棉纺在线检测的发展和展望(一)

　　一、棉纺生产的特点

　　棉纺生产的特点是工序多，生产连续性差，自动化程度低，用人多，劳动生产率低，原料成本和劳动力成本占总成本的百分率高。

　　棉纺生产用人多，以人工操作为主。生产人员的操作方法对产品质量影响较大，如纱条接头、落纱、做整洁工作、变换齿轮的调换、工艺参数的调整等。操作稍有不慎，就会造成疵点或疵品，并且当前工人流动性大，规范的操作法较难执行。生产中迫切要求减少人工操作的影响，实行操作自动化、产品质量及工艺参数的在线检测和自动控制。

　　棉纺生产设备中相对独立的组合单元较多，如一个纺纱厂具有几万个独立组合的锭子，组成相对独立的生产线(点)，其部件工艺参数、操作方法、原料分配和生产环境的不一致，容易形成锭与锭之间质量的变异，通常所谓的纱管卷袋之间的质量变异系数CVb。CV b较大就说明产品质量个体之间存在较大的差异和不一致、不稳定，然而产品的平均水平不能充分反映产品质量的水平，CVb较小才是“硬指标”。CVb往往是企业精细管理和有效质量控制的表现，是产品质量保证的前提。国外提出质量新概念：“批量的完整性”就是要减小CVb，确保每批纱线质量的一致，减少质量的波动。

　　由上分析可以认为，若要实现棉纺生产连续化、自动化，减少人为操作和产品质量间的变异，必须实行棉纺在线检测和质量自动控制。

　　二、棉纺产品检测中存在的问题

　　棉纺产品质量检测一般都是抽样检测，不是全部、全过程的检测，但棉纺最后成品或下道工序产品——织物，除产品物理指标外，产品的外观疵点一般是全部检验的，如织物的疵布检验、服装面料的裁片检验等，因此棉纺检验结果与后道产品的检验，往往不能很好地衔接和密切地相关。纱线检验的质量常常不能保证织物和最终产品的质量，也不能及时反映和控制产品质量。要实现产品质量的全检，在线检测是方向，是必然的途径。

　　产品检测目前不少还依靠人工手感目测，即使离线的仪器检测，一般抽样数量偏少，代表性不足。测得数据误差较大，一致性较差，测试时间长，效率低，不能正确及时地进行有效的质量控制。推行在线检测，就能在线全样实时地检测和控制产品质量，并提高测试正确性和工作效率。

　　三、在线检测的作用

　　产品的在线检测是指在生产流水线或生产机台上安装特定的传感器，对在线产品或工艺进行自动的、动态的检测，同时应用检测的信息对产品质量或工艺进行自动的控制、调整、监控或报警，需要时也可进行分析测试数据、绘制统计图表、并进行信息存储等。

　　棉纺生产的在线检测与传统的离线抽样检测相比，具有无可比拟的优点，只有在线检测才能全检并实现自动质量控制，全面摆脱人工测试存在的问题。

　　在线检测是今后检测的发展方向和创新前景，棉纺测试技术人员必须掌握在线检测基本原理和知识，用好和推进在线技术的发展。

　　四、在线检测的特点

　　(1)实现在线产品或工艺的全过程、全样的实时检测和控制。

　　(2)它是实现生产自动化、连续化和无人化的测试基础。

　　(3)通过检测、调整、监控、报警等手段，把疵品或不合格品消除在生产过程中。仪器离线检测，一般只能检测，不能把不合格品清除。

　　(4)在线检测可与质量分析、质量统计、产品评估相结合。

　　(5)在线检测可及时调整、控制生产工艺，达到优化生产的目的。

　　(6)在线检测通过计算机数据处理系统，可自动存储分析测试数据，制成图表，分析生产中的问题，指导质量控制和质量管理。

　　五、在线检测系统的基本结构和分类

　　(一)基本结构

　　一般在线检测系统均需从被测对象中通过传感器获得被测对象特征的信号，对于已获得的信号进行放大，对已获得足够大的信号按需要进行转换，使其成为所需要的表现形式，或与标准量进行比较，把检测结果以数字或其他量化的形式显示、表达、记录、输出；或者直接将测试结果通过比较、调节，经执行机构进行处理(包括停机、报警、消除等)或调整。

　　要完成这些工作，一般需要多个环节或部件构成一个系统来实现。一般说来在线检测可分成3个部分，即传感器、控制器和执行器。传感器通常包括传感器及其检测电路；控制器包括信号的放大、转换电路、数据或信息显示输出电路或标准量的选取及比较过程电路等；执行器部分是按检测对象要求制定的执行机构，包括调节机构、发讯机构、显示器、储存器、报警停机机构等。

