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环锭细纱机纺纱纱条监测技术应用与发展（上）（紧接上期） 三、纺纱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两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可能具有超过90%以上的市场应用占有率，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转速（回转频率），锭速与断头检测合二为一。对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，对于电磁式和光电式两种单锭实时检测方法的应用情况看，也有一些问题值得思考： 1、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，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；2、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，使得系统配置成本相对较高，其限制了断头检测装置的普及应用；3、对钢领直径的工艺变更，可能会改变检测钢丝圈回转信息的途经和影响断头检测装置的工作；4、采用电磁传感器还会对钢丝圈产生磁化和磁场作用力，影响气圈回转的圆整度；5、采用光电模拟信号采集还因光电元件老化而影响检测精度和使用寿命；6、由于钢丝圈正常运动到停止的惯性，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；7、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不利影响。 因此，分析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甚大。一方面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。技术研发制造厂商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”。 四、一种数字信号细纱机纱条监测系统 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（图5），从选择合适的纺纱纱条信息采集对象、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，使光电发射管射向光电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的光路，使得光电接收管的光电转换工作于饱和（电平1）或阻断（电平0）状态，从而直接产生数字脉冲信号（图6）。   纱条监测器与锭位控制器组合为一体，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，一方面段位控制器里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。 依据不同的需求，以上原理和机构，及通过不同的信号处理，可以构建以下两种纱条监测系统。 4.1 数字信号细纱机断纱检测系统 纱条在直径为2.0~2.4mm的导纱孔内回转一圈，产生对光束的两次切割，产生两个数字脉冲信号，纱条直径以9.8tex纱约0.12mm计，占空比约为0.016，在气圈回转速度最高为20000rpm时，回转频率为333Hz，纱条脉宽约为48us，满足一般光电管最小上升沿或下降沿不小于15um的极限响应。 在锭位纱条数字信息采集中，纱条回转一圈T0时间内产生对光束的两次切割，如图6，在光电接收管接收信号S上产生两组间隔为T1和 T2的脉冲，两次切割中由于纱条距离光电接收管的距离可能不同，或者对射光束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、回转速度相关数据时，可以应用以下算式计算： 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=1/2/T1，或f=1/2/T2；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、单锭和整机实际效率、重复断头锭位、管纱成形不同阶段断头数、锭子实际速度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它统计数据。断头信息可以实时驱动粗纱停喂和吸棉风机的动态降频节能等扩展应用。 4.2 数字信号细纱机断纱检测与纱条监测系统 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运算处理，计算纱条直径的算式如下： 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、单锭和整机实际效率、重复断头锭位、管纱成形不同阶段断头数和锭子实际速度及其变化率实时数据，也同时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。 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，及对细节、粗节和棉结等疵点作出计数，通过标定或修正获得品质考核所需的条干不匀、重量不匀、线密度和纱疵数据。 依据简约合理原则，对段位控制器硬件的设计为每6~12个锭位一组，可以对纱条直径脉宽相应进行分时取样，分时取样相当于均匀分布的抽样检验，所得在线抽样数据，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为常用纱线线密度的分时取样参数计算表，可以看到随着纱线线密度变细，每米采样数量增加，每个数据所表征的长度降低，这符合纱线质量管理的特性。按照目前行业应用的电容式细纱线密度检测仪检测极板宽度为8mm类比，表2中每个数据所表征是长度为8mm的0.5~2.2倍左右。 表2 常用纱线线密度品种的分时取样参数表
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）
纱条片段不匀率：∝ 五、数字信号纱条监测系统优势 行业中目前没有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声称的纱条直径检测功能相比，本技术具有三大显著性区别，并产生优势效应： 一是采集位置不同，OptiSpin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，本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，可以获得脉宽大而稳定的信号； 二是采集信号制式不同，OptiSpin采集的是模拟量信号，本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，具有模拟量信号不可比拟的优势； 六、结语 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，为行业指明了纺纱信息化智能化的发展方向，成为行业科技发展的趋势与目标之一。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，应该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、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。 数字信号纱条监测系统巧妙设置纺纱纱条信息采集点，多元采集锭速、断头和纱条直径相关信息，合理设计信号传感方式形成数字脉冲信号，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，实现锭速状态的监测，断头锭位、段位或车侧位的警示，和纱条品质的监测。其中与纱体相关的品质监测功能，是一项目前尚未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，构建虚拟纱条信息，形成数字孪生纱条，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程序和难度。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，为行业向着纺纱管理信息化和智能化推进，提供高性价比的技术解决方案。 来源：倪远 纺之远（上海）纺织工作室 刘广喜 北京众仁智杰科技发展技术有限公司
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