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呂渭賢（1937—）男，原紡織工業(yè)部高級工程師，曾任中國紡織工程學(xué)會自動化專業(yè)委員會主任、紡機(jī)專業(yè)委員會副主任。
1 前言
我國紡織工業(yè)從紡織大國向紡織強(qiáng)國邁進(jìn)，紡織工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級，必須依靠科技進(jìn)步，依靠先進(jìn)的技術(shù)裝備。
紡織機(jī)械的發(fā)展，將緊緊圍繞紡織工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級，圍繞建設(shè)紡織強(qiáng)國的宏偉目標(biāo)進(jìn)行。
中國的巨大紡織機(jī)械市場，國際上知名的紡織機(jī)械制造廠如德國、意大利、瑞士、日本等國的廠商紛紛在中國各地投資建廠。
提高紡織機(jī)械整機(jī)性能的途徑，由于機(jī)械本身的局限性，因此國際和國內(nèi)制造廠商都把重點(diǎn)放在從自動化方面入手的提升。
上世紀(jì)九十年代，我國紡織機(jī)械行業(yè)積極推行以電子信息技術(shù)改造傳統(tǒng)紡織機(jī)械，推廣應(yīng)用PLC、變頻器、計(jì)算機(jī)控制等自動化技術(shù)，應(yīng)用了自動化技術(shù)后使得設(shè)備的機(jī)構(gòu)簡化、性能改善，提高了機(jī)器的速度和生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，操作更為方便，提升了設(shè)備的檔次和水平。
2 我國紡織機(jī)械行業(yè)自動化技術(shù)的現(xiàn)狀，主要應(yīng)用的自動化技術(shù)
2.1 控制系統(tǒng)
2.1.1 PLC的應(yīng)用
目前紡機(jī)行業(yè)已普及應(yīng)用PLC技術(shù)。紡紗設(shè)備從清花到絡(luò)筒機(jī)，織造設(shè)備從整經(jīng)到天梭織機(jī)、染整設(shè)備從燒毛到后整理、化纖設(shè)備從紡織到后處理聯(lián)合機(jī)，均用了這項(xiàng)技術(shù)。
紡織機(jī)械上采用的PLC，90%以上為小型機(jī)，多數(shù)設(shè)備為一臺機(jī)器用一臺PLC，少數(shù)設(shè)備用一臺PLC為主站，多數(shù)PLC為從站，構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)。紡織機(jī)械制造廠在近幾年內(nèi)采購的配套用PLC，年均為7萬套以上。整個(gè)紡織行業(yè)包括紡織企業(yè)的公用工程等使用的PLC，年需求量在11萬套以上的水平。
2.1.2現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用
現(xiàn)場總線技術(shù)對于紡織機(jī)械行業(yè)的主要作用是通過高速的總線技術(shù)，不斷的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，做到多單元的高速同步，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的軸與軸之間的運(yùn)動關(guān)系。目前已有較多設(shè)備應(yīng)用了現(xiàn)場總線技術(shù)，例如清花和梳棉的聯(lián)合機(jī)、并條機(jī)、精梳機(jī)、粗紗機(jī)、細(xì)紗機(jī)、自動絡(luò)筒機(jī)、分條整經(jīng)機(jī)、漿紗機(jī)、劍桿織機(jī)、噴氣織機(jī)、退煮漂聯(lián)合機(jī)、絲光機(jī)、連續(xù)染色機(jī)、印花機(jī)、定型機(jī)、化纖的長絲和短絲生產(chǎn)線設(shè)備等。
紡織設(shè)計(jì)選用的現(xiàn)場總線，目前比較集中于兩種總線，紡紗機(jī)織造設(shè)備多數(shù)采用CANBUS，染整機(jī)化纖設(shè)備多數(shù)采用PROFIBUS、MOSBUS、POWERLINK等亦有應(yīng)用，工業(yè)以太網(wǎng)在大型聯(lián)合機(jī)或成套設(shè)備上應(yīng)用。
2.2 傳動控制
2.2.1 變頻器的應(yīng)用
