Uster棉花质量在线检测智能化系统功能

■ 王韶斌 陈兴桥 高海强 窦志鹏 刘宪坤

〔山东天鹅棉业机械股份有限公司，山东济南250032〕

Uster棉花质量在线检测智能化系统功能

■ 王韶斌 陈兴桥 高海强 窦志鹏 刘宪坤

〔山东天鹅棉业机械股份有限公司，山东济南250032〕

Uster棉花质量在线检测是能够在线实时检测棉花质量指标的一种检测设备，与国内纤检所HVI纤维检验采用同一技术标准并出自同一公司。山东天鹅棉业机械股份有限公司早在2004年与该公司达成战略合作协议，开发在线检测籽棉和皮棉的检测站。最早在山东庆云天鹅试验基地在线测试，逐步优化和改进适用于中国棉花特性和环境条件的在线检测设备，并做了工艺设备参数的基础试验，同时与山东大学、新疆石河子大学等合作，共同研究不同生产线工艺流程设备运行参数对棉花质量的影响，并依靠大量的数据进行分析汇总完善数学模型。通过逐年的不断改善和优化，目前该系统在南北疆9个加工厂“保长度、降短纤、降籽屑”方面取得了较好的效果，其主要功能综述如下。

一、Uster在线检测系统

（一）工作过程

检测站分为籽棉和皮棉两种检测站，外观相同，而内在感应面板和程序不同，根据籽棉和皮棉的不同状态，条形状的感应板用在皮棉上，圆形状的用于籽棉。检测站自身有一个显示器，里面有一个CPU以及嵌入式工业相机和颜色头等，侧面有一个取样板靠伺服电机驱动，动作时间可以调节，取样后工业相机进行拍照然后与颜色头标准值进行比对，经分析后得出结果数据。数据可以传输到主机，显示内容有：杂质面积、杂质计数、湿度、黄度、白度、颜色级、棉包识别码等，设备需要24h将标准色板校准一次，以保证数据的准确。其中检测指标中杂质面积和我们习惯用的含杂率不一样，它以面积为单位测算，这需要利用对应关系换算成重量百分比。

（二）工作原理

棉花回潮率与性状检测集成传感器的结构功能如图1所示，检测站安装在管道壁2上，由采样板3、采样驱动器4、湿度传感器5和图像传感器6等组成。棉花在管道中依靠风力输送，采样驱动器控制采样板旋转180°并以一定压力将棉花压实在传感器一侧，此时湿度传感器测量棉花的回潮率信息，图像传感器通过图像处理技术获取反射率（Rd%）、黄度（+b）和棉花杂质面积等参数，采样完毕后，采样板反转回到初始位置。采样板以一定频率打开、关闭，实现棉花回潮率、性状参数的自动采样。

图1 集成传感器的结构功能

在集成传感器中，回潮率检测传感器封装及采样结构如图2所示。将湿度传感器和温度电压检测器封闭在探头中，探头一侧开有透气窗，将两个传感器紧贴透气窗安装并封胶固化。传感器的感应侧通过透气窗对棉花周围的空气进行测量，由于透气窗处的体积很小，约为150mm3，因此棉花在透气窗处与空气建立湿度平衡的过程很短，这为在线测量提供了条件。

图2 传感器封装及采样结构

通过实时检测杂质面积、颜色级和回潮率，能够及时掌握生产线上棉花的综合质量指标，对进一步调控工艺、设备提供必备的数据支撑。

二、智能化系统平台其它功能

（一）自动调速功能

根据Uster在线检测的棉花质量及杂质面积的大小调整相关设备转速；工艺配置中，籽清机、轧花机、皮清机、风机等都配置了变频器，程序中可以设定加工质量和含杂的范围，设定好后调整到智能状态，籽清机刺钉辊、轧花机锯轴、皮清机刺辊的转速会根据棉花质量及杂质面积发生变化。

