环锭纺纱条监测技术应用与发展

倪 远，刘广喜

(1.纺之远(上海)纺织工作室，上海 200063；
2.北京众仁智杰科技发展有限公司，北京 100176)

《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[1-2]。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。

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40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2019ITMA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[3]。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[4]。

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[5]。

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3类。

2.1 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。

2.2 纺纱段的纱条信息采集

一般采用在巡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。

2.3 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。

2.4 3类断头检测技术比较

现有公开的纺纱断头信息采集点与技术特征比较见表1，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1 现有公开技术纺纱断头信息采集点与技术特征比较

表1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。

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2种单锭实时检测方法，目前为行业应用的主体，对于中国纺织行业来说，超过90%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2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。

a) 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。

b) 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。

c) 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。

d) 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。

e) 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。

f) 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。

g) 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”。

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2个方面，对应的是纱条产出和捻度2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OptiSpin单锭式导纱钩纱条运动光路监测系统(以下简称OptiSpin系统；
见图1)，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2)[6-7]。

图1 OptiSpin系统

1—电线通道；
2—导纱钩；
3—监测头；
4—纱条；

5—钢丝圈；
6—钢领。图2 OptiSpin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SCU和机台计算机。巴可公司的断头监测管理软件SpinMaster Monitoring System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功能。提取图2左下方波形中的脉冲谷底深度信息作为纱条直径d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BMSvision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OptiSpin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。

在纺纱纱条在线实时质量监测技术不能覆盖到细纱机纺纱生产中的情况下，2020年6月有公开信息显示，国内有纺纱智能化项目，重视机台锭位质量信息监测应用，研发了移动巡回式纱条视觉识别监测装备，见图3、图4[8]。

图3 移动巡回式纱条视觉识别监测装备

图4 纺纱段纱条视觉识别监测头

该技术采用视觉识别深度智能化分析和最新的高速率低时延5G通讯技术，进行细纱机锭位在线监测，为纺纱纱条的机台和锭位提供智能化辅助管理。该技术虽然不是实时监测，但至少能在一个规划的周期内完成预设机台和锭位的在线监测，为细纱机锭位监控提供重要的基础信息采集，填补了一项纺纱纱条线上监测管理的空缺。从图3、图4可知，细纱机钢领板上还设置了断头检测装置，表明移动巡回式纱条视觉识别监测装备，在线但非实时监测的对象只是纺纱段纱条，对断头和锭速的在线实时检测，还是由断头检测装置完成。当然，对于纵横向双重动态扫描检测、长周期回测的品质数据，是一种很短片段的抽样检查，较难拼接出每个锭位的纱体品质数据，究竟能够溯源并监测哪些品质项目、能够辅助提升哪些品质管控，尚待实践检验。

在现有技术无细纱机纱条品质实时监测应用的情况下，一个工艺技术的补救方法，就是采用RFID电子标签纱管或托盘的纺纱质量追踪系统，依靠自络机上的电子清纱系统检测出问题纱线，再通过带有电子标签的纱管或托盘跨工序追溯细纱机纺纱锭位，其基本上只能用于自动落纱细纱机或细络联，不但应用条件受限，而且投资成本高昂、管理繁复、信息滞后，该技术长期未能推广应用。

在满足信号采集功能多元、信号处理便捷和系统成本较低的条件下，笔者构建了一套数字信号纱条监测系统架构(见图5)，从选择合适的信息采集对象、信息采集点与传感器类型出发，确定以对射光路的光电传感器在导纱钩部位采集纱条回转信息，光电发射管与光电接收管分别设置在外形为“U”形的纱条监测器两臂里面，两臂内侧对光窗口均设有聚焦和约束光电发射管和接收管对射光束尺寸的结构，使发射管射向接收管的光束宽度接近于纱条直径，纱条监测器光路靠近导纱钩下部或径向穿过导纱钩的导纱孔，纱条在导纱孔中回转时能够阻断射向光电接收管光路，使光电接收管的光电转换工作处于饱和(电平1)或阻断(电平0)状态，从而直接产生数字脉冲信号(见图6)。

图5 数字信号纱条监测系统架构示意

图6 数字信号纱条监测系统脉冲信号

纱条监测器与锭位控制器组合一体，锭位控制器安装在导纱板下部。多个锭位控制器采集到的锭位信息输入到段位控制器，由段位控制器集中处理，一方面段位控制器中的信息处理模块反馈出锭位和段位警示信号，同时段位控制器里的通讯模块将处理后的信息发送到机台控制器。

