1、环锭纺纱条监测技术应用与发展倪远，刘广喜（纺之远（上海）纺织工作室，上海 ；北京众仁智杰科技发展有限公司，北京 ）摘要：为响应纺织行业“十三五”“十四五”规划中纺纱信息化、智能化的发展方向，探寻投资成本较低、维护管理便利、能够在线实时警示和统计的环锭纺纱条监测技术，介绍电磁式和光电式种单锭实时检测方法的应用现状、分类及相关思考；对比多种技术方案，以 单锭式导纱钩纱条运动光路监测系统和巡回式纱条视觉识别监测装备为例，分析环锭纺纱条品质实时监测和非实时监测的原理、应用、行业需求和趋势；针对细纱机纱条监测技术行业应用的关键制约因素，创新提出数字信号纱条实时监测系统，详细分析数字信号纱条断纱检测系统、
2、数字信号断纱检测与纱条监测系统的原理及优势。指出：纺纱信息化和智能化技术研发应用时，应以工艺技术路线为引导，遵循信号采集功能多元、信号处理便捷和系统成本较低的原则；数字信号纱条实时监测系统能多元采集纺纱锭位工作状态和纱条品质信息，实现单锭实时状态信息与品质信息监测，为纺纱主体工程信息化、智能化提供基础信息采集。关键词：纱条监测技术；断头检测；锭速检测；纱条直径；信息采集；投资成本；实时监测；光电检测；电磁检测；视觉识别；纱条数字孪生中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（），；，）：，收稿日期：作者简介：倪远（），男，上海人，高级工程师，主要从事棉纺织技术、纺织机械方面的研究。】【第 卷第期
3、 年月 ，：；引言 纺织工业“十三五”科技进步纲要 纺织机械行业“十四五”发展指导性意见 明确了纺纱信息化、智能化的发展方向。信息化与智能化纺纱需要完善的纺纱过程实时数据采集、质量在线实时监控和质量追踪技术。其中，关键性和基础性的信息就是细纱机纺纱状态和纱线品质在线实时信息，笔者将就此进行探讨。细纱机断头检测技术应用针对环锭细纱机在线监测，行业以细纱机纺纱断头检测为典型应用。断头检测的技术方案早在 多年前就被提出，此后国际上有多家纺机制造企业推出相关产品并被少量应用。近年来，随着纺纱技术向自动化、信息化和智能化方向发展，行业对纺纱断头检测技术应用的共识度有所提升，其中在节省用工、操作工劳动强度
4、降低和改善管理效应方面已经显现，纺纱断头检测技术推广应用加速进行。在 巴塞罗那国际纺机展上，几乎所有参展细纱机样机都配置了断头检测装置，从目前行业应用效应和意愿看，进一步普及应用的趋势比较明显，甚至存在断头检测装置在中高档细纱机或纱线产品上成为标配的趋势。从当前行业情况看，基于棉纺企业的经营难度和盈利压力，信息化装备配置中对投资成本的敏感度较高。因此，纺纱信息化进一步普及应用主要受限于对投资成本的考量，或者说是对投资回报期的考量。环锭纺纱技术的产能主要受制于细纱机纺纱断头，同时纺纱断头对环锭纺纱生产的影响还包括用工、主机效率、原料损耗、纱线品质和能耗等一系列与管理和成本相关的项目，这就凸显了对
5、纺纱纱条断头控制的重要性。细纱机纺纱断头检测技术的应用能及时监测纺纱断头情况、实时了解断头分布、分析断头原因，针对性地反馈应用这些信息，可以有目标地改善锭速制约因素、优化锭速与卷装协调、优化调度值车和加捻卷绕器材维护计划，从而提高纺纱生产效率、提升产能、降低消耗、节省用工、改善品质和完善管理。断头检测技术是纺企信息化管理必需的基础信息采集，是纺纱生产中锭位精细管理及自动化机器人接头与值车等技术应用必不可少的配置，并能有效拓展纺纱智能化应用的深度和广度。细纱机断头检测技术分类环锭细纱机纺纱断头检测，是纺纱信息化基础信息的采集，是提高细纱机值车操作的辅助技术，也是改善纺纱生产锭位管理的重要手段。依
