簾子布直捻車間MES 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

江 豪 段瓊海 王永華 張保威 黃少華

（鄭州輕工業(yè)大學，河南鄭州，450001）

直捻工序是簾子布生產(chǎn)的重要組成環(huán)節(jié)，直捻車間生產(chǎn)的捻絲質(zhì)量是決定簾子布優(yōu)良特性的基礎。而在直捻生產(chǎn)車間內(nèi)部，基本是傳統(tǒng)的紙質(zhì)辦公，還未建設專注于生產(chǎn)過程管理及控制的MES 系統(tǒng)，對于計劃下達、生產(chǎn)追溯、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分析等，還依賴于半自動或者人工，這在一定程度上制約了生產(chǎn)效率的進一步提升。現(xiàn)有車間生產(chǎn)設備的運行數(shù)據(jù)僅能通過機臺上的屏幕實地查看，車間的生產(chǎn)安排和生產(chǎn)監(jiān)控主要依賴于人工，一線生產(chǎn)信息的掌控基本依靠人工巡回，不僅需要大量的人力投入，而且信息的獲取和反饋存在較大的滯后性；另外各設備數(shù)據(jù)、各部門數(shù)據(jù)形成了信息孤島。

隨著工業(yè)4.0 時代的到來，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化成為企業(yè)發(fā)展的方向［1］，MES 系統(tǒng)的應用也成為企業(yè)關(guān)注的焦點。崔士濤［2］利用MES 在線監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)在線質(zhì)量監(jiān)控、質(zhì)量記錄和快速整改，在提升紗線質(zhì)量的穩(wěn)定性和使用效果方面有顯著成效；葛陳鵬等［3］結(jié)合紡紗制造執(zhí)行系統(tǒng)的應用實踐，分析模型架構(gòu)、功能模塊方面等，表明了MES 系統(tǒng)在效率、質(zhì)量、能耗管理等方面的優(yōu)越性；張慧霞等［4］采用織機在線聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)對設備的管理，打造數(shù)字化車間和智能化設備管理，對織機效率和產(chǎn)品質(zhì)量有提高作用；萬由順等［5］以MES 管控為核心，運用智能化紡紗技術(shù)，對穩(wěn)定紡紗質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率等方面提升顯著；劉燕等［6］針對針織生產(chǎn)過程中存在的問題，從而設計了針織MES 系統(tǒng)，搭建起數(shù)據(jù)、通信和控制之間的橋梁，提高了企業(yè)的生產(chǎn)管理效率；楊衡亮［7］利用RFID 技術(shù)設計倉庫管理系統(tǒng)，優(yōu)化企業(yè)倉庫中入庫、出庫等流程，為企業(yè)信息化的提升帶來顯著效果；溫國娜［8］總結(jié)了影響簾子布生產(chǎn)效率的因素，并提出精準安排生產(chǎn)計劃等是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵措施。但是國內(nèi)未見簾子布生產(chǎn)過程MES 系統(tǒng)的相關(guān)報導。

1 簾子布直捻車間生產(chǎn)流程

直捻生產(chǎn)車間的功能主要是將原絲庫中的原絲投入直捻機中，直捻機對兩根沒有加捻的單股原絲直接捻合成簾子線，并卷繞成筒進行存放，以供織布使用。直捻車間的主要生產(chǎn)流程包括品種翻改、上絲、加捻、落絲、倒筒、捻絲盤存等環(huán)節(jié)，如圖1 所示。

圖1 直捻車間生產(chǎn)流程

（1）品種翻改。由于不同批次產(chǎn)品所要求的性能不同，在更改生產(chǎn)批次前，需要對生產(chǎn)設備的參數(shù)如錠速、捻度等進行設置，試紡并檢測合格后再正式投入生產(chǎn)。

（2）上絲。將原絲安裝在筒子架上，并記錄生產(chǎn)品種、直捻機臺號、區(qū)號、上絲個數(shù)等信息，為加捻做準備。

（3）加捻。將兩根單股原絲通過一定的捻度，卷繞成線。未加捻的絲線所織出來的布面松弛、牢度差；而加捻后的絲線能夠獲得一定強度、延伸性和彈性。

（4）落絲。從直捻機上取下加捻完成并卷繞成筒的簾子線，并記錄直捻機臺號、絲長、落筒個數(shù)等信息，為倒筒做準備。

（5）倒筒。將加捻的簾子線退繞并重新卷繞在一個大筒子上。其目的是增大絲筒的卷裝容量，提高設備的運轉(zhuǎn)效率；同時，加捻簾子線定形后略有皺縮、張力不勻，通過倒筒可使簾子線張力均勻，改善筒子質(zhì)量。

