纺织智能工厂关键技术及应用现状分析

潘如如 张宁 向军

（江南大学，江苏无锡，214122）

当前信息化技术的发展为制造企业的转型升级带来了契机，在制造业中应用越来越广泛，全球制造大国也出台了相关措施［1］。2014 年，德国提出“工业4.0”的概念；2015 年，我国提出“中国制造2025”的概念；2016 年，美国出台“制造业重返美国”的政策，成立了工业互联网联盟；2017 年，日本提出“互联工业”的概念，并与德国联合发表了《汉诺威宣言》，推进互联工业的发展。我国则在“十四五”规划提出，建设智能制造示范工厂，完善智能制造标准体系。在相关政策和措施的推动下，信息化技术与制造装备及技术的交叉融合、更新换代，实现了制造企业的高度自动化、智能化、柔性化生产［2］，提升了制造业的生产、管理和服务水平，逐步发展成为智能工厂。

1 纺织智能化发展历程

纺织业作为传统的制造行业，在几十年的信息化、智能化转型升级过程中，对于具有行业特点的共性技术和关键技术进行了大量开发、应用和推广，覆盖棉纺、毛纺、长丝、印染等细分行业，包括产品设计信息化、生产装备智能化、生产过程自动化、制造管理和企业管理信息化、协作网络化等领域［3］。20 世纪70 年代，以计算机技术为代表的电子信息技术飞速发展，纺织信息化由此萌生和起步。20 世纪80 年代，计算机管理技术应用于纺织企业，但一般属于单项管理系统，如库存管理、设备管理和财务管理等。此时的计算机管理技术显示方式较为单一，大多中小企业采用微型机局域网，大中型企业则采用了主机/终端系统。同期，细纱断头检测装置得以应用，提高了产品质量控制水平。20 世纪90 年代中期，客户机/服务器（C/S）模式开始应用于纺织企业，企业资源计划（ERP）概念也开始引入纺织行业，加快了企业管理信息化的进程，并在21 世纪得到了广泛应用。由于纺织企业大多属于中小型企业，需求多样、资金有限、管理基础薄弱等特点导致其建立信息系统较为困难。因此，纺织公共服务信息平台在21世纪初开始建设，实现产业集群地的互联，可为周边的中小型企业提供大量的信息服务。随着信息技术与纺织装备的日益融合，在线监测、自动控制、信息网络等技术在纺织细分行业得到了广泛应用，大大提高了纺织装备的信息化水平。为了提高纺织企业的精细生产管理，针对生产制造管理的制造执行系统（MES），在21 世纪之初开始应用于纺织行业。MES 中物联网技术的应用加强了在线实时采集和数据处理能力，以精细和动态的方式管理生产过程，提升了纺织行业的整体信息化水平。2013 年以来，移动互联网、机器人、云计算、大数据等新一代信息技术［4］飞速发展，互联网应用在纺织行业得到深化，深刻变革了传统的产业模式。加之数字化、智能化技术的交叉融合，纺织智能制造应运而生，在装备智能化、生产过程连续化、物流信息化、管理精细化等领域取得了较大进展，逐步演变为纺织智能工厂，深刻改变了制造业的生产模式和产业形态。

本文通过梳理纺织智能工厂的发展历程，围绕纺织智能工厂的关键技术展开综述，结合纺织行业的特点，从智能化装备和智能化管理两个方面进行系统介绍，并对现有技术进行分析，给出了纺织智能工厂面临的问题及未来的发展前景。

2 智能化装备

纺织企业在推进信息化的过程中，以机械装备的数字化、自动化、智能化为基础，催生了在线监测、自动控制、智能物流等高新技术，大大提高了纺织装备的智能化水平［5］。纺织智能化装备是新一代信息技术与纺织技术相融合的载体，对于提高生产效率和产品质量具有关键作用。目前，智能化装备主要包括智能化设备和智能化加工两个方面，在纺纱和织造工序中应用广泛。

2.1 智能化设备

自动化是指设备或过程完成预先设定的工作，系统自身缺少判断和决策能力。智能化是指设备不仅能够实现预先设定的目标，还能根据外界条件变化不断地修正和优化目标，具有感知、思维、学习和自适应以及行为决策等能力。近年来，纺织设备通过应用信号传感与检测、自动化、智能化等高新技术，实现生产设备和生产过程的自动化、智能化，主要体现在纺织机械设备的自动化、集成控制和智能监控等方面［6］。

