浅谈智能纺的发展现状和未来趋势

李增润 管幼平

(经纬智能纺织机械有限公司，山西晋中，030601)

2018中国国际纺织机械展览会暨ITMA亚洲展览会上，多数纺织机械制造企业展示的各种装置、主机设备、物料流转和生产管理系统，都在以“自动化，数字化，智能化，大数据，物联网”作为主要特点，体现了纺织行业的发展趋势和真实需求。科技进步使先进技术在工业生产中的应用成本和难度越来越低，减少纺织厂车间内用工数量、降低人工劳动强度、提高纺织品质量和产量、实现设备动作和物料周转自动化、实现基于大数据和物联网技术的生产流程管理以提高生产效率，是行业发展的大势所趋，也是纺织工业向智能化发展的必由之路。

我国一直是纺织机械和纺织品的出口大国，在《中国制造2025》和“一带一路”倡议的国家发展战略大背景下，国内各纺织机械制造企业如何立足于自身现实条件，结合纺织企业的个性化需求，自主创新，研发出市场需要的整套智能化技术方案，是一个很值得商榷的课题。经纬智能纺织机械有限公司(以下简称经纬智能公司)拥有棉纺成套设备的研发制造能力，其设备和相关技术方案的智能化发展程度对国内纺织行业的进步有一定的推进意义。本文以环锭细纱机及其配套设施的发展为例，浅析设备智能化的发展现状和未来趋势。

1 纺纱设备的智能化发展

纺织工业现代化的历程已经有数百年的历史，在漫长的发展过程中，各种纺织流程、设备、质量评价标准体系已经相当详细完备。以普通棉纺流程为例，开棉、混棉、清棉、梳棉、精梳、并条、粗纱、细纱、络筒整个工艺流程中，因为对终端产品细纱的要求不同，每一道工序的操作规范和评价标准有很大的差异，对设备的调整也有详细要求。以往需要人工深度参与，而智能纺的基础和依托首先就是实现纺纱设备的智能化，尽量由高度自动化运行的设备来代替人工的各项操作。环锭细纱机的总锭数量是衡量一个纺织厂规模大小的最主要标志，因此，环锭细纱机的自动化、智能化水平对整个纺纱流程具有决定意义。

在10年的时间里，国产环锭细纱机完成了由机械化向电气化、智能化的转变。此前，环锭细纱机的主机牵伸、加捻、卷绕成形这三大运动基本还停留在机械化控制的状态。机械化是一种模拟量的控制方法，虽然稳定性好，但细纱工艺参数的选择不够精细，且可选范围受到限制，管纱的卷绕成形也是模糊化调节。每次更改细纱工艺参数时，都需要重新调节机械上的传动结构，这种近似逼近的方法使得生产组织、产品工艺设计、实际机台操作等过程需要大量的人工参与，对于多品种、小批量的纺纱企业，其过程繁琐，管理困难。目前这三大运动在新型细纱机上都可以做到数字化控制，伺服牵伸代替了机械牵伸，牵伸区的动力不再来源于主轴，而是由单独的伺服电机跟随主轴的运动状态实时精确调整牵伸区运动，不但节省了调整细纱工艺时需要更换传动齿轮的繁琐过程，同时也使纺纱工艺的范围大为扩展。一些牵伸电子化比较彻底的机型，其前中后罗拉分别由单独的伺服电机带动，使细纱号数更加可控，重量偏差范围可以由原来的±5%精确控制到±1.5%，甚至更好；变频电机带动锭子转动取代了以往的双速电机，双速电机只有高低两档速度，而变频电机则可以根据纺纱过程中纱线张力的变化，在控制系统中设置变频器的输出频率，进而控制锭速变化，实现锭速变频控制，纺纱稳定性有了实质性的提高，细纱落纱断头率、开机断头率和运行时千锭断头率等指标有了统计意义上的明显好转；卷绕成形数字化，在经历了由“机械凸轮-机械位叉”和“电子凸轮-电子位叉”实现的钢领板牵吊式运动后，目前已经配备成熟的积极升降式钢领板运动机构，积极式钢领板运动机构的实施使细纱机高速高效稳定运行成为现实，这是因为随着细纱机长车、超长车推向市场，原来的钢领板牵吊式升降运动，在配重比例上控制困难，细纱机锭数的增加，长度尺寸成倍加长，原来的牵吊式柔性传动不稳定。另外，集体落纱系统的自动化、稳定性、智能化水平也是细纱工序里非常重要的部分，经纬智能公司的细纱机从JWF1562系列长车型开始，优化设计落纱动作流程，空满管交换时间能够控制在2.5 min以内，减少了落纱停车时间，提高了设备利用效率，同时极大地减少了人工参与的工作量，操作安全性也有提升。在纱管传输方式上，有气缸凸盘式和钢带凸盘式两种方案可供选择，为细络联提供支持。其中，钢带凸盘式使纱管传输更快，可实现超长型细纱机纺粗号纱的要求。细纱机主机的智能化，不仅仅是机械上执行机构的自动化，更重要的是软件上控制系统的智能化，通过“人机交互界面”或者“远程控制终端”设置纺纱要求和查看设备的实时状态，目前已经是新型细纱机的基本功能。环锭细纱机主机及附属执行结构实现了全数字化控制，这不仅使细纱工序实现了智能化控制，也是整个纺纱工艺流程实现整体智能化的重要环节[1]。

