云服务与物联网技术在并条机上的应用

原文刊自:2018年5月

第46卷(总第559期)

摘 要

探讨云服务和物联网技术在并条机上的应用。以 BHFA80A 型物联网并条机开发为例,分析介绍了智能牵伸调节的自动化优势和信息化解决方案、自调匀整和在线检测数据的物联方案、吸风清洁系统自动化调节与信息化方案。实践表明:该型并条机主要部件的信息化设计为物联网技术的应用提供了基础条件。物联网技术的应用提高了并条机的信息化程度,实现了并条工序生产过程的无线监控。认为:并条机物联网功能的应用有助于提高生产效率和管理水平。

关键词

云服务;物联网;并条机;信息化开发;智能牵伸;自调匀整

1 问题的提出

作为传统制造业,我国棉纺行业还处在以劳动密集型为主的模式中,对劳动力资源、成本的依存度较高,科技创新能力较弱,核心技术和产品品牌缺乏优势,产业利润率偏低,处于产业链前端和价值链低端。传统产业从劳动密集向技术密集、智能制造转变,自动化、信息化、智能化是发展方向。积极推进棉纺行业智能制造,加强技术经济性分析,进一步提高劳动生产率,是棉纺行业调整升级发展的重要措施 。随着纺织企业国际化进程不断加快,纺织企业所面临的压力越来越大。

工业 1.0 以蒸汽机的发明和应用为标志,实现了大规模生产;工业 2.0 以电力的广泛应用为标志,实现了电气化生产;工业 3.0 以标准化和量产为标志,实现了自动化生产;可以预见,工业 4.0以物联网为标志,将实现定制化生产 。物联网、大数据、云计算逐渐涵盖了衣食住行的方方面面,加速纺织生产过程工业 4.0 的改革进程势在必行。

然而,纺织生产流程长、工艺复杂,纺织厂建设投资较大,一次性跨越式转型的难度较大。在前纺工序,并条可提高纤维平行度与伸直度,降低条干不匀率,也是不同原料充分混和的重要工序。在并条机上增加传感器件,延伸并条机自动控制的可控范围,尤其是实现主要功能的自动化、数字化,再通过移动互联网技术和云服务平台实现设备互联互通。本文是在并条工序把传感器采集的数据与移动互联网技术、云计算技术、大数据处理相结合,统计单台设备所纺品种、工艺、性能特点等指标,实现多台设备的数据统计、分析和处理,为并条工序提供较优生产数据组创造可能性。从并条工序着手,逐渐向前后道工序逐渐延伸,是解决纺织行业向工业 4.0 转型升级的途径之一,纺织厂资金投入较小。

并条工序在诸多纺纱工艺流程中不可或缺,但从广泛的应用实践来看,由于现有设备自动化和数字化程度较低,不具备改造的基础条件。2017年10月BHFA80A 型物联网并条机完成中试,经测试,该机出条质量好,实现了较高的自动化和数字化程度,满足了物联网功能的应用条件。

2 设备原理及性能特点

2.1 自动牵伸调控

自动牵伸调控功能实现了牵伸区数字化和自动化调节。在生产实践中,现有的方式是通过更换牵伸牙轮改变罗拉表面线速度,操作频繁,耗时长,数据无法采集。自动牵伸调控是指:无需更换轻重齿轮,通过伺服控制系统改变各罗拉表面线速度,从而实现牵伸罗拉无极调速;采用旋转编码器实时监视各罗拉表面线速度,控制罗拉在工作范围内运动的方法。

2.1.1 工作原理

整机采用双眼四上四下附导向辊压力棒式双区曲线牵伸。牵伸调控设计如图 1 所示。棉条先经过后区再进入中区,再进入前区进行牵伸。后区为预牵伸区和匀整区,中区为固定牵伸对棉条进行整理,前区为主牵伸区。一罗拉、压辊和上下圈条为传动主轴,异步电机拖动。二、三罗拉共用一套伺服系统,用于前区和后区牵伸倍数的分配。四罗拉采用一套伺服作为主动力。所有控制器预留总线接口和标准通讯协议,用于主控制器访问,实现数据采集。

牵伸监视系统与传动系统相互独立、互不干扰。在生产过程中,监视系统实时检测各罗拉转速,罗拉动作误差超过预设门限值将触发主控制器的报警系统,设备报警停车,网络系统将报警内容发送至移动互联网终端。同时,数据存储至云端,经过数据积累和大数据运算,为故障排除和预警提供解决方案。

2.1.2 技术特点

(1 )罗拉转速可控,精度大幅提高。各罗拉无极调速,相较于更换轻重牙轮,不仅方便快捷,也实现了牵伸倍数任意调节,每根罗拉可控表面弧长为 0.05mm 。

(2 )大幅提升牵伸工艺调节的自动化程度,具备更大的牵伸倍数调节范围。

(3 )罗拉的运动控制与状态监测由两个完全独立的运算组实现,互不影响,有效避免意外牵伸出现,降低原料浪费。

(4 )改造前后噪声对比。检测位置为机台的

1-左后; 2-左侧; 3-左前; 4-正前; 5-右前; 6-右侧; 7-右后;8-正后。结果显示,车速提高 25% 后,传动更平稳,噪声降低。测试间距 0.5 m ,背景噪声70dB ,表 1 为并条改造前后噪声对比。

