印染工廠智能化生產車間的探索

包德全

（江蘇賽格紡織機械有限公司，江蘇揚州 211403）

近兩年來，德國工業4.0概念被越來越多人提及，成為未來工業的發展趨勢。2010年，我國的制造業產值在全球占比超過美國，成為世界制造業第一大國。2015年5月8日，國務院印發《中國制造2025》，布置全面推進實施制造業強國的戰略。最新《勞動法》的實施、史上最嚴環保政策的出臺使中國和全球制造業一樣，走到了新的十字路口；隨著人口紅利的消失，產能過剩問題突出，印染企業也走到了十字路口，環保節能、數字化、信息化、智能化轉型升級已經成為印染企業生存發展的必由之路。這里主要探討印染企業的智能化建設、智能車間的建設。

1 智能制造在中國其他行業的成功實踐

1.1 海爾的“黑燈車間”

作為國內知名企業，海爾的創新、管理與發展一直是其他企業學習的典范。早在2012年德國剛剛提出工業4.0 的時候，海爾就開始了智能工廠的實踐。短短幾年，海爾已經在四大產業建成7家“工業4.0”的示范工廠，包括沈陽的冰箱、鄭州和膠州的空調、佛山的滾筒洗衣機、青島熱水器等整機工廠；從一個工序的無人到一個車間的無人，再到整個工廠的智能化、自動化。以海爾佛山工廠為例，采用了iMES 全程訂單執行管理系統，裝配了200多個RFID，4 300多個傳感器，60多個設備控制器，整個車間均由機器人操作，全面實現了設備與設備的互聯、設備與物料的互聯、設備與人的互聯。整個生產過程真正實現無人操作、產品質量自動控制，在家電產業率先進入了工業4.0時代，實現智能化制造，達到國際領先水平。

1.2 物流行業率先實現智能化

智能化倉儲、自動分揀系統已在電商物流行業成功運用。近年來，由于中國人口眾多，經濟發展迅速，加之電商的出現極大刺激了物流的發展。中國物流行業發展突飛猛進，淘寶雙11 更是創單日千億成交量，海量的商品需要以最快的速度送到消費者手里，單靠人工勞動是難以完成的。順豐、淘寶、京東都相繼投入了智能物流系統領域的研究，不斷延伸產業鏈，開展多方的跨界合作，投資建設大型智能倉儲站，研發建設全自動分揀系統，極大地減輕了員工的勞動強度，提高了人員使用效率，同時避免了人為出錯率。京東甚至率先嘗試無人機送貨，并在部分地區開始了試運行。這些企業在中國智能制造方面均作出了艱辛的探索，并取得了優異的成績，為行業的發展作出了巨大的貢獻，促進了中國工業智能化的發展。

2 智能制造在紡織印染行業的實踐

2.1 泰安康平納在筒子紗染色方面的智能化生產

山東康平納集團有限公司在筒子紗染色智能化車間建設方面取得了喜人的成績，榮獲2014年國家科學技術進步一等獎，成功列入2015年國家首批46 家智能制造試點示范項目之一，成為實施“中國制造2015”規劃的引導工程。創新使我國成為世界首個實現全流程自動化染色技術并實現工業化生產的國家。筒子紗智能化生產車間只有幾個員工在車間查看設備運行數據，原來由2 人操作的工作全部由智能機器人替代，解決了印染車間崗位勞動強度大、工作環境差、招工難等問題；所有操作全部由傳感器和中央系統來控制，工藝重演性拋開了人為因素，從理論上實現了一致性。據統計，色差與缸差由原來的4 級提高到4.5 級以上，染色一次成功率由原來的80%提高到96%以上，生產效率提高15%，噸紗節水28 t、節電250 kWh、節汽1.7 t，減少污水排放 28 t，節約用工10%以上，車間干凈整潔，趕超德國、意大利等國際領先水平。

2.2 青島紅領在服裝領域的智能化實踐

青島紅領集團作為一家傳統的服裝生產企業，用了幾年時間，投入近3 億元，在3 000 多人的工廠通過不斷創新，完成了傳統生產方式向自動化、智能化生產方式的轉變。紅領企業借助互聯網實現了個性化定制的工廠化生產，從大規模制造轉為大規模定制，直接面向消費者、終端客戶，滿足客戶個性化的需求體驗。紅領企業自主研發的西裝個性化定制系統建立了人體各項尺寸與西裝版式尺寸相對應的數據庫；該系統可以對客戶的身形尺寸進行數據建模，通過計算機3D 打版形成顧客專屬的數據版型，數據信息被傳輸到備料部門后，在自動裁床上完成裁剪。每套西裝所需的全部布片會被掛在一個吊掛上，同時掛上一張附著客戶信息的電子磁卡，儲存顧客對西裝的個性化需求，流水線上的電腦識別終端會讀取這些信息，并提示操作，通過流水線向具體個性化工位傳遞信息。紅領服裝采用智能化生產將高端定制服裝周期由3個月縮短為7天，可實現零庫存；取消諸多中間環節，成本和價格大幅降低，企業利潤成倍增長。

