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1 棉紡數字化車間綜述

作為國家智能制造裝備發展專項項目，“棉紡數字化車間”由恒天集團經緯紡織機械股份公司設計制造，并在無錫經緯紡織科技試驗有限公司和江蘇大生集團裝備使用。該項目包括具有國際先進水平的棉紡數字化車間裝備，以及相應的管理系統，可滿足紡紗企業高度智能化的生產需求。作為棉紡企業轉型升級的智能化裝備推廣示范案例，棉紡數字化車間對推進棉紡行業技術進步和發展方式轉變，加快建設現代紡織產業體系具有重要意義。實現了紡紗過程的智能化控制、車間環境的智能監控、物流的自動配送等。實現了從原料到成紗的自動配送，原料選配和紡紗工藝參數優化，各工序設備的集成信號控制，設備運行狀態和半制品質量在線檢測與故障分析、遠程控制，主要工藝參數和設備運行狀態均實現數字化可視管理。滿足了優質、高產、高效、節能低耗，大幅度降低用工和降低勞動強度，提升勞動生產率的系統要求，實現了棉紡生產自動化、連續化、智能化和信息化的目標。

棉紡數字化車間是生產設備數字化、生產過程數字化、管理過程數字化、分析應用數字化特點的集成。生產設備數字化體現在各紡紗設備機電一體化程度提高，如各單機廣泛采用PLC控制器、計數器、人機界面、變頻驅動器、伺服驅動器、數控系統、電量測試等技術，實現程序開車，數據檢測、參數顯示等功能。生產過程數字化體現在各紡紗設備、各工序間的連續化、自動化程度的提升，如AGV小車、粗細絡聯打包輸送系統、自動打包機的應用，極大地減少人員配備和勞動強度。管理過程數字化是對全流程生產計劃、設備管理等每個環節自動采集信息并實現控制，提高了生產管理效率，提升了信息化程度。分析應用數字化特點體現在通過實時數據處理，實時反應生產情況的波動，對采集的重要工藝參數、生產數據等以趨勢圖方式提供分析，實現更優管理。



2 棉紡數字化車間的特點

2.1 工藝流程配置

以精梳棉滌混紡紗品種為例，工藝流程配置如下。

棉：JWF1012型往復抓棉機（附TF2412A型風機裝置）→TF27型橋式磁鐵→JWF0001型多功能分離器→FA103B型雙軸流開棉機（附FA051A型凝棉器+TF2407A凝棉器連接裝置）→JWF1026-160(10)型多倉混棉機+JWF1124C-160型開棉機（附TF34A型磁鐵裝置）→JWF0016C型異纖分檢機→JWF1054型除微塵機→119A型火星探除器→TF2201型三通配棉器→JWF1204B-120型梳棉機+TF2513型圈條器→JWF1310型并條機→JWF1383型條并卷聯合機→JWF1278型精梳機。

滌：JWF1009-230型往復抓棉機→FT225A型強力磁鐵→FT245F型輸棉風機→AMP3000v5-p型金屬火星重物三合一探除器→AFT222F+JWF1031-160型六倉混棉機→FA055-160型凝棉器→JWF1115-160型清棉機→FT240F型輸棉風機→119AⅡ-P型金屬火星探除器→FT221B型雙陸分配器→JWF1173型棉箱+FT028自調勻整器+JWF1211型梳棉機+FT209A圈條器→JWF1310型并條機。

（滌綸預并條+棉精梳條）→JWF1312B型并條機（3道）→JWF1418A型自動落紗粗紗機→JWF9562A型粗細聯輸送系統→JWF1562E型細紗機→JWG1005 SMARO-E型自動絡筒機