6、据断头信息的检测位置，现有纺纱断头检测技术的信息采集点大致可以分为类。钢领上回转的钢丝圈通过钢丝圈进行信息检测是目前行业的主流应用，已经有采用光电式或电磁式等传感器的钢丝圈回转信息断头探测装置规模化应用，也有若干行业未见实际应用的技术方案。从纺纱工艺的角度分析，钢丝圈回转信息检测的实质是纱条加捻状态检测。这类采集方法可以同时获得断头和钢丝圈运转速度（锭速）信息，即通过扫描钢丝圈在钢领上的运动状态获取钢丝圈运转速度或频率（折算为锭速），以钢丝圈运转速度为零输出断头信号，钢丝圈运转速度和断头信息的获取有利于进行锭子运转状态的锭位管理，也便于扩展联接粗纱自动停喂装置。纺纱段的纱条信息采集一般采用在巡
7、回移动载体上安装摄像头的方法对纺纱段纱条进行周期性动态图像的分析处理，或】【通过对纺纱段纱条的触碰获取各锭位纱条是否正常运行的信息。由于采用移动载体巡回探测，断头信息为较长周期断续的非实时信息，警示信息滞后、统计信息误差大，如果联接粗纱停喂装置，信息反馈滞后的不利因素明显。移动装置及图像处理稳定性差，较长周期断续的非实时数据难以用于统计和考核的信息化管理。同时无法实现锭速信息采集，缺少锭速与捻度相关的统计信息。导纱钩部位采用光电、压力、振动等传感器采集气圈转速或断头信息。设置于导纱钩部位的特殊传感器涉及成本和信号处理难度，可能也存在缺少锭速信息采集的弊端。类断头检测技术比较现有公开的纺纱断头信
8、息采集点与技术特征比较见表，以了解和比较多种断头检测方案的采集、检测和反馈等技术特征要素及相对劣势。表现有公开技术纺纱断头信息采集点与技术特征比较序号采集点传感器信号检测信息反馈信息物理特征单锭巡回传感器位置行业应用相对劣势 钢丝圈电磁线圈频率钢丝圈转速断头锭速动磁感应单锭钢领板较多钢丝圈磁化红外光电频率钢丝圈转速断头锭速反光感应单锭钢领板较多成本高于电磁式电磁线圈频率钢丝圈转速断头锭速动磁感应巡回钢领板较少运动部件、非实时霍尔元件频率钢丝圈转速断头锭速动磁感应单锭钢领板较少钢丝圈磁化磁敏电阻频率钢丝圈转速断头锭速动磁感应单锭钢领板未见钢丝圈磁化红外光电频率钢丝圈转速断头锭速遮光感应单锭钢领板
9、未见安装位置不利光纤光敏频率钢丝圈转速断头锭速反光感应单锭钢领板未见安装位置不利拾音器频率钢丝圈转速断头锭速摩擦噪声单锭钢领板未见不明确感温器频率钢丝圈转速断头锭速摩擦发热单锭钢领板未见信号响应滞后气流气压频率钢丝圈转速断头锭速反射压差单锭钢领板未见安装位置不利 纺纱段触拨计数阻尼纱条计数断头纺纱张力巡回移动车试样运动部件、非实时、无锭速摄像头图像纱条计数断头纱条影像巡回移动车吹吸机试样运动部件、非实时、无锭速红外光电色斑纱条通断断头纱条影像单锭导纱板未见无锭速弹性位移触点纱条通断断头纺纱张力单锭导纱板未见无锭速、有阻捻 导纱钩压力振动频率气圈转速断头锭速纺纱张力单锭导纱板未见不明确弹性位移触
10、点纱条通断断头纺纱张力单锭导纱板未见无锭速、有阻捻重力杠杆触点纱条通断断头纺纱张力单锭导纱板未见无锭速红外激光光电频率脉宽气圈倍频断头锭速线密度纱条遮光单锭导纱板未见不明确表的信息主要来自中国专利局专利公告和行业应用信息，其中的一些方案仅仅是技术构思，可能不具有产业化应用的性价比。行业需要投资成本较低、维护管理便利、能够在线实时警示和统计的断头检测系统，普及纺纱企业信息化管理，推动细纱机纺纱纱条监测技术进入产业化应用，并在可能的条件下带动纺纱智能化发展。细纱机断头检测技术应用分析在断头检测技术推广应用中，针对钢丝圈运动的电磁式和光电式种单锭实时检测方法，目前为行业 应用的主 体，对于 中 国纺
11、 织 行业来 说，超 过 的市场占有率，其中又以电磁式单锭实时检测方法占比较大。采用电磁式或光电式传感器检测钢领上高速回转的钢丝圈运转速度（回转频率），锭速与断头检测合二为一。对于被检测的铁磁性钢丝圈，运用励磁电磁感应或光照反射感应进行运动信息检测，目标运动相对稳定、信号较为可靠。但是，就电磁式和光电式种单锭实时检测方法的应用情况看，仍有一些问题值得思考。）作为检测对象的钢丝圈是纺纱转速的间接载体，因而不能采集到与纱条本体相关的纺纱信息，也不能对检测对象采集更多纺纱相关信息，实现多元信息扩展。）由于受限于传感器在钢领板上的安装位置，和让位于必要的接头操作空间，传感器能够检测到的钢丝圈运动信号就
