紡織智能制造標準體系架構研究與實現

周亞勤， 汪俊亮， 鮑勁松， 張 潔

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

《中國制造2025》提出用3個10 a實現由制造業大國向制造業強國轉變的戰略目標，我國是世界上規模最大的紡織品服裝生產國、消費國和出口國，因此，紡織工業具有先期邁進世界紡織強國陣營的基礎和優勢。

工業和信息化部發布的《紡織工業發展規劃(2016—2020年)》中明確提出：發展高效、低能耗、柔性化、自動化、數字化、智能化紡織裝備，紡織專用應用軟件系統，形成紡織各專業領域智能制造系統化解決方案。由于缺乏行業性的紡織智能制造標準規范，企業在跨系統、跨平臺集成應用時面臨復雜的技術難題，有的甚至需要推倒重來。例如：物聯網行業應用標準缺失，導致紡織設備不能兼容；企業內部一些信息系統也因缺失統一標準導致集成困難。

紡織智能制造標準的制定可加速紡織智能制造的快速發展。本文依據《國家智能制造標準體系建設指南(2015年版)》[1]，圍繞紡織智能制造標準核心問題，從紡織智能制造裝備、生產執行、流通管理等環節的智能化，研究提出系統性、先進性和可操作性的紡織智能制造標準體系架構，為智能制造標準有序制定，提高紡織裝備的智能制造水平和質量穩定性提供參考。

1 紡織智能制造標準發展現狀

隨著移動互聯網、物聯網、云計算和大數據等新信息技術的發展，紡織企業的制造模式和技術架構面臨著深刻變革[2]。智能制造是與信息技術、工業技術以及管理技術都相關的系統技術，由此形成的智能制造系統是一個巨大復雜的系統，而標準化則是推動紡織智能制造科技發展與實施的強有力的工具[3-4]。

紡織智能制造系統的建設必須率先開展標準化建設。標準化是實現智能制造的基礎，標準先行是信息化的基礎和前提。經過數十年的發展，紡織生產過程已經基本實現了自動化、大部分紡織企業部署了企業資源計劃(ERP)、生產執行系統(MES)、計算機輔助工藝規程設計(CAPP)、供應鏈關系管理(SCM)等信息系統。由于缺乏統一的規劃標準，這些智能設備和信息系統的應用效果并不理想。

自從國家工業和信息化部、國家標準化管理委員會共同組織制定了《國家智能制造標準體系建設指南(2015年版)》后，許多學者在智能制造標準領域展開研究：孫楠等[5]研究船舶智能制造技術發展趨勢，并提出了標準體系框架分析；梁勇[6]對航空智能制造標準體系進行了設計方法的研究；麥綠波等[7]對通用智能制造標準體系構建提出建議；侯曦等[8]對針織面料生產智能制造進行研究，給出針織面料生產智能制造通用信息模型標準和驗證平臺；張潔等[9]研究大數據驅動下的紡織智能制造平臺架構。

目前，國家還沒有相關的紡織智能制造標準發布，但工信部近兩年來加快了對紡織智能制造標準的規劃和建設：浙江理工大學開始展開對針織裝備間互聯互通及互操作標準的研究[10]；無錫物聯網產業研究所開展紡織智能制造綜合標準化研究；2017年，本文作者所在項目組和福建百凱公司展開高端針織面料生產智能管控通用信息模型標準研究；天津工業大學展開經編織造數字化車間通用模型標準研究；杭州開源電腦技術有限公司開啟染整智能設備與制造系統間互聯互通及互操作標準研究。還有高校、研究所和企業開始展開對針織織造、染整生產過程的智能制造標準展開相關研究，而紡織生產過程復雜，需要綜合分析紡紗、機織、針織和染整等紡織生產工序智能制造需求，總體構建紡織智能制造標準體系架構，為紡織生產智能制造標準的發展提供參考。

