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案例详细
标题我国纺织机械自动化技术的现状及发展趋势
技术领域PLC&PAC
行业
简介
内容

    吕渭贤（1937—）
男，原纺织工业部高级工程师，曾任中国纺织工程学会自动化专业委员会主任、纺机专业委员会副主任。

1     前言

    我国纺织工业从纺织大国向纺织强国迈进，纺织工业的结构调整和产业升级，必须依靠科技进步，依靠先进的技术装备。

    纺织机械的发展，将紧紧围绕纺织工业的结构调整和产业升级，围绕建设纺织强国的宏伟目标进行。
中国的巨大纺织机械市场，国际上知名的纺织机械制造厂如德国、意大利、瑞士、日本等国的厂商纷纷在中国各地投资建厂。

    提高纺织机械整机性能的途径，由于机械本身的局限性，因此国际和国内制造厂商都把重点放在从自动化方面入手的提升。

    上世纪九十年代，我国纺织机械行业积极推行以电子信息技术改造传统纺织机械，推广应用PLC、变频器、计算机控制等自动化技术，应用了自动化技术后使得设备的机构简化、性能改善，提高了机器的速度和生产效率，保证了产品质量，操作更为方便，提升了设备的档次和水平。

2     我国纺织机械行业自动化技术的现状，主要应用的自动化技术

    2.1   控制系统

    2.1.1 PLC的应用

    目前纺机行业已普及应用PLC技术。纺纱设备从清花到络筒机，织造设备从整经到天梭织机、染整设备从烧毛到后整理、化纤设备从纺织到后处理联合机，均用了这项技术。

    纺织机械上采用的PLC，90%以上为小型机，多数设备为一台机器用一台PLC，少数设备用一台PLC为主站，多数PLC为从站，构成PLC网络。纺织机械制造厂在近几年内采购的配套用PLC，年均为7万套以上。整个纺织行业包括纺织企业的公用工程等使用的PLC，年需求量在11万套以上的水平。

    2.1.2现场总线技术的应用

    现场总线技术对于纺织机械行业的主要作用是通过高速的总线技术，不断的进行数据交换，做到多单元的高速同步，实现较复杂的轴与轴之间的运动关系。目前已有较多设备应用了现场总线技术，例如清花和梳棉的联合机、并条机、精梳机、粗纱机、细纱机、自动络筒机、分条整经机、浆纱机、剑杆织机、喷气织机、退煮漂联合机、丝光机、连续染色机、印花机、定型机、化纤的长丝和短丝生产线设备等。

    纺织设计选用的现场总线，目前比较集中于两种总线，纺纱机织造设备多数采用CANBUS，染整机化纤设备多数采用PROFIBUS、MOSBUS、POWERLINK等亦有应用，工业以太网在大型联合机或成套设备上应用。

    2.2   传动控制

    2.2.1 变频器的应用

    纺织机械上所使用的变频器分为通用变频器和专用变频器，纺织机械制造厂每年需购约10万台通用变频器为主机配套，多数选用国外品牌，国产变频器的市场占有率极低。诸如储纬器、槽筒等使用的专用变频器需求量也较大，每年的市场需求量也在几万台左右。整个纺织行业包括纺织企业用于公用工程水泵、风机等用的变频器，年需求量在20万台以上的水平。

    2.2.2 无刷直流电机和开关磁阻电机的应用

    无刷直流电机、开关磁阻电机（SR电机）的优越性正在目前的纺织生产中凸现出来，这两种电机有良好启动性能和制动性能。无刷直流电机可以做到体积小，适用于某些纺织设备的技术要求，例如用于各类络筒机的槽筒单锭直接联接，取得良好的效果，很有发展空间。开关磁阻电机适用于剑杆织机、喷气织机的高起动力矩的要求，若能为这两种机器配套市场容量在万台以上。两种电机的驱动器是技术关键，国内厂商起步晚，尚需进一步完善。

    2.3   运动控制

    2.3.1 交流伺服的应用

    采用电子传动轴取代机械轴已成为纺织机械发展的新趋势，纺机用伺服系统有多种类型，如电子凸轮、电子齿轮、电子轴等。通过采用独立驱动的伺服系统，计算机控制达到高精度的凸轮曲线控制、送经控制、卷取控制、欠伸倍数控制、位移控制等目的。目前已有细纱机、精梳机、络丝机、捻线机等设备采用了电子凸轮替代机械凸轮；剑杆织机、喷气织机、经编机等设备采用电子送经和电子卷取替代机械送经和机械卷取；并条机、粗纱机、细纱机、花色捻线机等设备采用电子齿轮替代机械齿轮，实现电子欠伸，控制欠伸倍数；分条整经机、圆网印花机、平网印花机等设备用于位置控制。因此纺织机械应用伺服系统是近几年来发展最快的技术之一，将具有很大的发展空间。

