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棉纺数字化车间及其智能化特点

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来源/《棉纺织技术》

作者/管锦文徐旻

采编/棉纺织技术新传媒-Cindy

摘要

分析棉纺数字化车间及其智能化特点。以恒天集团经纬纺织机械股份公司设计制造的棉纺数字化车间为例，介绍了纺纱机械设备、车间环境智能监控、智能物流、经纬E系统等四个系统性能，重点阐述了各系统智能化特点。对2.2万锭棉纺数字化车间的应用效果进行了总结。认为：棉纺数字化车间在优质、高产、高效、节能降耗的基础上，实现了纺纱生产自动化、连续化、智能化和信息化的目标，代表着我国现代纺织装备的发展方向。

关键词

棉纺；数字化车间；智能化；自动化；节能

1 棉纺数字化车间综述

作为国家智能制造装备发展专项项目，“棉纺数字化车间”由恒天集团经纬纺织机械股份公司设计制造，并在无锡经纬纺织科技试验有限公司和江苏大生集团装备使用。该项目包括具有国际先进水平的棉纺数字化车间装备，以及相应的管理系统，可满足纺纱企业高度智能化的生产需求。作为棉纺企业转型升级的智能化装备推广示范案例，棉纺数字化车间对推进棉纺行业技术进步和发展方式转变，加快建设现代纺织产业体系具有重要意义。实现了纺纱过程的智能化控制、车间环境的智能监控、物流的自动配送等。实现了从原料到成纱的自动配送，原料选配和纺纱工艺参数优化，各工序设备的集成信号控制，设备运行状态和半制品质量在线检测与故障分析、远程控制，主要工艺参数和设备运行状态均实现数字化可视管理。满足了优质、高产、高效、节能低耗，大幅度降低用工和降低劳动强度，提升劳动生产率的系统要求，实现了棉纺生产自动化、连续化、智能化和信息化的目标。

棉纺数字化车间是生产设备数字化、生产过程数字化、管理过程数字化、分析应用数字化特点的集成。生产设备数字化体现在各纺纱设备机电一体化程度提高，如各单机广泛采用PLC控制器、计数器、人机界面、变频驱动器、伺服驱动器、数控系统、电量测试等技术，实现程序开车，数据检测、参数显示等功能。生产过程数字化体现在各纺纱设备、各工序间的连续化、自动化程度的提升，如AGV小车、粗细络联打包输送系统、自动打包机的应用，极大地减少人员配备和劳动强度。管理过程数字化是对全流程生产计划、设备管理等每个环节自动采集信息并实现控制，提高了生产管理效率，提升了信息化程度。分析应用数字化特点体现在通过实时数据处理，实时反应生产情况的波动，对采集的重要工艺参数、生产数据等以趋势图方式提供分析，实现更优管理。

2 棉纺数字化车间的特点

2.1 工艺流程配置

以精梳棉涤混纺纱品种为例，工艺流程配置如下。

棉：JWF1012型往复抓棉机（附TF2412A型风机装置）→TF27型桥式磁铁→JWF0001型多功能分离器→FA103B型双轴流开棉机（附FA051A型凝棉器+TF2407A凝棉器连接装置）→JWF1026-160(10)型多仓混棉机+JWF1124C-160型开棉机（附TF34A型磁铁装置）→JWF0016C型异纤分检机→JWF1054型除微尘机→119A型火星探除器→TF2201型三通配棉器→JWF1204B-120型梳棉机+TF2513型圈条器→JWF1310型并条机→JWF1383型条并卷联合机→JWF1278型精梳机。

涤：JWF1009-230型往复抓棉机→FT225A型强力磁铁→FT245F型输棉风机→AMP3000v5-p型金属火星重物三合一探除器→AFT222F+JWF1031-160型六仓混棉机→FA055-160型凝棉器→JWF1115-160型清棉机→FT240F型输棉风机→119AⅡ-P型金属火星探除器→FT221B型双陆分配器→JWF1173型棉箱+FT028自调匀整器+JWF1211型梳棉机+FT209A圈条器→JWF1310型并条机。

