2.3 主轴检测信号的采集与数据处理
2.3.1 主轴检测信号的采集
环锭细纱机主轴是由电机通过皮带和皮带轮传动，主轴再传动环锭细纱机的牵伸机构、加捻机构、卷绕成型机构，经罗拉、锭子、钢领板三者之间运动的协调配合实现纱线的成形。主轴转速的检测是通过霍尔传感器来完成的，霍尔传感器将主轴的转动转换成脉冲信号，再通过微分电路将脉冲信号转换成主轴的转速，实现对主轴的检测。
2.3.2 主轴检测信号的数据处理
同钢丝圈转速计算类似，采取测频法可得到霍尔传感器测得的主轴转速。与主轴同轴回转的滚盘依托摩擦带动锭带，锭带再依托摩擦带动锭子回转。由于在大、中、小纱阶段锭带所承受的负荷不同，会造成锭位在不同时间的捻度不匀；锭带对不同锭位的摩擦效应的差异以及锭带工作时效的疲劳等因素，会由于锭带传动过程中滑移率的变化造成不同锭位间捻度不匀情况。因此，通过对主轴转速以及锭子转速的检测，可以为评价不同时期和不同锭位间的捻度不匀提供数据支持。
2.4 钢领板检测信号的采集与数据处理
2.4.1 钢领板运动信号的采集
环锭纺纱是通过钢领板的上下往复运动配合锭子的回转实现卷绕成型，基于PLC的电子凸轮算法由伺服电机驱动蜗杆带动蜗轮，通过蜗轮推动齿轮-齿条机构上升或下降，进一步带动钢领板上升或下降完成导纱运动，实现管纱的卷绕成型。利用该伺服电动机自带的编码器将电机的转动转换成脉冲信号，再将该脉冲信号等价转换成钢领板的运动信号，然后通过微分电路将其转换成钢领板上升或下降的速度，实现对卷绕成型机构的检测。
2.4.2 钢领板运动信号的数据处理
同样采取测频法可计算得到带动钢领板运动的伺服电机的转速，由于钢领板升降运动是通过伺服电机驱动蜗轮蜗杆实现的，设蜗杆直径为，线速度为，钢领板升降的速度为，蜗杆到钢领板的传动比为，蜗杆线速度和钢领板升降的速度按下式计算。
单锭监测系统数据挖掘与分析诊断主要包含对加捻数据、牵伸数据及卷绕成型数据等的深度挖掘，以及对纱线断纱、弱捻、空锭、捻度不匀、牵伸不匀、条干不匀等的诊断。
3.1 加捻数据的挖掘及工况诊断
通过对加捻过程的实时监测以及数据的分析，可以实现对纱线断纱、弱捻、空锭以及捻度不匀等异常情况的判断。
当纱线断头后，导致钢丝圈的回转速度减慢直到停止回转，光电接收器件所检测到的光线变化信号也随之发生变化，传感器可迅速检测到钢丝圈回转变化信号，然后发送到控制器，通过控制器对钢丝圈回转变化信号进行判断，当控制器判断钢丝圈回转变化信号不是连续脉冲信号时，则输出断纱信号并通过LED灯告警，挡车工根据指示信号灯及时有效地检测各锭位纱线的断纱情况，有效地提高了接线工人的工作效率，减少了原料的浪费。
传感器采集钢丝圈回转信号，根据钢丝圈信号的变化周期可计算钢丝圈的平均转速，然后将各个锭位的转速与控制器计算所得的钢丝圈平均转速相比，根据比较结果，判断是否弱捻并输出相应的控制信号。设置判断弱捻的百分比一般不能高于90%，设置弱捻锭位的判断时间建议值8-20分钟，时间越长判断弱捻越准确。当在此期间采集到的钢丝圈转速一直低于平均转速的90%，则可以判断出弱捻并输出相应的控制信号。
若光电传感器在很长一段时间未监测到钢丝圈的信号，则认定为该锭位为空锭。
通过对钢丝圈、罗拉运动速度的实时监测及数据融合，可以得到纺纱过程中的捻度，如钢丝圈转速为，前罗拉线速度为，则纱线捻度按下式计算。
将某时段测定的各锭位钢丝圈的转速除以前罗拉线速度可获得该时段不同锭位所纺纱线的捻度，并由此获得该时段所纺纱线的平均捻度。各锭位捻度与平均捻度的差值再除以平均捻度可获取不同锭位之间的捻不匀；若将某锭位大、中、小纱阶段的捻度与各阶段平均捻度的差值再除以各阶段平均捻度，由此可获取该锭位在大、中、小纱阶段等不同时段的捻度不匀率。因此，通过对前罗拉转速和锭子转速的检测，可以为评价不同时期和不同锭位间的捻度不匀提供数据支持。