通过棉花质量和杂质面积调整轧花机产量；同时轧花机下花量根据主电机电流的设定来变频调节，通过控制轧花机主电机电流自动调控变频器频率，可以根据籽棉回潮的大小调整轧花机下花量，保障均衡加工提高皮棉质量和生产效率。

（二）保纤维长度功能

该功能是重点攻克的技术难题，针对不同籽清机不同转速下清理效果达到最好而纤维损伤降到最低，不同的皮棉采用不同刺辊线速达到加工质量及纤维损伤的最优化等课题做了深入研究，设定了保纤维长度的智能控制程序，目前所有系统全部使用了该功能并起到很好的效果。

（三）节能降耗

在整个轧花工艺中，物料的输送主要是通过风机来完成，风机最容易达到节能降耗效果，因为机采棉轧花设备启动一般需要10min左右，再加上启动后工人的巡视，一般会有15min处于待机状态，而风机和其它设备还不同，风机启动后即处于满负荷工作状态。风机功率所占机采棉总动力的40%左右，而不输送棉花时还在满负荷运行会造成具大的能源浪费。节能系统可根据设备是否在工作状态自动调整风机工作频率，从而达到节能目的。

（四）火灾报警

在加工过程中，由于籽棉回潮高易堵塞肋条、籽棉里有石块或者铁块等物品容易摩擦着火，系统在籽棉管道、轧花和皮清之间的管道、总集棉管道的位置安装了火星监测点，依靠红外光检测原理进行监控，辐射角度可达150°，发现火情后及时报警并直接停止相关工作设备（如轧花机直接开箱、喂花机停止进花等），将火情危害控制在最小范围。

（五）转速监测作用

及时发现监测设备异常运转。在整个轧花工艺中，籽清机、轧花机、皮清机等属于主机部分，闭风阀、绞龙、提升机、集棉机等属于辅机部分，在这两部分中传动点全部增加了转速监测点，在触摸屏上输入监测点转速设定值，当实际转速低于设定转速时，系统会认为该设备运转异常，在触摸屏上会弹出提示字幕告知异常点和异常原因同时报警。尤其是闭风阀起着承前启后的作用，如果不及时发现异常情况可能造成严重后果，轻则烧坏三角带，重则损坏自身电机甚至与之相邻设备的部件，所以转速监测至关重要。

图3 转速检测系统示意图

（六）监控部分

机采棉生产线的设备配置较多，设备启动后运行状态如何，靠人去观察，一是增加工作量，二是耽误时间过多，无形中增加了运行成本。采用工业视频管理后利用“天眼”代替人眼，管理者和操作人员在操作台即可观察车间设备及人员状态。另外通过监测设备转速、轴承温升、电机电流、管道风压等，在数据平台上可以实时观察到，在非正常时进行自动报警并进行故障联锁处理，可大大降低故障率及故障处理时间，提高设备运行率，降低综合运营成本。

（七）电器保护

11kW以上的电动机全部采用变频器或者软启动，既对设备有了保护作用又极大地稳定了电网的运行。

三、取得成效

智能调控对皮棉质量有了较大的提高，尤其在长度指标上取得很好的效果。以第六师芳草湖四场（安装Uster智能化生产线）为例与其它分场加工数据对比。以下数据来源于公检数据。

表1 公检数据对比

四、未来发展的功能

利用Uster在线检测的数据进行相关设备转速的调整，下一步要根据籽棉特性的变化及时调整，快速响应，及时应对。

在棉花加工生产线中，所有设备要想全部达自控状态也是可以实现的，不过受籽棉、环境、操作人员水平、设备稳定性等因素的影响，具体操作起来非常难的。我们下一步会分喂花、籽清、轧花、打包等几部分去分别实现自控功能，在互不影响的前提下逐步实现整个生产线的自动化。

通过使用该系统，争取让棉花质量更具国际竞争力，为棉花加工企业创造更大的经济和社会价值。☆