3 印染行業智能化現狀

3.1 染化料配送和自動監控

印染企業智能化在染料自動配送方面受到很多企業的重視，有很多企業從事該方面的研發，如杭州開源、凡騰公司以及德國SADO 公司等，并成功運用到生產實踐中。建立印染全流程設備數字化監控系統已成為新建項目的方向。該系統通過各種傳感器對生產現場的工藝參數如：水、電、汽、溫度、濕度、化學品含量、織物幅寬、單位面積質量、速度等進行實時監控，可實現節能減排、質量追蹤、產品品質提升、提高生產效率、減少用工，提高了工藝技術水平和管理水平，改變了以前依靠操作工、老師傅憑經驗生產，受制于人的現象。新建的項目如山東如意金鄉印染工業園、浙江金梭印染項目；同時，宜興樂祺、愉悅家紡等知名企業很早就在車間設備上安裝了水、電、汽測控系統，進行成本核算、消耗考核，提高節能減排管理水平。但有的系統對各種工藝參數采集到中央控制系統并作相應控制還不完善。

3.2 智能化管理系統

基于車間現場作業層面的信息化采集系統SFC得到逐步重視，生產管理MES系統也逐步被運用到印染企業。完善ERP 系統中的基礎信息和生產過程與企業計劃的信息斷層問題，還需從根本上提升ERP系統的運用水平。

3.3 智能互聯

從產品上來講，真正能夠實現物料、生產工藝、生產設備之間智能互聯的是康平納筒子紗項目。但筒子紗的染色和布匹的染整從工藝到產品形態有著根本的區別。布的染整或者更確切地說，純棉平幅織物連續印染工廠完全智能化生產目前還沒有企業能夠做到。榮盛染整被譽為傳統印染工廠向智能化工廠成功轉型的案例，為行業在智能化生產方向起了很好的標桿和表率作用；但該公司產品以化纖和針織為主，染整設備基本上是單一的機缸，織物形態為繩狀加工，而且布匹的轉運設備之間互聯還是基本采用傳統人工方式，尚需完善。

4 平幅棉織物生產智能化工廠

印染工廠實現智能化的目的包括減少人工成本，提高生產效率、企業技術管理水平、節能減排水平、產品質量和穩定性，提高市場反應能力和服務能力等。印染工廠雖然不及紡織服裝廠用工多，但很多工序勞動強度大、工作環境差，對現場工作人員經驗要求高，造成印染企業一線生產人員嚴重短缺，人員逐步老年化，年輕人不愿意從事印染行業，生產一線出現工資支出逐年提高的現象。采用機器人減少用人對于印染企業同樣至關重要，印染工廠智能化生產能否取得重大突破，能否最大程度上減少用工，將繁重的體力勞動、重復的人為勞動采用機器人代替是個關鍵，也是一個重要標志。

4.1 卸貨、倉儲

坯布從紡織廠運輸到印染企業從卸貨、倉儲開始，就是智能化生產的開始，運輸坯布的車輛停到倉庫的固定工位，由智能機器人完成坯布卸貨與智能倉庫互通互聯，擺放到相應位置。

4.2 生產工藝智能化

布匹從卸貨開始和智能倉庫相結合，根據訂單及相應的生產工藝流程，MES 系統自動配制相應染化料，與設備互聯互通。

4.2.1 純棉織物印染工廠生產工藝

坯布準備：坯布進廠→卸貨→倉儲→拆包→翻邊→縫頭。

印染生產過程：冷堆+氧漂；染色→定型→預縮；燒毛→退煮漂→絲光；印花→定型→預縮；預定型→蒸化水洗→軋光。

成品包裝：檢驗→裁剪→包裝→倉庫→發運。

4.2.2 分步實施智能化生產

以客戶的生產訂單為導向，在導流中生成相應生產工藝流程，通過智能倉庫自動取出相應訂單的坯布進入第一道燒毛工序，正反布面智能識別，每匹布之間縫頭相連，突破現有設備水平，降低勞動強度。