（涤纶预并条+棉精梳条）→JWF1312B型并条机（3道）→JWF1418A型自动落纱粗纱机→JWF9562A型粗细联输送系统→JWF1562E型细纱机→JWG1005 SMARO-E型自动络筒机

2.2 工艺性能和智能化特点

主要包括纺纱机械设备、车间环境智能监控系统、智能物流系统、E系统四部分，其中车间环境智能监控系统采用精亚集团设计制造。

2.2.1 主要纺纱机械设备智能化

在体现优质、高产、高效、节能低耗的基础上，进一步体现了自动化、连续化、智能化和信息化的发展要求。

（1）清梳联合机在智能化方面的功能特点。抓棉机自动记忆和校准塔身位置，提高抓棉效率。根据棉槽输棉压力自动调节抓臂高度，防止管道阻塞。混棉机自动检测棉仓压力，判别棉仓内棉花储存状态，发出要棉信号。检测棉仓内棉花高度，以自动调整斜帘的运行速度。检测压棉重锤位置，以自动调整平帘的运行速度。清棉机检测输棉管道的压力，根据管道压力采用PID方式自动调整给棉罗拉速度，以确保给棉量的稳定。输棉风机根据往复抓棉机的运动行程，自动调整风机转速，降低系统能耗。精确配合的自调匀整系统，对棉流、棉箱、棉层、棉条进行智能控制。工艺参数的在线调整、数据的实时采集、传递、设备故障诊断和维护，体现网络化、信息化工厂设备管理要求。

JWF1211型梳棉机采用精确喂棉控制技术。喂棉箱的下棉箱采用压力检测方式，精确控制筵棉均匀度。采用新型的内循环风形式，棉箱内部落棉不受外部气流影响，压力稳定。后车肚双分梳板结构，前八后十固定盖板，具有自动换筒等特点。JWF1204B型梳棉机机幅设计为 1 200 mm，锡林抬高扩大梳理面积。采用前八后八锡林前后双联型式固定盖板、前二后三棉网清洁器。回转盖板运转方向与锡林转向相反,自动换筒。JWF1211型和JWF1204B型梳棉机自调匀整通过对喂棉箱压力的检测、喂入筵棉厚度检测、出条直径检测，分别来控制棉箱和梳棉机喂棉罗拉速度，保证输出筵棉均匀，控制生条不匀率。喂入棉层重量允差±30%。

（2）JWF0016C型异纤分检机采用1 200 mm检测幅宽设计、斜向上的喂棉方式、高频电磁阀与智能喷阀控制系统、自动废棉收集系统。通过高速线阵CCD相机，在可见光范围内做到全光谱覆盖，通过合适的检测算法，对被检对象的颜色、形状等信息进行图像处理，识别棉花中绝大部分异纤，同时增加采用紫外光源检测白色带有荧光异纤的检出模块，增加设备选配功能。采用DSP、FPGA相结合技术研发图像处理底层硬件，加大CCD相机的数据传输，增加硬件的图像数据处理和外围控制能力，提高图像处理的稳定性，为设计复杂的检测算法提供更高的硬件支持。

(3) 精梳准备采用预并、条并卷工艺流程。JWF1278型精梳机对车头箱组件、机架组件、主传动组件、钳板组件进行优化设计，以满足机械速度500 r/min、工艺速度450 r/min的高速生产要求。锡林梳理采用变速传动。采用三上三下附压力棒曲线牵伸装置。在质量监测和检测系统上，实现台面单眼轻重条检测、数字漏条在线监测、高灵敏漏条保护装置、条筒过满超重监测、空卷监测等。采用自动换筒、自动上卷等多种自动装置。

