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智能化是《中国制造2025》的主攻方向。就棉纺织行业来说, 借用其他领域的先进技术和成果, 变革棉纺织行业现有发展模式, 引入智能化装备和控制技术, 是解决当前业内原料、用工和成本问题等难题的有效途径。因此, 智能化已经成为当前棉纺织行业倍受关注的热点。
从智能化和智能制造的相关文献及资料研究分析可知
清梳联设备是由多种单机组成, 按照一定生产工艺流程, 实现预定生产目的综合型生产线。组成智能化清梳联生产线的每种单机设备都是其中关键的一环, 因此作为智能化技术稳定运行的载体, 机械装备的工艺性、可靠性和稳定性直接关系着智能化技术的应用效果。近年来, 郑州宏大清梳联在研究发展智能化控制技术的同时, 也在从制造与装配新技术、新工艺、轻量化新材料的应用等方面开展智能制造的研究与应用。
JWF1018型往复抓棉机是在JWF1012型基础上, 适应市场需求, 自主创新的新型智能往复抓棉机。JWF1018型往复抓棉机解决了多项技术难题, 抓棉机工作稳定性进一步提升, 故障率低, 运行稳定性达到国外同类产品水平。打破传统, 在全球纺机装备行业率先将抓棉臂工作宽度延伸至2 400 mm, 理论最大产量提升至2 000 kg/h。全新的智能控制系统和高分辨率工业触摸显示屏, 具有简洁的人机对话界面和“傻瓜式”的操作模式, 使用更加简单方便, 主要特点如下。
(1) 传统抓棉机抓棉臂工作宽度2 300 mm, 很多用户在排棉包时, 总要为“排三包空, 排四包不够”的问题纠结。新型JWF1018型抓棉机将抓棉臂的工作宽度延伸至2 400 mm, 可以轻松并列摆放4排棉包, 在提升排包量的同时, 减轻了工人的劳动强度。
(2) JWF1018型抓棉机对抓棉器内腔弧板结构及传动方式等保留了JWF1012型往复抓棉机的创新设计。使抓棉打手护板、内隔板和肋条构成两个互不干扰、相对独立的抓棉区域, 两只抓棉打手旋转方向同步、同相, 打手旋转方向始终与往复抓棉机行走方向相同, 既保持了对纤维的顺向抓取, 又实现了双打手、双区域、双通道抓棉的工作效率, 抓棉打手对纤维的打击较为柔和, 有利于减少纤维损伤, 降低短绒率, 避免单通道抓棉结构纤维过于拥挤和揉搓, 从而减少棉结的产生。同时, 由于两只打手工作状态相同, 打手之间抓取纤维差异小, 抓取的纤维成分均匀、离散性好。
(3) 打手刀片采用了双连刀片的钣金结构, 可单独更换。JWF1018型抓棉机针对打手的刀片角度、外形, 特别是刀刃的合金烧结技术等, 进行了专项工艺技术攻关, 克服了加工制造难题, 与打手工作方式结合, 使打手刀片的使用寿命比传统工作方式延长至少1倍以上。打手刀片厚度约为5 mm, 比传统抓棉机打手刀片厚度少了将近一半, 刀片更容易插入棉层, 更加有利于棉束的抓少抓匀, 纤维损伤更小。刀片采用防纤维沉降结构设计, 彻底避免长绒棉、中长化纤缠绕打手情况发生。
(4) 故障率低, 工作稳定性高。通过可靠性测试, JWF1018型往复抓棉机在15个工作日内, 加权故障数为0个, 平均故障间隔时间加权点估计值约为300 h, 设备稳定性达到国外同类产品水平。
(5) 电气控制系统全面提升。核心控制单元采用西门子S7-200 smart系列PLC、德国伦茨I5系列变频器、专业数字化卷绕控制器、高分辨率工业人机界面、电机与编码器一体化设计和制造等;软件及操作方面进一步向智能化迈进, JWF1018型抓棉机具有运转率监控识别功能, 抓棉机可以根据运转率、多仓的储棉量和供棉量等参数, 自行调整抓棉量大小;同时抓棉机更加贴近用户的实际生产需求, 具有棉包头阶梯大棉量、棉包尾大棉量、抓棉臂自动抬起、损耗件管理系统等多种适应智能化生产要求的功能。
轴流开棉机是清梳联流程中的预开棉机, 一般安装在抓棉机与混棉机之间, 是开清棉或清梳联流程中不可或缺的重要设备之一。