3.2 牵伸数据的挖掘及工况诊断
通过对牵伸过程的实时监测以及数据的分析，可以实现对牵伸倍数不匀、纱线条干不匀等异常情况的判断。通过编码器实时采集的前、中、后罗拉回转的转速信息，可以经过逻辑运算得到牵伸倍数以及成纱线密度的实时波动情况，也可得到纺纱长度和纺纱产量。设前区牵伸倍数、后区牵伸倍数以及总牵伸倍数分别为，粗纱线密度为，成纱线密度为，纺纱时长为，纺纱长度为，每千锭时纺纱产量为，则牵伸倍数、成纱线密度、纺纱长度和每千锭时纱线产量分别按下式计算。
根据纺纱过程中牵伸倍数、成纱线密度的波动情况，可以通过数据实现智能化的生产决策，当发现牵伸倍数偏离预定范围，可立即进行调整，并将监测数据作为评估产品质量的重要依据。
3.3 卷绕成型数据挖掘及工况诊断
通过对卷绕成型过程的实时监测以及数据的分析，可以实现对纺纱张力波动以及管纱成型情况的判断。细纱机的钢领板升降动作是纺纱卷绕成型的关键，目前细纱机成型机构的设计，考虑因素主要是管纱成型良好、退绕容易、密度大、管底成型等，而环锭细纱机运行高速的主要障碍是在大、小纱时纺纱气圈的张力波动造成断头率高。钢领板升降会造成气圈变化、产生张力的波动，而升降速度的不平稳可能会造成气圈张力波动过大，从而导致纱线断头情况，并且影响管纱成型，所以对钢领板升降速度的监测，可以为纱线气圈张力过大造成的断头问题的优化以及管纱成型是否良好提供数据参考。
该单锭监测系统已经在卓郎（江苏）纺织机械有限公司、福建金源纺织有限公司等企业得到了应用，有效改变了传统纺纱人工巡检断头的生产模式，在提高纺纱企业的生产效率、降低成本、改善产品质量等方面效果较为明显。以福建金源纺织有限公司的应用为例，应用效果总结如下。
a)提高生产效率。当监测到纱线断头、弱捻等异常信息时，这些信息会通过总线上报至控制单元，并根据异常的类型，在对应的锭位亮起不同颜色的指示灯，同时塔灯和显示屏上也会显示异常信息。巡回小车根据异常锭位的位置动态规划路径，自主行驶至指定位置，极大地方便了挡车工对异常锭位的处理，生产效率提高15%。
b)降低用工及原料成本。当监测到纱线断头后，控制器发出停喂信号，粗纱停喂装置立即启动，在后罗拉与后皮辊之间插入一个很薄的尼纶片使后皮辊停止转动，从而使粗纱在后罗拉与中罗拉之间被拉断，达到粗纱停喂的目的，减少粗纱的浪费。粗纱停喂装置的应用，不仅可以减少粗纱的浪费，而且降低了对胶辊、皮圈、罗拉的损害，减少了挡车工及保全工，降低了用工成本，综合成本降低22%。
c)改善产品质量。单锭监测系统能够及时发现纱线断头、弱捻等异常情况，挡车工即时处理，防止不合格纱线的生产，全年纱线不良品率降低12%。
d)有助于制定管理决策。单锭监测系统提供了详细的数据分析及可视化报表，有助于企业管理层基于数据做出快速反应和战略决策。
本文介绍了环锭纺单锭监测系统的组成及其工作原理，通过对纺纱过程中牵伸机构、加捻机构、卷绕成型机构以及主轴的在线检测，实现了对罗拉、钢丝圈、钢领板及主轴运动信号的采集与数据处理，以及纺纱过程中断头、弱捻、空锭及捻不匀等异常状况的判断。该单锭监测系统的使用使得企业的生产效率提高了15%，用工和原料综合成本降低了22%，全年纱线不良品率降低了12%，且该系统提供详尽的生产报告和可视化界面，有助于管理层通过数据实施实时决策，优化生产调度以及资源配置，实现智能化纺纱。
来源：赵龙飞 薛元 江南大学纺织科学与工程学院、贾殿友 李辉 张阳 贾政清 深圳市嘉友智控科技股份有限公司
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