基于物联网系统的多头拉丝退火机_张杰.pdf

增刊 基于物联网系统的多头拉丝退火机张 杰（佛山市广意永雄机械有限公司）摘 要：为推动基于物联网系统的多头拉丝退火技术在电缆行业的广泛应用，本文详细介绍了多头拉丝退火机的基本结构设计和优劣势比较、物联网系统的实施方案、实施成本及效果。指出多头拉丝机配置物联网系统在电缆行业应用的意义，提出物联网在未来行业应用的展望。关键词：多头拉丝机；多头拉丝退火机；物联网系统；电线电缆专用设备 引言电线电缆专用设备，是指用于制造各种电线电缆的生产类和辅助类设备的统称，主要包括连铸连轧机、压延机、拉丝机、退火机、镀锡机、漆包机、绞线机、成缆机、交联机、缠绕机、编织机、装铠机、造粒机、包带机、丝包 机、挤（押）出机、包装机等。年，我国电线电缆销售收入达.万亿元，在机械工业各行业中排名第二位，仅次于汽车行业。电线电缆专用设备使用用户方主要是生产各类电线电缆、线材、电工漆包线、电子线等企业。随着电线电缆产业高速发展，国产电线电缆专用装备也同样得到了长足的发展，新产品创新成果也精彩纷呈。目前国产线缆专用设备能够满足国内线缆产品约 的产品制造和工艺需求，“十三五”期间，电线电缆专用设备比较典型的创新产品含有多头拉丝连续退火机。电线电缆、漆包线、裸铜线行业中，传统技术是采用单头塔轮式拉丝方式来拉制铜线，具有创新性的多头拉丝退火机可同时拉制多根相同直径公差的铜线，且拉制铜线的吨耗电量大为减少，占地面积小，可大大节省生产场地和工人。加上应用了物联网技术，设备运行生产、设备、工艺、能耗等数据自动采集，从而实现为终端用户提供全面的生产、设备、工艺、能耗等数据，为用户质量保证和管理改进提供依据，最终达到降低成本的目的。多头拉丝退火机的设计.基本结构常规的线缆裸线加工设备通常是采用单头拉丝机，拉丝轮方式普遍采用塔轮式结构。而创新产品多头拉丝机拉丝轮设计为鼓轮式结构，采用串列式水平排列。机械传动通常是采用齿轮传动，双电机驱动，能够实现快速换模，大大减少了换模时间。可同时拉制多根相同直径的铜线，与多头电阻式退火机配套使用，能够获得相同电气性能的多根软铜线。多头拉丝机主要由机架、机械传动系统、拉丝组件及润滑系统、电气系统组成，机械传动系统包括：齿轮箱、齿轮油传输系统、拉丝主电机、定速轮电机等，齿轮箱主要是将动力传递给拉丝轴及分配各道拉丝轴间的速比，通过各级齿轮传动比来决定每道线的延伸率。拉丝组件及润滑系统包括：拉丝轮组件、定速轮组件、拉丝模座组件、拉丝油喷淋系统、拉丝油回收系统、拉丝防护装置等组成，电气系统包括电机驱动控制器、控制系统、电柜、联接电缆等。多头拉丝机能够拉制多根相同直径的铜线，主要用于多芯绞合导体的生产。多芯绞合导体主要用于建筑用线、汽车导线、电气装备用线、机器人用线等。通常参照的标准是 类、类、类绞合导体国标。出口产品多数是参照美制 电线标准，对应导体的覆盖直径范围为.。多头拉丝机需要设计有多种系列不同型号产品，分别对应了不同的导体范围，根据不同的导体规格范围由小到大，多头拉丝机拉丝鼓轮设计时优选直径分别为、。根据绞合导体 类、类、类的国标参照和美制 电线标准参照，绞合导体支数有多种组合，以 类绞合导体标准推荐为，。汽车线束绞合导体支数众多，有，等等。通常生产企业为了简化生产库存，将 根、根、根作为子单位，例如 支就采用 的绞合结构。所以多头拉丝机通常设计以拉制 根线为一个基本单元，可依次组成 头、头、头电气技术与经济 技术与交流 增刊及 头等拉丝机。根据拉制线径要求，拉制道数可在 之间任意选择。