國內外都沒有成熟的經驗來借鑒，產品品種不一樣，客戶要求不一樣，生產工藝也會產生不一樣，印染設備涉及諸多工藝參數，如：溫度、濕度、濃度、液位、張力、pH、含潮率、門幅等物理化學參數，還涉及化學品、水、電、汽消耗的在線控制。生產過程中，余熱熱能回收、中水回用，同時，高溫和大量化學品的使用對設備和傳感器不可避免產生腐蝕，而生產過程又是連續化生產作業，印染工廠智能化的復雜程度和難度超過其他行業。

印染工廠根據工藝工序劃分成五個車間：坯布倉儲車間、前處理車間、染色印花車間、后整理車間、成品倉儲車間，考慮到生產的靈活調配，車間之間設有智能儲布倉庫，作為生產過程的柔性連接，通過實現每個車間智能化生產，從而實現全工藝流程的智能化生產，流程如下。

4.2.3 根據工序車間功能進行智能化

4.2.3.1 坯布倉儲車間

坯布倉儲車間的智能化包括坯布機器人卸貨、智能倉庫自動拆包、正反識別、智能縫頭運輸到下道工序。

4.2.3.2 前處理車間

前處理車間工序包括燒毛、冷堆、退漿、煮煉漂、絲光、磨毛等，成品為漂白制品，為下道染色或印花工序作準備，或者是漂白布，經過后整理工序進入成品出廠工序。在本車間牽涉的設備很多，品種不一樣，工藝也會不一樣，但本工藝段化學品的使用相對固定，只在濃度上會因品種相應變化。在印染工廠中，多機臺工藝車速有可能統一，給連續生產或者無人生產帶來可能性，是最有可能率先實現智能化、無人化生產的車間；具體的技術方案可分為連續無縫頭方案和有縫頭方案，同時還與車間廠房條件相關。

4.2.3.3 白坯智能倉儲

白坯智能倉儲既是前處理車間的中轉倉庫，又是后道染色、印花的原料倉庫，具有自動輸入和自動輸出功能，同時具有在智能化生產過程中滿足后道生產計劃的作用。

4.2.3.4 染色車間

染色車間要根據生產量規模確定機臺的數量，這里指的是連續式軋染設備。由于純棉和滌棉工藝的差別，滌棉生產需要使用高溫焙烘，設備選型應盡可能滿足通用性，染化料選型工藝盡可能選擇滿足連續化生產特性。染色是個復雜的物理化學過程，涉及到的染化料品種及助劑非常多，智能化生產將對產品質量的穩定和提升起到根本性的作用。染化料測配可對各種參數指標，如：溫度、壓力、濕度、濃度、液位等實現智能控制，徹底擺脫了人為因素，提高了產品的正品率、重演性。

4.2.3.5 印花車間

印花車間和染色車間有相似之處，根據生產決定印花機數量的多少，由智能倉庫根據訂單提供相應的漂白布，系統根據訂單的花型自動完成分色配料、涂料印花和活性印花生產流程。生產過程中，設備布局要盡可能將離散性生產方式改造為連續式生產方式，因工藝因素不能夠連續式，則需要創新解決。印花過程相對染色過程更為復雜，染料助劑品種繁多，還涉及花型制網、蒸化、焙固、水洗、洗網等工序，隨著數碼印花特別是高速數碼印花的成熟，成本的下降，給印花智能化生產帶來了根本性的突破，同時可改善工作環境、節能降耗、減少排放，產生革命性的變革。

4.2.3.6 色布智能倉儲

色布智能倉儲作為染色車間和印花車間完工后的中轉倉儲，同時也作為后整理車間的準備倉庫，是智能生產過程中的柔性連接，在ERP 和MES 系統下按照生產訂單，由中央控制系統與后道工序智能配送生產所用布料。

4.2.3.7 后整理車間

后整理車間包括定型、預縮機、軋光機以及特種整理，如樹脂整理、阻燃整理。前幾道工序，化學品、助劑使用較少，水、汽消耗也較少，主要采用烘燥熱源，如導熱油、天然氣、高壓蒸汽，因而污水排放較少，廢氣排放較多，要注意廢氣的治理和余熱回收利用。門幅的控制、縮率的控制、濕度的控制、溫度的控制、液位的控制、自動配料、縫頭的檢測等均可實現智能生產。

4.2.3.8 成品檢驗包裝

該工序包括檢驗、裁剪、自動包裝、出庫、裝運等，本車間可采用先進的圖像識別系統用于檢驗、自動裁剪，輔助少量的人工。由于不涉及到化學品，生產過程相對簡單。傳統的生產過程用工較多，自動化水平低下，通過智能生產的改造可將人員從簡單、重復的勞動中解放出來。