2.2 工藝性能和智能化特點

主要包括紡紗機械設備、車間環境智能監控系統、智能物流系統、E系統四部分，其中車間環境智能監控系統采用精亞集團設計制造。

2.2.1 主要紡紗機械設備智能化

在體現優質、高產、高效、節能低耗的基礎上，進一步體現了自動化、連續化、智能化和信息化的發展要求。

（1）

清梳聯合機在智能化方面的功能特點。抓棉機自動記憶和校準塔身位置，提高抓棉效率。根據棉槽輸棉壓力自動調節抓臂高度，防止管道阻塞。混棉機自動檢測棉倉壓力，判別棉倉內棉花儲存狀態，發出要棉信號。檢測棉倉內棉花高度，以自動調整斜簾的運行速度。檢測壓棉重錘位置，以自動調整平簾的運行速度。清棉機檢測輸棉管道的壓力，根據管道壓力采用PID方式自動調整給棉羅拉速度，以確保給棉量的穩定。輸棉風機根據往復抓棉機的運動行程，自動調整風機轉速，降低系統能耗。精確配合的自調勻整系統，對棉流、棉箱、棉層、棉條進行智能控制。工藝參數的在線調整、數據的實時采集、傳遞、設備故障診斷和維護，體現網絡化、信息化工廠設備管理要求。

JWF1211型梳棉機采用精確喂棉控制技術。喂棉箱的下棉箱采用壓力檢測方式，精確控制筵棉均勻度。采用新型的內循環風形式，棉箱內部落棉不受外部氣流影響，壓力穩定。后車肚雙分梳板結構，前八后十固定蓋板，具有自動換筒等特點。JWF1204B型梳棉機機幅設計為 1 200 mm，錫林抬高擴大梳理面積。采用前八后八錫林前后雙聯型式固定蓋板、前二后三棉網清潔器。回轉蓋板運轉方向與錫林轉向相反,自動換筒。JWF1211型和JWF1204B型梳棉機自調勻整通過對喂棉箱壓力的檢測、喂入筵棉厚度檢測、出條直徑檢測，分別來控制棉箱和梳棉機喂棉羅拉速度，保證輸出筵棉均勻，控制生條不勻率。喂入棉層重量允差±30%。

（2）

JWF0016C型異纖分檢機采用1 200 mm檢測幅寬設計、斜向上的喂棉方式、高頻電磁閥與智能噴閥控制系統、自動廢棉收集系統。通過高速線陣CCD相機，在可見光范圍內做到全光譜覆蓋，通過合適的檢測算法，對被檢對象的顏色、形狀等信息進行圖像處理，識別棉花中絕大部分異纖，同時增加采用紫外光源檢測白色帶有熒光異纖的檢出模塊，增加設備選配功能。采用DSP、FPGA相結合技術研發圖像處理底層硬件，加大CCD相機的數據傳輸，增加硬件的圖像數據處理和外圍控制能力，提高圖像處理的穩定性，為設計復雜的檢測算法提供更高的硬件支持。

(3)

精梳準備采用預并、條并卷工藝流程。JWF1278型精梳機對車頭箱組件、機架組件、主傳動組件、鉗板組件進行優化設計，以滿足機械速度500 r/min、工藝速度450 r/min的高速生產要求。錫林梳理采用變速傳動。采用三上三下附壓力棒曲線牽伸裝置。在質量監測和檢測系統上，實現臺面單眼輕重條檢測、數字漏條在線監測、高靈敏漏條保護裝置、條筒過滿超重監測、空卷監測等。采用自動換筒、自動上卷等多種自動裝置。

(4)

JWF1312B型自調勻整高速并條機。廣泛采用同步帶和平皮帶傳動、新型傳動聯結技術，運轉平穩精確、噪聲低，消除開關車造成的粗細節。采用三上三下壓力棒加導向上羅拉牽伸形式，彈簧或氣動加壓，滿筒自動斷條、自動換筒和自動生頭等技術。適應高速的喂入機構、自動清潔系統。EDA型自調勻整系統使喂入棉條在經過檢測羅拉時被檢測，檢測的信號被存儲，在棉條進到主牽伸區時，控制器使信號與標準值比較，通過伺服電機與差速齒輪箱改變主牽伸區的牽伸倍數，使有重量偏差的棉條得以校正，實現了牽伸的自動調控，獲得高質量的輸出棉條。在輸出端，能自動檢測輸出棉條的質量，并顯示號數等變化，當變化值超過規定的極限值時，機器自動停車。高速短片段自調勻整技術上采用的EDA嵌入式勻整控制系統，包括了喂入棉條厚度位移傳感器，新凸凹羅拉棉層檢測、機構速度傳感器和嵌入勻整算法的伺服驅動器及伺服電機機構，直接控制伺服電機和機構實現勻整，具有檢測精度高，抗干擾能力強等特點，勻整范圍為±25%。同時高速并條機可配有單機專家系統，在線進行質量分析和故障診斷，工藝數據的實時采集與管理。