纺纱工序中，多年的快速发展大幅提升了设备的自动化水平，在上料、生头、落纱、换筒和码垛等工序均实现了设备的自动化。纺纱设备主要包括清梳联、并条机、精梳机、粗纱机、细纱机、转杯纺纱机、络筒机等［7］。目前，自动抓包机、自动换筒系统、精梳机自动换卷和生头系统、粗纱自动落纱机和筒纱自动打包系统等均已得到了成熟应用。随着智能化技术的发展，部分纺纱装置和设备［8］逐步具备了智能化的功能。开清棉工序中配置的异纤检测清除装置，实现了异纤的自动化检测和智能化清除。以USTER Jossi Vision Shield异纤检测仪为代表，对于有色合成物，甚至是透明、白色丙纶，该异纤检测仪均能提供可靠的检测准确率和高的去除率；此外，该仪器能够区分棉花和异纤污染物，有效地减少浪费。梳棉和并条工序中应用的自调匀整装置，可根据线密度变化调整产品的牵伸倍数，使得线密度保持一致。立达公司开发的Autoconer X6 型自动络筒机装配上纱传感器、智能辅助找头装置、智能落纱装置等，可确保自动络筒工艺的灵活性和智能化水平。

织造工序中的设备包括整经机、穿经机、浆纱机、织机。由于设备生产企业通常较多，还未形成如纺纱工序成套的自动化设备［9］，一般是各具特色的单台自动化设备。目前的自动化设备主要包括整经自动上纱系统、整经自动装筒系统、自动穿经机、浆液黏度在线检测装置、浆纱回潮率和上浆率在线检测装置、喷气织机自动抽纬开机系统、疵点在线检测系统、面料自动包装系统等。在智能化方面，研发较多的是智能化组件，如机器气压智能调控的智能节气系统、机台气压和压缩空气消耗量监测与报警的智能压力监控系统、供纬失误时自动切换到其他储纬器的智能投纬系统。如浙江日发纺织机械股份有限公司研发的RFJA40 型喷气织机［10］可实现织造导航、智能化实时气路控制、自动上轴、自动落布、纬停自动处理等智能化操作。在浆纱过程中，国内研发了模块化智能调浆系统［11］，通过存储计量、预调浆、智能化控制实现浆料的智能化调配，适用于不同类型纱线的浆纱。

2.2 智能化加工

在纺织加工工序中，纺纱和织造均具有多工序的特点。纺纱工序包括清棉、梳棉、并条、粗纱、细纱、络筒6 大关键步骤。织造工序包括整经、浆纱、穿结经、织造4 大关键步骤。这种多工序的特点大大增加了半成品的运输与加工难度。因此，纺织企业提出了不同的智能化加工技术以实现纺织产品加工的连续化。

智能化加工是指纺织过程中利用机械化输送实现不同工序连接的生产方式，可减少产品加工的中间环节，省去人工装卸、搬运半成品的环节，从而减少企业用工，提高生产效率。在纺纱工序中，清梳联、粗细联、细络联、粗细络联是典型的智能化加工模式［12］，通过搭配物流自动输送系统，可实现中间工序半成品的自动装卸与运输。清梳联系统完成开清棉与梳棉的工序一体化，可实现纤维流量自动控制、异纤自动检测与清除、梳棉机自调匀整等。粗细联系统在粗纱满卷后可自动落纱，满卷与空管整列自动交换，提高了粗细联的机动性。细络联系统装配新型管纱输送托盘结构、管纱实时报警处理系统、自动插拔管装置、自动残纱检测分离装置等，实现高速化、智能化的细络联合。粗细络联将粗纱、细纱、络筒及打包工序进行智能化联结，实时收集处理生产过程中的信息，使得整个系统自动运行。立达智能化纺纱系统可实现纺纱企业的自动化、连续化、数字化和智能化。

织造工序中的智能化加工设备较少，目前应用最广泛的是整浆联合机、浆染联合机。整浆联合机［13］将整经和浆纱工序合二为一，直接完成织轴的生产，集成了整经机和浆纱机的优点。浆染联合机采用机、电、仪一体化技术，搭配工艺参数在线检测与控制系统，用于牛仔系列面料的经纱染色与上浆。

