新一代聚酯纖維智能制造關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向及展望

張 紅

（中國(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司 生物源纖維制造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100025）

1 引言

聚酯纖維是最重要的紡織原料。我國(guó)聚酯纖維工業(yè)始于1958年，經(jīng)過(guò)60 多年的發(fā)展，產(chǎn)量已接近全球總產(chǎn)量的80%，超過(guò)中國(guó)紡織纖維加工總量的70%。盡管我國(guó)聚酯纖維產(chǎn)品規(guī)模龐大，但同質(zhì)化嚴(yán)重，高功能產(chǎn)品比重小、品種少、品質(zhì)不能滿足國(guó)際市場(chǎng)高端要求，造成了聚酯纖維產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性過(guò)剩，行業(yè)利潤(rùn)率較低。同時(shí)，受到發(fā)達(dá)國(guó)家利用“再工業(yè)化”戰(zhàn)略在高端領(lǐng)域形成新優(yōu)勢(shì)，以及新興發(fā)展中國(guó)家憑借成本、資源等優(yōu)惠條件擠占中低端產(chǎn)品市場(chǎng)份額，我國(guó)聚酯纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨“雙重?cái)D壓”。

新一代聚酯纖維是指具有高品質(zhì)、高功能、低消耗和低排放特征的差別化纖維，不僅是指纖維的性能、狀態(tài)的特性，如阻燃、導(dǎo)電、抗菌等。同時(shí)強(qiáng)調(diào)纖維的可再生原料來(lái)源和制造過(guò)程的低能耗、低排放、柔性化、智能化。當(dāng)前，新一代聚酯纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)以提升聚酯纖維綠色制造、智能制造水平為主線，推動(dòng)信息化和工業(yè)化深度融合，形成面向用戶的快速響應(yīng)機(jī)制，構(gòu)建高效率的產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，帶動(dòng)以聚酯纖維為核心的整體產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)入全球價(jià)值鏈中高端，增強(qiáng)我國(guó)聚酯纖維企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

2 新一代聚酯纖維智能制造發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

2.1 當(dāng)前我國(guó)化纖行業(yè)智能制造發(fā)展現(xiàn)狀

以工業(yè)和信息化部發(fā)布的《紡織工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》為契機(jī)，我國(guó)化纖行業(yè)智能制造發(fā)展取得長(zhǎng)足進(jìn)步。主要體現(xiàn)在：一是智能化裝備和工藝廣泛應(yīng)用。一些化纖企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”，生產(chǎn)過(guò)程控制部分實(shí)現(xiàn)“智能化聯(lián)動(dòng)”。二是部分企業(yè)在設(shè)備互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)一定突破。在工信部組織開(kāi)展的智能制造試點(diǎn)示范專項(xiàng)行動(dòng)推動(dòng)下，部分化纖企業(yè)自動(dòng)化、智能化水平都有相當(dāng)程度提升，并形成了較好的行業(yè)示范效應(yīng)。例如，新鳳鳴集團(tuán)作為首家實(shí)現(xiàn)滌綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)5G智能化升級(jí)的企業(yè)，在內(nèi)外系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)“精準(zhǔn)化傳輸”，生產(chǎn)監(jiān)測(cè)方面實(shí)現(xiàn)“精益化管理”，倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)“無(wú)人化作業(yè)”等。三是智能化制造技術(shù)的應(yīng)用提升了行業(yè)生產(chǎn)效率。一些企業(yè)利用數(shù)控、智能化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從紡絲、假捻變形到絲餅檢驗(yàn)分級(jí)、包裝、倉(cāng)儲(chǔ)全流程自動(dòng)化、信息化，提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)中國(guó)化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，在智能制造試點(diǎn)示范專項(xiàng)行動(dòng)中，示范企業(yè)2015年實(shí)現(xiàn)絲餅數(shù)字化精密卷繞成型，紡絲卷繞加彈生產(chǎn)流程數(shù)字化控制；卷繞滿筒率達(dá)到98%，等級(jí)判定精確度達(dá)到98，產(chǎn)品質(zhì)量提高10%，經(jīng)濟(jì)效益提高20%。

2.2 新一代聚酯纖維智能制造發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，發(fā)達(dá)國(guó)家知名化纖企業(yè)除在高端纖維制造及其新產(chǎn)品研發(fā)方面具有技術(shù)、裝備和品牌等傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)外，還高度重視智能制造水平提升，積極按照各自國(guó)家的智能制造戰(zhàn)略推進(jìn)化纖業(yè)的智能制造升級(jí),在關(guān)鍵技術(shù)方面體現(xiàn)了“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的優(yōu)勢(shì)。