（5）

JWF1418A型自動落紗粗紗機及粗細聯輸送系統。粗紗機采用四電機分部傳動羅拉、錠翼、筒管和龍筋，運用計算機、伺服及變頻技術，通過數學模型控制，實現多電機之間的同步控制和恒張力紡紗。錠子工藝速度最高達到 1 500 r/min 。采用的內置式自動落紗系統，從錠翼兩側自動取滿紗放空管的落紗形式，實現從落紗到換管、生頭、開車自動完成的粗紗機全自動紡紗。

JWF9562A型粗細聯輸送系統將粗紗機落下的粗紗輸送至紗庫，待細紗機發出需求信號后再將紗庫內的粗紗送至細紗機；將細紗機用完的空管送回空管庫，待粗紗機發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，實現粗細聯。采用輕型懸掛輸送系統，包括多種形式軌道（直導軌、圓弧導軌、岔弧導軌）、滑架小車、自動運行操作模式。帶有粗紗或空管的同品種鏈桿進入紗庫后，控制系統將記錄進入紗庫的先后順序，當有粗紗機需要空管或細紗機需要粗紗時，控制系統將按照先進先出的原則有序將帶有粗紗或空管的鏈桿出庫。通過對滑車鏈數據的讀取，準確地將每臺粗紗機生產的粗紗輸送到相應的細紗機，并將細紗機使用后的粗紗空管準確地返回粗紗機，實現品種識別和管理功能。采用射頻識別技術對滿筒粗紗或粗紗空管的品種進行監控。同時該系統將帶尾紗的空管送至尾紗清除機清除殘留尾紗。

我國自動落紗粗紗機和粗細聯系統，相對起步較晚。但該系統采用先進技術，在粗紗機自動落紗基礎上實現了多臺粗紗機對多臺細紗機的粗細聯輸送和連續化生產，極大地提高了勞動生產率和產品質量，對推進行業技術進步具有重要意義。

(6)

集體落紗細紗機。JWF1562E型細紗機采用1 200錠超長錠數設計，在墻板、龍筋、車面、主軸等結構設計上適應高速、高效、節能特點，在結構具有吸震、穩固基礎上，配置碳纖維滾盤、高速節能錠子、稀土永磁電機，設計機械錠速達 25 000 r/min 。采用電子牽伸系統技術，伺服電機獨立驅動三列羅拉，伺服控制器分別驅動前后羅拉實現電子牽伸功能。主軸不進車頭，設置旋轉編碼器保證與羅拉的同步性。紡紗斷面適合三羅拉和四羅拉負壓集聚牽伸。優化設計中羅拉傳動鏈系統，設計牽伸達110倍。錠子羅拉采用分離傳動、同步控制技術，通過高精度旋轉編碼器保證錠子與羅拉同步傳動，高精度伺服系統控制羅拉傳動，通過脈沖跟隨技術，保證羅拉傳動的同步性，高精度旋轉編碼器、直流母線技術保證錠子與羅拉開停車同步運轉。伺服電機驅動鋼領板實現電子凸輪功能。

集體落紗技術采用新型防倒走機構，凸盤無錯位，人字臂采用拉的方式，傳動管、傳動軸特殊的連接方式，使氣架不走形，以提高集體落紗技術的可靠性和穩定性。單機可采用亂管自動翻轉理落管裝置，實現細紗機全自動理落管。在細紗機與絡筒機的對接中，細紗可以順時針或逆時針自動輸送到絡筒機。采用單錠斷紗檢測裝置實時檢測鋼絲圈運行狀態，檢測細紗斷頭情況，進行質量信息統計處理，并在斷頭處和車頭車尾進行燈光提示和車尾觸摸屏顯示，利于值車巡回效率提高。

(7)

