基于數(shù)據(jù)流的智能紡紗工廠關(guān)鍵技術(shù)突破及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用
——魏橋紡織股份有限公司

一、企業(yè)概況

魏橋紡織是世界500強(qiáng)——魏橋創(chuàng)業(yè)集團(tuán)控股子公司，是一家從事純棉精梳紗、高支高密坯布及牛仔布的生產(chǎn)及銷售的具有全球競(jìng)爭(zhēng)力的棉紡織企業(yè)。公司始終堅(jiān)持“為國(guó)創(chuàng)業(yè)、為民造?！钡暮诵膬r(jià)值觀，以“創(chuàng)造財(cái)富、造福社會(huì)”為使命，堅(jiān)守“永葆行業(yè)領(lǐng)先、爭(zhēng)當(dāng)行業(yè)先鋒”的愿景，現(xiàn)有職工4.7萬(wàn)，建有鄒平、魏橋、濱州、威海四大生產(chǎn)基地，魏橋紡織綠色智能化分廠，基本實(shí)現(xiàn)“無(wú)人化”生產(chǎn)，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，“魏橋”牌產(chǎn)品以檔次高、質(zhì)量好、規(guī)格全的優(yōu)勢(shì)，覆蓋全球120多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。作為一家上市公司，企業(yè)積極履行社會(huì)責(zé)任，參與社會(huì)公益，嚴(yán)格照章納稅，建立和完善了使職工住有所居，病有所醫(yī)，老有所養(yǎng)的保障體系。

二、主要措施

(一)立項(xiàng)背景

世界經(jīng)濟(jì)正處于從信息經(jīng)濟(jì)向知識(shí)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期。以數(shù)據(jù)為核心驅(qū)動(dòng)的知識(shí)經(jīng)濟(jì)將人、信息空間、物理空間等深度融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、云端化、智能化的知識(shí)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。把知識(shí)作為新的生產(chǎn)要素，以知識(shí)自主形成與已有生產(chǎn)要素的融合作為科技創(chuàng)新重點(diǎn)，以價(jià)值驅(qū)動(dòng)作為產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新核心，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，是未來(lái)中國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)。我國(guó)是世界最大的紡織品生產(chǎn)和出口國(guó)，紡織工業(yè)在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。紡紗是全產(chǎn)業(yè)鏈最基礎(chǔ)工序，將無(wú)序、含雜、多維的纖維材料制成潔凈有序的一維紗線，難度最大、用工最多、管理最繁。由于紡紗生產(chǎn)流程冗長(zhǎng)，現(xiàn)有多家紡紗企業(yè)在建“智能紡紗”工廠，但其基本依賴裝備制造商提供的硬件及軟件、開發(fā)商提供的軟件進(jìn)行拼接組裝，全流程的纖維物流仍存在連接斷點(diǎn)，工藝、裝備的在線數(shù)據(jù)未能得到實(shí)時(shí)獲取，智能化執(zhí)行仍未成體系，故“智能技術(shù)”未能真正授惠于紡紗企業(yè)。

“智能紡紗”是目前紡織產(chǎn)業(yè)解決行業(yè)發(fā)展痛點(diǎn)和瓶頸的主要手段，本項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)有紡紗“智能化”過(guò)程中暴露出來(lái)的系統(tǒng)短板，基于企業(yè)現(xiàn)有裝備體系，在線再建新型的全流程物流、檢測(cè)與監(jiān)控、大數(shù)據(jù)與智能化執(zhí)行三大系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的無(wú)人化，工藝、裝備監(jiān)管的實(shí)時(shí)化，產(chǎn)品質(zhì)量的最優(yōu)化。

(二)主要關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

針對(duì)現(xiàn)有紡紗行業(yè)在智能化浪潮中暴露出來(lái)的系統(tǒng)短板，項(xiàng)目基于企業(yè)現(xiàn)有裝備體系，再建無(wú)縫化纖維物流系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控與響應(yīng)系統(tǒng)、基于高速網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集—分析—追蹤的數(shù)據(jù)流系統(tǒng)，確保生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、高質(zhì)、高效運(yùn)轉(zhuǎn)，如上頁(yè)圖1所示。

圖1 纖維流-檢測(cè)群-數(shù)據(jù)流統(tǒng)籌示意圖

創(chuàng)新點(diǎn)一：全流程無(wú)人化橋接

1.智能化上包技術(shù)