2 紡織智能制造標準體系架構

在深入分析紡織智能制造共性技術和標準化需求的基礎上，綜合研究紡織智能制造系統架構各維度邏輯關系，需依據智能制造標準體系結構，構建紡織智能制造的綜合標準體系結構，如圖1所示。紡織智能制造標準體系結構主要包括：共性技術與標準、關鍵技術標準、紡織智能制造新模式標準和紡織智能制造工廠架構。在共性技術與標準、工業軟件、大數據和工業互聯網基礎上，實現紡織制造過程的智能裝備、系統集成、互聯互通、信息融合、制造執行和運營分析，實現紡織智能生產，促進紡織智能制造新模式。

2.1 共性技術與標準

紡織智能制造標準體系中，共性技術與標準主要包括智能傳感技術、物聯標識技術、網絡架構技術、安全、機器人和OPC UA協議等。

圖1 紡織智能制造標準體系結構圖Fig.1 Textile intelligent manufacturing standard architecture diagram

在新型紡織機械中，有很多類型的傳感器對改善紡織生產發揮了極大的作用，如光電傳感器、電磁傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、圖像傳感器及各種工藝參數傳感器等，已廣泛應用于各種新型紡織機械，如異纖檢測，并條機和梳棉機等的棉條均勻度檢測，棉網均勻度檢測，紡絲機、細紗機、整經機、織機的斷紗自停檢測，織機、紗線卷取機、絡筒機等紗線張力檢測，印染設備中在線色差檢測等。

隨著紡織裝備向著數字化、智能化、多功能化發展，掌握紡織裝備中各種信息檢測的需求，研究紡織裝備專用新型傳感器的檢測原理和方法,以及適合紡織生產的物聯標識技術和標準，實現紡織機械裝備動態運行狀態的有效監測是實現紡織智能制造的基礎。

共性技術與標準中，需要抽取紡織業物聯的要求，研究物聯標識技術，形成紡織物聯標識標準，為實現紡織制造過程中的物聯和數據采集打下基礎。網絡架構、安全、機器人和OPC UA協議等可采用已經發布的相關標準。

2.2 關鍵技術標準

關鍵技術標準主要包括3部分：工業軟件與大數據、智能車間與智能工廠以及工業互聯網。

工業軟件與大數據標準中，需要研究與紡織相關的工業大數據處理技術標準和與紡織產品相關的應用軟件標準，其他如數據管理技術、工業軟件集成、軟件質量管理和軟件資產管理等可參照國家智能制造標準體系中的相關標準。

分析紡織生產過程，可將智能車間與智能工廠標準建設分為6個方面：智能裝備、系統集成、互聯互通、信息融合、制造執行和運營分析。

智能設備包括紡織生產中的化纖設備、織造設備、針織設備、非織造設備、印染設備、制衣設備、配套設備、專用傳感器等，需要根據相關行業特點，制定各種智能設備的相關標準。

系統集成中需要制定各生產線標準，并針對各生產線進行分析，制定產品與設備集成、設備到設備集成、設備與系統集成等紡織行業的共性標準。

互聯互通需要抽取紡織行業的共性技術，制定紡織工業控制網、工業物聯網、紡織工業云平臺和紡織大數據平臺等標準。

信息融合標準主要需要制定紡織工藝數據、紡織設備狀態數據、紡織過程數據和紡織物流控制數據等信息融合標準。

制造執行標準主要包括紡織設備運行管理、紡織生產質量控制、紡織工藝執行管理、生產物流管理和生產計劃調度等關鍵技術和標準。

運營分析主要包括客戶關系管理系統(CRM)、ERP、倉庫管理系統(WMS)和個性化定制平臺等。

工業互聯網主要包括網絡組網技術、工業無線通信、工業有線通信和信息協同技術等標準。

2.3 紡織智能制造新模式

紡織智能制造新模式主要包括紡絲、非織造流程型智能制造、紡紗、織造、染整離散型智能制造、全流程網絡協同制造、服裝大規模個性化定制和紡織裝備遠程運維服務等。

2.4 紡織智能制造工廠架構

在紡織智能制造標準體系結構中，智能工廠的架構是關鍵。需要以系統化管理思想，研究紡織各行業智能制造工廠通用技術要求，建立紡織智能制造工廠架構參考模型。圖1中智能車間與智能工廠架構，主要考慮紡織產品生命全周期，從紡織工廠資源要素、系統集成、互聯互通、信息融合、制造執行和運營分析等方面建立系統集成和設備狀態模型，信息融合通用模型、生產執行系統的共性功能模型等，實現紡織企業的生產決策、設備監測、質量管控和全流程追溯、智能物流與倉儲管理等功能。使紡織智能工廠實現自動化、集成化、網絡化、數字化和智能化生產。