（6）捻絲盤存。倒筒后的簾子線記錄品種、數(shù)量，并存放在絲線存放區(qū)，供織布車間使用；未使用完的原絲整合、統(tǒng)計后，退回原絲庫。

我院神經(jīng)外科Ⅰ類切口手術(shù)圍手術(shù)期抗菌藥物預防使用情況調(diào)查及合理性評價 ………………………… 趙明琴等（10）：1412

2 直捻車間MES 系統(tǒng)總體架構(gòu)設計

直捻車間MES 系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2 所示，其主要分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和MES 軟件系統(tǒng)兩個部分。位于車間級的TCP/IP、PB/PN、Modbus 等總線系統(tǒng)，通過控制設備獲取生產(chǎn)設備運行參數(shù)，并對采集的數(shù)據(jù)進行預處理和網(wǎng)絡故障診斷分析，最后將數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)庫。各生產(chǎn)部門通過PC 端、移動終端和車間電子看板進行查詢訪問、生產(chǎn)管理和數(shù)據(jù)追蹤等任務。

圖2 直捻車間MES 系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡設計

直捻車間有各種不同的設備，根據(jù)設備的接口方式不同，規(guī)劃了以下的數(shù)據(jù)采集方式。

（1）底層信號轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集。針對那些不具有控制器，還使用繼電器、接觸器控制的設備，通過采用PLC 控制和信號轉(zhuǎn)換，將采集到的5 V、12 V 的電信號，轉(zhuǎn)換為符合PLC 控制系統(tǒng)需要的24 V 信號，從而完成對設備數(shù)據(jù)的采集。

（2）底層非開放數(shù)據(jù)采集。針對車間中設備及型號繁雜、控制器種類多的情況，采用Modbus通訊網(wǎng)絡和TCP/IP 協(xié)議，通過串口服務器引出的以太網(wǎng)進行遠距離傳輸。在上位機中讀取不同控制器的數(shù)據(jù)，并存儲在數(shù)據(jù)庫中，這樣減少了不同設備、不同控制器之間數(shù)據(jù)交換和信息共享的復雜性。

（3）PLC 數(shù)據(jù)采集。對于PLC 控制的設備，利用PLC 主機或子模塊提供的RS232/RS485、RJ45 等多種接口作為網(wǎng)關(guān)；或者利用I/O 口作為數(shù)據(jù)采集接口，對設備數(shù)據(jù)進行采集，并將不同類型PLC 的數(shù)據(jù)分別進行轉(zhuǎn)換，以獲取設備的工作參數(shù)和工作日志（如PLC 控制的直捻機中錠子轉(zhuǎn)速、絲線張力、卷繞張力）。

（4）電能數(shù)據(jù)采集。通過在設備的送電線路上安裝電流互感器，將設備的用電參數(shù)采集到智能電表內(nèi)，通過智能電表的RS485 通信接口，利用接口轉(zhuǎn)換模塊，建立上位機與電表之間的通訊連接，實現(xiàn)對生產(chǎn)設備電能消耗數(shù)據(jù)的采集。

（5）人工數(shù)據(jù)采集。在車間一些需要人工操作的環(huán)節(jié)中（如上絲、落絲、空錠原因記錄等），不能配置自動化的信息采集設備，采用條碼槍、操作屏、手持式終端等方式來采集車間中一些生產(chǎn)狀態(tài)、單號信息、操作員信息等。

4 直捻車間MES 系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)功能模塊

直捻車間MES 系統(tǒng)應用的功能模塊如圖3所示。

圖3 直捻車間MES 系統(tǒng)功能模塊

（1）生產(chǎn)調(diào)度流程管理模塊。緊密契合生產(chǎn)車間現(xiàn)有的生產(chǎn)管理流程，將生產(chǎn)計劃下發(fā)→工藝數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)→車間品種試紡→試化室生產(chǎn)檢測→正式生產(chǎn)整個流程中的每一步操作都記錄在系統(tǒng)中，形成數(shù)據(jù)檔案，使生產(chǎn)流程電子化。

（2）生產(chǎn)異常登記及分析模塊。生產(chǎn)過程中的空錠登記、欠長登記、倒筒登記等生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以永久存儲在系統(tǒng)中，形成設備及產(chǎn)品的異常數(shù)據(jù)檔案，輔助于產(chǎn)品優(yōu)化及設備產(chǎn)能的提升。

（3）投入及產(chǎn)出統(tǒng)計模塊。將原絲的投入及捻線的產(chǎn)出等信息通過簡單的操作將信息記錄在案，詳細記錄各個品種每個班次的投入及產(chǎn)出情況，形成投入產(chǎn)出報表，簡化生產(chǎn)統(tǒng)計操作。