(4) JWF1312B型自调匀整高速并条机。广泛采用同步带和平皮带传动、新型传动联结技术，运转平稳精确、噪声低，消除开关车造成的粗细节。采用三上三下压力棒加导向上罗拉牵伸形式，弹簧或气动加压，满筒自动断条、自动换筒和自动生头等技术。适应高速的喂入机构、自动清洁系统。EDA型自调匀整系统使喂入棉条在经过检测罗拉时被检测，检测的信号被存储，在棉条进到主牵伸区时，控制器使信号与标准值比较，通过伺服电机与差速齿轮箱改变主牵伸区的牵伸倍数，使有重量偏差的棉条得以校正，实现了牵伸的自动调控，获得高质量的输出棉条。在输出端，能自动检测输出棉条的质量，并显示号数等变化，当变化值超过规定的极限值时，机器自动停车。高速短片段自调匀整技术上采用的EDA嵌入式匀整控制系统，包括了喂入棉条厚度位移传感器，新凸凹罗拉棉层检测、机构速度传感器和嵌入匀整算法的伺服驱动器及伺服电机机构，直接控制伺服电机和机构实现匀整，具有检测精度高，抗干扰能力强等特点，匀整范围为±25%。同时高速并条机可配有单机专家系统，在线进行质量分析和故障诊断，工艺数据的实时采集与管理。

（5）JWF1418A型自动落纱粗纱机及粗细联输送系统。粗纱机采用四电机分部传动罗拉、锭翼、筒管和龙筋，运用计算机、伺服及变频技术，通过数学模型控制，实现多电机之间的同步控制和恒张力纺纱。锭子工艺速度最高达到 1 500 r/min 。采用的内置式自动落纱系统，从锭翼两侧自动取满纱放空管的落纱形式，实现从落纱到换管、生头、开车自动完成的粗纱机全自动纺纱。

JWF9562A型粗细联输送系统将粗纱机落下的粗纱输送至纱库，待细纱机发出需求信号后再将纱库内的粗纱送至细纱机；将细纱机用完的空管送回空管库，待粗纱机发出需求信号后再将空管送至粗纱机，供粗纱机自动落纱使用，实现粗细联。采用轻型悬挂输送系统，包括多种形式轨道（直导轨、圆弧导轨、岔弧导轨）、滑架小车、自动运行操作模式。带有粗纱或空管的同品种链杆进入纱库后，控制系统将记录进入纱库的先后顺序，当有粗纱机需要空管或细纱机需要粗纱时，控制系统将按照先进先出的原则有序将带有粗纱或空管的链杆出库。通过对滑车链数据的读取，准确地将每台粗纱机生产的粗纱输送到相应的细纱机，并将细纱机使用后的粗纱空管准确地返回粗纱机，实现品种识别和管理功能。采用射频识别技术对满筒粗纱或粗纱空管的品种进行监控。同时该系统将带尾纱的空管送至尾纱清除机清除残留尾纱。

我国自动落纱粗纱机和粗细联系统，相对起步较晚。但该系统采用先进技术，在粗纱机自动落纱基础上实现了多台粗纱机对多台细纱机的粗细联输送和连续化生产，极大地提高了劳动生产率和产品质量，对推进行业技术进步具有重要意义。

(6) 集体落纱细纱机。JWF1562E型细纱机采用1 200锭超长锭数设计，在墙板、龙筋、车面、主轴等结构设计上适应高速、高效、节能特点，在结构具有吸震、稳固基础上，配置碳纤维滚盘、高速节能锭子、稀土永磁电机，设计机械锭速达 25 000 r/min 。采用电子牵伸系统技术，伺服电机独立驱动三列罗拉，伺服控制器分别驱动前后罗拉实现电子牵伸功能。主轴不进车头，设置旋转编码器保证与罗拉的同步性。纺纱断面适合三罗拉和四罗拉负压集聚牵伸。优化设计中罗拉传动链系统，设计牵伸达110倍。锭子罗拉采用分离传动、同步控制技术，通过高精度旋转编码器保证锭子与罗拉同步传动，高精度伺服系统控制罗拉传动，通过脉冲跟随技术，保证罗拉传动的同步性，高精度旋转编码器、直流母线技术保证锭子与罗拉开停车同步运转。伺服电机驱动钢领板实现电子凸轮功能。

集体落纱技术采用新型防倒走机构，凸盘无错位，人字臂采用拉的方式，传动管、传动轴特殊的连接方式，使气架不走形，以提高集体落纱技术的可靠性和稳定性。单机可采用乱管自动翻转理落管装置，实现细纱机全自动理落管。在细纱机与络筒机的对接中，细纱可以顺时针或逆时针自动输送到络筒机。采用单锭断纱检测装置实时检测钢丝圈运行状态，检测细纱断头情况，进行质量信息统计处理，并在断头处和车头车尾进行灯光提示和车尾触摸屏显示，利于值车巡回效率提高。