(1) 打手筒体采用整张钢板卷制而成, 打手轴头采用短轴胀套紧固连接方式, 重量轻、振动小、运行稳定。对传动机构也进行了优化设计, 大幅提高了轴流开棉机的可靠性。
(2) 采用复合打手装置, 打手进口一端采用V形角钉, 出口一端采用矩形刀片, 进口端直径大, 出口端直径小, 适应进口端棉团密实、体积小, 出口端棉团开松膨胀、体积大的状态。这种特殊设计实现了一台单机一个开松打手同时满足自由打击、先弱后强、先紧后松、少伤纤维的开松除杂工艺要求。矩形刀片强度高, 抗折弯, 在提升工艺性能的同时进一步增强了轴流开棉机高产运行的稳定性。
(3) 轴流开棉机打手转速变频调节, 尘棒隔距采用步进电机控制, 可实现在线小角度精确调整。不仅能够适应抓棉机对不同的原料进行分组抓取, 同时提供两种工艺参数自动调节, 而且具有在自适应连续供棉技术下, 根据抓棉机抓棉量自动调整打手转速和尘棒角度的功能。
多仓混棉机是清梳联生产线的中转站, 一端连接着抓棉机, 提高抓棉机的运转效率, 保证仓位储棉的动态平衡;另一端连接着梳棉机组, 确保向梳棉机组提供稳定、均匀、连续的棉流。JWF1026系列多仓混棉机从机械和电气两方面进行优化设计, 为清梳联生产线智能化的控制奠定基础。
(1) 机械方面, 多仓混棉机打手采用 406 mm的大直径打手, 工艺适纺性强, 工作时纤维损伤小, 且不缠绕打手。混棉机输棉斜帘的向上倾角由47°调整为32°, 增强斜帘与压棉帘对纤维的夹持作用, 防止棉块下滑堆积, 同时压棉帘最高点位置提高, 防止压棉帘返花。平帘减速电机位置由斜帘下方改为压棉帘上方, 清洁方便, 防止短绒、灰尘进入, 延长清洁周期。打手电机由机前改为机后, 有效解决与罗拉电机配置在一起长期连续运转, 散热不畅的现象。护木改用铝合金材料, 表面光滑, 结合创新开发的护木定位接缝结构, 保证定位准确, 接缝严密, 有效防止塞花、挂花现象。创新设计的多仓前后双排风技术更加有利于各仓气流平衡和排气稳定, 有效增大各仓储棉量和储棉密度的均匀性。这些措施的实施大幅提升多仓混棉运行时的稳定性, 为电气系统量化和精确控制创造条件。
(2) 电气方面, 采用仓位量化的控制模型, 将传统开关量信号转变为数字信号, 通过数学模型将要棉信号、储棉量和供棉量等变量紧密联系起来, 根据多仓储棉量和供棉量的变化, 自动控制抓棉机进行工作, 使供棉、储棉、要棉达到高效的动态平衡, 使多仓储棉始终能够工作在理想的阶梯状态。控制原理如图1所示。
JWF1216系列梳棉机是自主创新的新一代高产单刺辊梳棉机, 它由喂棉箱单元和梳理机单元共同组成。喂棉箱给棉部件由被动改为主动, 并采用新式复合打手, 给棉更加均匀顺畅, 高产时供棉更加稳定可靠, 纤维损伤和棉结增长极少;对梳棉机结构布局和传动进行了优化设计, 分梳性能及配置灵活性进一步增强, 占地面积进一步减小, 整机美观紧凑。该机采用多项新技术、新材料, 进一步显著增加铝型材应用比例。
JWF1212系列梳棉机是适应高速高产的新型三刺辊梳棉机。梳棉机喂棉箱部分采用一体化设计, 取消传统喂棉箱出棉罗拉结构, 采用喂棉管与梳棉机给棉直连结构, 筵棉无牵伸喂入, 喂棉结构简单, 供棉更加顺畅稳定。梳棉机刺辊采用“两小一大”的三刺辊结构, 三个刺辊呈“一”字排列, 配以除尘吸口、分梳板等元件。研究资料和生产实践表明, 三刺辊梳棉机刺辊区的梳理度约是单刺辊的4倍～8倍, 在梳棉机高产或者加工高含杂原料时, 三刺辊梳棉机能够合理、规则地开松纤维并进行预清洁, 大部分的杂质、疵点都能在刺辊区被清除, 并使进入锡林、盖板梳理区的棉束数大幅减少, 从而提高锡林梳理区的梳理效率和梳理质量。因此, 不仅能够提升梳棉机生条及纱线质量, 而且还能延长锡林和盖板等分梳元件的使用寿命。
