棉纺织行业智能制造进展及改进方向.pdf

应用技术Spinning Technology纺纱技术66纺织导报 China Textile Leader 2023 No.4棉纺织行业作为我国纺织服装行业中既传统又颇具竞争力的行业，近年来智能制造进程加速，自动化和数字化转型升级势不可挡。本文对我国棉纺织行业智能制造的现状进行了分析，并提出发展趋势。1我国棉纺织行业基本概况棉纺织行业以生产纱线和棉织物为主，所用原料主要包括棉纤维和化学短纤维，生产的产品供给下游的印染、服装和家用纺织品企业。2010 2021年，我国棉纺织行业稳定发展，展现出较强的竞争优势，主要体现在以下 3 个方面。一是纱线和（梭织）布年均产量分别为1 900万t和600亿m（图 1）。根据2019年国际纺织制造商联合会（ITMF）的数据，我国的纱、布产量分别占全球的50%和45%以上；中国棉纺织行业协会数据显示，2021年全国纱、布产量分别为1 895万t、498亿m。棉纺织行业智能制造进展及改进方向 文|李杰作者简介：李杰，女，1975年生，工程师，主要研究方向为棉纺织技术与产品开发。作者单位：中国棉纺织行业协会。摘要：文章介绍了我国棉纺织行业发展的基本情况，分析了棉纺织行业智能制造的发展现状，总结了纺纱与织造环节的自动化、数字化、智能化发展成果，探讨了行业智能制造存在的问题及改进方向。关键词：棉纺织行业；智能纺纱；智能织造；自动化；数字化中图分类号：TS112.7 文献标志码：AStatus and Trends of Intelligent Manufacturing in the Cotton Textile IndustryAbstract:This paper expounds on the basic situation of the development of the cotton textile industry,discusses the current development status of intelligent manufacturing in the cotton textile industry,summarizes the innovative achievements of automation,digitalization,and intelligent applications in spinning and weaving sectors,and analyzes the problems and solutions of intelligent manufacturing in cotton textile industry.Key words:cotton textile industry;intelligent spinning;intelligent weaving;automation;digitalization数据来源：中国棉纺织行业协会。图 12010 2021年我国纱、布产量二是按照常规产品的销售额统计，我国纱、布的年营业收入超过 1 万亿元，占全国纺织服装行业的20%以上；棉纺织行业就业人数约占全国纺织服装行业的10%，其中2021年全国约有200万人从事棉纺织行业相关工作。三是2010 2021年我国纺纱和织布装备的年均保有量为1.23亿锭和117万台（图 2），其中最具先进代表性的自动络筒机和无梭织机占比分别为98%和82.69%，属于全球领先水平。2021年全国纺纱和织布装备保有量分别为1.1亿锭和98万台。纱产量/万t布产量/亿m全国纱产量全国布产量2010年2014年2018年2012年2016年2020年2011年2015年2019年2013年2017年2021年80070060050040030020010002 5002 0001 5001 0005000应用技术Spinning Technology纺纱技术67纺织导报 China Textile Leader 2023 No.42我国棉纺织行业智能制造发展现状2.1总体情况从发展历程看，我国棉纺织行业的智能制造经历了低谷、高速、调整、平稳几个阶段，目前正进入升级阶段（图 3），日益适应行业发展需求。