4.2.3.9 印染工廠智能方案

印染工程有其特殊的復雜性，宜分步實施智能方案。通過印染工廠生產流程的分類介紹，筆者認為印染工廠智能化應該由智能坯布倉庫、智能化前處理車間、智能化染色印花車間、智能化后整理車間、智能化檢驗包裝車間組成。各個部門之間通過ERP 系統、MES 系統統一指揮；硬件上，在各車間之間建有配合生產規模的智能倉儲，滿足訂單、生產調配需要，協調車速、檢修、保養等儲布功能。根據工藝、染化料使用、設備制定相應方案，做到人機相連，機器與機器相連，最大程度上機器換人。無人化車間是終極目標，但實施起來難度很大，可以分步實施，先易后難；先以減少一半人工為目標，隨著實踐的深入和技術的進步逐步減少，在探索階段可以不考慮成本，在實際產業過程中還要考慮投資回報的經濟性。構建印染工廠的智能化也可以從一道工序、一個車間開始實施，譬如，從前處理車間開始實踐，該車間既涉及到化學品的配送，又需要配備濃度、溫度、濕度、流量等計量檢測設備，生產過程相對簡單，但布的物流技術、縫頭技術、設備進布出布、人機互連、設備與設備互連等技術上是相通的。鑒于印染工廠智能化生產的復雜性，可在倉儲、前處理車間、檢驗成品率等方面先取得突破，繼而在印染工廠全產鏈實施。

5 平幅棉織物生產布匹智能物流的方案

5.1 AGV小車

AGV 小 車（Automated Guided Vehicle，簡 稱AGV）是一種智能無人搬運小車，可以用來搬運車間到車間、機臺到機臺之間的加工布匹，用充電蓄電池為動力來源，通過系統來控制其運行路線，或者利用地磁軌道來設立行進路線，地磁軌道埋于地下或貼于地板上。AGV小車還可進行導航系統規劃運行路線，光學傳感器可導到路線及回避障礙物，且具有智能充電功能。當電量即將耗盡時，會向系統發出指令請求充電，并可自動到充電位置接受無線充電。AGV小車要運用到印染工廠還需要作相應改造，以滿足印染工廠平面運輸的要求。

5.2 智能立體行車機器人

智能立體行車機器人可以將布匹進行上下、左右、前后、三維立體搬運。立體行車機器人可在一定的區域內替代人工操作，在系統控制下精確定位運輸，并且能夠和AGV小車協同工作，從而完成加工織物在生產過程中的無人運送工作。

5.3 智能縫頭裝置

這是印染工廠智能化生產的關鍵裝置，也是印染工廠車間能夠實現無人化的關鍵。在系統操作下，智能縫頭裝置自動檢測布卷即將到頭，完成后卷布頭備縫，自動縫頭，在干布和濕布狀態下均能夠正常工作。該裝置在系統指揮下生產訂單的織物通過AGV小車和智能立體行車機器人協同工作，實現織物無人操作。

6 結束語

筆者從事印染成套設備的研發與制造已近30年，見證了54型印染設備向74型印染設備的轉變，參與了96新型印染成套設備的探索實踐，見證了十多年來中國印染設備逐步趕上國際水平的過程，并于2002年創建了賽格紡織機械有限公司。通過十多年的努力，賽格品牌成為了行業熟知的一個品牌，并且成功進入土耳其、巴基斯坦、孟加拉、印度、越南、非洲等海外市場，改變了印染成套設備只能從國外進口的局面，憑借好的品質、性能和適當的價格贏得國際買家的青睞，打破了印染成套設備由歐洲同行壟斷的局面。德國的工業4.0、中國制造2025 給中國經濟轉型升級指明了方向。筆者先后去德國游學，親身感受德國工業4.0的現狀；2017年，參加了江蘇省經信委智能制造總裁班為期一年的系統學習，對智能化生產的理論和實踐有了更深入的了解；參觀了國內優秀企業：青島紅領、韓都衣舍、康平納、德國大眾第五工廠，積極關注智能制造技術在國內的發展。印染工廠智能化生產需要攻克的課題很多，要整合多學科、多門類的技術人才，同時，轉化成適應印染工廠的實用技術。平幅棉織物智能化生產采用ERP 系統，連接MES 系統和SFC信息化采集系統，在系統操控下實現以訂單為核心智能編排生產工藝。在生產過程中，織物實現智能無人輸送，同時實現各種染化料的智能分析和自動輸送。企業用工人數大幅度降低，減少了生產一線員工的勞動強度，改善了生產環境。江蘇賽格紡織機械有限公司作為印染成套設備研發單位期望能夠與有志于印染智能化產業的企業和個人開展合作，共同探索印染工廠智能化生產建設，實現中國紡織大國夢、強國夢。