JWG1005型細絡聯型自動絡筒機槽筒傳動采用直流無刷電機，電機與槽筒同軸，為實現2 200 m/min最高卷繞速度提供保證。通過電腦控制直流無刷電機改變槽筒速度，達到防疊目的。張力裝置采用電磁加壓，張力傳感器測定張力變化，電腦將信號處理，再通過電磁加壓張力裝置改變壓力，以控制張力波動，確保紗線張力均勻。紗路設計上大幅減少紗線轉角，減少紗路上紗線與導紗元件接觸。通過紗線智能檢測裝置、智能輸送機構、自動生頭機構、自動換管機構、空管自動識別和回送機構、自動筒紗落紗、更換筒紗管、筒紗自動輸出的系統協作，完成從管紗到筒紗全過程的自動運行，實現細紗機與絡筒機對接的細絡聯系統。還解決了紡織界一直困擾的細紗卷裝與速度的矛盾，由中速大卷裝向高速小卷裝發展，因而可以提高細紗機錠速，提升勞動生產率。

(8)

筒紗自動打包系統由自動定重機、自動封膜裝袋機、自動打帶機、自動堆棧機組成，中間以自動輸送線連接，實現筒紗的自動稱重、自動裝袋封膜、自動輸送、自動堆棧。自動定重機為筒紗精準稱重，按照重量將筒紗暫存在標重、超重、超輕區域，留待打包；自動組合標重、超重、超輕進行配重組成標準重量。自動封裝袋機將單個筒紗用塑料膜進行封裝，并將封好膜的筒紗裝入紗袋。滿包后還需人工進行封口，然后由機器自動打上扎帶。自動堆棧機自動定位夾取紗包，碼放成垛形。整個過程在未改變傳統打包流程基礎上實現了自動化，盡管打包流程中放置口袋和封口仍需人工參與，但整個打包流程的自動化，降低了人員勞動強度，減少用工效果顯著,提高了勞動生產率，目前自動打包系統包裝速度為每分鐘1包，滿足生產計劃要求。

2.2.2 車間環境智能監控系統

車間環境智能監控系統采用變頻調速、傳感器檢測、計算機技術實現紡紗生產空調系統風量、噴淋量、混風比例等自動實時控制。程序內置溫濕度顯示、新回風比例顯示、噴淋狀況、風機運行、遠程控制、故障報警、空調除塵機組等設備監控、報警系統。智能空調系統設計控制標準為車間溫度控制精度±1 ℃，車間相對濕度控制精度 ±2.5% 。實現企業節能、減員、穩定生產、信息化、網絡化的效果。

2.2.3 智能物流系統

智能物流系統主要包括JWXW-AGV型智能輸送小車和JWXW-MD型自動碼垛機。JWXW-AGV型智能輸送小車主要完成并條機、粗紗機之間滿筒、空筒的運輸，以人工控制智能輸送小車輸送條筒，替代原來的人工輸送條筒。AGV型智能輸送小車系統由AGV小車、AGV管理監控系統、智能充電系統組成。小車移載機構按照棉紡系統中條筒輸送環節設計，合理的載重與自重比降低了移動功耗。采用磁點導航控制方式、RFID射頻識別技術，根據生產設備布局和工藝流程，實現沿正確規劃路徑下自動作業，保證行走精度。AGV小車前后行駛方向安裝有紅外避障傳感器、超聲波避障傳感器，實現兩級安全保障，確保車間行駛的安全性能。采用鋰電池組和專用充電機，縮短待機充電時間。JWXW-MD型自動碼垛機應用于絡筒筒紗的抓取、碼放，碼放規格和層數由操作人員在人機界面上設置，每臺碼垛機器人可進行多臺絡筒機筒紗的碼放工作。

2.2.4 JWXZE型經緯E系統

JWXZE型經緯E系統實現對棉紡織設備數據的自動采集,正確及時集成棉紡織主輔機設備的生產數據、在線和離線的質量數據、紡織工藝數據、車間環境數據、設備能耗數據、人員數據等,搭建企業的數據平臺，實現ERP系統與生產過程控制系統的數據共享和功能集成，構建企業管控一體化平臺。E系統主要由數據采集、數據傳輸、系統功能三大部分組成。系統功能包括設備在線監視、電量監視、環境監視、遠程控制、生產調度、訂單管理、設備管理、質量管理、能源管理、與ERP系統集成等組成。