( 5 )主控制器通过总线采集每组伺服驱动器的所有数据,实现牵伸区数据可写、可读、可视,为物联网功能提供基础条件。

2.2 自调匀整与在线检测

后区为匀整区,四罗拉为匀整主动罗拉,双眼独立控制。匀整控制器和匀整伺服驱动器均预留总线接口和标准通讯协议,用于主控制器访问和数据采集。

2.2.1 工作原理

自调匀整控制流程如图 2 所示。喂入棉条经过凹凸罗拉检测部件时,位移传感器测得棉条变化量并送入控制单元,控制单元根据该信号和设备运行参数进行控制运算,当该信号对应的喂入棉条到达匀整区的纤维变速点时,实时控制伺服电机的转速变化,通过差速齿轮箱与并条机主机速度进行机械合成,改变后区牵伸倍数,使喂入棉条得以匀整。输出的棉条在出条压辊处被出条检测传感器测量,送入控制单元进行运算,得到输出棉条数据,显示报警信息和质量图表。

控制单元和伺服控制器分别与主控制器建立通讯,实现数据读写准备。匀整和在线检测相关数据经过云端存储和分析,为用户提供较优工艺方案和设备维护提示。

2.2.2 技术特点

(1 )自调匀整使输出棉条更趋均匀,提供高质量输出棉条。

(2 )喂入、输出棉条 100% 检测。 CV ( % )、 A( % )、粗节、D ( % )等质量参数超出设定范围时报警停车。

(3 )系统自动生成 A ( % )图、 TP 柱状图、波谱图等质量图表,并可进行历史数据查看。

(4 )主控制器采集自调匀整和在线检测所有数据,经过分析喂入、输出棉条的质量数据和图表,提供较优的生产工艺和设备维护方案。

2.3 智能吸风清洁

重新设计的吸风清洁系统增加了负压传感器和负压控制程序,实现了风道负压闭环控制。新材料和重新规划的风道布局避免负压眼差,解决了棉绒、飞花在风道中堆积的问题。

2.3.1 工作原理

风道中安装负压传感器,吸风电机采用变频调速,频率根据风道中的实际负压、车速和所纺品种自动调整。根据并条机吸风清洁系统工作原理,重新分析了吸风清洁系统的风道结构。改进了风道结构中存在的缺陷,如风道间的气流速度差异过大、存在流速过低的气流盲区和存在涡流等问题。对此,提出了风道结构改进方案,重新划分风道,吸风箱后置,增加导流板等,并分析了各方案改进后的气流仿真结果。根据对比改进前后的气流分析结果,制定最终风道结构改进方案,并通过实际应用验证了最终风道结构改进方案。

废棉箱中增加自动刮棉机构,既能保证风道畅通和负压稳定,又可减少值车工劳动强度。

2.3.2 技术特点

(1 )吸风系统闭环控制。风速随负压、车速和所纺品种的变化自动调整,有效解决风道中负压不足的问题。

(2 )新材料和新结构设计,有效避免了气流盲区、局部涡流、风道流速不均等问题,提高吸风清洁系统工作效率。

(3 )风箱后置,降低了并条机主机振动。

(4 )废棉箱自动刮棉,降低人工清洁次数。

3 物联网与云计算的应用

如图 3 所示为单台设备网络结构设计图。

经过对自动牵伸调控、自调匀整、在线检测、吸风清洁等主要功能的信息化改造,实现了单台设备的主要功能性动作、开关量、数字量、故障信息、质量数据的采集和调控,为物联网功能的实现创造了基础条件。大量的数据通过网络层传输,发送至云计算平台,经过归类分析比对,将结果发送至移动互联网终端。

在设备层,每台设备的主控制器采集机身上所有传感器件、变频器、伺服驱动器、匀整控制器等数据;在网络层,主控制器经 4G 路由器与云服务器建立通讯,云服务器存储和处理机台所有数据;在用户层,可通过移动互联网终端或互联网直接访问云服务器。多台设备时,在主控制器与 4G路由器之间增加工业路由器即可实现联网通讯。

图 4 所示为移动互联终端的操作画面,可查看被授权机台的车速、每班班产、总产量、故障信息、匀整信息、在线监测等所有数据。

4 结语

本文实践了云服务和物联网技术在并条工序生产过程中的应用。为满足数据采集的条件,对并条机的传动控制和检测、自调匀整、在线检测和吸风清洁系统进行了信息化改造,提高了整机自动化和信息化水平,降低了人工劳动强度。采集的数据通过无线网络发送至云服务器,经过数据分析为用户提供管理数据、工艺建议和维护提示。并条机信息化开发和物联网的应用促进了设备的改造升级,提高了纺织厂生产效率和管理水平。

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