2.4.1資源要素和系統集成

在紡織智能制造工廠中，資源包括紡紗設備、化纖設備、織造設備、針織設備、非織造設備、印染設備、制衣設備、傳感器、機器人設備、物流設備和質檢設備等多種資源，需要制定這些設備的互聯接口，建立相應的標準，為數據驅動設備和互聯互通打下基礎。

系統集成主要針對智能工廠的紡紗生產線、化纖生產線、織造生產線、針織生產線、非織造生產線、印染生產線和服裝生產線，實現設備互聯，并進行數據采集，建立設備狀態模型，實現設備狀態感知，以及產品與設備、機器到機器、設備與系統的集成。

2.4.2互聯互通與信息融合

基于智能工廠資源要素和系統集成，通過工業控制網和工業物聯網實現智能工廠的互聯互通，進而實現設備和企業間的即時通信和數據交互。構建紡織工業云平臺和紡織大數據平臺，建立智能工廠系統狀態模型，實現系統的實時監控。

在互聯互通和紡織大數據平臺基礎上，實時監控獲取紡織工藝數據、紡織設備狀態數據、紡織過程數據和紡織物流控制數據等，進而可控制設備，對數據進行融合，建立信息模型，從而實現對系統的智能分析。

2.4.3智能執行與運營分析

在互聯互通和信息融合的基礎上，可實現紡織智能工廠的智能制造執行和運營分析。

利用紡織設備狀態數據，可實現設備的實時狀態監測和異常偵測，從而實現紡織設備的運行管理。

通過紡織工藝數據、紡織過程數據和信息模型，可實現紡織生產各工序的質量分析與工藝優化，實現工藝執行管理和紡織生產質量控制。

利用紡織物流控制數據和紡織過程數據，應用智能算法，可進行紡織生產全流程計劃與調度，從而實現智能工廠生產物流管理和生產計劃調度。

借助智能工廠的ERP系統、CRM系統、WMS系統、紡織大數據分析和個性化定制平臺，實現企業的系統管理、數據可視化、知識創新和科學決策，以及企業的智能運營分析和智能化運營，在紡織智能制造新模式中進行智能制造應用示范。

3 高端針織面料智能制造標準案例

上海嘉麟杰紡織品有限公司主要從事絨類、緯編羊毛面料和運動型面料等高端針織面料的開發與生產，企業已經引入數字化染色設備、EPR、MES等信息系統，但與先進高端針織面料生產國家相比，在設備、技術和管理方面都存在一定的差距。

高端針織生產過程中織造斷紗率高，染色缸差大，回修量大，生產中的噸織物耗水量和污水量大，能耗高，急需面料生產全流程智能管控標準。本文通過研究分析上海嘉麟杰高端針織面料生產織造過程、染整過程的設計、工藝、制造和設備的智能管控標準，建立本細分行業智能管控標準。通過智能管控標準的制定和實施，可降低高端針織企業的生產成本，提升生產過程的管控能力。

3.1 針織生產全流程共性技術和標準

在高端針織生產全流程中，共性技術和標準包括大圓機和經編織機的斷紗自停，紗線的張力在線檢測、色差檢測等涉及的紡織傳感器技術和物聯標識技術標準。

3.2 針織制造關鍵技術

高端針織智能制造關鍵技術包括:工業互聯網技術，實現針織生產過程整經設備、經編機、大圓機、染色設備等和智能管控系統的互聯互通；工業軟件和大數據技術，實現針織制造過程的智能制造執行軟件如ERP、MES、中控系統等互通，大數據存儲分析技術實現織造、染整流程的實時數據采集存儲和分析，對運營過程進行智能決策；智能車間包括針織設備、印染設備和專用傳感器設備、設備與系統的互聯互通和集成。