　　(二)在线检测的分类

　　棉纺在线检测依据检测目的、要求的不同、检测方法的差别进行分类。

　　1.依据检测目的的不同可分为产品或半制品质量在线检测和工艺参数在线检测两类。前者以检测产品或半制品的质量项目，如筵棉厚度、线密度、均匀度、外观疵点为目的；后者以检测产品生产工艺参数，如牵伸力、梳理力、回潮率、温度等为目的。

　　2.依据检测要求的不同可分为简单的质量项目检测如条干均匀度、棉结杂质和将测试、调节、控制相结合的两种类型，后者功能要求较多，使用较广泛。

　　3.依据检测点和调整点相对位置的前后差别可分为开环系统、闭环系统和混合环系统。

　　开环系统：其检测点在系统(设备)的喂入端，而调节点在喂入的后端，即先检测后调整，能设定延迟时间，使检测点与调整点准确吻合。其优点是针对性强，无匀整死区，可进行中短片段纱条调节。其缺点是只能调节、变速，不能检测、核实调整结果，对调整过程各环节的抗干扰能力较差，其稳定性较低。

　　闭环系统：其特点是检测点放在调整点的前方，检测后不能立刻调整输出速度，其优点是可以检测输出纱条的不匀，进行长片段纱条调节，匀整性能稳定。其缺点是存在匀整死区，也就是不能匀整等于或短于检测点到调整点之间的不匀，即短片段不匀。

　　混合环系统：集开环和闭环之长，采用喂入、输出双检测，延时和反馈双调节，既提高了系统的稳定性，又消除调节死区，可进行纱条长短片段调节，但对系统的检测精确性要求更高，否则会顾此失彼，较难两全。

　　六、棉纺在线检测常用的传感器、控制器和执行器

　　1.常用传感器

　　传感器是能感受被测对象，并按照一定规律转换成可用以输出信息的器件(部件)或装置。由于传感器的结构和应用领域的不同，又称为敏感元件、探测器、变换器、信号发生器、换能器等。传感器是现代信息技术的重要基础元件，是实现测试技术和自动化控制技术的首要环节，是衡量现代科学技术的重要标准。

　　在线检测要求传感器能正确反映检测对象的变化，具有良好的稳定性和较高的分辨率，运算器具有极快的响应速度，能尽量减少指令执行时间，具有良好的操作界面和存储容量。

　　(1)电阻式传感器

　　电阻式传感器种类繁多，用途广泛，其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经转换电路，显示被测量值的变化。电阻式传感器可组成测力、称重、测位移、测温度等测试系统。

　　电阻式传感器常用的有电阻应变传感器、半导体应变传感器、热敏电阻传感器，棉纺常用于电子秤、压力检测器、温湿度控制、回潮率检测等检测仪器、仪表中。

　　(2)电容式传感器

　　电容式传感器是利用电容器的原理，将非电量的变化转换成电容量的变化的一种传感器。它已在位移、介质厚度变化、介质质量变化、振动、转速、流量、压力等检测方面广泛应用。它频率响应宽，是一种具有很大发展前景的非接触传感器。

　　电容式传感器的电容器受相对湿度影响较大，因此用于测量介质的湿度。

　　电容式传感器广泛用于检测纱条、纱线的线密度和条干不匀率仪器中，但因它受相对湿度的影响较大，棉纺在线检测时使用不多。

　　(3)光电传感器

　　光电传感器是将光信号转变为电信号的一种传感器，其理论基础是光电效应，光电传感器具有结构简单、稳定可靠、精度高和反应快等特点。

　　光电传感器的光源因测试对象的要求可用可见光、红外光(可再分为近红外、中红外、远红外)、紫外光等，例如：光电条干仪可用红外光检测有色异纤，可用紫外光检测白色异纤。

　　光电传感器有光敏电阻、光电池、光电二极管、电耦合器件CCD。CCD是将光学图象转化为电信号的一种装置，广泛用于图象传输、信号处理和数字存储3个领域。CCD摄像机已广泛用于棉纺异纤、棉结杂质等的检测。

　　(4)声波式传感器

　　声波式传感器是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成传感作用。超声波具有聚束、定向反射、透射等特性。超声的应用都必须藉超声波探头(换能器)来实现。

　　超声波探头按其工作原理分为电压式、磁致伸缩式、电磁式，其中电压式最为常用。它利用材料的压电效应将超声波转换成电信号，可作为接收探头，而逆压电效应产生的超声波传感器作为接收探头超声波传感器，已用于检测非棉类异纤的在线检测清除机。

　　(5)位移式传感器

　　位移式传感器是指构体位置对参考点产生偏移量的传感器。位移方式可以是直线位移或角位移。位移检测方式可以是接触式或非接触式。检测方式可以是电测或非电测,转换显示可以是模拟量或数字量。