自动导引运输车（以下简称AGV 小车）［14］采用自动导航、自主避让等技术实现物流运输的自动化和智能化。在纺纱和织造过程中，AGV 已被广泛用于不同工序间半成品或成品的输送，保证各工序间有效地进行科学衔接、路线优化、动态监控。在棉条智能输送系统中，AGV 小车可实现棉条筒的自动装载、输送和卸载。在纺纱打包入库运输系统中，AGV 小车将筒纱产品输送至自动打包机，完成打包后输送至仓库。在织造自动送纬、运轴、落布系统［15］中，AGV 小车与车间调度系统相配合，实现纱线、经轴、织轴、布匹等的自动运输。

3 智能化管理

在纺织生产过程中，工艺路线通常较长，所用的装备种类较多，生产工序较多，即使采用了智能化加工技术，仍存在不同工序的半成品。如何及时了解不同工序的产品生产状态、实时监控整个生产过程、数据实时分析与展示、辅助生产管理与决策等，是纺织企业进行智能化管理的迫切需求。

随着信息化、数字化、网络化的发展，智能化管理技术在纺织企业得到了越来越多的应用。目前，智能化管理系统［16］主要包括ERP、MES 和仓储管理系统（Warehouse Management System，WMS）等，可将纺织生产过程中的采购、生产、销售、仓储及财务等模块紧密联系在一起，提高纺织生产管理的智能化。

3.1 ERP

ERP 是建立在信息技术基础上，以系统化的管理理念，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。发展至今，已成为对企业人力、物料、资金、信息等各种资源，面向企业计划、生产、销售、售后、财务等整个运作流程，进行全流程综合管理的信息化系统。

纺织企业属于典型的制造业，大多数纺织企业［17］都会面临如何优化配置企业资源、优化生产计划与排程、提升各部门之间的协作能力、提高产品质量等问题。通用的ERP 系统中的采购、销售、仓储、主生产计划、物料需求计划、财务管理等子系统均大同小异，但在局部环节中会有显著的差别。以棉纺织行业为例，在制定开纺计划时，通用的主生产计划无法考虑与开纺工艺相对应的改车、用棉、用纱以及开纺能力计划等。因此，针对纺织企业的特点，ERP 系统仍需根据具体需求进行定制化开发或改进。纺织企业通过ERP 系统进行采购、生产、仓储和销售管理，可以实现企业资源的有效利用，提升企业的经济效益。目前，北京中纺达软件开发有限公司开发的核心产品为TexERP，其功能涵盖仓储、销售、采购、主生产计划、财务、设备管理等，已在北京铜牛、深圳中冠、江苏大生、山东如意、山东南山等企业得到成熟应用。上海环思信息技术有限公司在纺织ERP 领域有多年的开发经验，其产品在纺纱、织造、印染和印花等不同产业链均有涉及，已成功实施于远纺织染、罗莱家纺、雅戈尔、安踏体育用品公司等企业。上海百胜软件股份有限公司的ERP 产品主要针对服装、鞋帽等大中型企业提供信息管理服务，功能包括采购、生产计划、作业计划、销售等整个业务流程，已在九牧王、罗蒙集团、圣得西集团、利郎集团等成功应用。

ERP 是计划层，侧重企业层面，主要为企业信息化管理服务。同时，ERP 系统的复杂性要求企业拥有能够支持它的信息技术资源。因此，ERP更适用于已经市场化的中大型企业［18］，目前，体量较大的纺织企业大多已配备了ERP 系统，围绕财务对企业资源进行计划。对于规模较小的纺织企业，大多数ERP 系统在生产计划和控制领域的作用非常有限，而且需要大量的成本投入才能维持ERP 系统的运转。

3.2 MES

MES 是现代集成制造系统中制造管理自动化领域的一项重要技术，它是定位于企业上层ERP 和低层设备自动控制系统之间、面向车间作业层的管理系统，能够对整个车间制造过程进行优化，实时收集生产过程中的数据并作出相应的分析和处理，与计划层和控制层进行信息交互，实现企业信息全集成，是现代智能化工厂不可或缺的组成部分。随着纺织企业的智能化升级，如何从生产现场收集、管理、传递、存储生产数据，统筹维护生产数据库，分析及展现生产状况，实现生产现场的实时监控、实时反馈、管理优化、敏捷响应等，是纺织企业长期以来的迫切需求。