依据不同需求，以上原理和结构及不同的信号处理，可以构建以下2种纱条监测系统。

6.1 数字信号纱条断纱检测系统

纱条在直径为2.0 mm～2.4 mm的导纱孔内回转1圈，产生对光束的2次切割，产生2个数字脉冲信号，以9.8 tex纱条直径约0.12 mm计，占空比约为0.016，在最高气圈回转速度为20 kr/min时回转频率为333 Hz，纱条脉宽约为48 μs，满足一般光电管最小上升沿或下降沿不小于15 μs的极限响应。

在锭位纱条数字信息采集中，纱条回转1圈T0时间内产生对光束的2次切割(如图6所示)，在光电接收管接收信号S上产生2组间隔为T1和T2的脉冲，2次切割中由于纱条距离光电接收管的距离不同，或者对射光束可能偏离气圈回转中心线，实际监测到的T1，t1与T2，t2是不一定相等的，因此在计算纱条回转频率f、回转速度n相关数据时，可以应用式(1)、式(2)计算：

纱条频率f=1/T0=1/(T1+T2)

(1)

纱条转速n=60/T0=60/(T1+T2)

(2)

当然，由于纱条回转频率、回转速度需要的计算精度不高，可以认为T1=T2，则简化计算为：纱条平均频率f=1/(2T1)，或f=1/(2T2)；
纱条平均转速n=30/T1，或n=30/T2。

利用锭位纱条光电数字脉冲频率和脉冲宽度信息进行整机通讯与运算，可以获得包括单锭和整机实际产量和效率、重复断头锭位、管纱成形不同阶段断头数、锭子实际转速及其变化率等生产与品质管理所需的实时数据，也可按照用户需求扩展其他统计数据。断头信息可以实时驱动粗纱停喂、吸棉风机的动态降频节能等扩展应用。

6.2 数字信号纺纱断纱检测与质量监测系统

在上述数字信号细纱机断纱检测系统的基础上，分别对回转频率和纱条脉宽信号进行采集运算处理，计算纱条直径的公式见式(3)：

纱条直径d∝(t1+t2)/(T1+T2)

(3)

利用锭位纱条光电数字脉冲频率和脉冲宽度信息进行整机通讯与运算，既可以获得包括单锭和整机实际产量和效率、重复断头锭位、管纱成形不同阶段断头数、锭子实际转速及其变化率实时数据，又获得纱条直径及其变化率等生产与品质管理所需的实时数据。

对所得在线数据进行统计计算，用以表征各个锭位纺纱纱条的线密度水平及其分片段变异状况。表2为常用纱线号数的取样参数计算，可看出随着纱线号数变小，每米采样数量增加，每数据表征长度降低，这符合纱线质量管理特性。与目前行业应用的电容式细纱线密度检测仪检测极板长度为8 mm类比，表1中每数据表征长度为8 mm的1/10～1/20，即长度方向的检测精度提高1个数量级以上。

表2 常用纱线线密度品种的取样参数

纱条直径及其变化率的计算，可以通过分长度片段计算单锭均方差变异系数、锭间均方差变异系数和单锭平均直径，以及对频发性和偶发性疵点作出计数，通过标定或修正获得品质考核所需的条干不匀、质量不匀、线密度和纱疵等一系列质量数据。

纱条线密度指标基本计算公式如下，实际纱条平均线密度和纱条片段不匀率，需要根据纤维和纱线品种进行修正。设：

脉宽比例值Xi=(t1+t2)/(T1+T2)

(4)

(5)

(6)

7.1 与OptiSpin系统的区别及优势效应

目前行业中尚无细纱机单锭纺纱纱条直径实时在线监测的技术应用，即使与十多年前比利时巴可公司OptiSpin系统所说的纱条直径检测功能相比，数字信号纱条监测系统技术具有3大显著性区别，并产生优势效应。

a) 采集位置不同。OptiSpin系统位于导纱钩下部，纱条回转直径较大且随大小纱气圈形态而改变，导致纱条阻隔光路的信号占空比极小且不稳定，光电管获得的模拟信号很弱，信号处理和转换成本较高，该技术纱条回转直径等于或接近导纱孔直径，回转直径小而稳定，可以获得脉宽大且稳定的信号。

b) 采集信号制式不同。OptiSpin系统采集的是模拟量信号，该技术直接采集数字量脉冲信号，应用二值电平逻辑数字信号，对数据的运算处理便利，抗干扰能力强，能实现几乎无差错的运算、传输和存储，因而在应用性价比方面，相比模拟量信号，具有不可比拟的优势。