（4）設備狀態(tài)監(jiān)控模塊。該模塊包含對設備主機和輔機、能源、環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。實現(xiàn)直捻工序生產(chǎn)設備的聯(lián)網(wǎng)，可在系統(tǒng)中實時查看生產(chǎn)設備的運行狀態(tài)及主要的工藝設定參數(shù)，并根據(jù)生產(chǎn)需求對設備的異常狀態(tài)信息進行監(jiān)控報警。

（5）生產(chǎn)質(zhì)量追溯模塊。通過生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)記錄及標簽的粘貼，可以從捻絲成品追溯到原絲的投入，尋找生產(chǎn)流程中的異常節(jié)點，輔助生產(chǎn)問題追蹤。

（6）設備及產(chǎn)品能耗分析模塊。通過添加能耗監(jiān)測硬件，將設備的能耗數(shù)據(jù)與生產(chǎn)品種信息結(jié)合，詳細記錄設備分時段、分品種的能耗數(shù)據(jù)，輔助于產(chǎn)品的成本分析，并結(jié)合生產(chǎn)設備的橫向?qū)Ρ群蜕a(chǎn)品種的縱向?qū)Ρ?，輔助生產(chǎn)管理人員發(fā)現(xiàn)設備異?；蚬に嚾毕荨?/p>

（7）產(chǎn)能統(tǒng)計及分析模塊。該模塊按照品種、機臺、班組、機型分類統(tǒng)計產(chǎn)量、效率，形成多種報表，并借助圖表分析便于發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，減少人工抄錄與統(tǒng)計，縮短數(shù)據(jù)處理時間和數(shù)據(jù)流程。

4.2 生產(chǎn)主流程設計

直捻車間MES 系統(tǒng)結(jié)合直捻生產(chǎn)工藝流程，可將系統(tǒng)的生產(chǎn)主流程分為計劃下發(fā)、品種翻改、上絲登記、落絲登記、空錠原因記錄、倒筒數(shù)據(jù)記錄、原絲捻絲盤存等幾個部分。

（1）計劃下發(fā)。在生產(chǎn)初期，由計劃人員根據(jù)訂單需求在MES 中錄入生產(chǎn)計劃，包含生產(chǎn)品種、數(shù)量、計劃開始時間和結(jié)束時間等數(shù)據(jù)。計劃下發(fā)后，車間調(diào)度人員結(jié)合生產(chǎn)狀況安排機臺，并創(chuàng)建生產(chǎn)調(diào)度單，包括機臺號、改前品種、改后品種、計劃執(zhí)行時間等。

（2）品種翻改。直捻車間品種翻改流程如圖4 所示。生產(chǎn)調(diào)度單創(chuàng)建后由試化室工藝負責人針對調(diào)度安排的機臺及生產(chǎn)品種，下發(fā)生產(chǎn)工藝單，包括喂入原絲品種、車速等數(shù)據(jù)。通過手持終端PDA 可查詢已完成下發(fā)的工藝生產(chǎn)調(diào)度單，操作人員執(zhí)行改紡操作，并將機臺的生產(chǎn)狀態(tài)設置為試紡階段。試紡完成后，試化室將試驗結(jié)果錄入到MES 系統(tǒng)內(nèi)，記錄試驗明細數(shù)據(jù)，并將機臺切換為正常生產(chǎn)狀態(tài)。

圖4 直捻車間品種翻改流程

（3）上絲登記。將原絲投入直捻機設備中，并在MES 系統(tǒng)中登記上絲信息。使用PDA 掃描原絲車上的條碼，查詢該車原絲的生產(chǎn)日期、班次、品種、批次、車號等信息，并根據(jù)查詢信息在上絲登記界面錄入上絲的機臺號、區(qū)位、位置、個數(shù)、日期、操作人等信息并保存。上絲登記界面如圖5（a）所示。

（4）落絲登記。在MES 系統(tǒng)中登記落絲信息，根據(jù)落絲的機臺號，查詢該機臺當前生產(chǎn)的訂單、品種、批次等信息，并在落絲登記界面錄入落絲個數(shù)、托盤號、日期、操作人、欠長個數(shù)等信息，最后打印托盤標簽，并粘貼在托盤上。落絲登記界面如圖5（b）所示。