    2.3.2步进电机的应用

    纺织生产工艺中对纱线张力控制是十分重要。步进电机在纺织机械上多数用于调节纱线张力大小，控制张力盘的位移，如络筒机、并纱机、天梭织机、针织机等设备；亦有用步进电机控制织机多色选纬。步进电机的应用面没有伺服系统那么广。

    2.4   人机界面（HMI）的应用

    人机界面技术与PLC的应用成为姐妹产品，随着PLC应用而发展。在我国纺织机械行业的使用量与PLC相接近，目前以采用文本式显示方式占较大比重。在高档的设备上选用触摸屏人机界面，例如精梳联合机、机电一体化粗纱机、集聚纺细纱机、多单元传动浆纱机、高档的天梭织机、平网和圆网印花机、拉幅定型机、化纤纺丝和后加工联合机、非织造布设备等。

3     纺织机械自动化发展的主要成就

    3.1   自动化系统造价比利上升

    自动化技术的应用，使其占主机造价的比重逐步上升，目前占主机造价20%左右的机器已有相当一部分，其中带有自调匀整的并条机，其自动化系统占主机造价达50%；新型自动络筒机，其自动化系统占主机造价达35~40%。

    3.2   典型设备自动化系统的特点及效果

    3.2.1 机电一体化粗纱机

    国产新型机电一体化粗纱机的控制系统，多家机械制造厂各自设计了自己的方案，基本上由三种，即IPC+PLC+4台变频器方案；IPC+PLC+4台变频器方案和交流伺服组合方案； PLC+4台变频器方案。通过CAN总线进行通信。

    通过CCD传感器取消了传统复杂的机械式锥轮变速器成形装置，通过计算机控制系统实现了对罗拉、锭翼、龙筋升降、筒管卷绕四个部件的分别控制并协调同步进行，控制性能都达到理想的效果。由于大大简化了设备的机械结构，提高了机器速度和生产效率，减少了粗纱断头，产品质量好。计算机储存多品种最佳工艺，更换品种方便。控制系统的技术水平达到了国外同类产品的先进水平。

    3.2.2 自动络筒机

    新一代自动络筒机的控制系统方案，全机有60个锭位，每个锭位设计采用一个单锭位控制器，控制每个锭位工台无刷直流电机和4台步进电机或控制一台无刷直流和6台步进电机，上位计算机对全机60个单锭控制器通过CAN总线进行通信和监控。新机的特点已多电机直接传动各种动作取代复杂的机械动作，机械零件大大减少，机器的造价比老机反而降低，一般可降低15~20%。

    3.2.3 七单元传动的浆纱机

    控制系统采用IPC+PLC通过PROFIBUS总线通信，实现对织轴、拖引辊、烘房、上浆辊、引纱辊的7台变频器或7台交流伺服进行控制，保持7台电机的同步运行和织轴的恒线速、恒张力卷绕，新机取消了传统的长边轴传动和PIV机械无极变速器，简化了机械结构。通过计算机有效控制伸长率、卷绕张力、回潮率、温度等工艺参数，成品质量好，有利于后道织造工序的稳定高效生产。控制系统的技术水平达到国外同速产品的先进水平。

    3.2.4 圆网印花机

    控制系统采用PCC控制器通过Powerlink总线通信，实现对16台交流伺服和多台变频器进行控制（16只圆网，每只圆网用一台交流伺服电机单独传动；印花导带、烘房传动、进出布架、风机等用变频器）。其效果是提高了对花精度，保证了印花质量，减少了次品，工艺调节和对花操作十分方便。

    3.2.5 涤纶短纤维后处理成套设备

    日产100吨、150吨、200吨大容量涤纶短纤维后处理成套设备采用大型变频传动系统，变频系统采用共用直流母线方式，变频系统总装机容量达1700kW~5000 kW，控制系统采用PROFIBUS总线，分布式的传动控制和现场I/O结构，与中央控制室上位机连接采用工业一台网。其效果是对生产线的牵伸比、温度、压力等工艺参数实现精确控制，保证了产品质量。采用多电机分部传动方案取代长边轴传动，先进合理，而且制造成本降低。

4     纺织机械自动化技术发展水平与国际的主要差距

    4.1   连续生产技术的差距

    国产棉纺设备，基本上以单机生产方式，成套新设备万锭用工150人。国际上先进的纺纱机实现了全流程连续化生产，万锭用工30~60人。连续化生产技术除清梳联国内已批量生产外，尚待开发条筒、粗纱和精梳棉卷的自动输送、粗纱和细纱的自动落纱、细络联等新型设备，在这些设备对自动化技术提出更高的要求。

    4.2   智能化控制技术的差距

    国产设备的智能化水平低。国际上知名公司如瑞士立达公司RSB-D401型并条机实现匀整作用点的自动寻优调节系统；德国TRUSCHLER公司的TD03型梳棉机除尘调节系统，自动辨别落棉中的杂质，调节除尘刀的最佳位置；日本丰田公司的喷气织机具有专家织造工艺系统。这类智能化控制技术，目前国内尚属缺门。

