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。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的生产效率低下和粗纱原料的浪费。由于单锭监测系统通过对纺纱生产过程各类数据的有效采集和数据处理，为生产优化和决策提供了科学依据，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。
本文通过对单锭监测系统的组成及工作原理进行分析，探讨了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，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。
1.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
单锭监测系统是纺织行业用来实时监测纱线断头的智能化系统，通过传感器实时监测并采集每个纱锭的 运行数据，即时发现断纱、弱捻等异常情况，断纱后立即示警并控制粗纱停喂，减少粗纱的浪费，提高生产效率和产品质量，采集的数据可辅助生产管理决策，实现纺纱过程的智能化和精细化控制。细纱机单锭监测系统按功能划分由监视单元、控制单元、执行单元、显示单元、交互和存储单元 5 部分组成，如图 1 所示。
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。
图1 单锭监测系统组成
控制单元由一个控制器组成，控制器通过总线分别单锭板和停喂板连接，另外还与用 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；执行单元由两面的一系列粗纱停喂板以及一系列粗纱停喂装置组成，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，筛选、剔除不合理状态数据，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，会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，控制单元会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，会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
2.单锭检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。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，再通过计数电路对脉冲信号进行计数，结合设定的时间参数计算出钢丝圈的转速，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。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3 光电传感器安装位置
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M法(测频法)、T法(测周期法)和M/T法(频率周期法)，该系统采用了M法(测频法) ，M法是在规定的时间内直接检测编码器的旋转脉冲的个数M，进而来间接的测量转速。设时间Tg内检测到的光电传感器脉冲个数为Mg，钢丝圈转动一周产生的脉冲个数为Pg，钢丝圈的转速为ng，则：
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，根据脉冲信号计数结果计算出牵伸罗拉的转速，再结合牵伸罗拉的直径计算出线速度，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 的信号会超过 B 的信号 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Tq、Tz、Th内分别检测到的前、中、后罗拉编码器脉冲个数为Mq、Mz、Mh，对应电动机转动一圈产生的脉冲个数分别为Pq、Pz、Ph，对应电动机的转速分别为Uq、Uz、Uh，则：