根据线缆绞合结构的不同要求，也可将多头拉丝机设计为拉制 根线为一个基本单元，可依次组成 头、头、头及 头等拉丝机，一次性拉制、等头数的金属线，并将成品线分别收到一个线盘或两个线盘上。对于一些汽车线企业也有个别特殊要求设计为 根线为一基本单元，做到 头的机型。导体生产工厂需要根据自己导体的绞合结构选择合适头数的多头拉丝机。为了适应用户市场多种需求的变化，设备厂家为了提高产品零件及部件的通用性，多头拉丝机通常都采用齿轮箱模块化设计。用户拉丝道次增加，只需要在基本的齿轮箱基础上增加一段独立齿轮箱，就可以快速满足用户需求。因此派生出双电机，三电机驱动系统的多头拉丝机。目前也有设备厂家为了简化机械结构，采用分电机直驱电机直接驱动拉丝轮，取消了齿轮箱结构，减少了大量齿轮及各种零配件的加工生产，大大缩短了交货期。.优势及劣势多头拉丝退火机的优势在于生产多股绞合线导体：）高效。多头拉丝机单位时间内单台的产量得到了极大的提高，对比单头拉丝机产量提高数倍至数十倍。采用多头拉丝绞线工艺时可将多根单线收绕在同一线盘内，从根本上解决了传统拉丝绞线工艺的绞线工序中因单线根数多、放线盘占地面积大、张力控制不好、易于断线等问题，大大降低了处理线盘（包括装卸和搬运等）花费的时间、地方和人力，同时不仅使下道绞线工序的生产效率提高了 以上，还大大降低了工人的劳动强度；）低耗能。单位产量的耗电量大大降低，与传统单头拉丝机对比普遍线规节能超过，某些线规节能甚至超过；）高品质。采用多头拉丝机可明显提高成品线的质量和稳定性，由于多头拉丝机是在同一时间、同一工艺条件下拉制多根铜线，多根铜线经受了相同时间和条件的模具（润滑、拉拔力，韧炼温度），使得每根铜线具有非常接近的尺寸、材质、金相结构，因此每根铜线的力学性能如弹性模量、极限断裂伸长率和强度都基本接近。由于多股铜线是同时拉制同时退火，具有均一的机械和电气性能，这对绞线工艺尤其重要。相反，采用传统拉丝绞线工艺时，由于单线拉丝使得每根铜线之间难免存在差异，绞线过程中放线架太多，张力变化更难控制等原因从而影响绞线质量。采用多头拉丝绞线工艺可明显降低传统拉丝绞线工艺生产过程中容易出现的质量风险（例如绞线时断线少股和线径不稳超标等情况）；）低损耗。采用多头拉丝绞线工艺可降低生产过程铜线损耗，增加同等重量铜的生产长度。在传统拉丝绞线工艺的绞线工序中，盘底铜线均被切掉。在线盘较多时，就产生了较大的铜线损耗，同样在管式退火炉处也发生了铜线损耗。而在多头拉丝绞线工艺中铜线几乎是零损耗，当线盘放完线后可一起接线。由于传统拉丝绞线工艺拉丝时铜线会出现多次不稳定拉细，为保证线径达标，生产同样规格成品线时，传统拉丝绞线工艺选择的拉丝定径模的直径要比多头拉丝绞线工艺大一些。因此同样重量的铜采用多头拉丝绞线工艺会增加产出长度。）实用性及经济性。采用多头拉丝绞线工艺可显著降低生产过程成本，减少材料消耗，减少周转盘数量、周转库存、操作人员、节约了厂房的空间，提高了生产效率，快速换模，降低了工人的劳动强度。对比传统拉丝工艺可以减少超过 的现场操作人员；与传统拉丝绞线工艺相比，多头拉丝工艺也存在一些劣势：）受原材料和外部条件（电网电压，工人操作水平）影响较大，一旦某一条铜线出现断线将会影响到其它的铜线，造成生产损耗的增加。因此在多头拉丝绞线工艺中对生产所配套用的模具、乳液、铜材的品质选择更加严格，包括拉丝液和退火液的过滤系统；）在生产头数少的时侯，生产成本偏高，不适合单线生产；）多头拉丝工艺设备投入相对较大，相比传统拉丝绞线工艺约高出 左右。物联网系统的应用.