图1 棉纺智能工厂示意图
图1 棉纺智能工厂示意图
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全球纺织业正面临深刻变化,中国纺织业应紧跟“工业4.0”发展趋势,加快向智能制造的转型升级。如今纺织产品的高质量竞争趋于激烈,在制造全生命周期进行测试和质量控制不可或缺。本文综述纺织工艺流程中各个环节的检测与监控,并对其技术和设备的发展进行阐述,探析智能“测试和质量控制4.0”的未来方向。

测试和质量控制是转型升级关键

德国“工业4.0”引入“智能制造”和“服务制造”的理念,将传统制造技术与先进的互联网技术相融合,推动制造业向智能化转型升级。面对国内外双重压力,我国劳动密集型的传统纺织行业加快转型升级迫在眉睫,中国制造2025是整个纺织行业的重大契机,如何结合国家战略,推进纺织业智能制造落地成为严肃课题。

为提高在全球产业链上的竞争力,纺织企业不仅自身应该加紧修炼内功以渡过难关,全面推进纺织品加工的全流程测试和品控是当前纺织企业急需关注的重中之重。新常态下,一方面,第三世界国家依靠劳动力成本、能源成本、运输流通成本、环境治理成本以及低档纺织品生产技术要求不高、容易掌握和研发成本低等优势,占领了低端纺织品的巿场。对于企业来说,产品质量就是生命,降低劳动力资源、成本,生产高质量的产品,获得高附加值,提高产业利润率,是纺织行业调整升级发展的重要措施。

另一方面,由英、美、德等发达国家主导的“再工业化”浪潮推动了整个制造业向智能化生产的升级转型,满足客户个性化需求,为客户提供卓越质量产品是企业生存发展之道。智能制造模式下,通过互联网技术贯穿整个价值链,高效的实现整个生产过程的协同优化,为用户提供个性化定制产品。因此,作为我国传统制造业的纺织业要在全球巿场中占据一席之地,当前面临的竞争主要来自于纺织品的质量把控和生产效率两个方面。高速高效的自动化测试技术趋势已经成为纺织业发展的主流,改变传统检测机理,提高自动化程度,才能与当今经济、高效、信息时代要求相适应。

在这种环境下,纺织企业必须不断引进高新科技,以科学技术为第一生产力,提升企业综合竞争力,其中纺织检测技术近年来不断推陈出新,呈现出多样的鲜明的特点,在现代纺织品质量控制中起着举足轻重的作用。

测试与质量控制4.0参考模型

随着过程控制技术、自动化技术和计算器网络技术的发展,以智能传感技术、信息技术为基础的多功能监测系统已经成为现代工业监测领域发展的热点。我国纺织行业在高科技的不断推广使用下,生产中的自动监控系统逐渐实现了由人工到自动化、智能化的阶段,并且当前纺织产业生产呈现出高水平、高质量严管控的特征,检测技术和检测设备也得到了长足的发展。

如图1所示棉纺智能工厂,从开清棉、梳棉组成的清梳联起,包括并条、精梳、粗纱、环锭细纱以及新型纺纱、自动络纱到织前浆整技术及无梭织机等,几乎每个工序的装备都实现了高科技自动监测及自动控制,使棉纺织机械步入到一个崭新的高科技阶段,生产速度、产品质量、自动化水平都达到了较高水平。纺织行业从原料开始,到织品完成整个过程中,国内外都开发了一些以信号分析、状态检测为基础的先进分析仪器、专用的脱机或在线监测系统。

德国电工电子与信息技术标准化委员会(DKE)于2014年发布了第一版德国“工业4.0”标准化路线图,对德国的“工业4.0”标准化工作进行了顶层设计,并于2015年公布了工业4.0参考架构模型(RAMI 4.0)。RAMI 4.0全生命周期及价值链与工业4.0分层结构相结合,清晰的描述了工业4.0的三个集成方式:垂直集成、水平集成和价值链集成,给出了描述和实现工业4.0层次图。以RAMI 4.0模型为基础,纺织智能制造的RAMI模型可以粗略如图2所示描述。

纺织品生产测试与品控集中在参考模型低层部分:MES-PLC-传感器的垂直集成;以设计-纺织品各种工艺过程-物流等的水平集成。集成工业、产品和服务的全面交叉渗透,借助于软件,通过在互联网和其他网络上实现产品及服务的网络化而实现,如图3所示。