(7) JWG1005型细络联型自动络筒机槽筒传动采用直流无刷电机，电机与槽筒同轴，为实现2 200 m/min最高卷绕速度提供保证。通过电脑控制直流无刷电机改变槽筒速度，达到防叠目的。张力装置采用电磁加压，张力传感器测定张力变化，电脑将信号处理，再通过电磁加压张力装置改变压力，以控制张力波动，确保纱线张力均匀。纱路设计上大幅减少纱线转角，减少纱路上纱线与导纱元件接触。通过纱线智能检测装置、智能输送机构、自动生头机构、自动换管机构、空管自动识别和回送机构、自动筒纱落纱、更换筒纱管、筒纱自动输出的系统协作，完成从管纱到筒纱全过程的自动运行，实现细纱机与络筒机对接的细络联系统。还解决了纺织界一直困扰的细纱卷装与速度的矛盾，由中速大卷装向高速小卷装发展，因而可以提高细纱机锭速，提升劳动生产率。

(8) 筒纱自动打包系统由自动定重机、自动封膜装袋机、自动打带机、自动堆栈机组成，中间以自动输送线连接，实现筒纱的自动称重、自动装袋封膜、自动输送、自动堆栈。自动定重机为筒纱精准称重，按照重量将筒纱暂存在标重、超重、超轻区域，留待打包；自动组合标重、超重、超轻进行配重组成标准重量。自动封装袋机将单个筒纱用塑料膜进行封装，并将封好膜的筒纱装入纱袋。满包后还需人工进行封口，然后由机器自动打上扎带。自动堆栈机自动定位夹取纱包，码放成垛形。整个过程在未改变传统打包流程基础上实现了自动化，尽管打包流程中放置口袋和封口仍需人工参与，但整个打包流程的自动化，降低了人员劳动强度，减少用工效果显著,提高了劳动生产率，目前自动打包系统包装速度为每分钟1包，满足生产计划要求。

2.2.2 车间环境智能监控系统

车间环境智能监控系统采用变频调速、传感器检测、计算机技术实现纺纱生产空调系统风量、喷淋量、混风比例等自动实时控制。程序内置温湿度显示、新回风比例显示、喷淋状况、风机运行、远程控制、故障报警、空调除尘机组等设备监控、报警系统。智能空调系统设计控制标准为车间温度控制精度±1 ℃，车间相对湿度控制精度 ±2.5% 。实现企业节能、减员、稳定生产、信息化、网络化的效果。

2.2.3 智能物流系统

智能物流系统主要包括JWXW-AGV型智能输送小车和JWXW-MD型自动码垛机。JWXW-AGV型智能输送小车主要完成并条机、粗纱机之间满筒、空筒的运输，以人工控制智能输送小车输送条筒，替代原来的人工输送条筒。AGV型智能输送小车系统由AGV小车、AGV管理监控系统、智能充电系统组成。小车移载机构按照棉纺系统中条筒输送环节设计，合理的载重与自重比降低了移动功耗。采用磁点导航控制方式、RFID射频识别技术，根据生产设备布局和工艺流程，实现沿正确规划路径下自动作业，保证行走精度。AGV小车前后行驶方向安装有红外避障传感器、超声波避障传感器，实现两级安全保障，确保车间行驶的安全性能。采用锂电池组和专用充电机，缩短待机充电时间。JWXW-MD型自动码垛机应用于络筒筒纱的抓取、码放，码放规格和层数由操作人员在人机界面上设置，每台码垛机器人可进行多台络筒机筒纱的码放工作。

2.2.4 JWXZE型经纬E系统

JWXZE型经纬E系统实现对棉纺织设备数据的自动采集,正确及时集成棉纺织主辅机设备的生产数据、在线和离线的质量数据、纺织工艺数据、车间环境数据、设备能耗数据、人员数据等,搭建企业的数据平台，实现ERP系统与生产过程控制系统的数据共享和功能集成，构建企业管控一体化平台。E系统主要由数据采集、数据传输、系统功能三大部分组成。系统功能包括设备在线监视、电量监视、环境监视、远程控制、生产调度、订单管理、设备管理、质量管理、能源管理、与ERP系统集成等组成。