12、是微弱的模拟量信号，因而需要通过微电子信息传感、信号放大变换传输处理】【第 卷第期 年月 等步骤，这就使信号的处理转换过程和电路复杂化，使系统配置成本相对较高，限制了断头检测装置的普及应用。）对钢领直径变更的工艺，可能会改变检测钢丝圈回转信息的途径，影响断头检测装置的工作。）采用电磁传感器会对钢丝圈产生磁化和磁场作用力，影响气圈回转的圆度。）采用光电模拟信号采集时会因光电元件老化而影响检测精度和使用寿命。）由于钢丝圈正常运动到停止的惯性，以及为了降低硬件成本采用的分时运算，从断头到警示具有一定的时滞。）钢领板外侧被断头检测装置占位可能会给后续自动接头机的配置和工作带来影响。因此，选择合适的纺纱
13、断头检测信息采集点、信息采集对象与传感器，是研发设计检测系统功能、采集信号效用和系统性价比的决定性因素。基于当下行业对纺纱相关项目投资成本的敏感度，单锭成本对该技术的推广应用影响很大。一方面纺织行业确需扩大此类成熟和有价值的信息化项目应用，另一方面又受限于经济条件。技术研发制造企业必须以工艺技术路线为导向，寻找技术突破口，力争做到“马儿好，少吃草”。细纱机纱条品质实时监测对于细纱机纺纱的在线监测技术应用，一直停留在断头和锭速的检测上，即纱条工作状态和锭子回转状态个方面，对应的是纱条产出和捻度个关联纺纱产量和质量的度量，但是捻度仅是纺纱纱条加捻卷绕方面的一个指标。有关纱条品质，特别是表征纱体结构
14、的线密度及其变化率等方面的指标，才是纺纱生产及后续应用更重要、更难以掌控及更需要在线实时监测的品质项目。让纱线品质从生成之际就“了然”，才是杜绝不良品、掐灭根源的上策。遗憾的是，对纱条这些品质的监测技术，始终没有实质性进展。行业需要纺纱纱条在线监测信号采集便利、投资成本较低、能够在线实时警示和统计的断头与锭速监测技术和装置，进一步希望能够在在线监测锭速和断头的同时，在线监测纺纱纱条品质，为纺纱信息化乃至纺纱智能化技术发展提供更多的与纺纱主体工程基础信息相关的信息采集，及可供深度挖掘的单锭纺纱纱条监测大数据，普及纺纱行业信息化管理，推动纺纱智能化技术进入产业化应用。在已经公开的众多纺纱纱条在线监
15、测系统中，十多年前引起笔者关注的是比利时巴可公司推出的 单锭式导纱钩纱条运动光路监测系统（以下简称 系统；见图），该监测方案除了具有纺纱断头和气圈速度（频率）基本监测信息外，据说还具有纱条直径监测功能（见图）。图 系统电线通道；导纱钩；监测头；纱条；钢丝圈；钢领。图 系统监测原理监测头由调制光发射接收光电转换组件组成，设置在导纱钩下方经导纱钩引导后小气圈的路径上，该位置也是气圈段张力最大处。监测头的信息连接到传感器控制单元 和机台计算机。巴可公司的断头监测管理软件 包含断头与运转效率分析、锭速及其优化、操作与维护引导和粗纱停喂等功能。有别于其他断头检测方案之处在于，其还宣称具有纱条直径在线监测
16、功能。提取图左下方波形中的脉冲谷底深度信息作为纱条直径的模拟量信息，通过机台计算机处理，进行整机各锭位纱条直径及其不匀率、纱疵等在线监测和分析，成为名符其实的在线质量监测系统。但是该技术一直未见市场应用信息，近年又见该技术转变成为 公司的产品，虽然将产品称为“环锭细纱机在线质量监控系统”，但更新后】【的 系统产品介绍文字中不再提及具有纱条直径检测功能，而只是宣传可精确记录锭子速度和实时监测断头情况。显然，距离真正意义的“质量监控”还是缺少了若干重要功能。有关纱条直径信息的检测采集，确实不是一个简单的课题。细纱机所有锭位实时在线的线密度信息采集难度极大，成为一项难以突破瓶颈的行业潜在需求，或者说是一个至今没有确定性研发途径的项目。随着纺纱品质管理的深入，纺纱主体工程信息化智能化技术的发展，包括纺纱品质追溯系统在内等事后监控项目的应用，以及智能纺纱发展涉及虚拟纱条与纱体数字孪生概念的提出，细纱机锭位纱条在线品质监控技术的行业需求逐渐显现，行业关注度提升，项目应用的需求已提到议事日程上，并将从潜在的隐性需求逐步转变为显性需求。细纱机纱条品质非实时监测在纺纱纱条在线实时质量监测技术不能覆盖到细