纺织技术 | 面向智能纺纱构建的单锭监测系统及其应用（上）
纺织技术 | 面向智能纺纱构建的单锭监测系统及其应用（上）
随着智能化技术在纺织行业的广泛应用，智能纺纱技术已经成为现代纺织企业的重要发展方向。其中，单锭监测系统作为智能纺纱的关键技术之一，通过实时监测纺纱过程中的各种参数，能够有效提高生产效率和产品质量。本文将详细介绍单锭监测系统的组成、工作原理及其在纺纱过程中的具体应用。
纺纱工业实现智能化的主要特征：一是以物联网技术为支撑实现纺纱工厂管理的信息化，二是以自动化连续化技术为支撑的纺纱生产线的连续化；三是以数字化驱动技术为支撑的纺纱设备的智能化。传统纺纱企业依赖于人工巡检的方式发现纱线断头，这种方式不仅效率低下，而且人工成本高，难以满足现代纺纱行业对高效率、高质量、低成本生产的需求，纺纱企业急需向智能化转型升级，以应对快速变化的市场需求。单锭监测系统通过传感器采集纺纱过程的设备运行及生产工艺等数据，实现对纺纱机各机构运行状态的实时监测，包括罗拉速度、锭子转速、纱线断头等关键指标，即时发现异常，减少因人工检查巡视不及时造成生产效率低下的问题及粗纱原料的浪费，采集的数据经过进一步分析可为生产优化和决策提供科学依据，帮助企业管理层快速响应市场变化，调整生产策略，确保资源高效利用。
目前，研究人员对单锭监测系统进行了大量研究。杨艺等针对断纱管理问题设计了单锭断纱管理系统，实现了对断纱数据的采集；李强等探讨了细纱机上实施断纱检测技术的改造方法；秦浩杰等研发了一套光电式断纱检测系统，可满足大部分纺织工艺对纱线断纱检测的性能要求；高阳等探讨了细纱单锭检测装置的应用、不足与变革。但对单锭监测系统的研究仅仅限于断纱检测方面，并未对其潜在的应用进行挖掘和扩展。本文通过对单锭监测系统的组成及工作原理进行分析，探讨单锭加捻信号的采集与数据处理、牵伸检测信号的采集与数据处理、主轴检测信号的采集与数据处理、钢领板信号的采集与数据处理，对纱线断头、弱捻、大、中、小纱捻不匀、锭位捻不匀等异常情况的监测提出有效判据，为构建纺纱MES管理系统提供有益支撑。
单锭监测系统组成及工作原理
1.1 单锭监测系统及其组成
细纱机单锭监测系统按功能划分分为监视单元、控制单元、执行单元、显示单元、交互和存储单元5部分，如图1所示。
图1 单锭监测系统的组成
其中，监视单元可分为单锭检测、牵伸检测、主轴检测、钢领板检测、电源检测以及温湿度检测，通过各传感器实现对钢丝圈转速、牵伸罗拉运动速度、主轴转速、钢领板速度、电源能耗以及环境温湿度的监测；控制单元由一个控制器组成，控制器通过总线分别与单锭板和停喂板连接，并且还与用于测量主轴速度的霍尔传感器、测量罗拉速度的编码器等相连接；执行单元由一系列两面的粗纱停喂板以及粗纱停喂装置组成，主要是执行控制器下达的切纱指令；显示单元由双面数码屏组成，显示细纱机左、右两侧的断头总数、故障总数、弱捻总数和落纱、中途停车等状态信息；交互和存储单元用于人机交互或边缘服务器的数据交换，并对监测到的所有数据进行储存。
1.2 单锭监测系统工作原理
控制单元通过监测前罗拉的转速，一旦达到设定速度，便向监视单元发送启动监测信号。监视单元在接收到这个命令后，通过其上的反射式红外发射探头来监测钢丝圈转动的变化信号。然后，监视单元内部微控制器会分析和统计当前对应锭位上的钢丝圈转速，并根据这个转速来判断对应锭子是否存在断头、弱捻、故障、空置等异常状态，这些信息会通过单锭总线上报至控制单元，并在对应的锭位闪烁断头指示灯。控制单元会收集所有机台上的锭子状态信息进行时序分析，并移除不合理状态，并根据实际使用场景和策略有序地下发粗纱停喂指令。执行单元在接收到停喂指令后，立即执行相应的操作以切断粗纱，并将执行结果反馈给控制单元。最后，控制单元记录切纱动作和断头类型，并将这些信息提供给交互单元读取，同时将汇总的断头总数和其他异常信息通过总线通知显示单元，位于机台顶部的显示单元在接收到断头或其他异常信息后显示整体断头的基本情况。单锭监测系统工作原理如图2所示。
