环锭纺智能化系统构建思路与要点

乔 蓓 胡广敏 王耀斌

(1.西安工程大学，陕西西安，710048；2.山东华兴纺织集团有限公司，山东泰安，271400； 3.咸阳市新兴纺织工业园，陕西咸阳，713100)

随着新兴科学技术与信息技术的发展和应用，传统生产方式和商业模式也不可避免地会发生巨大的变化，调结构、转方式、促进经济稳定健康发展的新目标为传统纺织行业带来很大挑战。信息技术在纺织行业设计、生产、营销、物流等环节深入应用，将推动生产模式向柔性化、智能化、精细化转变。有专家指出：中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划(简称“十三五”规划)期间纺织机械的发展重点将集中在智能制造装备的开发以及制造过程智能化两个方面[1]。纺织企业要实现智能化生产，完成不同类型和功能的智能单机设备互联，形成柔性化新型生产模式，需要机械、纺织、自动化、计算机信息等多专业和技术的有效结合。企业转型的迫切需要以及智能纺织系统构建的难度，都需要借鉴成功的经验。

1 智能纺织工厂技术路线

纺织业在我国是一个劳动密集程度高和对外依存度较大的产业，要实现其智能化，必须通过将不同类型和功能的智能单机设备进行互联，实现全流程连续化、智能化生产。即形成集智能管理、智能车间、智能物流运输、产品管理、售后追踪于一体的完整模式，通过智能计划、智能生产调度、智能监控、实时成本分析、市场分析、智能决策形成智能管理系统。

纺织生产全过程的自动化，需要建立全集成自动化纺纱生产线、环锭智能纺纱管理系统、多维纺织质量数据关联分析和逆向动态追踪系统。

在生产方面，全集成自动化纺纱生产线自动进料，通过清梳联系统、条筒自动输送、精并粗系统、粗细联系统等完成生产各个环节自动化纺纱。

在后台数据分析与管理方面，生产过程自动化通过控制设备、检测设备、视频监控以及传感设备等获取相应数据，并进行实时监控和实时预警；获取的海量数据通过与企业云服务器数据交换完成自学习和自更新，从而进行预警体系的实时更新；同时通过数据的分析和处理完成纺织质量数据关联分析；这些数据结合生产前端的供应商、进货价格、原料库存以及生产末端的产品库存、售价及用户信息可以进行实时成本分析、经营指挥、产品追溯，并于云端数据交换进行市场分析和管理决策，其技术路线如图1所示。

图1 纺纱智能化工厂示意图

由于我国目前纺织行业自动化和智能化的程度较低，智能化纺纱在实施的过程中会有以下一些困难。一是专业化与信息化融合难。要实现纺织机械的自动化与智能化，需要兼顾纺织和计算机技术，而现实的情况是跨界难，即纺织企业不懂智能化，IT企业不懂纺织[2]。二是没有所有企业通用的全套智能化系统。每个纺织企业都有自身的特点，现成的全套智能化系统未必拿来就能直接使用，除非放弃原有车间新建厂房和设备，否则都存在不兼容和不适应的问题。为此，纺织企业需要根据可借鉴的建设思路结合企业自身特点构建智能化系统。本文以山东华兴纺织集团有限公司(以下简称山东华兴)智能纺为例，从企业现有设备及系统集成入手，探讨环锭纺智能化系统的构建思路与要点。

2 智能化系统构建思路与要点

2.1 总体系统设计

从当前山东华兴纺纱车间来看，有数百台多种型号的生产主机及辅机设备，主要包括清梳联、条并卷联合机、精梳机、并条机、粗纱机、细络联、自动包装等生产主机设备，以及空压、除尘、供配电及实验室等辅机设备。而这些设备是由种类众多的控制器完成单机自动控制。同时，由于目前我国纺织设备主要依赖于进口，且众多的设备厂商对设备数据端口进行加密或者各设备通讯协议存在差异，进而使得各种设备数据无法获取或者设备之间信息传递受阻。因此，我国大多数纺织企业为了获取生产过程中所产生的各种管理、产量、能耗和功能性的数据，只能安排管理人员定点定时来抄录、统计和分析、汇报。其过程枯燥、繁杂，既容易出现错误、疏漏，又会导致生产加工信息的滞后性[3]。此外，由于企业需求的不同及设备功能的限制，仅有的数据不够全面和准确，尚不能为企业管理层提供可靠的数据和信息支持。因此，传统的数据统计和分析不能满足纺织产业的技术升级，也无法实现纺织行业的智能纺。

基于现场总线技术的纺织企业底层信息集成及其综合处理系统的研究开发可以彻底实现上述过程的信息化，使纺织业的生产管理效能得到大幅度提高，并部分实现纺织生产的智能化。采用多层总线技术非常适合于分布面积大、控制设备多、信号复杂的纺织车间使用。纺织车间现场设备及辅机设备数万个信号使用很少的电缆连接到控制室，系统造价低，和纺织行业的实情相吻合，且系统维护便捷[4]。

利用工业以太网、PROFIBUS、MODBUS、CAN等总线将纺织生产过程的全部设备实现数据联网，集成和处理纺织生产全过程的所有数据，实现对生产过程每个环节的可视化动态监控和管理，在此基础上对纺织生产过程中的大数据进行智能挖掘，为企业精细化管理、管理水平提升、生产损耗降低、生产效率提高提供第一手的决策数据。