物联网项目需求由于用户的产品和工艺的多样化以及对设备的数字化要求越来越高，以佛山市广意永雄机械有限公司为例，目前其已有超过 家用户，遍布在 多个国家，生产各种各样的线缆产品，因此对线缆导体的制造要求和拉丝设备的要求非常多样化，对于不同导体的能耗，产能，及品质等等需要大量的原始数据才能准确聚焦用户的需求和标准。用户对设备维护和售后需要及时快速准确的判断故障，尤其是对于被非英语系国家的用户，技术交流沟通困难，因为涉及到时差和专业词语翻译及理解，电气技术与经济 技术与交流增刊 可能是现场很小的问题就会造成用户设备无法生产，急需要有快速的远程诊断和查找问题的手段和办法。为了解决用户的数字化采集和远程监控的需求，本拉丝设备远程及采集方案早期采用了以下三种方式，均未达到理想效果。）设备采用西门子 带手机卡的 模块，可以实现简单的设备与用户手机的双向传输。内存少，传输数据少，只能用于简单远程监控；）大型设备配置了工控机，有较为完善的数据采集系统，但需要接入用户的企业服务器或互联网。许多用户在购买设备时未预先铺设线路，导致部分功能起不到作用；）一些大型电缆企业自建企业管理系统，如 系统等，设备商提供总线接口或网络接口，并将用户需要的数据按用户要求摆放到用户规定的寄存器或缓存中。几乎是一家企业一个标准，遇到上下游设备接口不统一时，更是工作量很大。.物联网系统方案背景“十四五”期间，新一代互联网、网络、北斗系统等网络基础设施将进入应用成熟阶段，“宽带中国”战略继续推进，国家级的大数据、云计算中心、可信计算、数据安全等新一代信息技术基础设施建设同样会在“十四五”期间实施应用。以数字技术为基础，在互联网、物联网、云计算、大数据等强力支持下，量体裁衣式的单件小批量定制化生产加快发展，产业形态将逐步从生产型制造向全生命周期的服务型制造转变。内外因素促成了物联网技术发展很快，加上国家政府大力扶持数字化技术，省市各级政府对“上云上平台”有政策和资金支持，转换时间的提前，迫使几大运营商提前布局物联网，使手机用户由人覆盖到物，从而产生巨大的增量市场，物联网系统技术应用近几年也越来越成熟。在此背景下，本拉丝机设备物联网系统，目前已主要应用于多头拉丝退火机和分电机大拉退火机项目上。同时该物联网系统技术亦可用于其他相关电缆设备上。.物联网系统实施方案拉丝机设备物联网系统方案采用“网关 连接 平台 应用”一站式解决方案，提供设备连接、数据采集、实时监控、故障告警、远程控制、运行统计等应用服务。采用参数如表 所示的定制网关，支持以上工业协议接口，具有以下功能：）智能化：具备边缘计算能力，前端逻辑运算、告警和预警、数据采集等一站式处理；）网络化：支持远程实施、维护，以及对 等设备的远程编程；）通用性：支持上千种设备的通信协议，支持各类有线和无线通信；）安全性：协议隔离和物理隔离将设备与远程网络隔离开，加密技术确保数据传输过程安全；）可靠性：工业等级，年原厂质保；支持数据压缩、断线缓存。表 拉丝机设备物联网定制网关的参数硬件系统 存储 以太网接口 路串口 路 工作温度 内置电子盘 存储温度 散热方式整机无风扇输入电源 小时 端口防护 电磁兼容 三重隔离 级功耗（瓦）外壳塑料外壳尺寸（长 宽 高）重量（）.安装方式导轨 壁挂软件系统操作系统嵌入式 数据处理能力 点软件平台物联智能网关平台系统远程协助设备诊断 设备维护接口插件库下行接口库 种以上 定期更新上行接口库 种以上 定期更新数据记录与断线缓存具备智能脚本系统具备定置网关通过串口和以太网接口将整条生产线各级 控制器、多个传动驱动的变频器（或伺服控制器）、电度表、存储器连接起来，通过 卡通讯设备，通过 网络将整条生产线设备的各种原始数电气技术与经济 技术与交流 增刊据上传到工业物联网 平台。