上包過(guò)程要求棉包從分級(jí)室定向運(yùn)輸至抓棉機(jī)包臺(tái)指定位置，該過(guò)程影響原料混合的準(zhǔn)確性。本項(xiàng)目所采用的是自主設(shè)計(jì)的激光導(dǎo)航AGV機(jī)器人，根據(jù)訂單要求生成最優(yōu)配棉方案及排包圖，企業(yè)數(shù)據(jù)中心根據(jù)生產(chǎn)訂單安排計(jì)劃，向AGV小車下達(dá)訂單指令信息，AGV小車自動(dòng)導(dǎo)航至棉包堆放區(qū)域，精準(zhǔn)夾取相應(yīng)批號(hào)的棉包；根據(jù)場(chǎng)地狀況，規(guī)劃最優(yōu)路徑往復(fù)從分級(jí)室?jiàn)A取棉包，放置于抓棉機(jī)的棉包臺(tái)上。該技術(shù)消除了人工操作的隨機(jī)性和隨意性。

2.并粗條筒智能化儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)

并粗工序間至今未有良好的物流解決方案，尤其針對(duì)204錠的超長(zhǎng)錠智能粗紗機(jī)，仍采用人工推運(yùn)等大量用工方案，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還時(shí)常發(fā)生推送出錯(cuò)。項(xiàng)目發(fā)明的條末并與粗紗間條筒運(yùn)輸專用AGV小車，通過(guò)疊加式二次定位，一次性對(duì)多條筒的位置進(jìn)行精準(zhǔn)獲取并批量推送置換(同時(shí)推送4只條筒)，并可根據(jù)粗紗機(jī)的錠數(shù)優(yōu)選空滿筒的置換模式。

3.細(xì)紗管紗按質(zhì)在線分流技術(shù)

細(xì)紗管紗質(zhì)量關(guān)乎整批紗線的質(zhì)量，某一管紗的質(zhì)量跳動(dòng)將影響最終紗線的質(zhì)量判定。管紗在線分流技術(shù)可根據(jù)細(xì)紗錠錠檢測(cè)獲取的質(zhì)量信號(hào)，在線對(duì)每管紗的質(zhì)量進(jìn)行定標(biāo)并寫入管底電子標(biāo)簽。在細(xì)絡(luò)聯(lián)軌道上，管紗質(zhì)量由RFID在線讀取，根據(jù)所帶質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分流，優(yōu)質(zhì)與非優(yōu)質(zhì)紗線進(jìn)行分類絡(luò)筒，品質(zhì)統(tǒng)一的筒紗再進(jìn)入包裝環(huán)節(jié)，保證所有筒紗質(zhì)量完全一致，實(shí)現(xiàn)紗線優(yōu)質(zhì)優(yōu)用的產(chǎn)業(yè)需求。若某一錠位管紗質(zhì)量頻繁出現(xiàn)跳動(dòng)，系統(tǒng)將發(fā)出預(yù)警信號(hào)，大數(shù)據(jù)中心將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)智能調(diào)用技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)。

創(chuàng)新點(diǎn)二：紡紗全流程智能化檢測(cè)與監(jiān)控

1.棉網(wǎng)質(zhì)量在線監(jiān)控技術(shù)

高速梳理后的纖維網(wǎng)中若存有棉結(jié)、雜質(zhì)，將影響最終的紗線質(zhì)量。本項(xiàng)目開發(fā)了高速光電子檢測(cè)技術(shù)：從現(xiàn)有CCD圖象輸入系統(tǒng)誤差引起圖象檢測(cè)信號(hào)失真的原因分析出發(fā)，提出了校正方法的原理和數(shù)學(xué)描述；使用高速線陣CCD為2048*2048像元，最高幀頻速率可達(dá)900幀/s。首先進(jìn)行了圖像還原算法設(shè)計(jì)，找尋到灰度的跳變點(diǎn)，再將跳變點(diǎn)的過(guò)渡區(qū)間進(jìn)行還原；再降噪，滿足了跳躍過(guò)程的圖像壓縮，使其跳躍在2—3個(gè)像素質(zhì)值完成，保證圖像的清晰度。

2.細(xì)紗質(zhì)量在線監(jiān)控技術(shù)