“十三五”期间，信息技术在棉纺织行业得以广泛应用，串联起采购、产品的设计研发、生产、销售以及财务分析、物流等环节，逐步从传统的产品制造向服务拓展。图 3棉纺织行业智能制造的大致历程当前，我国棉纺织行业的智能制造相关技术已处于全球领先地位，大幅提高了劳动生产率，在助力产品结构调整、产业转型升级等方面发挥了重要作用。2.2纺纱和织造行业的智能制造进展清梳联是最早用于提高纺纱工序劳动生产率的装备，2010年之前，无卷化曾经是棉纺技术进步的一个突出特征，但随着产品生产的小批量和多样化，不再强调清梳联或无卷化，而更加注重产品的个性化和差异化。随着劳动力成本的快速上升，企业更加倾向于用机器替代人，用大数据分析系统替代传统的数据统计工作。以纺纱为例，继清梳联装备普及后，细络联、粗细络联、自动打包机的技术日益成熟（图 4），并粗工序也逐步在企业应用。典型案例显示，在自动化技术的推动下，常规产品的万锭用工可下降70%，一台自动穿经设备可替代15个工人。棉纺织产业的智能制造实践，大幅减少了用工量，也降低了操作工的劳动强度。各企业虽然根据自身的实际情况采用不同的智能制造方案，但劳动生产率均有了不同程度的提高。以生产常规纱或布产品为例，同等条件下万锭或百台用工量可分别减少50%和9%左右，劳动生产率约分别提高140%和22%（表 1）。数据来源：中国棉纺织行业协会。调查显示，纺纱产业的智能制造应用范围及规模比织布产业更大。以2020年为例，从棉纺织行业数字化生产管理系统的分布来看，纺纱行业占12.5%，织布行业高速织机领域占4.5%，其中环锭纺占全行业的12.3%，基本达到了连续化生产。在提高劳动生产率方面，纺纱企业加大了对短流程、用工较少的转杯纺、喷气涡流纺产能的投资，并加快了对工艺流程长、用工较多的环锭纺的技术改造步伐。2010年，环锭纺、转杯纺和喷气涡流纺等 3 种纺纱方式的比例为88111，2020年则为74224。配套智能技术的创新升级，推进了纺纱企业的智能制造步伐；织造企业的智能织造仍受制于整经、浆纱及织造等工序中装备连续化水平，某些工序的“机器换人”仍在开发中，已有许多企业选择应用自动穿经机和高速织机加快对人工穿经和有梭织机的淘汰。棉纺织行业的智能制造已从单体装备与信息技术应用向集成方向发展，逐步将纺纱和织造工厂连接成整体，并通过数据收集分析系统实现整体调控，有利于减少用工、提高劳动生产率。现阶段，棉纺织企业的智能制造主要体现为全流程连续化生产系统，用机器部分替代人工操作（包括数据收集和识别），实现从原料到产品生产的自动化。行业数字化转型推动了产品质量在线监测与成本优化系统的集成应用，而集成、分析及决策系统属于智能制造的较高层级。2.3“十三五”以来行业智能制造关键技术数据来源：中国棉纺织行业协会。图 22010 2021年我国纺纱及织布装备数量表 12020年某企业进行智能制造改造前后的用工及劳动生产率对比工序用工劳动生产率（万元人1）改造前改造后改造前改造后纺纱48人/万锭20人/万锭69165织造110人/百台100人/百台82100纱锭数量/万锭织机数量/万台纱锭织机2010年2014年2018年2012年2016年2020年2011年2015年2019年2013年2017年2021年14012010080604020016 00014 00012 00010 0008 0006 0004 0002 0000数据来源：中国棉纺织行业协会。图 42005 2021年我国棉纺织智能制造关键设备的用量自动穿经机数量/台粗细联+细络联数量/万锭自动穿经机 粗细联细络联2005年2017年2015年2019年2010年2018年2016年2020年2021年60050040030020010001 4001 2001 0008006004002000应用技术Spinning Technology纺纱技术68纺织导报 China Textile Leader 2023 No.4目前我国棉纺织行业的智能制造水平整体已达国际先进水平，尽管企业之间有所差异，但整体来看在数字化分析、工艺技术、供销渠道等方面均有不同程度的提升和优化。