2 配套设施的智能化发展

仅仅关注设备本身的自动化是不够的，必须重视配套设施自动化和智能化，确保生产流程顺利。细纱工序里需要关注的细节太多，过去依赖挡车工连续巡车确保生产连续和生产安全，非常耗费人工。因此，必须提供智能化的配套设施，以节省人工劳动，也使生产流程更加可控，实现检测和统计自动化。

环锭细纱机以往加捻主流模式是“变频主电机-主轴-多根锭带”式的传输结构，在纺纱过程中的管理相对开放，不关注具体某一锭位或者某几锭位的运行状态，而是总体上模糊化估算和监测。随着管理和成本控制日益精细化，原来的开放式管理状态明显跟不上智能化的需要。目前许多公司推出“单锭断头检测-粗纱自停”双功能相结合的检测装置，对每一锭的纺纱状态实施监控，通过检测钢丝圈运转状态做出判断，对于运行不良和已经断纱的锭位及时停喂粗纱，并做出准确的位置示警，此装置可以进一步减少挡车工的劳动强度和挡车工的人数，由过去的主动巡车变成根据示警信号处理问题，这也是实现万锭用工减少到15人目标的重要举措之一。粗纱自停减少了纱厂的回花量，可以使回花量减少到原来的5%，原材料的利用率大幅上升，同时还提高了设备运转的安全性。过去个别锭位在纺纱过程中断头后，吸棉笛管不一定能及时吸走牵伸口输出的纤维，存在卷绕罗拉的现象，如果处理不及时，卷绕量过多则会引起生产事故。

经纬智能公司提供的“单锭断头检测-粗纱自停”装置，可根据纺纱车间的需要选配车间版管理系统或者远程监控，组成细纱单锭在线网络检测，可以在人机分离状态下设置和检测统计，包含参数设置、单锭状态显示、当前断纱、当前弱捻、历史数据、断纱排序、弱捻排序、落纱留头率、千锭时断头、运行报告等部分，能够给细纱车间无人化和夜间无人值守巡车提供重要的安全保证，给车间数字化管理提供具体的数据统计和技术支持。

另外，其配套设施也是实现细纱生产流程智能化的重要保证。谐波治理及电能监测系统能够有效地消除谐波干扰，提高控制系统的稳定性；电能监测系统对整机功率、电压、电流等参数状态进行检测，方便用户直观地了解机器的状态及吨纱耗电情况；电子牵伸加捻卷绕系统，其前罗拉与中后罗拉采用独立的伺服系统进行控制，无需更换变换齿轮，减少更换齿轮的工作量，牵伸倍数等纺纱工艺参数通过界面输入，可达到纺纱工艺参数的精准控制。如调整操作面板上的捻度参数后，电脑程序可通过采集主轴编码器的信号自动调整前罗拉速度，捻度调整方便简单；纱线捻度精确控制系统通过电子加捻系统修正开车和落纱捻度，在开车升速和停车降速过程中，稳定纱线捻度差异在4%以内；精确留尾控制系统，其电子刹车能够快速、精准地控制刹车动作，提高留头率，减少或免尾纱清除，如配夹纱锭子；断电同步停车系统，断电时同步停车，利用直流母线技术及相应控制回路的电源保持等，实现罗拉和锭子的同步快速停车；精确计数落管系统可提高落管效率，减少用工；纺纱留头工艺专家系统，具有纺纱工艺一键导航功能，程序中内置多套工艺参数，可根据用户纺纱品种进行调用，用户亦可根据需要进行修改并保存，方便纺纱品种的更换，大幅度缩短更换纺纱品种设定工艺参数所用的时间，提升落纱留头率，指导工艺制定；细纱单元在线监测管理网络系统是基于经纬系列的细纱机，建立一个车间级网络环境下的生产过程数据采集、数据存储、数据分析处理和数据管理的软硬件系统，实现实时数据采集、流程监控、趋势分析，并完成历史数据存储记录，从而实现企业过程控制系统与分析系统的应用集成，提高企业生产管理水平及信息化水平[2]。

3 纺纱车间的智能化发展

以前限于纺织机械的加工水平、成本及纺织材料的特殊性，纺纱车间一直是高温高湿高噪声的代名词，加上空气中的短纤飞絮无法根除，工作环境比较恶劣。受就业多元化的影响，纺纱厂招工难、用工难成为一个共性问题，改善纺纱车间的生产条件，总体上是有限度的。而且纺织原料、半成品、成品在不同设备之间的周转加工和评价监测，过去基本上全由人工参与，时间周期和执行标准受控程度低。在一切都向高度智能化方向发展的今天，过于依赖人工劳动，失去的不仅仅是成本优势，也会制约产品质量提升。因此，将大量人工从繁琐的低效劳动中解放出来，依靠智能化的设备保证生产流程，是目前纺纱的新要求。