紡織機(jī)械上所使用的變頻器分為通用變頻器和專用變頻器，紡織機(jī)械制造廠每年需購約10萬臺通用變頻器為主機(jī)配套，多數(shù)選用國外品牌，國產(chǎn)變頻器的市場占有率極低。諸如儲緯器、槽筒等使用的專用變頻器需求量也較大，每年的市場需求量也在幾萬臺左右。整個(gè)紡織行業(yè)包括紡織企業(yè)用于公用工程水泵、風(fēng)機(jī)等用的變頻器，年需求量在20萬臺以上的水平。
2.2.2 無刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用
無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)（SR電機(jī)）的優(yōu)越性正在目前的紡織生產(chǎn)中凸現(xiàn)出來，這兩種電機(jī)有良好啟動性能和制動性能。無刷直流電機(jī)可以做到體積小，適用于某些紡織設(shè)備的技術(shù)要求，例如用于各類絡(luò)筒機(jī)的槽筒單錠直接聯(lián)接，取得良好的效果，很有發(fā)展空間。開關(guān)磁阻電機(jī)適用于劍桿織機(jī)、噴氣織機(jī)的高起動力矩的要求，若能為這兩種機(jī)器配套市場容量在萬臺以上。兩種電機(jī)的驅(qū)動器是技術(shù)關(guān)鍵，國內(nèi)廠商起步晚，尚需進(jìn)一步完善。
2.3 運(yùn)動控制
2.3.1 交流伺服的應(yīng)用
采用電子傳動軸取代機(jī)械軸已成為紡織機(jī)械發(fā)展的新趨勢，紡機(jī)用伺服系統(tǒng)有多種類型，如電子凸輪、電子齒輪、電子軸等。通過采用獨(dú)立驅(qū)動的伺服系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制達(dá)到高精度的凸輪曲線控制、送經(jīng)控制、卷取控制、欠伸倍數(shù)控制、位移控制等目的。目前已有細(xì)紗機(jī)、精梳機(jī)、絡(luò)絲機(jī)、捻線機(jī)等設(shè)備采用了電子凸輪替代機(jī)械凸輪；劍桿織機(jī)、噴氣織機(jī)、經(jīng)編機(jī)等設(shè)備采用電子送經(jīng)和電子卷取替代機(jī)械送經(jīng)和機(jī)械卷取；并條機(jī)、粗紗機(jī)、細(xì)紗機(jī)、花色捻線機(jī)等設(shè)備采用電子齒輪替代機(jī)械齒輪，實(shí)現(xiàn)電子欠伸，控制欠伸倍數(shù)；分條整經(jīng)機(jī)、圓網(wǎng)印花機(jī)、平網(wǎng)印花機(jī)等設(shè)備用于位置控制。因此紡織機(jī)械應(yīng)用伺服系統(tǒng)是近幾年來發(fā)展最快的技術(shù)之一，將具有很大的發(fā)展空間。
2.3.2步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用
紡織生產(chǎn)工藝中對紗線張力控制是十分重要。步進(jìn)電機(jī)在紡織機(jī)械上多數(shù)用于調(diào)節(jié)紗線張力大小，控制張力盤的位移，如絡(luò)筒機(jī)、并紗機(jī)、天梭織機(jī)、針織機(jī)等設(shè)備；亦有用步進(jìn)電機(jī)控制織機(jī)多色選緯。步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用面沒有伺服系統(tǒng)那么廣。
2.4 人機(jī)界面（HMI）的應(yīng)用
人機(jī)界面技術(shù)與PLC的應(yīng)用成為姐妹產(chǎn)品，隨著PLC應(yīng)用而發(fā)展。在我國紡織機(jī)械行業(yè)的使用量與PLC相接近，目前以采用文本式顯示方式占較大比重。在高檔的設(shè)備上選用觸摸屏人機(jī)界面，例如精梳聯(lián)合機(jī)、機(jī)電一體化粗紗機(jī)、集聚紡細(xì)紗機(jī)、多單元傳動漿紗機(jī)、高檔的天梭織機(jī)、平網(wǎng)和圓網(wǎng)印花機(jī)、拉幅定型機(jī)、化纖紡絲和后加工聯(lián)合機(jī)、非織造布設(shè)備等。
3 紡織機(jī)械自動化發(fā)展的主要成就
3.1 自動化系統(tǒng)造價(jià)比利上升
自動化技術(shù)的應(yīng)用，使其占主機(jī)造價(jià)的比重逐步上升，目前占主機(jī)造價(jià)20%左右的機(jī)器已有相當(dāng)一部分，其中帶有自調(diào)勻整的并條機(jī)，其自動化系統(tǒng)占主機(jī)造價(jià)達(dá)50%；新型自動絡(luò)筒機(jī)，其自動化系統(tǒng)占主機(jī)造價(jià)達(dá)35~40%。
3.2 典型設(shè)備自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)及效果