2.3.1纺纱行业粗细络联是纺纱工序实现智能升级的前提。从目前各类智能化软件的实际应用情况来看，经纬纺机、Saurer（卓郎）、青岛环球等公司的相关产品较成熟。纺纱工序的智能制造关键技术主要有以下 4 项。（1）全流程的智能传输在清梳联工序，实现了自动配棉、高效智能上包，棉包识别、路径识别及输送；在并粗工序，实现了条筒批量智能储运和满空条筒自动更换及最优路径规划；通过粗细络联中射频识别技术（RFID）的应用及自动打包工序，实现了产品质量及品种的可追溯及智能化包储。（2）全流程智能监控通过精密计量与光电子信号耦合重组技术，使纱线的生产过程能够按质量、重量、品种要求等实现全流程在线监控及分类装运。通过图像还原算法及降噪技术，对棉网质量进行在线监测；搭建多元混合结构光，通过高速电子图像重构技术实现细纱在线监测等。（3）全流程的数据分析及调度执行分别建立订单、工艺、设备及产品数据库并进行集成化应用，通过智能化数据分析模型，可在线调度操作及优选方案，并实现故障识别、快速调度等技术的落地。（4）效果分析与传统纺纱系统相比，纺纱全流程智能生产系统的生产效率可提高35%以上，产品研发周期缩短35%，用工数量减少70%、用工成本减少30%、能源利用率提高9%，产品质量和生产工艺可追溯率达100%，筒纱质量在线监测准确率96%。2.3.2织造行业（1）大数据的采集、传输及分析借助传感器监测和采集织造过程中相关工艺参数；建立并完善织造过程的数据传输系统，开发能兼容新旧设备的通信接口；通过RFID技术赋予寻址能力。（2）大数据分析根据织造设备类型及工艺特点，创建内部数据库和云计算平台，给出设备综合状态评估指标和生产过程中指标，使其持续自动优化升级。（3）综合决策和实时反馈织造生产中利用分布或生产制造执行系统（MES），结合企业资源计划（ERP）与集成客户关系管理系统（CRM）等主要的管理软件基本实现了互联互通，可将数据传输、读取、计算、汇总并进行决策。（4）应用成效总体上，织造工序的智能化进程尚不及纺纱工序，如织造工序中的自动断经处理技术、各工序间的互联、产品质量的可追溯仍存在较大问题。调研显示，采用自动化数字化生产技术的织布企业，其生产效率可提高50%以上，订单和排产时间减少20%，能耗减少8%左右；领先的牛仔布生产企业用工可减少50%，综合能耗降低4%、上浆率降低5%、耗水量降低8%以上。3存在的问题及改进方向棉纺织行业在智能制造转型过程中仍面临一些难题：一是棉纺织工艺复杂，设备种类多，品种多样化，导致数据采集传输困难；二是大量的数据整理、分类及提炼工作导致数据分析不可控因素增多；三是各工序的生产数据联动、共享和反馈集成仍存在困难。针对这几个问题，未来行业智能制造升级工作可从以下几方面推进。（1）提升思想认知。近几年棉纺织行业的智能制造工作虽已取得一定成效，但与化纤等行业仍有较大差距。未来应进一步提升棉纺织企业对智能化、数字化发展的认识，根据行业企业的发展特点，分阶段分批实施智能化改造。（2）加大技术投入。行业企业应结合自身实际情况加大在智能装备及系统方面的投入力度，利用信息化、数字化手段提升自身的生产效率及运营水平。（3）规范化发展。在产业发展和技术驱动下，棉纺织行业已从传统的劳动密集型产业逐渐转型为资金和技术集合型产业，未来应进一步加大智能制造示范项目的推广，完善标准化建设，提升推广范围和效率，帮助企业缩短智能化改造升级的周期，降低维护费用，提升运营效率。此外，要加强内部数据及人才的管理，降低企业运营风险。参考文献1 万由顺，卫江，桂长明，等全流程智能化纺纱技术创新点及应用效果J棉纺织技术，2020，48（1）：28332 倪俊龙棉纺企业智能纺纱的探讨与实践J纺织机械，2018（6）：583 程隆棣，张洁，张红霞，等棉纺智能化纺纱关键技术刍议J纺织导报，2021（6）：4853