現(xiàn)有環(huán)錠紡質(zhì)量均采用隨機(jī)采樣對(duì)整臺(tái)管紗質(zhì)量進(jìn)行預(yù)估，不但效率極低，還難以捕捉到任意管紗發(fā)生的質(zhì)量隨機(jī)跳動(dòng)，嚴(yán)重影響到整批紗線的使用質(zhì)量。本項(xiàng)目建立了基于紗體視覺(jué)感知，在細(xì)紗機(jī)上使用高速CCD，采用超分辨率圖像重構(gòu)技術(shù)與多元混合結(jié)構(gòu)光，融合結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，利用深度學(xué)習(xí)算法修正模型，實(shí)現(xiàn)細(xì)紗條干CV、棉結(jié)、毛羽等質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。

3.筒紗質(zhì)量在線監(jiān)控技術(shù)

現(xiàn)有筒紗自動(dòng)打包系統(tǒng)基本服務(wù)于單一品種，而當(dāng)前多有小批量多品種訂單，極易發(fā)生錯(cuò)碼現(xiàn)象，造成極大的質(zhì)量事故。項(xiàng)目采用筒紗在線品類讀碼分類、自動(dòng)稱量、體型光電子檢測(cè)等組合檢驗(yàn)技術(shù)，在一條“絡(luò)筒—打包”通道上完成不同筒紗在線品種、品質(zhì)、卷裝質(zhì)量等進(jìn)行檢驗(yàn)再檢測(cè)并分類碼垛，以實(shí)現(xiàn)按品種、質(zhì)量進(jìn)行分類碼垛與包裝貼碼，以保障某一品類筒紗最終質(zhì)量的完全一致。

創(chuàng)新點(diǎn)三：數(shù)據(jù)流行動(dòng)基礎(chǔ)與智能化執(zhí)行

1.基于纖維流的全流程數(shù)據(jù)融合技術(shù)

基于紡織作業(yè)信息系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的項(xiàng)目及屬性，對(duì)多源異構(gòu)裝備、工藝表單、監(jiān)測(cè)時(shí)序、紗線圖像等數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式抽?。粯?gòu)建多源數(shù)據(jù)的集成模型，建立多維度數(shù)據(jù)描述模板、紡紗數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，集成全流程紡紗過(guò)程數(shù)據(jù)；縱向建立各工序數(shù)據(jù)關(guān)系結(jié)構(gòu)樹，橫向鏈接對(duì)齊全流程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)的一對(duì)一或一對(duì)多關(guān)聯(lián)，建立紡紗全流程數(shù)字主線，如圖2所示。

圖2 纖維流與數(shù)據(jù)流系統(tǒng)統(tǒng)籌示意圖

2.面向智能車間運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析技術(shù)

在融合集成全流程紡紗過(guò)程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目通過(guò)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)構(gòu)建紗線評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及綜合評(píng)價(jià)度量體系，統(tǒng)計(jì)紗線指標(biāo)隨配棉工藝的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征；通過(guò)大數(shù)據(jù)聚類分析技術(shù)智能劃分、評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)，預(yù)測(cè)正/異常運(yùn)行狀況及異常時(shí)所屬的故障類型；通過(guò)大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析技術(shù)挖掘影響紡紗質(zhì)量的關(guān)鍵因素，量化評(píng)估工藝參數(shù)對(duì)紡紗質(zhì)量的影響；通過(guò)智能車間運(yùn)行規(guī)律挖掘技術(shù)，揭示相互耦合的紡紗數(shù)據(jù)對(duì)車間性能的影響規(guī)律，預(yù)測(cè)未來(lái)車間各性能指標(biāo)走勢(shì)(下頁(yè)圖3)，指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程調(diào)整。工業(yè)大數(shù)據(jù)集成與共享對(duì)于管理和提供制造系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)具有重要意義，提出將控制策略分為加工順序調(diào)整、系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和結(jié)構(gòu)調(diào)整三種模式的一種三層彈性調(diào)度模型。設(shè)計(jì)了一個(gè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)框架來(lái)保護(hù)制造系統(tǒng)不受這些變化的影響。

圖3 故障知識(shí)庫(kù)構(gòu)建主流程圖

3.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的紡紗生產(chǎn)智能執(zhí)行技術(shù)