3 棉紡數字化車間的生產應用

棉紡數字化車間項目已于2015年10月在無錫經緯紡織科技試驗有限公司和江蘇大生集團通過國家驗收。無錫經緯紡織科技2.2萬錠環錠紡棉紡生產線和3臺轉杯紡生產線、江蘇大生5萬錠高檔纖維素纖維紡紗生產線均已正常生產。以下主要把無錫經緯紡織科技2.2萬錠全流程環錠紡棉紡數字化生產線的運行情況簡要介紹。

(1) 生產品種：JC/T 55/45 13 tex精梳棉滌混紡集聚紗。

(2) 產量： 鋼領直徑42 mm時細紗錠速16 800 r/min, 臺時單產11.5 kg(1 008錠)。鋼領直徑38 mm時錠速20 000 r/min，臺時單產13.8 kg/h（1 008錠）。清梳聯梳棉機出條速度，棉150 m/min～ 190 m/min , 滌170 m/min～ 230 m/min。精梳機速度為380 鉗次/min ～450鉗次/min。并條機出條速度為棉350 m/min，滌400 m/min。粗紗機錠速1 200 r/min ～1 500 r/min。自動絡筒機卷繞速度1 400 m/min。

(3) 質量:產品質量在達到Uster 2011年統計值5%水平的基礎上，系統質量的穩定性、有效性更為保證。

(4) 萬錠用工:生產中細特精梳棉滌混紡集聚紗，生產效率提高，實際萬錠用工數為26人。

(5) 能耗：全流程生產線各單機、空調、除塵、采用節能技術和智能控制，車間照明采用了LED技術,E系統實施了實時監控分析。數字化車間綜合能耗較原生產車間降低15%。

(6)實現了工業化與信息化兩化融合。E系統在實際使用中包括設備在線監視、電量監視、環境監視、遠程控制、生產調度、訂單管理、設備管理、質量管理、能源管理、與ERP系統集成等功能。一是設備、電量、環境等在線監視，有效控制生產和管理。如單機臺的能耗監測實現品種耗電的精確測量，不同專件能耗的對比，實現管理節能。實時監視環境溫濕度、溫濕度超標報警，減少溫濕度超標引起的質量問題。通過有效利用監測的數據，指導設備維護，減少壞車和斷紗條、落紗等停臺時間，提高相關工序的生產效率；通過單錠管理系統實現單錠定向維護、及時發現弱捻錠、及時接頭、考核更加精準，優化循環路線，提高工作效率。二是生產信息的管理。通過查看系統數據能夠準確反映設備狀態、產量、效率，為管理績效提供準確的數據來源。三是系統自動診斷、報警系統。如故障發生系統將顯示故障報警并提示故障產生的可能原因。操作者可對報警進行應答及排除故障后復位，并形成故障報警及修復記錄。四是管理方式手段提升。如通過各種手持終端實現遠程監控辦公，大幅提高協同辦公效率。管理績效更依據實時數據。



4 結束語

“棉紡數字化車間”項目的研制達到了國際先進水平,棉紡數字化車間裝備和相應的管理系統滿足了紡紗企業高度智能化生產需求的目標。從其實際實施情況來看，“棉紡數字化車間”在優質、高產、高效、節能降耗的基礎上，實現了紡織生產連續化、自動化、智能化和信息化。“棉紡數字化車間”項目對加快傳統制造業轉型升級，提升傳統制造業競爭力，對推進棉紡行業技術進步和發展方式轉變，加快建設現代紡織產業體系具有推動作用。“棉紡數字化車間”基本上代表著我國現代棉紡織裝備的發展方向。

“棉紡數字化車間”項目的實施，也為我國現有棉紡廠的自動化、智能化、連續化技術改造指明了方向。如采用清梳聯，現有粗紗機自動落紗改造，粗細聯改造，現有細紗集體落紗改造，筒紗打包采用自動打包系統，采用車間環境智能監控系統等，可大幅減少用工，提升生產效率。

(來源：棉紡織技術新傳媒)