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机与罗拉转速的减速比分别为μq、μz、μh，前、中、后罗拉转速分别为nq、nz、nh，直径分别为dq、dz、dh，线速度分别为vq、vz、vh，则：
2.3 主轴检测信号的采集与数据处理
2.3.1 主轴检测信号的采集
环锭细纱机主轴是由电机通过皮带和皮带轮传动，主轴再传动环锭细纱机的牵伸机构、加捻机构、卷绕成型机构。主轴转速的检测是通过霍尔传感器来完成的，霍尔传感器将主轴的转动转换成脉冲信号，通过计数电路对单位时间内的脉冲信号进行计数，结合主轴转动一圈产生的脉冲个数，计算得主轴转速，实现对主轴的检测。
2.3.2 主轴检测信号的数据处理
设时间Tm内检测到的主轴霍尔传感器脉冲个数为Mm，主轴转动一圈产生的脉冲个数为Pm，主轴转速为nm，则：
与主轴同轴回转的滚盘依托摩擦带动锭带，锭带再依托摩擦带动锭子回转。由于在大、中、小纱阶段锭 带所承受的负荷不同，以及锭带对不同锭位的摩擦效应的差异，以及锭带工作时效的疲劳等因素，会由于锭带传动过程中滑移率的变化造成不同时间和不同锭位间捻度不匀情况。因此，通过对主轴转速以及锭子转速的检测，可以为评价不同时期和不同锭位间的捻度不匀提供数据支持。
2.4 钢领板检测信号的采集与数据处理
2.4.1 钢领板运动信号的采集
环锭纺纱是通过钢领板的上下往复运动配合锭子的回转实现卷绕成型，基于 PLC 的电子凸轮算法由伺服电机驱动蜗杆带动蜗轮，通过蜗轮推动齿轮-齿条机构上升或下降，进一步带动钢领板上升或下降完成导纱运动，实现管纱的卷绕成型。利用该伺服电机自带的编码器将电机的转动转换成脉冲信号，再将该脉冲信号等价转换成钢领板的位移信号，再通过微分电路将其转换成钢领板上升或下降的速度，实现对卷绕成型机构的检测。
2.4.2 钢领板运动信号的数据处理
设时间Tb内分别检测到的编码器脉冲个数为Mb，对应电动机转动一圈产生的脉冲个数为Pb，对应电动机的转速为Ub，则：
由于钢领板升降运动是通过伺服电机驱动蜗轮蜗杆实现的，设蜗杆直径为d0，线速度为v0，钢领板升降的速度为vb，蜗杆到钢领板的传动比为μ0，则：
3.单锭监测数据的深度挖掘与分析诊断
单锭监测系统数据挖掘与分析诊断主要包含对加捻数据、牵伸数据及卷绕成型数据等的深度挖掘，以及对纱线断纱、弱捻、空锭、捻度不匀、牵伸不匀、条干不匀等的诊断。
3.1 加捻数据的挖掘及工况诊断
通过对加捻过程的实时监测以及数据的分析，加捻工况主要包含断纱、弱捻、空锭以及捻度不匀等情况。
（1）断纱辨识：当纱线断头后，导致钢丝圈的回转速度减慢直到停止回转，光电接收器件所检测到的光线变化信号也随之发生变化，传感器可迅速检测到钢丝圈回转变化信号，然后发送到控制器，通过控制器对钢丝圈回转变化信号进行判断，当控制器判断钢丝圈回转变化信号不是连续脉冲信号时，则输出断纱信号并通过 LED 灯告警，挡车工根据指示信号灯及时有效的检测各锭位纱线的断纱情况，有效的提高了接线工人的工作效率，减少了原料的浪费。
（2）弱捻辨识：传感器采集钢丝圈回转信号，根据钢丝圈信号的变化周期可计算钢丝圈的平均转速，然后将各个锭位的转速与控制器计算所得的钢丝圈平均转速相比，根据比较结果，判断是否弱捻并输出相应的控制信号。设置判断弱捻的百分比一般不能高于 90%，设置弱捻锭位的判断时间建议值8-20分钟，时间越长判断弱捻越准确。当在此期间采集到的钢丝圈转速一直低于平均转速的 90%，则可以判断出弱捻并输出相应的控制信号。
（3）空锭：若光电传感器在很长一段时间未监测到钢丝圈的信号，则认定为该锭位为空锭。
（4）捻度不匀：通过对钢丝圈、罗拉运动速度的实时监测及数据融合，可以得到纺纱过程中的捻度，如钢丝圈转速为ng，前罗拉线速度为vq，则纱线捻度Tw为：
（8)
将某时段测定的各锭位钢丝圈的转速除以前罗拉线速度可获得该时段不同锭位所纺纱线的捻度，并由此获得该时段所纺纱线的平均捻度。各锭位捻度与平均捻度的差值再除以平均捻度可获取不同锭位之间的捻不匀；如果将某锭位大、中、小纱阶段的捻度与各阶段平均捻度的差值再除以各阶段平均捻度可获取该锭位在 大、中、小纱阶段等不同时段的捻度不匀率。因此，通过对前罗拉转速和锭子转速的检测，可以为评价不同时期和不同锭位间的捻度不匀提供数据支持。
3.2 牵伸数据的挖掘及工况诊断