梳棉机自调匀整装置是棉条重量不匀和重量偏差控制的核心单元, 是清梳联装备得以广泛工业化应用的重要关键技术之一, 也是梳棉机智能化控制环节中不可缺少的标准配置。JWF1216/JWF1212系列梳棉机采用喂棉箱压力、短片段、长片段等三位一体的混合环控制模型, 该控制模型既具有开环控制响应较快、无滞后、匀整性能好的优点, 又具有闭环控制可以抑制各环节参数变化以及未测扰动对输出的影响。不仅可以校正系统短片段的偏差, 还能自动修正调整中长片段的不匀。
在实际应用中, JWF系列梳棉机将自调匀整控制单元与梳棉机控制单元进行了一体化有效融合, 使用者只需要在梳棉机显示屏工作界面, 根据生产工艺要求输入棉箱压力、生条定量两项参数, 自调匀整控制单元会自动进行检测、运算、控制、调整, 使梳棉机生条重量指标满足生产需求。同时, 该系统还融入了生条重量超差预警、生条粗细节、超长片段重不匀、关键器材服役到期更换提示、梳棉机待机限时自动关车及关闭滤尘系统等智能控制功能。
郑州宏大新一代JWF清梳联智能化集中控制技术模拟清梳联生产工况, 内嵌特殊算法, 以单机自动化、数字化为基础, 通过工业以太网络为数据、信号传输介质, 将设备的运行数据汇总到集中控制系统。集中控制系统通过运行数据进行计算分析设备的运行状态, 实时掌握设备在生产过程中的变化情况, 一方面根据变化情况自动对设备的运行参数进行修正和优化, 使设备的运行工作状态达到最佳;另一方面, 当出现必须人为干预才能解决的故障时, 及时发出故障报警信号或报警信息, 同时自动关停故障设备前后正在运行的其他设备。
在传统清梳联自动化控制模式中, 设备之间传输的是信号。基于信息传输和交换技术的郑州宏大智能化清梳联控制系统, 使设备能够根据实际生产情况进行调整。下面以JWF1018型抓棉机与JWF1026系列多仓混棉机之间的智能控制模式为例进行简单说明。
多仓混棉机在清梳联生产线的功能作用是原料的存储和中转 (工艺作用是混和) , 保证清梳联生产线的稳定、连续运行。由于多仓对原料的存储量是有限的, 因此抓棉机与多仓混棉机之间的供应关系是间断的。大量的资料和经验告诉我们, 抓棉机运行效率在90%左右最好, 但是在实际生产中, 人为控制干预很难实现。JWF1026系列多仓混棉机在储棉量控制上采用了仓位量化算法, 不仅仅将光电开关作为检测储棉仓位的识别信号, 在运行过程中同时对储棉仓位进行数字量化, 按特定的数学模型进行运算, 当触发预设的仓位界限时, 控制单元通过信号输出端发出要棉信息, JWF1018型抓棉机从等待状态开始进入工作状态。在实际生产中, 多仓混棉机能够依据自身储棉量和输出量, 对要棉做出预判, 提前发出要棉信息, 利用智能控制系统, 使抓棉机的供棉与梳棉机的要棉通过多仓混棉机达到动态平衡, 不仅提高了抓棉机的工作运转率, 而且也使多仓混棉机储棉仓位能够处于理想的阶梯状态。
在调整抓棉机与多仓混棉机供棉量的需求方面, 有两种智能调节模式。一种是基于多仓混棉机的调节模式, 当抓棉机运行一段时间后, 多仓混棉机通过运算, 发现往复抓棉机以目前的抓棉量不能满足多仓的灌仓需求时, 会发出增加供棉量的信息, 通知抓棉机通过调整抓棉臂下降量以增加供棉量;另一种是基于抓棉机的调整模式, 抓棉机在运行工作中, 根据运行时间自动记录运转率, 当抓棉机检测的工作运转率低于 (或者高于) 预设运转率参数时, 抓棉机自动对抓棉量进行增加 (或者减小) 修正, 使抓棉机的工作运转率保持相对稳定。
清梳联生产工艺的智能化是在生产过程连续化的基础上, 实现对生产工艺的在线检测及调整、落棉检测及调整、质量监控等方面的控制。
在实际生产中, 配棉含杂不同, 开松除杂工艺要求不同, 清梳联的开松设备就需要采用不同的工艺参数来满足用户需求。随着自动化控制技术和网络技术的发展, 清梳联很多装备的打手、风机均采用了变频控制, 例如:JWF1102A型单轴流开棉机除杂打击强度从1～10对应10种工艺转速, 相对落杂强度对应7档, JWF1212/1216系列梳棉机锡林、活动盖板等主要分梳元件均采用变频控制。清梳联设备需要的这些工艺参数既可以通过单机触摸显示屏输入, 也可通过信息传输由集中控制系统下载, 设备在运行过程中自动采用。即使更换品种, 系统也可根据不同品种调用不同生产工艺参数。