图 是拉丝机设备物联网网关及设备连接图。图 拉丝机设备物联网网关及设备连接图技术架构采用的是涵盖“设备层 网络层 平台层 应用层”的整体架构（见图），具有安全稳定特点，为用户提供安全稳定的平台服务、可以定制 服务，帮助用户快速解决设备联网上云需求，助力企业降本、增效、提质、创新。平台层采用了中国联通公司的海量设备连接管理平台 平台（见图），通过 平台实现海量设备连接管理、业务规则设定和自动执行、实时定位问题、运营成本可控。图 拉丝机设备物联网技术架构图 拉丝机设备物联网管理 平台平台层的设备管理使能平台是千万级并发的 平台（见图），通过 平台帮助企业实现设备智能化管理；通过开放的 接口帮助企业快速、灵活开发应用；对接 平台，提供工业通用。开发的电缆设备管理 应用手机端 和电脑端 展示，为电缆企业提供设备管理、工单管理、报表管理、系统管理和大屏展示五大功能模块，提供实时监控、故障告警、远程控制、远程维护等核心功能。同时也对工单管理、统计报表、权限管理等提供闭环能力。用户可以通过手机或电脑端实时监控生产线各类数据。.物联网系统实施成本及效果多头拉丝退火机设备物联网系统方案实施成本）硬件配置成本：定置网关 个和 卡通讯设备大约 元左右，电源模块一般电柜中均有，只需 引 出 即 可；）流 量 费 用：卡 年 费 大 约（）元，也可按流量收费；）定置网关可以连接、电度表、变频器（或伺服控制器）、退火控制器、外围测试仪器等，连接的设备均需要有通讯接口。网关具有一路以太网接口和 路 串口；）软件可免费使用，除非用户有特殊需求，而需要订制开发费用。电气技术与经济 技术与交流增刊 图 拉丝机设备管理使能 平台多头拉丝退火机设备增加了物联网系统后，能够给用户实现以下几个功能：）设备运行生产 设备工艺 能耗等数据的采集，使用智能终端采集 和控制器中的各种数据，并主动将数据上传至平台，进行在线分析和展示；）设备远程监控，能够实时监测设备运行及告警情况，非硬件故障远程处理，硬件故障可以快速定位，设备故障能够短信通知相关设备维护人员；）程序远程升级等，通过用户端实现 程序的远程上传下载，高效实现控制系统的升级及远程维修维护；）实现数据托管，设备运行数据上传平台并进行云存储，节约服务器租赁及维护成本。从而实现为终端用户提供全面的生产 设备 工艺 能耗等数据，为用户质量保证和管理改进提供依据，降低成本、做到服务预测和提升服务感知等目的。多头拉丝机配置物联网系统行业应用的意义多头拉丝机配置物联网系统行业应用意义有：）“西安地铁”线缆质量事件将电缆行业对产品质量的管控要求提升到了一个新的高度，物联网系统的应用对产品整个生产过程进行了有效的全过程监控和记录，对产品成本及品质过程管控提供了有效的管理手段；）物联网系统的应用大大降低了企业实现信息化的门槛，企业实现信息化以前需要投入高昂价格的服务器，机房及综合布线成本，小企业很难承受。信息化不再是大企业的专利。物联网系统可以为小企业服务，每月几十元钱的费用就可以对一条多头拉丝退火生产线生产过程的数据进行监控和记录，可以说是零门槛；）对大企业来说，通过物联网系统的应用，一是，减少了车间布线工程量，监控数据被抓取到联通云，企业的 系统或 系统或其他管理系统，通过开放的 接口将需要的数据从云端取回对接；二是，解决了生产线设备不同 控制系统和不同的接口总线系统给大企业在定置开发管理系统时的工程难度；）能够解决拉丝工序存在的许多常见痛点问题：第一，生产质量的追根溯源问题。