1.設(shè)備智能化。國(guó)際知名化纖企業(yè)加大研發(fā)投入，研制出一批智能化核心部件，重點(diǎn)突破高檔數(shù)控系統(tǒng)、可編程邏輯控制器（PLC）等工業(yè)控制部件，以及高性能伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、高精密減速器等伺服傳動(dòng)部件，還有一些激光傳感器等測(cè)控部件，大幅提高了生產(chǎn)設(shè)備的精確度和可靠性。

2.過(guò)程信息化。聚酯纖維制造具有明顯的“離散+流程”型生產(chǎn)特征，整體流程設(shè)備多、環(huán)節(jié)多。傳統(tǒng)制造模式缺乏設(shè)備之間、設(shè)備與人員之間的聯(lián)動(dòng)和協(xié)同。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)發(fā)展，特別是基于 IPv6、4G/5G移動(dòng)通信、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用，國(guó)際知名化纖企業(yè)推動(dòng)積極打造基于互聯(lián)互通的覆蓋產(chǎn)品全生命周期的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、高吞吐量存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)索引、查詢優(yōu)化并進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)工藝控制、故障診斷和質(zhì)量保障等過(guò)程的“智能化”。

3.生產(chǎn)柔性化。國(guó)際知名化纖企業(yè)利用新一代的網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)，將產(chǎn)品個(gè)性化需求和生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)相銜接，建立基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。數(shù)字化的控制技術(shù)保障產(chǎn)品個(gè)性化、差異化的小批量等多品種生產(chǎn)模式，以及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。

4.管理集約化。以“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”實(shí)現(xiàn)研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營(yíng)管理、成本核算、市場(chǎng)營(yíng)銷等各個(gè)環(huán)節(jié)的融合，提高監(jiān)測(cè)追溯、預(yù)測(cè)維修、質(zhì)量控制、能源管理、目標(biāo)客戶評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)管控等智能化服務(wù)能力。

2.3 小結(jié)

與發(fā)達(dá)國(guó)家知名高端纖維智能化制造發(fā)展對(duì)標(biāo)，我國(guó)新一代聚酯纖維智能制造發(fā)展仍處于初級(jí)階段。特別是在以“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的纖維加工過(guò)程全流程數(shù)字化智能化集成方面任重道遠(yuǎn)。在綜合應(yīng)用ERP、MES 系統(tǒng)，綜合利用工業(yè)大數(shù)據(jù)，推進(jìn)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化、生產(chǎn)過(guò)程控制、設(shè)備監(jiān)控和產(chǎn)品質(zhì)量追溯等生產(chǎn)管理與決策的信息化綜合集成等方面，與國(guó)際高端纖維制造企業(yè)相比有明顯差距。

為此，促進(jìn)纖維加工過(guò)程全流程數(shù)據(jù)信息綜合集成，實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信，提供生產(chǎn)過(guò)程分析、產(chǎn)品質(zhì)量追溯及預(yù)測(cè)、在線優(yōu)化調(diào)整等智能系統(tǒng)的應(yīng)用是化纖產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵。

3 新一代聚酯纖維智能制造關(guān)鍵技術(shù)特征及內(nèi)容

化纖產(chǎn)業(yè)特別是新一代聚酯纖維智能制造涉及到數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、分類檢測(cè)識(shí)別、質(zhì)量追溯優(yōu)化等方面。重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)聚合、紡絲、加彈、包裝、倉(cāng)儲(chǔ)物流過(guò)程的設(shè)備參數(shù)及過(guò)程信息互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù)采集，建立質(zhì)量關(guān)聯(lián)模型和高品質(zhì)功能聚酯纖維智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)制造與應(yīng)用過(guò)程信息流閉環(huán)反饋及產(chǎn)品質(zhì)量可追溯，以及工藝參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)和故障遠(yuǎn)程診斷。關(guān)鍵技術(shù)主要涉及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字管理系統(tǒng)質(zhì)量追溯系統(tǒng)等。

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。構(gòu)建產(chǎn)品全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)全流程網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分下列三級(jí)：廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)、主干控制網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備組控制網(wǎng)絡(luò)（見(jiàn)圖1）。包括以下三部分：設(shè)備組控制網(wǎng)絡(luò)連接到設(shè)備組監(jiān)控中心；設(shè)備組監(jiān)控中心通過(guò)主干控制網(wǎng)絡(luò)/廣域網(wǎng)連接到中央監(jiān)控中心；中央監(jiān)控中心通過(guò)廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)與ERP 系統(tǒng)連接。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

中央監(jiān)控中心建立數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按生產(chǎn)批號(hào)、時(shí)間、設(shè)備分類，生產(chǎn)批次又與產(chǎn)品標(biāo)碼掛鉤，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與相關(guān)參數(shù)匹配。