对于纺织企业，MES 系统［19］通过结果来优化产品的制造过程，生产过程及纺织产品追溯功能可以在很大程度上提高生产效率和降低成本。MES 系统可以优化纺织企业的生产管理模式，强化过程管理和控制，从而达到精细化管理的目的；可以加强各生产部门如采购、仓储、生产等系统办公能力，提高工作效率，降低生产成本；通过数据采集设备实时采集纺织生产装备的数据，并及时分析，提高数据的及时性、准确性，避免人为干扰，促使企业管理的标准化；为企业的产品（面料）、中间产品（坯布）、原材料（纱线及其他物料）等质量检验提供有效、规范的管理支持；实时掌控计划、调度、质量、工艺、装备运行等信息，使相关部门及时发现问题和解决问题；最终可利用MES 系统建立起规范的生产管理信息平台，使得企业内部的现场生产层和管理层之间信息互通，提高企业核心竞争力。在当前“小批量，多品种，紧交期”的纺织商业模式下，MES 制造执行系统可以为纺织企业提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业减低成本、按期交货、提高产品质量和服务质量。

目前，MES 由于其轻量级和灵活性的特点流行于各种规模的纺织企业的各个生产现场，按照覆盖纺织流程可分为纺纱MES、前织MES、织造MES 等。江苏格罗瑞节能科技有限公司开发了一套适用于纺纱企业的MES 架构模型［20］，能够监控订单生命周期中的每一个环节，包括订单生成、工艺单制定、织造BOM、生产排产、工艺翻改、质量检测、车间开台、生产了机、生产报工等流程，实现对人员与机台生产数据的实时监控和管理。针对前织和织造工序，江南大学分别研发了前织MES 系统、织造MES 系统、质检MES 系统，通过数据采集器从机台上实时获取生产数据并传输到数据库进行存储，软件系统通过展示、分析采集的数据以实现对生产过程的管理，主要包括订单品种管理、织轴管理、上轴管理、了机管理、实时看板、大屏展示、智能报表系统等模块，可实现从订单到产品的全流程追踪。如江南大学为无锡鼎球绢丝纺有限公司开发的MES 系统，通过生产可视化大屏可以清晰地实时监测到每台机器及整个车间的生产状况，数字化报表功能取代了以前的手抄报表，大大提高了企业的生产效率，提升了企业的管理水平。

广义上，MES 是在ERP 框架下运行的，是ERP 的子集或者交集。MES 是对ERP 计划的一种监控和反馈，是ERP 业务管理在生产现场的细化。ERP 的执行前期需要投入大量的人力和物力，而MES 比较灵活，投入比较少，在同时具备MES 和ERP 的情况下，MES 可以作为ERP 的有力补充，将生产和企业连成一个整体，实现闭环的系统控制。而在不具备MES 与ERP 集成的中小纺织企业，选择MES 还是ERP，取决于企业的业务重点及发展阶段，如果企业订单增长，主要关注点集中在持续优化流程上，管理生产和排产的MES 是最合适的。而将其他额外模块添加到组合中去支付更高的ERP 系统费用，最终建成一个专注于业务的财务和记录保存而非生产的系统，是没有意义的。

3.3 WMS

随着仓储物流行业竞争日益激烈，越来越多的企业意识到，企业间的竞争实际上是企业的作业效率和成本控制能力的竞争。为了有效控制并跟踪仓库业务的物流和成本管理全过程，WMS应运而生。大部分WMS 是从ERP 发展而来［21］，能够实现仓储业务单据的信息化，记录仓库作业所处理的订单、物料和产品信息。WMS 是一款标准化、智能化过程导向管理仓库的管理软件，能够准确、高效地管理跟踪用户订单、采购订单及仓库的综合业务。WMS 颠覆了传统的仓库管理模式，从传统的“结果导向”转变为“过程导向”；从“数据录入”转变成“数据采集”，同时兼容了原有的“数据录入”方式；从“人工找货”转变成“导向定位取货”；同时引入“监控平台”让管理更加高效、快捷。大多数WMS 以条码的形式管理仓储，过程更加精细可控。