通过对牵伸过程的实时监测以及数据的分析，牵伸工况主要包含牵伸倍数不匀、纱线条干不匀等情况，通过编码器实时采集的前、中、后罗拉回转的转速信息，可以经过逻辑运算得到牵伸倍数以及成纱线密度的实时波动情况，也可得到纺纱长度和纺纱产量。设前区牵伸倍数、后区牵伸倍数以及总牵伸倍数分别为Eq、Eh、E，粗纱线密度为Pc，成纱线密度为P，纺纱时长为t，纺纱长度为L，纺纱产量为W，则：
根据纺纱过程中牵伸倍数、成纱线密度的波动情况，可以通过数据实现智能化的生产决策，当发现牵伸倍数偏离预定范围，可立即进行调整，而且监测数据可以作为评估产品质量的重要依据。
3.3 卷绕成型数据挖掘及工况诊断
通过卷绕过程的物理模型及算法对检测系统获取的卷绕机构运动参数进行深度挖掘，可实现卷绕过程动态参数的可视化，为纱管集落和管纱的自动输送与排单提供数据支撑。
4.单锭监测系统的应用及展望
单锭监测系统通过对细纱机锭子、罗拉、主轴、成型钢领等机构的监视以及断头控制粗纱停喂系统的配备，不但大大降低了环锭细纱车间对人力挡车的需求，通过各传感器对纺纱过程中钢丝圈、罗拉、主轴、钢领板等机构的实时监测与数据处理，实现了对纱线断头、弱捻、大、中、小纱捻不匀、锭位捻不匀等异常情况的监测。
通过 WIFI 将上述相关检测到的海量数据上传至云服务器构建数据库，基于纺纱 MES 系统生成智能报表，针对品种、班组、班次、机台等不同维度查询产量与细纱断头报告并进行单落纱分析、落后锭子分析等。
人力资源管理可通过移动 APP 或数据大屏了解当班、本周、当月的绩效数据和业绩排名，考查挡车工的产量、接头数量、平均接头时间、纺纱效率、落纱前断头、落纱工的启动断头数量、落纱效率等绩效指标；可以便捷查询和追溯每个产品工艺、便于对设备工艺参数单独翻改，能直观反映每台设备的特性、快速分析 匹配品种所对应的设备性能，支持通过大数据图表分析功能，分析工艺与环境、能耗、质量、产量、设备的相关性并优化工艺水平。单锭监测系统是建设现代智能化纺纱车间的基本配置。
4.1 故障报警和巡回小车自动导航功能
当监测到纱线断头、弱捻等异常信息时，这些信息会通过总线上报至控制单元，并根据异常的类型，在对应的锭位亮起不同颜色的指示灯，同时塔灯和显示屏上也会显示异常信息。巡回小车根据异常锭位的位置动态规划路径，自主行驶至指定位置，极大地方便了挡车工对异常锭位的处理，提高生产效率。
4.2 断头停喂粗纱功能
当监测到纱线断头后，控制器发出停喂信号，粗纱停喂装置立即启动，在后罗拉与后皮辊之间插入一个很薄的尼纶片使后皮辊停止转动，从而使粗纱在后罗拉与中罗拉之间被拉断，达到粗纱停喂的目的，减少粗纱的浪费。粗纱停喂装置的应用，不仅可以减少粗纱的浪费，而且降低了对胶辊、皮圈、罗拉的损害，减少了挡车工及保全工，降低了用工成本。
4.3 纱线异常状态监测及可视化显示
单锭监测系统具备弱捻、断头、故障锭位和数码屏警示功能，为挡车工和机修工提供快速指引，发现弱 捻、断头、故障锭位，避免了无效巡回，且大屏 Android 人机界面清晰显示单台设备运转状况，如断头锭位 根数、产量、效率等，实现纺纱过程数据的实时监测和可视化显示。系统植入物联网卡，通过M2M技术实现细纱机之间的互联互通，还可根据用户需求扩展功耗、温湿度、粉尘、噪声采集等数据监测模块以及风机变频控制等功能模块。单锭监测系统的应用为抓住细纱工序产品质量的关键点提供了帮助，也为减人增效提质降耗提供了可能。
4.4 为智能纺纱 MES 系统提供监测数据
单锭监测系统作为智能纺纱 MES 系统的重要感知层，扮演着数据采集与传输的前端角色，为整个智能纺纱体系提供了至关重要的检测信号与数据支持。
通过采集纺纱过程中各个纱锭、纺纱机各运行机构、车间环境温湿度等实时数据，并即时传输至 MES 系统的数据处理中心，经过 MES 系统的深度分析，能够揭示生产过程中的潜在问题和优化点，如频繁断头的原因、最佳纺纱速度等，为企业管理层提供数据驱动的决策依据，助力纺织企业实现精益生产和智能化管理，最终达成降本增效、提升竞争力的战略目标，为纺纱厂的精益生产、成本控制和可持续发展提供了科学依据，推动了智能纺纱向更高层次的智能化和自动化迈进。
作者：赵龙飞1 李辉2 张阳2 贾政清2 薛元1
1.江南大学纺织科学与工程学院 2.深圳市嘉友智控科技股份有限公司
编辑： 中国纱线网，转载请注 明出处
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