传统方式成品出现质量问题，从材料，机台，操作者，生产过程情况等追溯非常困难，许多数据都是由车间级纸质文档进行记录，工作量大，统计起来非常耗时且追溯困难，部分原材料、半成品的批次无法与成品批次有效关联，出现质量问题无法追根溯源；第二，拉丝操作工工资核算存在难点，交班时不停机，在产线轴的铜线重量不好分配，没满轴的铜线出现质量问题，责任不好划分；第三，设备异常事件管理人员无法实时了解，故障报警只是在生产现场，无法远程传达给负责生产排产及设备管理人员，缺少设备故障处理的闭环管理，异常信息没有完善的系统记录；第四，生产过程透明度不够，排产人员不能实时了解机台当前生产具体情况及设备状况，无法做到最优排产，导致不必要的转规、转机台，纸质指令传递，实时性差，工作烦琐，归档不便。管理人员无法及时地了解产量、能耗、工艺等数据；第五，各机台设备开机效率及各种线规能耗数据无法统计，对能耗生产成本没法提出参考指标进行管理；第六，能够通过断线和穿模时长数据的统计作为员工技能评估的依据之一；第七，通过断线率 伸长率 能耗 生产速度等数据作为评估铜材原材料依据之一。（下转第 页）电气技术与经济 技术与交流增刊 游主机产品用户的供货以及技术服务能力有限；四是电工专用设备产品的调试、售后的维修服务等水平还需进一步提高和加强。.发展趋势当前，电器工业向节能低碳与绿色制造发展，亟待应用数字化 自动化 智能化相融合的先进技术以提高生产质量和效益，为实现碳达峰目标提供助力。电工专用设备行业应为电器工业的节能低碳发展、数字化、智能化生产提供必要的设备基础，电工专用设备除了自身创新和质量有待进一步提升以外，如何实现绿色制造、绿色发展成为新的发展瓶颈。电工专用设备发展趋势：一是提供研发创新能力，如研发和提供全自动化、数字化、智能化的专用设备，满足用户企业的数字化工厂建设需求。研发和提供智能化设备，满足用户企业对特殊专用设备智能化的需求，如全自动化智能化焊接设备；二是形成链条式企业集群，为用户提供系统整体的生产设备解决方案；三是提供产品专业化水平、提高质量和售后服务水平，研发和制造专精特新的产品。结束语本文总结了我国电工专用设备行业的发展现状，概述了电工专用设备行业发展中存在的问题，展望了电工专用设备行业的发展趋势，便于上下游产业链企事业单位等了解和掌握电工专用设备行业的状况。参考文献 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.国民经济分类 .联合国统计委员会.所有经济活动的国际标准行业分类 .（收稿日期：）（上接第 页）结束语物联网在多头拉丝退火机的应用未来可以在拉丝机的设备控制层增加更多的智能传感器例如包括对拉丝机的振动、温度、声音等等进行监控，可以对拉丝机使用和拉丝机故障提前预估预警。例如：用户使用线盘偏心产生的异常振动可以提出预警，轴承缺油产生的振动等等，设备保养自动提醒和自动加油系统等应用，工业机器人、小车、工业监控、二维码追踪的应用都将成为物联网应用和智能化产品的一部分。设备智能化数字化已进入实质阶段，随着数字化技术的发展，无人化和少人化工厂、机器代人化工厂已成为建设工厂的发展方向。自动化、智能化、数字化将逐渐成为机械设备发展的主流趋势，不仅可有效提高工作效率，还可大幅度降低生产成本。面对全球激烈的竞争，我国电线电缆专用设备走智能化、数字化之路已迫在眉睫，物联网、柔性化生产、自动化、数字化等为基础的智能化制造将成为行业发展的新标准。参考文献 张杰.再谈拉丝机的新发展 电线电缆，（）：.张杰.国产多头拉丝退火机的现状与发展 光纤与电缆及其应用技术，（）：.（收稿日期：）电气技术与经济 技术与交流