基于原棉及用棉品質(zhì)需求，建立基于誤差反饋的紗線性能預(yù)測(cè)方法，啟發(fā)式搜索算法動(dòng)態(tài)調(diào)整配棉；根據(jù)設(shè)備狀態(tài)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備征兆性預(yù)測(cè)算法，提前發(fā)現(xiàn)故障征兆，及時(shí)做出維護(hù)計(jì)劃；建立不同工藝下的紡紗質(zhì)量演化模型提前預(yù)測(cè)紗線質(zhì)量，并建立紡紗工藝專家知識(shí)庫(kù)推薦合理工藝參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整方案；利用大數(shù)據(jù)處理和分析方法，構(gòu)建調(diào)度規(guī)則自動(dòng)生成模型與自適應(yīng)優(yōu)化模型，建立智能車間運(yùn)營(yíng)優(yōu)化系統(tǒng)；實(shí)時(shí)故障點(diǎn)(或斷頭)由系統(tǒng)指派人員現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)。

項(xiàng)目通過(guò)發(fā)掘“智能紡紗流程”中的短板和痛點(diǎn)問(wèn)題，牽頭聯(lián)合高校和紡機(jī)企業(yè)從基礎(chǔ)理論到創(chuàng)新設(shè)計(jì)，深度研發(fā)課題和技術(shù)攻關(guān)，建立全流程無(wú)人化橋接、紡紗全流程智能化檢測(cè)與監(jiān)控、數(shù)據(jù)流行動(dòng)基礎(chǔ)與智能化執(zhí)行三大創(chuàng)新點(diǎn)及9項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)；實(shí)踐制訂纖維物流、質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)流及智能執(zhí)行等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足了“無(wú)人化車間”的行業(yè)夢(mèng)想，滿足了訂單工藝的梯度式更迭、產(chǎn)品質(zhì)量可溯源、生產(chǎn)管理更便捷、加工能耗最優(yōu)的智能化生產(chǎn)目標(biāo)，為未來(lái)智能化紡紗技術(shù)推廣提供了借鑒。

三、實(shí)施效果

一是技術(shù)效益：項(xiàng)目建成后生產(chǎn)效率提高37.5%，研發(fā)周期縮短40%，紗線質(zhì)量2018烏斯特公報(bào)5%—50%的條干水平提高15%，紗線強(qiáng)力提高21%；能耗下降20.5%，產(chǎn)品不良率下降36.3%。

二是管理效益：項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管控、質(zhì)量在線、設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維、成本在線預(yù)算等管理模式的創(chuàng)新，由原來(lái)的四個(gè)車間合并為兩個(gè)車間管理，體制合并精簡(jiǎn)50%，普通環(huán)錠紡分廠用工55人/萬(wàn)錠，智能化分廠的用工10人/萬(wàn)錠，同比用工減少80%；產(chǎn)品質(zhì)量可追溯率達(dá)100%。

三是經(jīng)濟(jì)效益：項(xiàng)年總產(chǎn)值17 765.6萬(wàn)元，同比提高33%；利潤(rùn)總額2 933.48萬(wàn)元，同比提高242.39%；稅收1 529萬(wàn)元，同比提高88.1%；利潤(rùn)率16.51%，同比提高10.1個(gè)百分點(diǎn)。

四是社會(huì)效益：項(xiàng)目已申請(qǐng)相關(guān)專利34件，其中發(fā)明專利18件，授權(quán)12件；軟著11件；企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)；論文3篇。項(xiàng)目以紡紗智能制造新模式、紡紗智能裝備和紡紗全流程智能化檢測(cè)與監(jiān)控及共性技術(shù)等為重點(diǎn)，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)流的紡紗產(chǎn)業(yè)智能制造體系，大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率。

項(xiàng)目采用創(chuàng)新性先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，與傳統(tǒng)紡紗技術(shù)相比具有工藝流程簡(jiǎn)單、生產(chǎn)率高、成本低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)；生產(chǎn)過(guò)程廢水、廢氣、廢渣達(dá)標(biāo)排放，噪聲源獲得到有效控制，具有科技型、環(huán)保型和節(jié)約型等優(yōu)點(diǎn)；循環(huán)利用再生資源，節(jié)能環(huán)保造福社會(huì)，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益。

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