面向智能紡紗構建的單錠監測系統及其應用

摘 要：針對傳統環錠紡紗生產過程中人工巡檢斷頭效率低、用工成本高的問題，重點敘述了環錠紡單錠監測系統的組成及工作原理，給出了對環錠紡牽伸機構、加捻機構和卷繞成型機構中主軸、牽伸羅拉、單錠、鋼領板等部件運動信號的采集與數據處理的方法；通過數字孿生與數據融合提取紡紗過程中各種異常情況的信息特征，給出了紡紗過程中斷頭、弱捻、空錠以及捻不勻等異常情況的數字判據，并在此基礎上，對單錠監測系統的應用效果進行了分析。結果表明：使用該單錠監測系統能夠使企業生產效率提高15%，用工和原料綜合成本降低22%，紗線全年不良率降低12%。該單錠監測系統能夠減少擋車工無效巡回，幫助企業達到提質、降本、增效的目的，提高企業的智能化水平。

關鍵詞：單錠監測；智能紡紗；信號采集；數據分析；質量控制

中圖分類號：TS103.7

文獻標志碼：B

文章編號：1009-265X（2025）02-0100-07

紡紗工業實現智能化的主要特征：一是以物聯網技術為支撐實現紡紗工廠管理的信息化，二是以自動化連續化技術為支撐的紡紗生產線的連續化；三是以數字化驅動技術為支撐的紡紗設備的智能化^［1-3］。傳統紡紗企業依賴于人工巡檢的方式發現紗線斷頭，這種方式不僅效率低下，而且人工成本高，難以滿足現代紡紗行業對高效率、高質量、低成本生產的需求。紡紗企業急需向智能化轉型升級，以應對快速變化的市場需求。單錠監測系統通過傳感器采集紡紗過程的設備運行及生產工藝等數據，實現對紡紗機各機構運行狀態的實時監測，包括羅拉速度、錠子轉速、紗線斷頭等關鍵指標，即時發現異常，減少因人工檢查巡視不及時造成生產效率低下的問題及粗紗原料的浪費^［4］，采集的數據經過進一步分析可為生產優化和決策提供科學依據，幫助企業管理層快速響應市場變化，調整生產策略，確保資源高效利用^［5-6］。

目前，研究人員對單錠監測系統進行了大量研究。楊藝等^［7］針對斷紗管理問題設計了單錠斷紗管理系統，實現了對斷紗數據的采集；李強等^［8］探討了細紗機上實施斷紗檢測技術的改造方法；秦浩杰等^［9］研發了一套光電式斷紗檢測系統，可滿足大部分紡織工藝對紗線斷紗檢測的性能要求；高陽等^［4］探討了細紗單錠檢測裝置的應用、不足與變革。然而，目前對單錠監測系統的研究一般局限于斷紗檢測方面，并未對其潛在的應用進行挖掘和擴展。本文通過對單錠監測系統的組成及工作原理進行分析，探討單錠加捻信號、牽伸檢測信號、主軸檢測信號、鋼領板信號的采集與數據處理，對紗線斷頭、弱捻、紗捻不勻、錠位捻不勻等異常情況的監測提出有效判據，為構建紡紗MES管理系統提供有益支撐。

1 單錠監測系統組成及工作原理

1.1 單錠監測系統及其組成

細紗機單錠監測系統按功能劃分分為監視單元、控制單元、執行單元、顯示單元、交互和存儲單元5部分，如圖1所示。監視單元可分為單錠檢測、牽伸檢測、主軸檢測、鋼領板檢測、電源檢測以及溫濕度檢測，通過各傳感器實現對鋼絲圈轉速、牽伸羅拉運動速度、主軸轉速、鋼領板速度、電源能耗以及環境溫濕度的監測；控制單元由一個控制器組成，控制器通過總線分別與單錠板和停喂板連接，并且還與用于測量主軸速度的霍爾傳感器、測量羅拉速度的編碼器等相連接；執行單元由一系列兩面的粗紗停喂板以及粗紗停喂裝置組成，主要是執行控制器下達的切紗指令；顯示單元由雙面數碼屏組成，顯示細紗機左、右兩側的斷頭總數、故障總數、弱捻總數和落紗、中途停車等狀態信息；交互和存儲單元用于人機交互或邊緣服務器的數據交換，并對監測到的所有數據進行儲存。