纺织生产的检测技术

纺织品生产过程的检测主要分为:脱机检测技术与在线检测技术。纺织品种类非常多,生产链非常长,本文以纺纱制造为主介绍。

纺织过程进行脱机技术检测的时候主要是针对原材料以及制造的纺织品,主要的脱机检测技术有HVI、AFIS检测系统、TENSOJET检测系统等。瑞士产乌斯特条干仪属于电容式为主的传感检测技术,可对棉条、粗纱、细纱进行快速高效的脱机检测;HVI是对棉花质量进行检测的系统,开始于美国农业对棉纤维特性的检测,后经发展,可实现许多检测功能,主要有:棉纤维的成熟情况、粗细、糖分比例、棉花中的其他物质、单纤维强度、棉花颜色以及棉花等级等等,HVI技术实现了原棉信息的实时共享,保证了纺织企业原料选择的质量;乌斯特AFIS是一种快速检测棉花性质的高科技仪器,借助气流离心功能以及光电传感器技术,主要应用于棉纺厂质量控制,可对进厂棉包进行逐包检验,控制棉包含杂、棉结含量、短纤维含量、不成熟纤维含量及其它原棉指标如细度、长度、成熟度等的检测等,同时还可以随时对纺纱各工序的短绒、棉结分布进行跟踪检测,及时提供优化工艺参数的依据;TENSOJET高速强力机模仿喷气织布机的张力,大大提高了纱料检测速度和织布机的工作效率。

利用在线检测技术主要是对纺织厂生产、加工的全过程的各个细节进行检测。伴随着生产力以及生产水平的提高,纺织行业的自动化水平也就越高,这种在线检测的技术水平也就随之升高,而且发挥的作用越来越大。如高产梳棉机利用匀整器材,能够使得棉料更加均匀;最新的粗纱机张力控制系统能够自动调整材料的张力。

在线监测纺织品的技术,具有精确性以及快速性的特点,减少资源浪费和破坏性实验,对提高纺织行业的产品质量有着很重要的意义。在线检测技术主要是对纺织厂生产、加工的全过程的各个细节进行检测,要做到对每一个细节进行严格的管控,在线监测技术与脱机检测技术双方相互结合,对纺织品进行高水平的质量管控网络。

随着科技的发展,高新检测技术在纺织上有很多的应用。如应用于纺织纤维鉴别的红外光谱仪—傅立叶变换红外光谱仪是利用光的色散原理制成的,可实现对混纺织物比例的定量分析;基于机器视觉的计算器图像信息处理技术一方面应用于如纤维细度的测定、纱线条干不匀、毛羽、疵点、验布等,另一方面用在织物仿真CAD系统中,利用织物仿真仿真技术开发新产品。在现有的织物仿真CAD系统基础上,结合纺织检测技术,可以实现从对纱线实物的检测到最终织物的模拟仿真,不仅可以评定纱线质量,为指导生产提供依据,而且可以预测用该纱线织成的织物外观质量;激光检测应用于验布系统,检测织物起球、毛羽及其粗糙度,检测织物纬斜,测定纱线直径、条干不均、纱疵与纤维性能,控制印染,检验服装等方面。

新型纺织检测设备

在国内近几十年的发展中,纺织产品检测设备的发展在检测机理、机电一体化程度及计算器微电子在检测中的应用等方面,都获得了长足的发展,并且随着经济的发展和科技的不断革新,在现代纺织技术检测指标及检测设备的种类方面也有了较大的进步,越来越多的大容量、智能化、多功能型的全自动纺织检测设备被逐渐应用到纺织产品检测上,实时获得纱线生产和应用状态指标,全面检测纱条质量等。机电一体化新型设备的研发和投入使用,标志着我国纺织检测技术进入了一个崭新的时代。

我国纺织工业正处于由传统工业向现代工业转变的过程之中,纵观纺织检测仪器的发展历程,其进步主要集中在以下几个方面:检测仪器向多功能、自动化方向发展;仪器控制和数据处理已计算器化;光电转换技术应用日益广泛;检测逐渐实现从手工向仪器化的过渡等。

如传统生产中针对单个设备和工序的状态监控与故障诊断系统,现代工业中,通过现代无线传感器技术,设计无线传感节点、节点间的信息交互以及监控软件从而对全部机械设备进行全面系统地状态监控,有效地实现了多机集群监测,其系统结构如图4所示。

另外,微电脑和新型传感器实现了自动化取样、整理、测试、读取数据、统计计算、信息存储、打印结果过程,代替传统人工操作,缩短了测试时间,提高了测试效率及准确率。基于无线网络的纺织机械实时监测技术应用于车间生产中,利用无线传感器网络采集纺织机械运行状态,进行数据传输和交换,并设计良好的调度机制,处理紧急事件与自动报警,实现管理人员对生产车间的远程监测,从而提高生产管理效率和生产率。我们可以切实地感受到现代科技的进步,电子信息技术的普及和机电一体化进展给纺织检测技术带来的重大变化。

人工智能的广泛应用

现代人工智能技术在纺织领域的应用迄今已经取得一定的进展,主要集中在专家系统、遗传算法和人工神经网络等几个方面。如毛纺工艺设计专家系统整体框架结构采用模块设计方式,主要由初加工工艺设计、纺纱工艺设计、织造工艺设计和后整理工艺设计四大模块组成,每一模块提供若干个功能,且可独立运行,各模块通过一主模块相连构成一个有机的整体。