　　位移传感器在棉纺中的应用十分广泛，如清棉机筵棉厚度检测，梳棉机、并条机自调匀整装置棉条线密度检测等。

　　常用的采用位移传感器如凹凸罗拉位移传感器，弹簧舌、喇叭口位移传感器等都采用接触式检测方式再转化成模拟电量控制调整。

　　2.常用控制器

　　在线检测的核心部件是控制器，控制器的任务是对传感器的信息进行演算、控制存储和处理。根据设置值与实际值进行计算对比，适时发出各种指令，控制执行器执行要求的任务。控制器及周边设备应具有显示、打印与上位机信息交流的功能。控制器常用可编程序控制器(PLC)、工业控制计算机(ICP)、多过程微机控制器等单独或协同构成控制器。

　　3.常用执行机构

　　在线检测执行机构一般又称执行器，是按控制器的指令及驱动部分(动力装置)的驱动，执行各部件准确、迅速、可靠地完成所要求的任务。通过计算机和执行机构达到质量控制或工艺控制的目的，常用的执行机构有：

　　(1)通过变频电机、伺服电机、步进电机等达到输出或输入速度控制或其他运动控制。

　　(2)通过声讯发生器发出声响报警。

　　(3)通过光讯发生器发出光指示报警或视频显示。

　　(4)通过计算机视屏显示或打印机、录像机记录数据、图象或统计曲线图表。

　　(5)配置储存装置，储存有关数据，随时取用分析。

　　(6)对异常数据进行停机处理或故障排除。

　　(7)应用电磁闸控制的高速喷嘴或切刀对异常产品或不合格产品及时清除，如异纤、纱疵等。

　　(8)通过气囊、气缸活塞等气动执行器执行开关，调节控制等任务。

　　七、棉纺在线检测应用实例

　　1.智能轧棉在线检测系统

　　USTER INTELLIGIN轧棉在线检测系统能使轧棉机连续地在线检测原棉回潮率、杂质含量和色泽等级。利用测量值可对棉花去湿和含杂量的控制，达到优化原棉的使用价值和降低成本的作用。

　　该系统具有以下特点：

　　(1)3个在线传感器，每6 s定时记录含水、含杂和颜色。

　　(2)在剥棉和飞花清洁器处安排自动旁路阀，可自动分流棉花和籽屑。

　　(3)经集成的燃烧器控制干燥器和旁通阀。

　　(4)计算机监控轧棉情况和棉包参数，用于计算、统计和分析。

　　(5)通过调制解调器实行远程服务。

　　2.清棉机棉层厚度在线检测装置

　　传统清棉机天平调整装置是纯机械式控制棉层厚度最古老的在线检测。结构复杂，控制效果差，目前已采用位移式传感器、电脑控制器、变频驱动电机，实现棉层厚度的自动控制，天平罗拉速度和棉层厚度通过LED数字显示，操作方便，可控制棉卷重量不匀率在0.8%左右。

　　3.清梳联棉层厚度在线检测装置

　　清梳联喂棉箱广泛应用压力传感器，使上下棉箱的气压稳定，控制在一定水平，确保上下棉仓棉层密度纵横均匀。上下棉仓间以变频调速控制喂棉量一致，保证生条重量不匀率达到较低水平。

　　4.开清棉流程异纤的在线检测和控制

　　异纤混入正常的纤维中会形成织物的外观疵点，造成色差、条花，是印染加工及最终产品中的主要质量问题，严重的会导致产品质量索赔事故，造成巨大的经济损失。企业被迫组织大量人工对原棉进行挑拣，因异纤出现几率很低，很难彻底消除.离线检测根本没有作用,因此在线检测清除十分迫切。目前有数十种异纤检测清除机投入市场，其结构功能不尽相同，检测源有采用荧光灯、半导体发光源、紫外光线、光频特殊光源、超声波等多种，传感器有光电二极管、CCD摄像机、超声波接受器等。一般光电传感器只能检测有色异纤，对无色或白色的丙纶丝等检测，目前主要采用紫外线和超声波技术。该机通常排列在开棉机前方与清棉机接口间，已基本开松的棉流通过该机管道时，由传感器采集棉流图象数据等有关信息，识别异纤的对比图、饱和度、色差、形态等特征，经执行机构电磁阀控制的高压喷嘴喷出异纤至废棉箱中定时处理。异纤检测清除机安装位置，棉流开松度、棉流速度、传感器的分辨率、喷嘴数量及灵敏度、异纤的数量和大小等都对清除的效能有影响。目前一般异纤检出率可达80%左右，白色异纤只能达到60%以下。因此尚有一定数量的异纤需要通过清除异纤的电子清纱器切除，才能基本免除成本较高的人工检测。