生產(chǎn)流程

直捻生產(chǎn)車間的功能主要是將原絲庫(kù)中的原絲投入直捻機(jī)中，直捻機(jī)對(duì)兩根沒(méi)有加捻的單股原絲直接捻合成簾子線，并卷繞成筒進(jìn)行存放，以供織布使用。直捻車間的主要生產(chǎn)流程包括品種翻改、上絲、加捻、落絲、倒筒、捻絲盤(pán)存等環(huán)節(jié)，如圖1 所示。

圖1 直捻車間生產(chǎn)流程

（1）品種翻改。由于不同批次產(chǎn)品所要求的性能不同，在更改生產(chǎn)批次前，需要對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的參數(shù)如錠速、捻度等進(jìn)行設(shè)置，試紡并檢測(cè)合格后再正式投入生產(chǎn)。

（2）上絲。將原絲安裝在筒子架上，并記錄生產(chǎn)品種、直捻機(jī)臺(tái)號(hào)、區(qū)號(hào)、上絲個(gè)數(shù)等信息，為加捻做準(zhǔn)備。

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

（4）落絲。從直捻機(jī)上取下加捻完成并卷繞成筒的簾子線，并記錄直捻機(jī)臺(tái)號(hào)、絲長(zhǎng)、落筒個(gè)數(shù)等信息，為倒筒做準(zhǔn)備。

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

（6）捻絲盤(pán)存。倒筒后的簾子線記錄品種、數(shù)量，并存放在絲線存放區(qū)，供織布車間使用；未使用完的原絲整合、統(tǒng)計(jì)后，退回原絲庫(kù)。

我院神經(jīng)外科Ⅰ類切口手術(shù)圍手術(shù)期抗菌藥物預(yù)防使用情況調(diào)查及合理性評(píng)價(jià) ………………………… 趙明琴等（10）：1412

2 直捻車間MES 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

直捻車間MES 系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2 所示，其主要分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和MES 軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分。位于車間級(jí)的TCP/IP、PB/PN、Modbus 等總線系統(tǒng)，通過(guò)控制設(shè)備獲取生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和網(wǎng)絡(luò)故障診斷分析，最后將數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)庫(kù)。各生產(chǎn)部門(mén)通過(guò)PC 端、移動(dòng)終端和車間電子看板進(jìn)行查詢?cè)L問(wèn)、生產(chǎn)管理和數(shù)據(jù)追蹤等任務(wù)。

圖2 直捻車間MES 系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

直捻車間有各種不同的設(shè)備，根據(jù)設(shè)備的接口方式不同，規(guī)劃了以下的數(shù)據(jù)采集方式。

（1）底層信號(hào)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集。針對(duì)那些不具有控制器，還使用繼電器、接觸器控制的設(shè)備，通過(guò)采用PLC 控制和信號(hào)轉(zhuǎn)換，將采集到的5 V、12 V 的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換為符合PLC 控制系統(tǒng)需要的24 V 信號(hào)，從而完成對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集。

（2）底層非開(kāi)放數(shù)據(jù)采集。針對(duì)車間中設(shè)備及型號(hào)繁雜、控制器種類多的情況，采用Modbus通訊網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP 協(xié)議，通過(guò)串口服務(wù)器引出的以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。在上位機(jī)中讀取不同控制器的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣減少了不同設(shè)備、不同控制器之間數(shù)據(jù)交換和信息共享的復(fù)雜性。

（3）PLC 數(shù)據(jù)采集。對(duì)于PLC 控制的設(shè)備，利用PLC 主機(jī)或子模塊提供的RS232/RS485、RJ45 等多種接口作為網(wǎng)關(guān)；或者利用I/O 口作為數(shù)據(jù)采集接口，對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將不同類型PLC 的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以獲取設(shè)備的工作參數(shù)和工作日志（如PLC 控制的直捻機(jī)中錠子轉(zhuǎn)速、絲線張力、卷繞張力）。