3.2.1 機(jī)電一體化粗紗機(jī)
國產(chǎn)新型機(jī)電一體化粗紗機(jī)的控制系統(tǒng)，多家機(jī)械制造廠各自設(shè)計(jì)了自己的方案，基本上由三種，即IPC+PLC+4臺變頻器方案；IPC+PLC+4臺變頻器方案和交流伺服組合方案； PLC+4臺變頻器方案。通過CAN總線進(jìn)行通信。
通過CCD傳感器取消了傳統(tǒng)復(fù)雜的機(jī)械式錐輪變速器成形裝置，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對羅拉、錠翼、龍筋升降、筒管卷繞四個(gè)部件的分別控制并協(xié)調(diào)同步進(jìn)行，控制性能都達(dá)到理想的效果。由于大大簡化了設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)器速度和生產(chǎn)效率，減少了粗紗斷頭，產(chǎn)品質(zhì)量好。計(jì)算機(jī)儲存多品種最佳工藝，更換品種方便。控制系統(tǒng)的技術(shù)水平達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。
3.2.2 自動絡(luò)筒機(jī)
新一代自動絡(luò)筒機(jī)的控制系統(tǒng)方案，全機(jī)有60個(gè)錠位，每個(gè)錠位設(shè)計(jì)采用一個(gè)單錠位控制器，控制每個(gè)錠位工臺無刷直流電機(jī)和4臺步進(jìn)電機(jī)或控制一臺無刷直流和6臺步進(jìn)電機(jī)，上位計(jì)算機(jī)對全機(jī)60個(gè)單錠控制器通過CAN總線進(jìn)行通信和監(jiān)控。新機(jī)的特點(diǎn)已多電機(jī)直接傳動各種動作取代復(fù)雜的機(jī)械動作，機(jī)械零件大大減少，機(jī)器的造價(jià)比老機(jī)反而降低，一般可降低15~20%。
3.2.3 七單元傳動的漿紗機(jī)
控制系統(tǒng)采用IPC+PLC通過PROFIBUS總線通信，實(shí)現(xiàn)對織軸、拖引輥、烘房、上漿輥、引紗輥的7臺變頻器或7臺交流伺服進(jìn)行控制，保持7臺電機(jī)的同步運(yùn)行和織軸的恒線速、恒張力卷繞，新機(jī)取消了傳統(tǒng)的長邊軸傳動和PIV機(jī)械無極變速器，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過計(jì)算機(jī)有效控制伸長率、卷繞張力、回潮率、溫度等工藝參數(shù)，成品質(zhì)量好，有利于后道織造工序的穩(wěn)定高效生產(chǎn)。控制系統(tǒng)的技術(shù)水平達(dá)到國外同速產(chǎn)品的先進(jìn)水平。
3.2.4 圓網(wǎng)印花機(jī)
控制系統(tǒng)采用PCC控制器通過Powerlink總線通信，實(shí)現(xiàn)對16臺交流伺服和多臺變頻器進(jìn)行控制（16只圓網(wǎng)，每只圓網(wǎng)用一臺交流伺服電機(jī)單獨(dú)傳動；印花導(dǎo)帶、烘房傳動、進(jìn)出布架、風(fēng)機(jī)等用變頻器）。其效果是提高了對花精度，保證了印花質(zhì)量，減少了次品，工藝調(diào)節(jié)和對花操作十分方便。
3.2.5 滌綸短纖維后處理成套設(shè)備
日產(chǎn)100噸、150噸、200噸大容量滌綸短纖維后處理成套設(shè)備采用大型變頻傳動系統(tǒng)，變頻系統(tǒng)采用共用直流母線方式，變頻系統(tǒng)總裝機(jī)容量達(dá)1700kW~5000 kW，控制系統(tǒng)采用PROFIBUS總線，分布式的傳動控制和現(xiàn)場I/O結(jié)構(gòu)，與中央控制室上位機(jī)連接采用工業(yè)一臺網(wǎng)。其效果是對生產(chǎn)線的牽伸比、溫度、壓力等工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。采用多電機(jī)分部傳動方案取代長邊軸傳動，先進(jìn)合理，而且制造成本降低。
4 紡織機(jī)械自動化技術(shù)發(fā)展水平與國際的主要差距
4.1 連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)的差距