圖2 針織生產智能管控標準架構Fig.2 Architecture of information model standard

3.3 針織制造智能管控標準

以針織智能制造標準體系中的關鍵智能車間運營為例，構建具有4層次的針織制造智能管控標準架構，如圖2所示。

1)針織面料生產全流程規范。經編工藝流程包括：整經工藝、織造工序、染色工藝和后整理工藝。緯編工藝流程包括：織造工序、染色工序和后整理工序。

2)網絡構架。針織面料生產車間的網絡構架分成廠級網絡、主干控制網以及設備組控制網為基礎的3層網絡結構，可實現設備數據通過網絡與企業級數據中心的對接。中央監控中心、設備組監控中心、織造車間和染整車間設備的物理接口應采用RJ45標準，符合GB/T 15157.7—2002《頻率低于3 MHz的印制板連接器 第7部分：有質量評定的具有通用插合特性的8位固定和自由連接器詳細規范》的規定。全流程織造車間、染色車間和后整理車間對應的底層智能設備通過ZigBee通信和藍牙信息感知等通信，實現車間設備間的互聯互通。

3)數據結構。規范的生產全流程數據描述，是支撐高端針織面料生產智能管控的基礎。分析針織面料生產全流程涉及的數據，梳理形成產品信息數據、設備信息數據和生產流程包含的各工序數據結構，建立針織制造全流程多維數據結構描述模型(見圖2)。

4)在網絡架構和數據結構分析的基礎上，分別針對高端針織面料生產織造流程、染整流程研制典型管控標準，包括對織造、染整流程中涉及的車間生產計劃與調度、工藝執行與管理、質量管理和設備管理過程進行規范。

針織面料生產過程中涉及到3個典型的應用場景：設備的實時監控和異常偵測，染色質量分析與工藝優化和生產全流程計劃與調度，構造3個典型應用場景的智能管控標準。

設備的實時監控和異常偵測應用場景流程如圖3 所示。以針織面料生產設備數據描述和設備互聯互通標準為基礎，對針織織造設備狀態特征進行提取，構建設備狀態監控與異常偵測信息模型，進行數據篩選、過濾、降噪、去重、異常點處理、歸一化等，并對數據進行分類存儲，利用數據分析方法如神經網絡、支持向量機、決策樹等，實現實時狀態監控和異常偵測與分類。

圖3 設備實時監控與異常偵測Fig.3 Real-time monitoring and detecting of equipment

染色質量分析與工藝優化應用場景流程如圖4所示。基于染色工藝大數據，包括運行、設備和工藝數據，利用參數關聯分析方法，構建染色質量分析與預測模型，分析染機加料時間，升降溫速率是否合理，并對加料時間和升降溫速率等工藝參數進行優化。

圖4 染色質量分析與工藝優化Fig.4 Dyeing quality analysis and process optimization

生產全流程計劃與調度應用場景流程如圖5所示。基于產品生產過程訂單數據、計劃數據和設備運行數據，對生產計劃部門制定的生產計劃調度方案進行對比分析，考慮產品交貨期，進行重調度的決策，輸出需要調整加工起始時間的工序。

圖5 生產全流程計劃與調度Fig.5 Production process planning and scheduling

4 結束語

本文對紡織智能制造標準架構規范進行研究，給出了紡織智能制造共性技術與標準發展目標規劃，分析了紡織智能制造標準體系架構圖，提出關鍵智能工廠架構，包括紡織全生命周期的資源要素、系統集成、互聯互通、信息融合、制造執行和運營分析，對進一步具體研究紡織智能制造標準給出了方向性參考。同時以高端針織面料智能制造為例，提出針織生產智能管控標準架構，對紡織工業各企業建立智能工廠具有很好的參考作用。