（4）電能數(shù)據(jù)采集。通過(guò)在設(shè)備的送電線路上安裝電流互感器，將設(shè)備的用電參數(shù)采集到智能電表內(nèi)，通過(guò)智能電表的RS485 通信接口，利用接口轉(zhuǎn)換模塊，建立上位機(jī)與電表之間的通訊連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備電能消耗數(shù)據(jù)的采集。

（5）人工數(shù)據(jù)采集。在車間一些需要人工操作的環(huán)節(jié)中（如上絲、落絲、空錠原因記錄等），不能配置自動(dòng)化的信息采集設(shè)備，采用條碼槍、操作屏、手持式終端等方式來(lái)采集車間中一些生產(chǎn)狀態(tài)、單號(hào)信息、操作員信息等。

4 直捻車間MES 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)功能模塊

直捻車間MES 系統(tǒng)應(yīng)用的功能模塊如圖3所示。

圖3 直捻車間MES 系統(tǒng)功能模塊

（1）生產(chǎn)調(diào)度流程管理模塊。緊密契合生產(chǎn)車間現(xiàn)有的生產(chǎn)管理流程，將生產(chǎn)計(jì)劃下發(fā)→工藝數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)→車間品種試紡→試化室生產(chǎn)檢測(cè)→正式生產(chǎn)整個(gè)流程中的每一步操作都記錄在系統(tǒng)中，形成數(shù)據(jù)檔案，使生產(chǎn)流程電子化。

（2）生產(chǎn)異常登記及分析模塊。生產(chǎn)過(guò)程中的空錠登記、欠長(zhǎng)登記、倒筒登記等生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以永久存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，形成設(shè)備及產(chǎn)品的異常數(shù)據(jù)檔案，輔助于產(chǎn)品優(yōu)化及設(shè)備產(chǎn)能的提升。

（3）投入及產(chǎn)出統(tǒng)計(jì)模塊。將原絲的投入及捻線的產(chǎn)出等信息通過(guò)簡(jiǎn)單的操作將信息記錄在案，詳細(xì)記錄各個(gè)品種每個(gè)班次的投入及產(chǎn)出情況，形成投入產(chǎn)出報(bào)表，簡(jiǎn)化生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)操作。

（4）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控模塊。該模塊包含對(duì)設(shè)備主機(jī)和輔機(jī)、能源、環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)直捻工序生產(chǎn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，可在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及主要的工藝設(shè)定參數(shù)，并根據(jù)生產(chǎn)需求對(duì)設(shè)備的異常狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警。

（5）生產(chǎn)質(zhì)量追溯模塊。通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)記錄及標(biāo)簽的粘貼，可以從捻絲成品追溯到原絲的投入，尋找生產(chǎn)流程中的異常節(jié)點(diǎn)，輔助生產(chǎn)問(wèn)題追蹤。

（6）設(shè)備及產(chǎn)品能耗分析模塊。通過(guò)添加能耗監(jiān)測(cè)硬件，將設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)與生產(chǎn)品種信息結(jié)合，詳細(xì)記錄設(shè)備分時(shí)段、分品種的能耗數(shù)據(jù)，輔助于產(chǎn)品的成本分析，并結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備的橫向?qū)Ρ群蜕a(chǎn)品種的縱向?qū)Ρ?，輔助生產(chǎn)管理人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常或工藝缺陷。

（7）產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)及分析模塊。該模塊按照品種、機(jī)臺(tái)、班組、機(jī)型分類統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量、效率，形成多種報(bào)表，并借助圖表分析便于發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，減少人工抄錄與統(tǒng)計(jì)，縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間和數(shù)據(jù)流程。

4.2 生產(chǎn)主流程設(shè)計(jì)