3 棉纺数字化车间的生产应用

棉纺数字化车间项目已于2015年10月在无锡经纬纺织科技试验有限公司和江苏大生集团通过国家验收。无锡经纬纺织科技2.2万锭环锭纺棉纺生产线和3台转杯纺生产线、江苏大生5万锭高档纤维素纤维纺纱生产线均已正常生产。以下主要把无锡经纬纺织科技2.2万锭全流程环锭纺棉纺数字化生产线的运行情况简要介绍。

(1) 生产品种：JC/T 55/45 13 tex精梳棉涤混纺集聚纱。

(2) 产量： 钢领直径42 mm时细纱锭速16 800 r/min, 台时单产11.5 kg(1 008锭)。钢领直径38 mm时锭速20 000 r/min，台时单产13.8 kg/h（1 008锭）。清梳联梳棉机出条速度，棉150 m/min～ 190 m/min , 涤170 m/min～ 230 m/min。精梳机速度为380 钳次/min ～450钳次/min。并条机出条速度为棉350 m/min，涤400 m/min。粗纱机锭速1 200 r/min ～1 500 r/min。自动络筒机卷绕速度1 400 m/min。

(3) 质量:产品质量在达到Uster 2011年统计值5%水平的基础上，系统质量的稳定性、有效性更为保证。

(4) 万锭用工:生产中细特精梳棉涤混纺集聚纱，生产效率提高，实际万锭用工数为26人。

(5) 能耗：全流程生产线各单机、空调、除尘、采用节能技术和智能控制，车间照明采用了LED技术,E系统实施了实时监控分析。数字化车间综合能耗较原生产车间降低15%。

(6)实现了工业化与信息化两化融合。E系统在实际使用中包括设备在线监视、电量监视、环境监视、远程控制、生产调度、订单管理、设备管理、质量管理、能源管理、与ERP系统集成等功能。一是设备、电量、环境等在线监视，有效控制生产和管理。如单机台的能耗监测实现品种耗电的精确测量，不同专件能耗的对比，实现管理节能。实时监视环境温湿度、温湿度超标报警，减少温湿度超标引起的质量问题。通过有效利用监测的数据，指导设备维护，减少坏车和断纱条、落纱等停台时间，提高相关工序的生产效率；通过单锭管理系统实现单锭定向维护、及时发现弱捻锭、及时接头、考核更加精准，优化循环路线，提高工作效率。二是生产信息的管理。通过查看系统数据能够准确反映设备状态、产量、效率，为管理绩效提供准确的数据来源。三是系统自动诊断、报警系统。如故障发生系统将显示故障报警并提示故障产生的可能原因。操作者可对报警进行应答及排除故障后复位，并形成故障报警及修复记录。四是管理方式手段提升。如通过各种手持终端实现远程监控办公，大幅提高协同办公效率。管理绩效更依据实时数据。

4 结束语

“棉纺数字化车间”项目的研制达到了国际先进水平,棉纺数字化车间装备和相应的管理系统满足了纺纱企业高度智能化生产需求的目标。从其实际实施情况来看，“棉纺数字化车间”在优质、高产、高效、节能降耗的基础上，实现了纺织生产连续化、自动化、智能化和信息化。“棉纺数字化车间”项目对加快传统制造业转型升级，提升传统制造业竞争力，对推进棉纺行业技术进步和发展方式转变，加快建设现代纺织产业体系具有推动作用。“棉纺数字化车间”基本上代表着我国现代棉纺织装备的发展方向。

“棉纺数字化车间”项目的实施，也为我国现有棉纺厂的自动化、智能化、连续化技术改造指明了方向。如采用清梳联，现有粗纱机自动落纱改造，粗细联改造，现有细纱集体落纱改造，筒纱打包采用自动打包系统，采用车间环境智能监控系统等，可大幅减少用工，提升生产效率。

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