在当前“小批量，多品种，紧交期”的生产模式下，纺织企业的仓库中堆放了大量不同的物料和产品，传统的人工记录方式已经不能满足企业需求，许多颇具规模的纺织企业在仓库管理中付出了巨大的财力、物力。提高仓储管理水平、降低仓储管理的耗费、及时监控仓储状况等，是降低纺织企业生产管理成本、提升核心竞争力的重要工作。WMS 的应用［22］不但节约了这些人力物力，更是提高了仓库管理效率，使得仓库类别管理得以轻松实现。WMS 的计算和记录功能可以使数量统计轻松实现，出入库均以条码方式实现，更加方便快捷。据统计，企业在使用WMS 后，仓库的作业效率至少提升了30%以上。WMS 通过条码对仓库进行管控，使得仓库盘点等流程规范化，能够实时准确反映库存情况，为企业决策者提供有力的决策依据。广东溢达纺织有限公司基于条码技术研发了一套WMS 系统，有效避免了手写票据的繁琐步骤，提升了工作效率，通过引进现代化科学技术，在很大程度上避免了仓储信息滞后所带来的弊端。

4 纺织智能工厂发展展望

纺织企业在智能化装备和智能化管理方面的应用，标志着纺织行业进入了高质量发展的新时代。新一代信息技术的发展，加速了不同学科之间的交叉融合，加快了制造业的产业结构调整，促进了产业升级转型，对于未来纺织智能工厂的发展具有极大的促进作用。未来，纺织智能工厂将着重开展以下4 个方面的工作。

（1）推进先进纺织智能化装备的开发和应用。目前的纺织智能化设备大都停留在数字化、自动化的阶段，缺少真正智能化的功能。尽管纺纱智能化加工装备的智能化较为成熟，但织造工序中连续化设备较少，智能化程度较低。未来，结合人工智能、机器人等新一代信息技术，组织高效的协同创新体系，从传统的高端纺织装备扩展到智能化纺织装备、全流程智能化生产线，促进纺织行业智能化、协同化发展，进一步提升行业制造水平。

（2）开发轻量型、通用型的纺织智能化管理系统。纺织企业大多属于中小型企业，面临着资金短缺、人才不足等问题，在智能化转型中面临较多困难。现有的纺织ERP、MES 等智能化管理系统的体量一般较大、功能较多，而且通用性不强，难以在纺织中小型企业中实施。未来，结合纺织企业的行业特点，应开发轻量型、通用型的纺织智能化管理系统，以服务不同规模的纺织企业智能化转型，推动制造业的发展。

（3）构建集成多功能的纺织智能化管理平台。现有的纺织ERP、MES 和WMS 等系统在不同的业务流程中适用性不同，而且各有优缺点。为了发挥不同系统的优势，通过结合“互联网+”技术，集成ERP、MES 和WMS 等系统的优点，构建集成多功能的纺织智能化管理平台［23］，覆盖纺织业务全流程，将是未来纺织智能化管理方向发展的趋势。平台可集成不同智能化管理系统的功能，并将不同业务流程的信息即时发布给相关人员，形成全方位的监控与管理。

（4）推动人工智能技术与纺织技术的深度融合。近年来，机器感知、机器思维和智能机器人等技术在纺织智能化装备和智能化管理均得到了一定应用，形成了一定的基础。目前，知识获取、深度学习、优化决策、专家系统等智能化技术还存在短缺。通过推动人工智能技术与纺织技术的深度融合［24］，发挥人工智能技术在纺织生产过程中的智能决策、智能生产与控制、质量监测、设备故障智能处理等方面的优势，建设更加智能的纺织设备及管理系统，是未来纺织智能工厂的发展趋势。

5 结语

当前纺织行业面临产能过剩、竞争激烈的问题，建设纺织智能工厂是纺织行业智能化转型的必由之路。通过总结与分析现有纺织智能工厂的关键技术，对已在纺织企业成功应用的关键技术范例进行了介绍。随着新一代智能化技术的发展，纺织行业的智能化需求进一步增加，未来仍需探索最新技术在纺织行业的智能化应用，助力纺织行业的智能化转型与升级，提高纺织生产和管理的全流程智能化水平，增强企业的核心竞争力。