2.數(shù)字管理系統(tǒng)。通過(guò)建立ERP管理系統(tǒng)，搭建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)平臺(tái)通過(guò)API、OPC、DDE、Modbus、Profibus 等多種數(shù)據(jù)服務(wù)方式實(shí)現(xiàn)和不同廠家的集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程控制器（PLC）、電氣設(shè)備（SCADA）、環(huán)境檢測(cè)設(shè)備等過(guò)程控制層的控制系統(tǒng)、設(shè)備、數(shù)據(jù)平臺(tái)以及智能儀表等的連接通訊及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)DCOM 接口、TCP/IP 高級(jí)接口、SOAP 接口等實(shí)現(xiàn)各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的集成。

ERP 管理系統(tǒng)將控制畫(huà)面、數(shù)據(jù)信息、設(shè)備狀況等通過(guò)可視化平臺(tái)推送給相關(guān)工作人員（ERP 模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2）。異地的科研人員、設(shè)備廠服務(wù)人員可在相應(yīng)的界面中進(jìn)行對(duì)工藝或設(shè)備的相關(guān)操作。系統(tǒng)也可將庫(kù)存、產(chǎn)品、生產(chǎn)情況發(fā)給外地的管理者，使其便捷地了解情況。

圖2 ERP 模塊結(jié)構(gòu)

3.質(zhì)量追溯系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）。通過(guò)ERP、MES、CAPP 等基礎(chǔ)信息系統(tǒng)，獲取生產(chǎn)過(guò)程中的人員、工藝、檢驗(yàn)、設(shè)備、配套件等數(shù)據(jù)，是質(zhì)量追溯的策劃、執(zhí)行、評(píng)價(jià)和改進(jìn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在集成數(shù)據(jù)信息平臺(tái)的基礎(chǔ)上，采用分層結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)模型層、追溯方法層、狀態(tài)指標(biāo)與追溯結(jié)果層及客戶端層。其中數(shù)據(jù)采集層是質(zhì)量追溯系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，帶有與基礎(chǔ)信息系統(tǒng)的接口，采集方法主要有兩種：一是通過(guò)與其他系統(tǒng)的接口抓取或?qū)胄枰臄?shù)據(jù)；二是采集未包含在基礎(chǔ)信息系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，采集方式以二維條碼、RFID 等自動(dòng)識(shí)別技術(shù)為主。數(shù)據(jù)模型層按照產(chǎn)品質(zhì)量信息模型將數(shù)據(jù)采集層采集的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一進(jìn)行轉(zhuǎn)換、整理和關(guān)聯(lián)，使這些數(shù)據(jù)集合成為能夠被追溯方法層直接應(yīng)用。追溯方法層為質(zhì)量追溯系統(tǒng)提供追溯的原理和策略，主要包括產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的追蹤策略、產(chǎn)品試驗(yàn)信息追溯策略及配套件質(zhì)量信息追溯策略等算法。狀態(tài)指標(biāo)與追溯結(jié)果層包含了質(zhì)量溯源判斷的依據(jù)及溯源結(jié)果。客戶端層提供了對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量追溯系統(tǒng)的操作接口，用戶通過(guò)客戶端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚酯長(zhǎng)絲產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的信息查詢、對(duì)質(zhì)量事故的溯源、狀態(tài)指標(biāo)的設(shè)定等操作。

圖3 質(zhì)量追溯系統(tǒng)總體架構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)和展望

在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略實(shí)施以及和以5G 基建、大數(shù)據(jù)中心、人工智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為代表的新基建的蓬勃發(fā)展下，中國(guó)化纖行業(yè)特別是以新一代聚酯纖維為代表的高端功能纖維智能制造面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

盡管我國(guó)化纖行業(yè)智能化發(fā)展取得較大進(jìn)步，為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)奠定了一定技術(shù)支撐，但也應(yīng)當(dāng)清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)化纖行業(yè)智能化發(fā)展仍處初級(jí)階段，應(yīng)從以下方面加快推進(jìn)：一是加強(qiáng)化纖行業(yè)智能制造的頂層設(shè)計(jì)，特別是建立健全行業(yè)智能制造應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系；二是加快化纖行業(yè)智能制造試點(diǎn)示范力度，推動(dòng)建設(shè)一批產(chǎn)業(yè)集群智能化服務(wù)平臺(tái)，促進(jìn)中小化纖企業(yè)信息化工業(yè)化融合發(fā)展水平；三是加大化纖行業(yè)智能制造多學(xué)科多層次人才培養(yǎng)及儲(chǔ)備。