c) 采集纱条直径信号不同。OptiSpin系统采集的纱条直径信号是模拟量脉冲幅度，期望采用脉冲幅度信号来表征纱条直径，由于信号弱、脉宽窄、幅度小，实现的可能性不大，这可能就是该产品长期未见实际应用，以及更换公司后不再宣传纱条直径监测功能的主要原因。该技术的数字信号细纱机断纱检测与纱条监测系统以脉冲宽度表征纱条直径，方便采集与信号稳定，当然由于需要增加脉冲宽度信号的统计、传输、存储和运算，系统配置与仅有锭速和断头信息检测功能的数字信号细纱机断纱检测与纱条监测系统相比，需增加一定的软硬件成本。

7.2 主要结构特征与应用效应

7.2.1 工艺技术合理

纱条监测器对纱条回转信息直接用数字化采集，以较低信息采集与处理成本、较稳定的监测数据和较高的系统性价比，实现环锭细纱机每个纺纱锭位的实时锭速信息、断头信息及至纱条品质信息的采集。

7.2.2 结构简洁精巧

对激光或红外对射光束进行约束或聚焦处理，直接产生实时锭位数字化监测信息，数据处理简便，抗干扰性能好，纱条监测器与锭位控制器一体设置，与导纱钩一体固定或安装在导纱板下部，大幅减轻钢领板负荷。

7.2.3 功能多元实用

实现实时在线对锭速状态的监测，断头锭位、段位或车侧位的警示，纱条品质的监测，获得与锭速、断头和纱条品质相关的原始数据和统计数据，用于纺纱生产工艺技术、运转操作、设备维护等管理考核。由于品质数据的在线实时性，可以大大减少跨工序质量追踪的项目，如可以不再需要带有RFID芯片的智能纱管的配置及其成本投入，也能解决现有技术无法实现的对赛络纺纱条断股的监测。纱条品质项目监测功能的集成，对创新项目的实施和应用性价比的提升非常有利。

7.2.4 独特进步效应

增加采集到的与纱条品质相关的数字化数据，是关乎纺纱工艺技术管理中品质监控的纺纱主体工程大数据，其对纺纱介质采集和处理的数据量，将是整个纺纱过程中最为关键和庞大的数据集。对纱线形成关键部位的大数据进行深度挖掘和智能化运用，可以实现“十四五”发展规划提出的基于人工智能和数字孪生的新一代纺纱检测与信息智能系统，产生很大的纺纱工艺技术进步。

我国纺织行业“十三五”“十四五”规划把纺纱数字化、信息化和智能化技术列入重点工程和重点任务，也提出了纺纱信息化的数字孪生应用，为我国在基本实现纺织强国后指明了纺纱信息化、智能化的发展方向，成为行业科技发展最重要的趋势与目标。在纺纱信息化和智能化技术研发应用中，对信息的采集和处理，应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。特别对于细纱机纺纱状态和品质的实时在线监测，由于存在着运行锭位数量多、纱条运动速度高、可设置采集点少、信息传感难度大和成本敏感度高等特点，更需要优化工艺技术路线，突破现状难点约束，开创应用新架构。

由于现有技术对细纱机纺纱纱条实时在线质量监测技术的缺位，创新研发出巡回式纺纱段纱条品质非实时视觉识别监测装备，可以辅助纺纱生产信息化、智能化管理，但其应用效应尚待评估。也有采用RFID电子标签的质量追踪系统，但应用局限、投资成本高、管理不便及信息响应滞后。

数字信号纱条监测系统巧妙设置纺纱纱条信息采集点和信息传感方式，多元采集锭速、断头、捻度和纱条直径相关信息，直接形成数字脉冲信号，有效降低信号处理成本，改善信号处理精度；
实现环锭细纱机每个纺纱锭位的实时锭速信息、断头信息和纱条直径信息采集，完成锭速状态的监测，断头锭位、段位或车侧位的警示，纺纱工程最重要的细纱纱条品质的监测。其中，与纱体相关的品质监测功能，是一项行业始终没有突破的重要纺纱主体工程基础信息，其将在源头上监测纺纱纱条形成形态，构建纱条虚拟信息，形成纱体数字孪生，辅助工艺质量管理、提升纺纱品质，并大大降低事后品质追踪管理难度；
以较低的投资成本获得与锭速、断头、捻度和纱条线密度等品质相关的原始数据和运算数据，并便于从这些纺纱主体工程基础信息的大数据中进行深度挖掘，为纺织行业向纺纱生产信息化和智能化推进提供高性价比的技术解决方案。

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