國產(chǎn)棉紡設(shè)備，基本上以單機(jī)生產(chǎn)方式，成套新設(shè)備萬錠用工150人。國際上先進(jìn)的紡紗機(jī)實(shí)現(xiàn)了全流程連續(xù)化生產(chǎn)，萬錠用工30~60人。連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)除清梳聯(lián)國內(nèi)已批量生產(chǎn)外，尚待開發(fā)條筒、粗紗和精梳棉卷的自動輸送、粗紗和細(xì)紗的自動落紗、細(xì)絡(luò)聯(lián)等新型設(shè)備，在這些設(shè)備對自動化技術(shù)提出更高的要求。
4.2 智能化控制技術(shù)的差距
國產(chǎn)設(shè)備的智能化水平低。國際上知名公司如瑞士立達(dá)公司RSB-D401型并條機(jī)實(shí)現(xiàn)勻整作用點(diǎn)的自動尋優(yōu)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；德國TRUSCHLER公司的TD03型梳棉機(jī)除塵調(diào)節(jié)系統(tǒng)，自動辨別落棉中的雜質(zhì)，調(diào)節(jié)除塵刀的最佳位置；日本豐田公司的噴氣織機(jī)具有專家織造工藝系統(tǒng)。這類智能化控制技術(shù)，目前國內(nèi)尚屬缺門。
4.3 專用控制器的差距
國外紡機(jī)制造商為了保持自己的知識產(chǎn)權(quán)和降低控制系統(tǒng)的成本，對于年生產(chǎn)量大的設(shè)備，開發(fā)專用控制器（嵌入式系統(tǒng)），例如瑞士立達(dá)公司的成套紡紗設(shè)備全用自己開發(fā)的專用控制器；國外生產(chǎn)劍桿織機(jī)、噴氣織機(jī)的大公司也都有自己的專用控制器。國內(nèi)主要紡織設(shè)備例如細(xì)紗機(jī)、梳棉機(jī)年產(chǎn)量達(dá)萬臺以上，精梳機(jī)、并條機(jī)、粗砂機(jī)等年產(chǎn)量在數(shù)千臺水平，其配套用控制器均選用PLC；國產(chǎn)劍桿織機(jī)、噴氣織機(jī)生產(chǎn)規(guī)模都在數(shù)千臺，僅部分設(shè)備采用專用控制器。其原因是采用PLC控制，系統(tǒng)可靠性高，紡機(jī)企業(yè)無能力開發(fā)專用控制器，只有選用PLC。即使與國內(nèi)自動化廠商合作開發(fā)專用變頻器，往往因可靠性差，進(jìn)展受阻。
4.4 在線檢測技術(shù)和專用控制裝置的差距
國產(chǎn)紡機(jī)在線檢測技術(shù)與國際的差距較大，尤其是印染設(shè)備。由于印染工藝參數(shù)和被測對象種類多，液體規(guī)模大，成份復(fù)雜和工作環(huán)境惡劣等原因，在線檢測技術(shù)開發(fā)難度大，加之開發(fā)費(fèi)用高以及傳感器需要進(jìn)口等原應(yīng)，國產(chǎn)在線檢測技術(shù)與設(shè)備的總體水平遠(yuǎn)落后于進(jìn)口設(shè)備。印染加工中的化學(xué)品不能精確控制投放，造成嚴(yán)重污染，產(chǎn)品質(zhì)量無法及時(shí)反饋調(diào)整，使得工藝穩(wěn)定性與重現(xiàn)性差，造成最終產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定。
在棉紡機(jī)設(shè)備上國內(nèi)已有一批在線檢測和專用控制裝置，但尚有許多缺門和未形成商品的專用控制裝置，例如自動絡(luò)筒機(jī)紗線張力檢測、棉網(wǎng)疵點(diǎn)檢測、織物疵點(diǎn)檢測、針織物疵點(diǎn)檢測、壓電陶瓷電子選針器等。若用進(jìn)口檢測和控制裝置配套，其價(jià)格很貴，使整機(jī)價(jià)格大大提高，用戶難以接受。
4.5 生產(chǎn)信息監(jiān)測和管理的差距
國內(nèi)紡織設(shè)備的自動化應(yīng)用主要局限在單機(jī)控制層，還未能將現(xiàn)場分散信息集成，提供有效的管理信息，企業(yè)存在著很多信息孤島，大部分設(shè)備無通訊接口。而國外設(shè)備不僅帶有通訊接口，各知名設(shè)備制造商都可提供設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的管理軟件。
5 國產(chǎn)紡織機(jī)械自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢
自動化技術(shù)從單機(jī)控制向工廠自動化（FA）、系統(tǒng)自動化方面發(fā)展，將整個(gè)工廠作為一個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)企業(yè)的最佳經(jīng)濟(jì)效益。紡織企業(yè)為達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益，勢必對紡織機(jī)械制造商提出更多、更高的要求，紡織機(jī)械的自動化技術(shù)將由單機(jī)控制發(fā)展到系統(tǒng)自動化。智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化成為未來紡織機(jī)械控制系統(tǒng)的主要趨勢。值得行業(yè)內(nèi)共同關(guān)注的幾項(xiàng)技術(shù)是：
5.1 集成自動化技術(shù)在紡織企業(yè)中的應(yīng)用
管控一體化的概念早在多年前就已被提出。德國西門子公司五六年前提出全集成自動化(TIA)，大多數(shù)的工業(yè)用戶并沒有意識到這樣的解決方案能為他們帶來什么好處。而現(xiàn)在，已經(jīng)有越來越多的工廠意識到TIA從成本和效率方面為其帶來的收益。我國紡織工廠目前狀況一是招工難，二是用人成本越來越高，原有的低價(jià)勞動力優(yōu)勢將不復(fù)存在。企業(yè)對減少用工已提上日程，因此勢必對TIA的認(rèn)識將逐步深入，對紡織機(jī)械自動化提出新要求，集成自動化將成為紡織機(jī)制造商未來發(fā)展的新趨勢。
5.2 嵌入式產(chǎn)品在紡織機(jī)械上的發(fā)展
嵌入式產(chǎn)品是從“量體裁衣”的方式把所需要的功能嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)備中，它拋棄了很多其他通用產(chǎn)品中多余的功能，可謂功能適用、夠用。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)沒有多余的配置，應(yīng)用的又是新技術(shù)，成本肯定會比同類產(chǎn)品低。業(yè)內(nèi)專家指出，采用嵌入式技術(shù)定制的專用控制設(shè)備的成本僅為通用PLC的三分之一。這正是紡織機(jī)械所要求的，特別對那些面廣量大的設(shè)備來說，發(fā)展嵌入式產(chǎn)品非常必要。
5.3 機(jī)器視覺技術(shù)在紡織機(jī)械上的應(yīng)用
機(jī)器視覺技術(shù)是集光、電、機(jī)械、攝像、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的智能系統(tǒng)。國內(nèi)紡機(jī)行業(yè)應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)剛起步，例如清花異纖檢測系統(tǒng)開始批量生產(chǎn)，印花機(jī)的精確對花系統(tǒng)已研發(fā)成功。而國外已有更多的應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)的產(chǎn)品在紡織企業(yè)應(yīng)用，如棉網(wǎng)疵點(diǎn)檢測系統(tǒng)、織機(jī)在線布面疵點(diǎn)檢測系統(tǒng)、針織機(jī)疵點(diǎn)檢測系統(tǒng)、自動驗(yàn)布機(jī)、光電整緯裝置等，這些新產(chǎn)品目前國內(nèi)尚屬缺門。由于國內(nèi)紡機(jī)行業(yè)缺乏機(jī)器視覺應(yīng)用開發(fā)人才，因此進(jìn)展慢。
5.4 無線通訊技術(shù)在紡織工業(yè)中的應(yīng)用
對我國紡織企業(yè)來說，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、信息集成、有線通訊技術(shù)尚未普及，現(xiàn)在提無線通訊是否為時(shí)過早。但必須看無線通訊帶來的好處，國際自2000年以來，無線技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，無線通訊不一定能取代有線通訊，但一定能作為其有效的補(bǔ)充。國外紡織行業(yè)已有BACO公司的織造車間無線監(jiān)控系統(tǒng)在使用，SAVIO公司的轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)和門富子公司的熱定型機(jī)有手持操縱終端與機(jī)器控制聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。不排除今后幾年無線技術(shù)在紡織行業(yè)中推廣，幫助實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化更多的功能。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號