1.2 單錠監測系統工作原理

控制單元通過監測前羅拉的轉速，一旦達到設定速度，便向監視單元發送啟動監測信號。監視單元在接收到這個命令后，通過其上的反射式紅外發射探頭來監測鋼絲圈轉動的變化信號。然后，監視單元內部微控制器會分析和統計當前對應錠位上的鋼絲圈轉速，并根據這個轉速來判斷對應錠子是否存在斷頭、弱捻、故障、空置等異常狀態，這些信息會通過單錠總線上報至控制單元，并在對應的錠位閃爍斷頭指示燈。控制單元會收集所有機臺上的錠子狀態信息進行時序分析，并移除不合理狀態，并根據實際使用場景和策略有序地下發粗紗停喂指令。執行單元在接收到停喂指令后，立即執行相應的操作以切斷粗紗，并將執行結果反饋給控制單元。最后，控制單元記錄切紗動作和斷頭類型，并將這些信息提供給交互單元讀取，同時將匯總的斷頭總數和其他異常信息通過總線通知顯示單元，位于機臺頂部的顯示單元在接收到斷頭或其他異常信息后顯示整體斷頭的基本情況。單錠監測系統工作原理如圖2所示。

2 單錠監測系統的信號采集與數據處理

單錠監測系統采集的信號包括單錠檢測信號、牽伸檢測信號、主軸檢測信號、鋼領板檢測信號、電源能耗檢測信號、環境溫濕度檢測信號等。由于本文側重于對細紗機運行機構監測的敘述以及篇幅所限，故此處僅介紹單錠檢測信號、牽伸檢測信號、主軸檢測信號、鋼領板檢測信號的采集及其數據處理。

2.1 單錠檢測信號的采集與數據處理

2.1.1 單錠檢測信號的采集

采用光電傳感器檢測鋼絲圈的回轉對環錠細紗機的加捻機構進行檢測，通過光電傳感器將鋼絲圈的轉動轉換成脈沖信號，再通過微分電路將脈沖信號轉換成鋼絲圈的轉速，實現對加捻機構的檢測^［10］。加捻機構在線檢測系統由鋼絲圈回轉信號的傳感與采集、信號處理與輸出等模塊組成。

鋼絲圈信號采集系統方案采用光電式檢測，檢測頭位于鋼領板上，通過檢測鋼絲圈的回轉來判斷斷紗以及計算鋼絲圈的轉速，光電傳感器安裝位置如圖3所示。

鋼絲圈每轉過一圈，便會產生一個脈沖信號，經過放大整流處理之后的鋼絲圈脈沖信號如圖4所示。

2.1.2 單錠檢測信號的數據處理

由于外界噪聲的干擾，鋼絲圈的回轉脈沖信號需要經過放大和整形處理變成方波脈沖信號，然后輸送到單片機進行計時和計數算出鋼絲圈轉速并判斷紗線斷頭等異常情況。根據脈沖計數來實現轉速測量的方法主要有M法（測頻法）、T法（測周期法）和M/T法（頻率周期法），該系統采用了M法（測頻法），M法是在規定的時間內直接檢測編碼器的旋轉脈沖的個數M，進而來間接地測量轉速^［11］。設時間Tg內檢測到的光電傳感器脈沖個數為Mg，鋼絲圈轉動一周產生的脈沖個數為Pg，鋼絲圈的轉速為ng（r/min），轉速計算如式（1）所示：

ng=60MgPgTg（1）

2.2 牽伸檢測信號的采集與數據處理

2.2.1 牽伸檢測信號的采集

牽伸機構在線檢測系統是通過編碼器將牽伸羅拉的轉動轉換成脈沖信號，再通過微分電路將脈沖信號轉換成牽伸羅拉轉動的線速度，實現對牽伸機構的檢測。牽伸機構在線檢測系統由羅拉回轉信號的傳感與采集、信號處理與輸出等模塊組成。編碼器在工作過程中，光源經過轉動的光柵盤后由光電檢測裝置發出多個脈沖信號，依據信號中脈沖數可以計算出位移、轉速信息。編碼器的碼盤產生2個相位相差90°的光碼信號A和B，當編碼器處于正轉狀態時，A的相信號會超過B的相信號90°，在編碼器處于反轉狀態時，A相信號會滯后B相信號90°。通過觀察A、B相信號之間的相位關系，可以確定編碼器的旋轉方向^［12］。

2.2.2 牽伸檢測信號的數據處理

設時間Tq、Tz、Th內分別檢測到的前、中、后羅拉編碼器脈沖個數為Mq、Mz、Mh，對應電動機轉動一圈產生的脈沖個數分別為Pq、Pz、Ph，對應電動機的轉速分別為Uq、Uz、Uh，轉速計算如式（2）所示。