    4.3   专用控制器的差距

    国外纺机制造商为了保持自己的知识产权和降低控制系统的成本，对于年生产量大的设备，开发专用控制器（嵌入式系统），例如瑞士立达公司的成套纺纱设备全用自己开发的专用控制器；国外生产剑杆织机、喷气织机的大公司也都有自己的专用控制器。国内主要纺织设备例如细纱机、梳棉机年产量达万台以上，精梳机、并条机、粗砂机等年产量在数千台水平，其配套用控制器均选用PLC；国产剑杆织机、喷气织机生产规模都在数千台，仅部分设备采用专用控制器。其原因是采用PLC控制，系统可靠性高，纺机企业无能力开发专用控制器，只有选用PLC。即使与国内自动化厂商合作开发专用变频器，往往因可靠性差，进展受阻。

    4.4   在线检测技术和专用控制装置的差距

    国产纺机在线检测技术与国际的差距较大，尤其是印染设备。由于印染工艺参数和被测对象种类多，液体规模大，成份复杂和工作环境恶劣等原因，在线检测技术开发难度大，加之开发费用高以及传感器需要进口等原应，国产在线检测技术与设备的总体水平远落后于进口设备。印染加工中的化学品不能精确控制投放，造成严重污染，产品质量无法及时反馈调整，使得工艺稳定性与重现性差，造成最终产品质量的不稳定。

    在棉纺机设备上国内已有一批在线检测和专用控制装置，但尚有许多缺门和未形成商品的专用控制装置，例如自动络筒机纱线张力检测、棉网疵点检测、织物疵点检测、针织物疵点检测、压电陶瓷电子选针器等。若用进口检测和控制装置配套，其价格很贵，使整机价格大大提高，用户难以接受。

    4.5   生产信息监测和管理的差距

    国内纺织设备的自动化应用主要局限在单机控制层，还未能将现场分散信息集成，提供有效的管理信息，企业存在着很多信息孤岛，大部分设备无通讯接口。而国外设备不仅带有通讯接口，各知名设备制造商都可提供设备联网的管理软件。

5     国产纺织机械自动化技术的发展趋势

    自动化技术从单机控制向工厂自动化（FA）、系统自动化方面发展，将整个工厂作为一个系统实现自动化，目标是实现企业的最佳经济效益。纺织企业为达到最佳经济效益，势必对纺织机械制造商提出更多、更高的要求，纺织机械的自动化技术将由单机控制发展到系统自动化。智能化、网络化、信息化成为未来纺织机械控制系统的主要趋势。值得行业内共同关注的几项技术是：

    5.1   集成自动化技术在纺织企业中的应用

    管控一体化的概念早在多年前就已被提出。德国西门子公司五六年前提出全集成自动化(TIA)，大多数的工业用户并没有意识到这样的解决方案能为他们带来什么好处。而现在，已经有越来越多的工厂意识到TIA从成本和效率方面为其带来的收益。我国纺织工厂目前状况一是招工难，二是用人成本越来越高，原有的低价劳动力优势将不复存在。企业对减少用工已提上日程，因此势必对TIA的认识将逐步深入，对纺织机械自动化提出新要求，集成自动化将成为纺织机制造商未来发展的新趋势。

    5.2   嵌入式产品在纺织机械上的发展
   
    嵌入式产品是从“量体裁衣”的方式把所需要的功能嵌入到应用系统的设备中，它抛弃了很多其他通用产品中多余的功能，可谓功能适用、够用。因为嵌入式系统没有多余的配置，应用的又是新技术，成本肯定会比同类产品低。业内专家指出，采用嵌入式技术定制的专用控制设备的成本仅为通用PLC的三分之一。这正是纺织机械所要求的，特别对那些面广量大的设备来说，发展嵌入式产品非常必要。

    5.3   机器视觉技术在纺织机械上的应用

    机器视觉技术是集光、电、机械、摄像、计算机技术于一体的智能系统。国内纺机行业应用机器视觉技术刚起步，例如清花异纤检测系统开始批量生产，印花机的精确对花系统已研发成功。而国外已有更多的应用机器视觉技术的产品在纺织企业应用，如棉网疵点检测系统、织机在线布面疵点检测系统、针织机疵点检测系统、自动验布机、光电整纬装置等，这些新产品目前国内尚属缺门。由于国内纺机行业缺乏机器视觉应用开发人才，因此进展慢。

    5.4   无线通讯技术在纺织工业中的应用

    对我国纺织企业来说，设备联网、信息集成、有线通讯技术尚未普及，现在提无线通讯是否为时过早。但必须看无线通讯带来的好处，国际自2000年以来，无线技术在工业自动化领域的应用得到了突飞猛进的发展，无线通讯不一定能取代有线通讯，但一定能作为其有效的补充。国外纺织行业已有BACO公司的织造车间无线监控系统在使用，SAVIO公司的转杯纺纱机和门富子公司的热定型机有手持操纵终端与机器控制联网产品。不排除今后几年无线技术在纺织行业中推广，帮助实现工业自动化更多的功能。