圖5 生產(chǎn)過程信息登記1

（5）空錠原因記錄。當加捻中途斷頭后，為了保證簾子布的質(zhì)量，不允許直接將結(jié)頭繼續(xù)加捻，而應該把筒管拔出做不合格絲處理，則拔出筒管后的錠子就成了空運轉(zhuǎn)的錠子。直捻生產(chǎn)過程中出現(xiàn)空錠情況時，系統(tǒng)會根據(jù)實時采集的設備數(shù)據(jù)自動記錄空錠的機臺號和錠號，并人工在系統(tǒng)中登記空錠的原因。空錠原因登記界面如圖6（a）所示。

（6）倒筒數(shù)據(jù)記錄。倒筒后產(chǎn)出的質(zhì)量合格的捻絲，將其產(chǎn)出信息登記在MES 系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)生產(chǎn)訂單、品種、批次，錄入托盤號、個數(shù)，并打印托盤標簽，粘貼在托盤上。倒筒數(shù)據(jù)登記界面如圖6（b）所示。

圖6 生產(chǎn)過程信息登記2

（7）原絲捻絲盤存。原絲經(jīng)過直捻機加工等一系列操作形成捻絲后，需對捻絲數(shù)目等信息進行統(tǒng)計并盤存以供后續(xù)織布車間使用，還需統(tǒng)計未使用完的原絲并退入原絲庫，根據(jù)絲線種類不同可分為原絲盤存和捻絲盤存。原絲盤存：系統(tǒng)實時計算原絲庫的存量，直捻車間原絲車上未使用的原絲直接統(tǒng)計錄入系統(tǒng)，未使用完的原絲通過手動方式錄入系統(tǒng)，根據(jù)機上數(shù)據(jù)和機下數(shù)據(jù)，生成原絲盤存信息表。捻絲盤存：系統(tǒng)根據(jù)機臺的實時數(shù)據(jù)自動計算直捻機上各品種的實時存量，結(jié)合托盤上的捻絲數(shù)量，匯總出捻絲數(shù)據(jù)，生成捻絲盤存信息表。

4.3 應用效果

該系統(tǒng)在某企業(yè)應用后，效果明顯，得到了用戶的一致好評。其效果主要表現(xiàn)在3 個方面。

（1）生產(chǎn)效率的提高。MES 系統(tǒng)的應用使生產(chǎn)車間的數(shù)字化和智能化得到顯著提升，企業(yè)可以及時動態(tài)地掌握車間的設備狀態(tài)、訂單情況、生產(chǎn)進度、投入產(chǎn)出等信息。采用該系統(tǒng)前后車間的生產(chǎn)操作時間如表1 所示?？梢钥闯觯瑢ν慌_直捻機從上絲到落紗，系統(tǒng)應用后，人工操作時間減少了54.3%，極大提高了生產(chǎn)效率。

表1 系統(tǒng)應用前后人工操作時間對比

（2）質(zhì)量管理水平的提升。通過智能化系統(tǒng)快速發(fā)現(xiàn)、分析和解決質(zhì)量問題，縮短問題發(fā)現(xiàn)周期，降低了由于質(zhì)量問題帶來的損失，對產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性有促進作用。早期出現(xiàn)質(zhì)量問題需要人工查閱每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的記錄單，分析并找出問題原因，任務量龐大。系統(tǒng)應用后，直接掃描問題產(chǎn)品的條形碼或生產(chǎn)批號，即可獲取與之相關(guān)的使用物料信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

（3）能源消耗的降低。通過MES 系統(tǒng)提供的電能分析等，實現(xiàn)生產(chǎn)的靈活調(diào)節(jié)，降低用電成本。系統(tǒng)對生產(chǎn)的有效監(jiān)控也可以使各工序產(chǎn)能充分釋放，顯著提升生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，從而降低產(chǎn)品能耗。以錦綸66 1 400 dtex 工業(yè)絲為原料，設定錠速為8 700 r/min，捻度為380 捻/m，對比CC3 型和CC4 型直捻機在應用系統(tǒng)前后的耗電量對比，如表2 所示?？梢钥闯?，節(jié)能率為10.5%～11.4%。

表2 系統(tǒng)應用前后耗電量對比

5 結(jié)束語

由于簾子布直捻車間信息化程度較低等現(xiàn)狀，阻礙了企業(yè)的進一步發(fā)展和提升。本研究設計的簾子布直捻車間MES 系統(tǒng)，能夠完成直捻車間全流程生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和處理，實現(xiàn)從原料投入到成品產(chǎn)出整個生產(chǎn)過程的數(shù)字化監(jiān)控和管理。系統(tǒng)應用效果表明，MES 系統(tǒng)的應用不僅進一步提升了車間生產(chǎn)和管理水平，而且提高了企業(yè)的效率和競爭力，具有較高的應用和推廣價值。