Uq=60MqPqTq

Uz=60MzPzTz

Uh=60MhPhTh（2）

由于伺服電動機的轉速與紡紗機執行機構的速度存在一定的比例關系，設控制前、中、后羅拉回轉的伺服電動機與羅拉轉速的減速比分別為μq、μz、μh，前、中、后羅拉轉速分別為nq、nz、nh，直徑分別為dq、dz、dh，線速度分別為vq、vz、vh，轉速和線速度計算如式（3）和式（4）所示：

nq=μqUq

nz=μzUz

nh=μhUh（3）

vq=πdqnq

vz=πdznz

vh=πdhnh（4）

2.3 主軸檢測信號的采集與數據處理

2.3.1 主軸檢測信號的采集

環錠細紗機主軸是由電機通過皮帶和皮帶輪傳動，主軸再傳動環錠細紗機的牽伸機構、加捻機構、卷繞成型機構，經羅拉、錠子、鋼領板三者之間運動的協調配合實現紗線的成形^［13］。主軸轉速的檢測是通過霍爾傳感器來完成的，霍爾傳感器將主軸的轉動轉換成脈沖信號，再通過微分電路將脈沖信號轉換成主軸的轉速，實現對主軸的檢測。

2.3.2 主軸檢測信號的數據處理

同鋼絲圈轉速計算類似，采取測頻法可得到霍爾傳感器測得的主軸轉速nm。與主軸同軸回轉的滾盤依托摩擦帶動錠帶，錠帶再依托摩擦帶動錠子回轉。由于在大、中、小紗階段錠帶所承受的負荷不同，會造成錠位在不同時間的捻度不勻；錠帶對不同錠位的摩擦效應的差異以及錠帶工作時效的疲勞等因素，會由于錠帶傳動過程中滑移率的變化造成不同錠位間捻度不勻情況。因此，通過對主軸轉速以及錠子轉速的檢測，可以為評價不同時期和不同錠位間的捻度不勻提供數據支持。

2.4 鋼領板檢測信號的采集與數據處理

2.4.1 鋼領板運動信號的采集

環錠紡紗是通過鋼領板的上下往復運動配合錠子的回轉實現卷繞成型，基于PLC的電子凸輪算法由伺服電機驅動蝸桿帶動蝸輪，通過蝸輪推動齒輪-齒條機構上升或下降，進一步帶動鋼領板上升或下降完成導紗運動，實現管紗的卷繞成型^［14］。利用該伺服電動機自帶的編碼器將電機的轉動轉換成脈沖信號，再將該脈沖信號等價轉換成鋼領板的運動信號，然后通過微分電路將其轉換成鋼領板上升或下降的速度，實現對卷繞成型機構的檢測。

2.4.2 鋼領板運動信號的數據處理

同樣采取測頻法可計算得到帶動鋼領板運動的伺服電機的轉速Ub，由于鋼領板升降運動是通過伺服電機驅動蝸輪蝸桿實現的，設蝸桿直徑為d0，線速度為v0，鋼領板升降的速度為vb，蝸桿到鋼領板的傳動比為μ0，蝸桿線速度和鋼領板升降的速度計算如式（5）和式（6）所示：

v0=πd0Ub（5）

vb=μ0v0（6）

3 單錠監測數據的深度挖掘與分析診斷

單錠監測系統數據挖掘與分析診斷主要包含對加捻數據、牽伸數據及卷繞成型數據等的深度挖掘，以及對紗線斷紗、弱捻、空錠、捻度不勻、牽伸不勻、條干不勻等的診斷。

3.1 加捻數據的挖掘及工況診斷

通過對加捻過程的實時監測以及數據的分析，可以實現對紗線斷紗、弱捻、空錠以及捻度不勻等異常情況的判斷。

a）斷紗辨識

當紗線斷頭后，導致鋼絲圈的回轉速度減慢直到停止回轉，光電接收器件所檢測到的光線變化信號也隨之發生變化，傳感器可迅速檢測到鋼絲圈回轉變化信號，然后發送到控制器，通過控制器對鋼絲圈回轉變化信號進行判斷，當控制器判斷鋼絲圈回轉變化信號不是連續脈沖信號時，則輸出斷紗信號并通過LED燈告警，擋車工根據指示信號燈及時有效地檢測各錠位紗線的斷紗情況，有效地提高了接線工人的工作效率，減少了原料的浪費。