从2018年开始，经纬智能公司在国内打造了“武汉裕大华”和“夏邑恒天永安新织造项目”两条纺纱智能化工厂示范线项目，尝试建立全流程智能纺纱新模式。“武汉裕大华”项目不管是设备单机还是成套设备的智能化水平，和以前相比都有大幅度提升，例如：JWF1572型环锭细纱机锭速可以稳定在20 000 r/min。该项目从开始便把“实现万锭用工在15人以内”定为目标，通过新型的条筒自动运输、精梳换卷自动化、并粗联、质量追溯、仓储运输等智能化流程，全流程自动物流输送系统、回花收集打包系统、质量追溯系统等软硬件的应用，为实现“无人值守车间”和“无人化工厂”奠定基础[3]。“夏邑恒天永安新织造项目”全流程采用经纬智能化的设备，并配备全流程智能纺纱系统，包含各种智能化的纺纱设备、清梳联、粗细联、自动打包系统、经纬E系统及物流自动输送AGV小车等，是车间生产智能化的一次重要尝试[4]。

纺纱智能化工厂示范线项目，特别是配备全流程智能纺纱系统，完全区别于传统的、无法解决真实痛点的软件系统，利用物联网技术+大数据技术+互联网思维，搭建智能运维大数据平台，实现设备产品数据的全面实时采集、清洗、分析和应用，使产品故障诊断与预测智能化，设备海量数据展示可视化，可为企业产品售后服务、产品创新、市场竞争提供强大的技术支撑，全面提升棉纺成套设备的一体化、成套化、数字化、智能化的水平，这是纺织机械制造企业给纺纱用户提供技术方案的标杆工程和重要参考。

4 经纬智能纺的未来发展趋势

未来的纺纱企业必定是淘汰和改造落后产能和技术，减少人工参与，以实现自动化、智能化生产为趋势。

对于纺纱设备，从机械化向全面电子化和智能化过渡，对于一些基础性的、原理性的技术研究和成果积累，依然是企业研发的必修课。未来，现有的棉纺成套产品在智能化方面将会进一步增强，并呈现多样化、个性化的发展。同时一些创新性的成纱技术也值得关注研究。例如：短流程直纺项目可以直接输入棉条生产细纱，省去工艺流程里的粗纱环节，这是一个创新项目。可以预见，在省去粗纱环节后，流程减少，耗能减少，物料流转过程缩短，能够使物流系统更加稳定可靠，减少维护成本；更重要的是，条筒可以盛装更多重量的纺纱材料，这使连续纺纱成为可能，配合相关的物流系统，能够为车间无人化生产提供重要支持。多通道智能环锭细纱机在不断探索完善相关理论和结构的基础上，目前多应用在色纺和花式细纱领域。对于传统的色纺，纤维主要在前纺工序里进行混和，在细纱工序里基本不混和，或是赛络纺式的简单混和。多通道技术的引入能够执行多种纺纱工艺，覆盖市场上目前有需求的各种花式细纱，可以做到在纺纱过程随时变号数、变捻度，细纱颜色可根据各通道牵入粗纱的比例不同和粗纱所处的通道不同产生变化，风格独特多变，而这个过程不需要加装其他装置，仅通过控制罗拉伺服系统来实现，是细纱机单机智能化水平较高的一款设备[5]。

对于纺纱企业智能化管理方案，纺织机械制造企业的任务将是根据纺纱厂的生产实际需要，完善和发展全流程智能纺纱系统，打造大数据智能服务中心，在远程运行维护、智能管控、大数据分析、数据共享服务、知识服务、产品创新服务、安全防护、用户增值服务等方面，建立一个全方位的分析管控服务平台， 实现设备的远程控制、远程维护、远程监控、远程诊断，重要数据的全面采集、集中管理、网络控制以及可视化展现；通过构建业务分析算法模型，实现设备运行、维护、故障、预警、产量、效率、能耗等多方面的大数据分析；构建开放式的对外服务接口，实现平台与其他软件系统的数据共享，提前消除信息孤岛；通过建立专家知识库、产品故障知识库、故障处理知识库、业务算法模型库，实现企业知识的数据积累和价值发挥；通过将产品运行数据、预警数据、故障数据、维护数据以及售后数据整合融入 PDM，补全产品全生命周期，形成产品全生命周期数据闭环，为企业的产品研发创新提供数据支撑，实现平台及数据的全方面安全防护。通过为用户提供行业分析、商情分析以及云服务软件平台等，实现增值服务。

5 结束语

科技更新对纺织行业的发展影响重大，纺织流程实现自动化、智能化生产是纺织企业的需求，也是对纺织机械制造企业的要求。纺纱设备及其配套设施，乃至纺纱车间全流程的智能化，决定了三个层面上软硬件智能化方面的发展情况，纺织流程向智能化发展，终究是纺机制造企业的责任，这是一个需要长期不断完善、持续推进和改善的过程。