基于CPS的智能棉纺车间制造单元管控策略研究

章国政

（北京经纬纺机新技术有限公司，北京 100176）

1 CPS环境下棉纺车间制造单元管控模型构建

清梳工序主要包括了抓棉机、开棉机、混棉机、清棉机和梳棉机。在棉纺设备的电气控制上主要以PLC控制为主，PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点。PLC在原来CPU模板上逐渐增加了各种通讯接口，使得现场总线技术、工业以太网技术以及无线通讯技术在工控领域得到快速发展。[1-2]

1.1 数据流

车间清梳工作站下达生产指令，通过清梳CPS单元中主干网络传输到PLC控制部件，由PLC通过现场总线实现主机设备的动作执行。生产过程数据的实时反馈自动优化生产指令，实现清梳制造单元的闭环控制。

1.2 物理接口

清梳设备连接到主干控制网的棉纺设备的物理接口采用RJ45标准；设备组监控中心或网关的物理接口可以是RJ45或RS-485。

中央监控中心连接主干控制网的物理接口应采用RJ45标准。传输速率宜不小于100 Mb/s。连接主干控制网络的通信接口应与中央监控中心的通信接口一致，连接设备组控制网络的通信接口应与组内棉纺设备的接口一致。

1.3 通信协议

1.3.1 厂级网络

厂级网络应采用基于以太网连接的、TCP及UDP的通信协议。

1.3.2 主干控制网络

主干控制网络应采用基于以太网连接的、适合于工业控制要求、可互操作性强、适应性广的工业以太网协议或工业通信协议，如：Profinet、ModbusTCP/IP等。

1.3.3 设备组控制网络

根据清梳设备连接到不同的网络层可采用：（1）基于以太网连接的、适合于工业控制要求、可互操作性强、适应性广的工业以太网协议或工业通信协议，如：Profinet、Modbus TCP/IP等。（2）开放性强、应用较广的工业现场总线或其他技术，如：ProfiBus、CANopen等。

2 清梳CPS单元信息模型构建

2.1 信息分类和数据结构

纺织业制造数据主要包括业务类数据和监测数据。业务数据是基础信息和经过预处理得到的有效业务数据，包括系统用户权限数据、资源数据、报警数据、工单数据及各类统计汇总数据等内容，对上层的部分系统功能提供支持。监测数据则主要是传感器获得的各类设备的原始性能数据,包括各类设备实时状态数据，包括各种传感器数据，PLC的追踪器数据等。CPS系统的数据层中涉及的数据被划分为操作型数据、稳定型数据、整合型数据。[3-4]

2.2 清梳CPS单元信息模型

按照清梳棉设备类型对清梳CPS单元的信息进行分类汇总，将不同设备的运行参数、纺织中间产品的质量参数以及纺织工艺信息以清梳工艺流程为主线进行描述。主要包括几个方面的信息。

2.2.1 抓棉机

抓棉机主要完成原棉初步开松、混合，涉及到打手转速、外侧压棉罗拉线速度、中间压罗拉线速度等工艺参数，其自身的固有参数包括故障报警设置参数、最大负载量、最大抓取精度值等，生成的棉块质量主要涉及适用纤维长度、杂质量、原料混合数等方面。

2.2.2 开棉机

开棉机主要完成棉块的开松、除杂，工艺参数包括滚筒转速、滚筒与尘棒间的隔距和尘棒间的隔距。设备参数包括故障报警设置参数、最大负载量、最大开松效能等，生成的小棉束质量包括杂质与纤维间分离率、短绒率、棉结杂质粒数等。

2.2.3 混棉机

混棉机主要完成小棉束混合、开松、除杂，涉及到角钉打手转速、匀棉打手转速、角钉帘主轴转速、角钉帘线速度等工艺参数，其自身的固有参数包括故障报警设置参数、最大负载量、最大棉仓容量等，生成的棉层质量的依据是配棉比例。

2.2.4 清棉机

清棉机主要完成棉层细致开松、去杂，涉及到综合打手转速、综合打手与天平罗拉间隔距、综合打手与尘棒间隔距、尘棒间隔距等工艺参数，其自身的固有参数包括故障报警设置参数、最大负载量、最大去杂率等，生成的棉卷或棉流质量依据是棉卷均匀程度。

2.2.5 梳棉机

梳棉机主要完成棉卷或棉流梳理、去杂、混合、成条，涉及到刺辊速度、落杂区长度、除尘刀位置、小漏底工艺数据等工艺参数，其自身的固有参数包括故障报警设置参数、最大负载量、生条均匀度等，生成的棉条质量主要受落棉率、除杂率等方面的影响。

3 结语

CPS作为智能制造的核心支撑技术，必将在中国智能制造转型升级中发挥重要的价值。中华人民共和国工业和信息化部近期发布的白皮书，在规范对CPS的认知、厘清CPS的特点、层级、实现等方面都具有积极的推动作用。本课题将CPS理论引入棉纺生产制造过程，构建智能棉纺车间，实现棉纺企业的柔性生产，提出了智能棉纺车间CPS体系的基本框架。制造单元的管控策略研究是系统CPS重要的环节，本课题以清梳CPS单元管控策略的研究为例，详细阐述了棉纺制造单元如何构建通信模型、信息模型和控制模型的思路。