b）弱捻辨識

傳感器采集鋼絲圈回轉信號，根據鋼絲圈信號的變化周期可計算鋼絲圈的平均轉速，然后將各個錠位的轉速與控制器計算所得的鋼絲圈平均轉速相比，根據比較結果，判斷是否弱捻并輸出相應的控制信號。設置判斷弱捻的百分比一般不能高于90%，設置弱捻錠位的判斷時間建議值8-20 min，時間越長判斷弱捻越準確。當在此期間采集到的鋼絲圈轉速一直低于平均轉速的90%，則可以判斷出弱捻并輸出相應的控制信號。

c）空錠辨識

若光電傳感器在很長一段時間未監測到鋼絲圈的信號，則認定為該錠位為空錠。

d）捻度不勻辨識

通過對鋼絲圈、羅拉運動速度的實時監測及數據融合，可以得到紡紗過程中的捻度，如鋼絲圈轉速為ng，前羅拉線速度為vq，則紗線捻度Tw計算如式（7）所示：

Tw=ng/vq（7）

將某時段測定的各錠位鋼絲圈的轉速除以前羅拉線速度可獲得該時段不同錠位所紡紗線的捻度，并由此獲得該時段所紡紗線的平均捻度。各錠位捻度與平均捻度的差值再除以平均捻度可獲取不同錠位之間的捻不勻；若將某錠位大、中、小紗階段的捻度與各階段平均捻度的差值再除以各階段平均捻度，由此可獲取該錠位在大、中、小紗階段等不同時段的捻度不勻率。因此，通過對前羅拉轉速和錠子轉速的檢測，可以為評價不同時期和不同錠位間的捻度不勻提供數據支持。

3.2 牽伸數據的挖掘及工況診斷

通過對牽伸過程的實時監測以及數據的分析，可以實現對牽伸倍數不勻、紗線條干不勻等異常情況的判斷。通過編碼器實時采集的前、中、后羅拉回轉的轉速信息，可以經過邏輯運算得到牽伸倍數以及成紗線密度的實時波動情況，也可得到紡紗長度和紡紗產量。設前區牽伸倍數、后區牽伸倍數以及總牽伸倍數分別為Eq、Eh、E，粗紗線密度為ρc，成紗線密度為ρ，紡紗時長為t，紡紗長度為L，每千錠時紡紗產量為W，則牽伸倍數、成紗線密度、紡紗長度和每千錠時紗線產量分別按式（8）—（11）計算：

Eq=vq/vz

Eh=vz/vh

E=vq/vh（8）

ρ=ρc×vh/vq（9）

L=vqt（10）

W=1000×vq×ρ×601000×1000（11）

根據紡紗過程中牽伸倍數、成紗線密度的波動情況，可以通過數據實現智能化的生產決策，當發現牽伸倍數偏離預定范圍，可立即進行調整，并將監測數據作為評估產品質量的重要依據。

3.3 卷繞成型數據挖掘及工況診斷

通過對卷繞成型過程的實時監測以及數據的分析，可以實現對紡紗張力波動以及管紗成型情況的判斷。細紗機的鋼領板升降動作是紡紗卷繞成型的關鍵，目前細紗機成型機構的設計，考慮因素主要是管紗成型良好、退繞容易、密度大、管底成型等，而環錠細紗機運行高速的主要障礙是在大、小紗時紡紗氣圈的張力波動造成斷頭率高。鋼領板升降會造成氣圈變化、產生張力的波動，而升降速度的不平穩可能會造成氣圈張力波動過大，從而導致紗線斷頭情況，并且影響管紗成型，所以對鋼領板升降速度的監測，可以為紗線氣圈張力過大造成的斷頭問題的優化以及管紗成型是否良好提供數據參考。

4 單錠監測系統的應用效果

該單錠監測系統已經在卓郎（江蘇）紡織機械有限公司、福建金源紡織有限公司等企業得到了應用，有效改變了傳統紡紗人工巡檢斷頭的生產模式，在提高紡紗企業的生產效率、降低成本、提高產品質量等方面效果較為明顯。以福建金源紡織有限公司的應用為例，應用效果總結如下：

a）提高生產效率。當監測到紗線斷頭、弱捻等異常信息時，這些信息會通過總線上報至控制單元，并根據異常的類型，在對應的錠位亮起不同顏色的指示燈，同時塔燈和顯示屏上也會顯示異常信息。巡回小車根據異常錠位的位置動態規劃路徑，自主行駛至指定位置，極大地方便了擋車工對異常錠位的處理，生產效率提高15%。