该系统能使毛纺工艺设计专家的经验不受时间、空间的限制,使工艺设计更加快速、准确、合理。运用遗传算法建立模型,研究织物疵点检测,提高了疵点的分类正确率,织物疵点识别率明显改善。人工智能的各种应用正在纺织各领域发挥愈来愈多的作用,如人工神经网络、深度学习可用于对织物进行等级评定,预测面料和服装的性能等等。

未来方向

纺织制造变革正在到来,新传感器、信息技术、制造技术、自动化控制和集成技术,将对纺织品的检测与质量控制带来深刻变化。作者认为未来主要方向体现在以下一些方面:

在线实时化

产品的质量管理、工艺技术管理要适应消费者的多种需要,传统型的成品事后检验的生产技术模式,早已不适应现代毛纺织企业的管理要求,诸如条染、纺纱、织造、整理染色等加工流程管理,必需要按照包括从原料进厂到成品出厂的全部生产过程,一定要始终受控。

生产设备运行状态实现实时监控、故障自动报警和诊断分析,生产任务指挥调度实现可视化。生产主机能自动检测产量、质量和设备状态数据。因此在线在位的实时性检测将逐步推广开来。

移动互联化

传统的纺织产品检测,在线检测设备少,大多在产品测试部门进行脱机测试。测试功能单一,不仅耗费时间和人力,而且大量的检测结果存在一定的人为因素影响。

在现代纺织检测技术中,大量低成本、低功耗的移动互联的测试传感器将简化检测过程中人工操作的因素,排除了人工操作对检测结果的影响,经过互联的传感器设备检测,可以对产品的综合性能进行检测,如密度、长度及断裂伸长度等,向多功能方向发展。

再者,传统的纺纱工艺流程工序多,并且各工序之间都是断开的,这为实现自动化、连续化生产检测带来了极大的困难。测试传感设备的移动互联化,加强了各工序和全系统在线检测、质量预测、自动监控、自动控制的体系完备性。通过应用大数据,实现对产量、质量、能耗、效率、管理的有效监控,建立起适应快速定制化生产方式的高效产供销信息化体系,使网络信息技术在全流程和产业链综合集成应用。

边缘计算化

边缘计算是指靠近物或者数据源头的一侧。纺织智能制造的测试和质量控制实时化要求越来越高,边缘计算是未来的趋势,在设备之间和设备与操作者之间进行软联,通过设备系统所带的传感器或添加传感器来采集设备状态及生产数据信息,在数据源头一侧快速进行在线数据分析,可以尽快无延时对连续性制造过程进行控制。

灵敏化

从纤维原料到纺纱、织布、印染、服装等复杂、多环节的工艺流程中,传统领域的传感技术对于以柔性织物为制造对象的检测很难满足要求,流程性高灵敏的传感器可以感应各织物的复杂状态转变过程,满足连续性生产的特点,做出快速反馈与调整。

功能高度集成化

纺织制造过程工艺要求复杂多样,单一功能的测试很难发挥作用。结合工艺知识和功能的测试及质量控制技术将会出现。测试传感设备将和工艺控制系统紧密集成,形成以测试为前导,数据驱动为特征的在线死循环工艺控制模式。针对纺织全生命周期,形成不同的柔性制造单元,这些功能高度集成化的测试单元和纺织品柔性制造单元集成,构成工业4.0部件(I4.0 components)。

智能化

纺织智能制造不仅体现在制造装备智能,而且满足纺织品的智能化生产,其包括全流程的工艺智能控制与优化、中间产品智能配送,设备智能维护等。在纺织流程的上下文,智能测试和质量控制是关键环节,也要满足智能化需求。测试和质量控制将智能柔性制造单元串联在一起,决定了中间产品的流向。同时纺织品个性化制造将使得制造流程的复杂性,要求测试方法、采样频率、测试过程智能匹配产品制造过程。针对制造过程的智能优化、决策与个性化需求、快速响应,智能测试代理或单元将能够实现自感应、自组织、自治,乃至自决策。
总结

在“工业4.0”背景下,涌现了大量新技术、新工艺,对纺织检测和质量的控制提出了更高、更新的要求,我国纺织企业在要瞄准先进科技,紧跟电子技术、计算器技术和新型传感技术升级发展的步伐,不断更新纺织品检测技术与要求,不断提高检测能力与检测水平,生产高质量的纺织品,并注重拓宽思路,注重创新,增强综合实力,在走纺织强国的道路上,借鉴“工业4.0”项目计划为代表的先进理念和做法,为提高“中国制造”的质量和声誉,为服务型经济社会发展,把我国从纺织大国变为纺织强国作出应有的贡献。