项目总体方案运用融入自诊断技术的总线网络系统实现三层网络架构的信息集成系统。

构建企业级冗余工业以太网，实现多车间广领域范围内的信息交互；设计车间级PROFIBUS、MODBUS、CAN等总线系统，通过智能纺控制设备稳定快速地获取纺织设备运行工艺参数，并对采集的数据进行预处理和网络故障诊断分析；建立设备级多接口、多方式、多协议的信息交互方式，创建智能纺系统需求的双向数据交互链路；搭建工业及无线信息交互系统，实现车间智能无线终端和数据分析系统的实时无缝信息交互；采用上述先进的多层网络架构完成纺织企业清棉、梳棉、并条、精梳、粗纱、细纱、络筒等众多工序数据稳定高速的双向传输。

2.2 总体网络架构和信息模型

根据山东华兴生产车间的实际情况以及目前工业自动化技术的发展水平和现状，采用两层工业控制网络系统来实现整个系统的网络通信功能。底层采用基于现场总线技术的控制系统来完成对整个生产过程工序机台各设备的信息采集、集成；对于自成系统并留有以太网口的机台，采用工业交换机构建工业以太网，实现与上层集中监控和信息管理网络的通信；上层采用基于工业以太网技术实现信息传输，并开发和使用专有的应用软件系统来完成终端数据的采集和处理。

实现纺纱生产异构数据的集成。在纺纱信息化系统设计实现过程中将所涉及的数据按其特性可分为三类[5]。一是公共数据，为企业核心数据，属于各系统中都需要的信息。如企业组织结构、岗位、工种、人员、存货档案、固资编码、供应商、用户等信息。二是共享数据，为与其他信息系统共享的信息。如在能源管理系统和成本核算系统中都需要产量、能耗、成本等信息。三是专有数据，不与其他信息系统共享的信息。如实时过程数据、系统日志、文档信息、知识等。纺纱信息化系统所涉及的数据来自企业内部和外部。内部数据主要包括纺纱过程实时数据、生产管理数据、纺纱设备数据等。纺纱生产过程实时数据包括纺织设备运行状态数据、纺织生产过程工艺参数、纺织生产能源消耗计量数据等，共同构成了实时数据源。生产管理数据如生产计划、成品纱指标、原材料清单、绩效考核指标等，设备描述如供应商、规格型号、操作说明、操作规程等。生产管理的各类数据共同构成业务数据源。外部数据主要包括市场信息、用户信息、供应商信息等构成的外部数据源。无论外部数据源还是内部数据源(实时数据源和业务数据源)，均通过网络传输和数据集成，存储于生产管理数据服务器中，通过对各类数据的加工处理、规则提取和数据抽象形成各类业务数据库、知识库，并按照结构数据与非结构数据进行分类管理。纺织企业智能化系统数据集成的架构模型如图2所示。

图2 纺织企业数据集成架构模型

2.3 工艺规划及流程

在数字环境下对产品的工艺进行规划，就是在工厂、车间、生产线、生产装备、制造资源的数字化模型的基础上，在工艺分析方法和技术的指导下，在工艺分析工具的支持下，对产品的工艺路线、工序安排、制造设备进行合理的规划，并且通过数字化模型对工艺方案进行仿真分析，最后得到最优的工艺规划方案，使得与工厂的生产规模相适应，并且能达到工艺要求，确保产品质量。工艺规划流程图如图3所示。

图3 工艺规划流程图

2.4 系统功能设计

设计的功能有主要功能模块设计和辅助功能模块设计两大部分。

主要功能模块设计需要对设备监控模块、环境监测模块、报警预警模块、订单追踪模块、统计报表模块、质量数据模块、能耗分析模块、单锭数据分析模块、设备维护管理模块、产能效率分析模块、损耗率制成率分析模块、工资及成本核算模块进行设计。

辅助功能模块设计需要对微信预警报警功能、生产管理功能、ERP的交互对接功能、历史数据转储功能、数据备份和恢复功能进行设计。

3 环锭纺智能化系统实践效果评价

山东华兴智能纺的实施具有显著的效果。能够有效提高生产效率20%，缩短产品生产周期30%，在制品库存资金周转加快，取得间接经济效益10%；企业万锭用工达到15人，降低人工成本可达80%；能源利用率提高12%；智能配棉的应用，可平均降低配棉等级0.5级，大幅降低了用棉成本；企业综合运营成本降低20%。此外，项目实施后可有效降低在库库存资金占用和在制品物资资金占用，降低库存资金占用10%，有效节约了财务成本。综上分析，项目实施可在多方面提升企业的盈利能力，全员劳动生产率大幅度提升，平均可使企业增加利润30%左右。

我国棉纺织行业拥有规模以上企业8 700多家，纺纱规模1.2亿锭，根据山东华兴的经济效益分析数据推算，预计行业可实现增加经济效益16亿元。因此，纺织企业智能化系统的实施必将有效促进棉纺织行业综合竞争能力和利润水平的增长。

4 结束语

针对纺织设备种类多且协调受阻的问题，本文以山东华兴纺织集团有限公司为例，通过对该企业不同供应商的设备和系统，依据纺纱工序及全流程进行综合集成，构建了从原料输入到纺织产品入库的环锭纺智能化生产系统。该系统将多种设备子系统(在线监测信息系统、条筒AGV输送系统、细纱接头智能导航系统、筒纱智能包装与输送系统)按照纺纱工艺规划及流程对其进行整合。在此基础上，针对多源异构数据的问题，提出了纺织企业数据集成架构模型，该模型实现了对各类数据的加工处理、规则提取和生产反馈，并按照结构数据与非结构数据进行分类管理及分析。通过在山东华兴纺织集团有限公司的应用结果表明，本文构建的环锭纺智能化生产系统实现了对企业生产经营决策的支持，提高了生产效率，缩短了研发周期，减少了用工，纱线质量有所提升，经济效益和社会效益明显。