清梳联混清棉机组向梳棉机组的供棉在生产上是连续的, 但是由于混棉机组的供棉量是在一定范围内波动, 使经过清棉设备开松打手的棉层始终是从薄到厚、从厚到薄不断连续变化的, 从纺织工艺层面看, 在开松过程中喂入棉层的不均匀必然导致清棉设备开松除杂的不均匀。自适应控制技术正是从这方面出发, 通过集中控制系统, 根据梳棉机组的开台数量、产量, 跟随混清棉机组供棉量的变化, 使清棉机打手以预设工作转速为基准, 在一定幅度自动调整打手工作转速, 使原料的开松除杂保持相对的均匀、连续。
生条重量不匀率是清梳联一项重要的质量指标, 梳棉机组不仅要使单台梳棉机生条重量满足工艺要求, 更要求流程内所有梳棉机生条重量趋于一致。现今梳棉机用于检测棉条重量的传感器都是通过感知棉条厚度变化来控制重量的。理论上, 要求用于检测棉条的传感器标准设定值要根据实际生条重量经多次测量来确定, 从而避免因取样片面造成设定值与客观存在的标准值 (用户要求的实际重量) 有较大偏差。但在实际生产中, 梳棉机生条重量的设定值很难与标准值一致, 有些设定值在波峰, 有些在波谷, 甚至个别机台设定值由于种种原因出现较大偏差, 这就导致梳棉机组中各台梳棉机输出棉条的定量存在差异。因此, 要实现清梳联生产线生条重量在线智能化调整控制, 使清梳联生产系统生条定量稳定, 不仅要求梳棉机上装备有性能优良的单机自调匀整系统外, 还需要一个能够控制整个清梳联生产线每台梳棉机定量的计算机网络系统, 使之通过现场监控每台梳棉机生条重量的缓慢变化, 达到整个清梳联生产线输出棉条定量的稳定。智能控制系统框图如图2所示。
在本系统中, 梳棉机的生条定量, 即生条检测传感器的标准设定值的在线调整是智能控制系统的主要目标。系统通过与各机台梳棉机的自调匀整控制单元通讯, 不断采集包括棉条厚度信号在内的各种数据。网络主机的另一个串行口与用户实验室用于称量生条重量的电子秤相连。纺织厂为控制质量一般每班要进行1次～2次棉条重量称重, 电子秤在称量的同时将棉条的重量自动输入到计算机数据库中, 控制系统依据计算机数据库中棉条的重量数据进行计算和分析。当生条重量出现较小的偏差时, 系统通过网络自动修订对应梳棉机台的生条定量设定值, 使梳棉机组的生条重量稳定, 并减小台间差异。同时监测梳棉机组中所有机台生条波动规律, 当发现生条波动异常或者频繁的机台时, 可发出预警信号提示进行设备检查、保养。
清梳联设备生产管理的智能化是数字化、网络化技术的一种延伸。清梳联智能控制系统中所有机台均设有以太网模块, 通过工业以太网对清梳联机组进行组网。生产中, 清梳联智能控制系统对所有设备的生产运行数据进行汇总, 再通过数据线连接到控制室计算机上, 如果有多条清梳联生产线, 可通过交换机将所有总控柜数据送至计算机。在控制室计算机使用端, 生产管理智能系统对采集到的实时数据进行分类存储、处理, 按用户需求形成各种产量、质量、工艺等生产运行报表, 供生产调度、工艺、统计、财务及设备管理使用。另一方面, 用户可以在监控室内通过计算机对联网所有清梳联机组的运行情况进行实时监控, 在企业局域网内, 可通过登录客户端, 经授权后对设备运行情况进行查看。离开企业局域网范围, 在异地可以互联网使用VPN代理登录等方法用IE浏览器了解设备的运行状况, 查询报表及历史数据。同时也通过互联网为用户进行远程故障诊断和维护。
清梳联生产线的智能化是一场新的技术变革, 使清梳联制造、使用不再局限于机械自动方面, 它是一项复杂的系统工程, 涵盖信号传感与检测技术、信息与互联网技术、数据库与建模技术、应用软件与人机交互技术、自动化与智能化技术等多种技术交汇, 制造者和使用者对其研究和应用均处在初级阶段, 这就要求双方携起手来, 优先研究和解决具有基础的共性问题, 逐步完善提高。
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