图2 单锭监测系统工作原理
单锭监测系统的信号采集与数据处理
单锭监测系统采集的信号包括单锭检测信号、牵伸检测信号、主轴检测信号、钢领板检测信号、电源能耗检测信号、环境温湿度检测信号等。由于本文侧重于对细纱机运行机构监测的叙述以及篇幅所限，故此处仅介绍单锭检测信号、牵伸检测信号、主轴检测信号、钢领板检测信号的采集及其数据处理。
2.1 单锭检测信号的采集与数据处理
2.1.1 单锭检测信号的采集
本文采用光电传感器检测钢丝圈的回转对环锭细纱机的加捻机构进行检测，通过光电传感器将钢丝圈的转动转换成脉冲信号，再通过微分电路将脉冲信号转换成钢丝圈的转速，实现对加捻机构的检测。加捻机构在线检测系统由钢丝圈回转信号的传感与采集、信号处理与输出等模块组成。
钢丝圈信号采集系统方案采用光电式检测，检测头位于钢领板上，通过检测钢丝圈的回转来判断断纱以及计算钢丝圈的转速，光电传感器安装位置如图3所示，其中：1-前罗拉，2-纱线，3-导纱钩，4-纱管，5-钢领，6-钢领板，7-单锭检测装置，8-LED指示灯，9-锭子。
图3 光电传感器安装位置示意图
钢丝圈每转过一圈，便会产生一个脉冲信号，经过放大整流处理之后的钢丝圈脉冲信号如图4所示。
图4 钢丝圈脉冲信号图
2.1.2 单锭检测信号的数据处理
由于外界噪声的干扰，钢丝圈的回转脉冲信号需要经过放大和整形处理变成方波脉冲信号，然后输送到单片机进行计时和计数算出钢丝圈转速并判断纱线断头等异常情况。根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有法(测频法)、法(测周期法)和法(频率周期法)，该系统采用了法(测频法)，法是在规定的时间内直接检测编码器的旋转脉冲的个数，进而来间接的测量转速。设时间内检测到的光电传感器脉冲个数为，钢丝圈转动一周产生的脉冲个数为，钢丝圈的转速为，转速采用下式计算。
2.2 牵伸检测信号的采集与数据处理
2.2.1 牵伸检测信号的采集
牵伸机构在线检测系统是通过编码器将牵伸罗拉的转动转换成脉冲信号，再通过微分电路将脉冲信号转换成牵伸罗拉转动的线速度，实现对牵伸机构的检测。牵伸机构在线检测系统由罗拉回转信号的传感与采集、信号处理与输出等模块组成。编码器在工作过程中，光源经过转动的光栅盘后由光电检测装置发出多个脉冲信号，依据信号中脉冲数可以计算出位移、转速信息。编码器的码盘产生两个相位相差90°的光码信号A和B，当编码器处于正转状态时，A的相信号会超过B的相信号90°，在编码器处于反转状态时，A相信号会滞后B相信号90°。通过观察A、B相信号之间的相位关系，可以确定编码器的旋转方向。
2.2.2 牵伸检测信号的数据处理
设时间内分别检测到的前、中、后罗拉编码器脉冲个数为，对应电动机转动一圈产生的脉冲个数分别为，对应电动机的转速分别为，转速采用下式计算。
由于伺服电动机的转速与纺纱机执行机构的速度存在一定的比例关系，设控制前、中、后罗拉回转的伺服电动机与罗拉转速的减速比分别为，前、中、后罗拉转速分别为，直径分别为，线速度分别为，转速和线速度采用下式计算。
（未完待续）
来源：赵龙飞 薛元 江南大学纺织科学与工程学院、贾殿友 李辉 张阳 贾政清 深圳市嘉友智控科技股份有限公司