b）降低用工及原料成本。當監測到紗線斷頭后，控制器發出停喂信號，粗紗停喂裝置立即啟動，在后羅拉與后皮輥之間插入一個很薄的尼綸片使后皮輥停止轉動，從而使粗紗在后羅拉與中羅拉之間被拉斷，達到粗紗停喂的目的，減少粗紗的浪費。粗紗停喂裝置的應用，不僅可以減少粗紗的浪費，而且降低了對膠輥、皮圈、羅拉的損害，減少了擋車工及保全工，降低了用工成本，綜合成本降低22%。

c）提高產品質量。單錠監測系統能夠及時發現紗線斷頭、弱捻等異常情況，擋車工即時處理，防止不合格紗線的生產，全年紗線不良品率降低12%。

d）有助于制定管理決策。單錠監測系統提供了詳細的數據分析及可視化報表，有助于企業管理層基于數據做出快速反應和戰略決策。

5 結論

本文介紹了環錠紡單錠監測系統的組成及其工作原理，通過對紡紗過程中牽伸機構、加捻機構、卷繞成型機構以及主軸的在線檢測，實現了對羅拉、鋼絲圈、鋼領板及主軸運動信號的采集與數據處理，以及紡紗過程中斷頭、弱捻、空錠及捻不勻等異常狀況的判斷。該單錠監測系統的使用使得企業的生產效率提高了15%，用工和原料綜合成本降低了22%，全年紗線不良品率降低了12%，且該系統提供詳盡的生產報告和可視化界面，有助于管理層通過數據實施實時決策，優化生產調度以及資源配置，實現智能化紡紗。

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A single-spindle monitoring system and its application for intelligent spinning construction

ZHAO" Longfei1，" LI" Hui2，" ZHANG" Yang2，" JIA" Zhengqing2，" XUE" Yuan1

（1.College of Textile Science and Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China;

2.Shenzhen Jadeyo Intelligent Control Technology Co.， Ltd.， Shenzhen 518103， China）

Abstract：

Traditional spinning enterprises rely on manual inspection of yarn breakage， which is inefficient and susceptible to human factors， making it difficult to meet the high quality and efficiency requirements of modern large-scale production， as well as the serious problem of yarn waste after yarn breakage. With the intensification of market competition and consumer expectations of product quality， spinning enterprises urgently need intelligent transformation and upgrading to cope with the increasingly complex market demand. To address the above problems， a single-spindle spinning monitoring system is established for the spinning of the smallest unit， and sensors are used to monitor the working conditions of each spindle， including twisting， drafting， and forming processes. On one hand， it provides visual alarms for perceived abnormalities， reducing the dependence on manual operations. On the other hand， it uploads all detected spindle condition information to a cloud server， forming a comprehensive spinning information database. This， in turn， supports the intelligent management of spinning workshop information through the integration of a spinning MES system.

The article focuses on the components and working mechanisms of a ring-spinning single-spindle monitoring system. It also examines the methods of signal acquisition and data processing through sensors on various operational components， including the steel wire ring， roller， spindle， and collar plate. By utilizing digital twins and data fusion techniques， the system extracts information characteristics of various abnormalities during the spinning process. This provides digital criteria for identifying abnormalities such as broken ends， weak twists， empty spindles， and uneven twists during the spinning process. On one hand， it informs the position of the blocker through headlamp alarms and provides the navigation service. On the other hand， it stops feeding the roving to reduce the waste of raw materials. Finally， the application effect of the single spindle monitoring system is analyzed， and the results show that the productivity of using the single spindle monitoring system is increased by 15%， resulting in a 22% reduction in the overall cost of labor and raw materials， and a 12% decrease in the annual defect rate of yarns. The single-spindle monitoring system collects data in the spinning production process and provides detailed production reports and visualization interfaces. This enables management to conduct real-time monitoring， make informed decisions， optimize production scheduling and resource allocation， automate spinning processes， ensure continuous production， facilitate networked information management and adopt intelligent spinning modes.

In short， the single-spindle detection system not only addresses common issues in traditional spinning production， such as inefficiency and quality fluctuations but also provides solid technical support for the transformation of the textile industry to digitalization and intelligence， promoting the upgrading of the industry and innovation. As technology continues to advance， the future single-spindle detection system is poised to integrate additional functionalities， so as to further enhance the intelligence of the spinning process and generate even greater economic benefits and social value for the textile industry.

Keywords：

single-spindle monitoring; intelligent spinning; signal acquisition; data analysis; quality control