直捻車間MES 系統(tǒng)結(jié)合直捻生產(chǎn)工藝流程，可將系統(tǒng)的生產(chǎn)主流程分為計(jì)劃下發(fā)、品種翻改、上絲登記、落絲登記、空錠原因記錄、倒筒數(shù)據(jù)記錄、原絲捻絲盤(pán)存等幾個(gè)部分。

（1）計(jì)劃下發(fā)。在生產(chǎn)初期，由計(jì)劃人員根據(jù)訂單需求在MES 中錄入生產(chǎn)計(jì)劃，包含生產(chǎn)品種、數(shù)量、計(jì)劃開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間等數(shù)據(jù)。計(jì)劃下發(fā)后，車間調(diào)度人員結(jié)合生產(chǎn)狀況安排機(jī)臺(tái)，并創(chuàng)建生產(chǎn)調(diào)度單，包括機(jī)臺(tái)號(hào)、改前品種、改后品種、計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間等。

（2）品種翻改。直捻車間品種翻改流程如圖4 所示。生產(chǎn)調(diào)度單創(chuàng)建后由試化室工藝負(fù)責(zé)人針對(duì)調(diào)度安排的機(jī)臺(tái)及生產(chǎn)品種，下發(fā)生產(chǎn)工藝單，包括喂入原絲品種、車速等數(shù)據(jù)。通過(guò)手持終端PDA 可查詢已完成下發(fā)的工藝生產(chǎn)調(diào)度單，操作人員執(zhí)行改紡操作，并將機(jī)臺(tái)的生產(chǎn)狀態(tài)設(shè)置為試紡階段。試紡?fù)瓿珊?，試化室將試?yàn)結(jié)果錄入到MES 系統(tǒng)內(nèi)，記錄試驗(yàn)明細(xì)數(shù)據(jù)，并將機(jī)臺(tái)切換為正常生產(chǎn)狀態(tài)。

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(jī)設(shè)備中，并在MES 系統(tǒng)中登記上絲信息。使用PDA 掃描原絲車上的條碼，查詢?cè)撥囋z的生產(chǎn)日期、班次、品種、批次、車號(hào)等信息，并根據(jù)查詢信息在上絲登記界面錄入上絲的機(jī)臺(tái)號(hào)、區(qū)位、位置、個(gè)數(shù)、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(tǒng)中登記落絲信息，根據(jù)落絲的機(jī)臺(tái)號(hào)，查詢?cè)摍C(jī)臺(tái)當(dāng)前生產(chǎn)的訂單、品種、批次等信息，并在落絲登記界面錄入落絲個(gè)數(shù)、托盤(pán)號(hào)、日期、操作人、欠長(zhǎng)個(gè)數(shù)等信息，最后打印托盤(pán)標(biāo)簽，并粘貼在托盤(pán)上。落絲登記界面如圖5（b）所示。

圖5 生產(chǎn)過(guò)程信息登記1

（5）空錠原因記錄。當(dāng)加捻中途斷頭后，為了保證簾子布的質(zhì)量，不允許直接將結(jié)頭繼續(xù)加捻，而應(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)的錠子。直捻生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)空錠情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)采集的設(shè)備數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄空錠的機(jī)臺(tái)號(hào)和錠號(hào)，并人工在系統(tǒng)中登記空錠的原因?？斟V原因登記界面如圖6（a）所示。

（6）倒筒數(shù)據(jù)記錄。倒筒后產(chǎn)出的質(zhì)量合格的捻絲，將其產(chǎn)出信息登記在MES 系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)生產(chǎn)訂單、品種、批次，錄入托盤(pán)號(hào)、個(gè)數(shù)，并打印托盤(pán)標(biāo)簽，粘貼在托盤(pán)上。倒筒數(shù)據(jù)登記界面如圖6（b）所示。

圖6 生產(chǎn)過(guò)程信息登記2

（7）原絲捻絲盤(pán)存。原絲經(jīng)過(guò)直捻機(jī)加工等一系列操作形成捻絲后，需對(duì)捻絲數(shù)目等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并盤(pán)存以供后續(xù)織布車間使用，還需統(tǒng)計(jì)未使用完的原絲并退入原絲庫(kù)，根據(jù)絲線種類不同可分為原絲盤(pán)存和捻絲盤(pán)存。原絲盤(pán)存：系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算原絲庫(kù)的存量，直捻車間原絲車上未使用的原絲直接統(tǒng)計(jì)錄入系統(tǒng)，未使用完的原絲通過(guò)手動(dòng)方式錄入系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)上數(shù)據(jù)和機(jī)下數(shù)據(jù)，生成原絲盤(pán)存信息表。捻絲盤(pán)存：系統(tǒng)根據(jù)機(jī)臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算直捻機(jī)上各品種的實(shí)時(shí)存量，結(jié)合托盤(pán)上的捻絲數(shù)量，匯總出捻絲數(shù)據(jù)，生成捻絲盤(pán)存信息表。

4.3 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)在某企業(yè)應(yīng)用后，效果明顯，得到了用戶的一致好評(píng)。其效果主要表現(xiàn)在3 個(gè)方面。

（1）生產(chǎn)效率的提高。MES 系統(tǒng)的應(yīng)用使生產(chǎn)車間的數(shù)字化和智能化得到顯著提升，企業(yè)可以及時(shí)動(dòng)態(tài)地掌握車間的設(shè)備狀態(tài)、訂單情況、生產(chǎn)進(jìn)度、投入產(chǎn)出等信息。采用該系統(tǒng)前后車間的生產(chǎn)操作時(shí)間如表1 所示?？梢钥闯觯瑢?duì)同一臺(tái)直捻機(jī)從上絲到落紗，系統(tǒng)應(yīng)用后，人工操作時(shí)間減少了54.3%，極大提高了生產(chǎn)效率。

表1 系統(tǒng)應(yīng)用前后人工操作時(shí)間對(duì)比

（2）質(zhì)量管理水平的提升。通過(guò)智能化系統(tǒng)快速發(fā)現(xiàn)、分析和解決質(zhì)量問(wèn)題，縮短問(wèn)題發(fā)現(xiàn)周期，降低了由于質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的損失，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性有促進(jìn)作用。早期出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題需要人工查閱每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的記錄單，分析并找出問(wèn)題原因，任務(wù)量龐大。系統(tǒng)應(yīng)用后，直接掃描問(wèn)題產(chǎn)品的條形碼或生產(chǎn)批號(hào)，即可獲取與之相關(guān)的使用物料信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

（3）能源消耗的降低。通過(guò)MES 系統(tǒng)提供的電能分析等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的靈活調(diào)節(jié)，降低用電成本。系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)的有效監(jiān)控也可以使各工序產(chǎn)能充分釋放，顯著提升生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，從而降低產(chǎn)品能耗。以錦綸66 1 400 dtex 工業(yè)絲為原料，設(shè)定錠速為8 700 r/min，捻度為380 捻/m，對(duì)比CC3 型和CC4 型直捻機(jī)在應(yīng)用系統(tǒng)前后的耗電量對(duì)比，如表2 所示?？梢钥闯?，節(jié)能率為10.5%～11.4%。

表2 系統(tǒng)應(yīng)用前后耗電量對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

由于簾子布直捻車間信息化程度較低等現(xiàn)狀，阻礙了企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和提升。本研究設(shè)計(jì)的簾子布直捻車間MES 系統(tǒng)，能夠完成直捻車間全流程生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和處理，實(shí)現(xiàn)從原料投入到成品產(chǎn)出整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化監(jiān)控和管理。系統(tǒng)應(yīng)用效果表明，MES 系統(tǒng)的應(yīng)用不僅進(jìn)一步提升了車間生產(chǎn)和管理水平，而且提高了企業(yè)的效率和競(jìng)爭(zhēng)力，具有較高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。