周佳成，初和平，張鳳仙

（1.西安工程大學(xué)，陜西西安 710048；2.山東昌邑市榮源印染有限公司，山東濰坊 261300；3.西安德高印染自動(dòng)化工程有限公司，陜西西安 710048）

伴隨著世界工業(yè)4.0 時(shí)代的到來(lái)和最新碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的提出，印染企業(yè)的重點(diǎn)是使生產(chǎn)原材料、機(jī)器設(shè)備、人員調(diào)度、能耗管理等實(shí)現(xiàn)智能化、信息化，人機(jī)交互更深入、更高效，其核心離不開(kāi)海量數(shù)據(jù)的支持。因此，打造印染智能工廠的首要任務(wù)就是數(shù)據(jù)的采集、積累。智能制造背景下的數(shù)據(jù)采集，無(wú)論是采集方式還是在企業(yè)中發(fā)揮的作用，已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。廣義的數(shù)據(jù)采集已經(jīng)成為現(xiàn)代化工廠工藝質(zhì)量、環(huán)境、安全、能源管理體系的基礎(chǔ)和企業(yè)正常運(yùn)行的前提，各個(gè)模塊需要聯(lián)動(dòng)，以滿足現(xiàn)代印染廠的管理需求。環(huán)保節(jié)能、數(shù)字化、信息化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)已經(jīng)成為印染企業(yè)生存發(fā)展的必由之路。本研究主要探索印染企業(yè)的智能化建設(shè)方法與實(shí)踐。

1 印染行業(yè)現(xiàn)狀

印染企業(yè)主要采用來(lái)料加工和自行采購(gòu)原料加工兩種模式，大部分企業(yè)以來(lái)料加工為主。印染企業(yè)的成本主要包括水、電、蒸汽、染料、人工等。作為高污染、高能耗行業(yè)，印染企業(yè)的水、電、蒸汽等成本占比在40%以上，染料成本占比在20%以上［1］。隨著環(huán)保要求的日益提高，水電、燃煤、染料等價(jià)格上漲直接影響印染企業(yè)運(yùn)行的成本。2021 年上半年，國(guó)家提出了碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，這無(wú)疑會(huì)對(duì)印染行業(yè)產(chǎn)生巨大的沖擊，將進(jìn)一步增加企業(yè)尤其是污染嚴(yán)重企業(yè)的成本。目前，印染行業(yè)利潤(rùn)率處于較低水平，勞動(dòng)力也較為密集，基于新時(shí)代背景，本研究提出了印染工廠智能化管理模式探索，綜合分析了印染行業(yè)的現(xiàn)狀；把關(guān)注的重點(diǎn)聚焦在如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高傳統(tǒng)能源的使用效率上，并且以訂單為核心智能化編排生產(chǎn)工藝、倉(cāng)庫(kù)管理、人員機(jī)器調(diào)度，從上述多個(gè)方面入手應(yīng)對(duì)新的管理需求和技術(shù)需求的新變化。智能制造與傳統(tǒng)制造最核心的區(qū)別是從人工驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，部分企業(yè)提出了“黑燈車(chē)間”乃至“無(wú)人工廠”的概念。生產(chǎn)組織需要集成所有原材料、人員、設(shè)備等生產(chǎn)要素信息，以模擬仿真的形式進(jìn)行生產(chǎn)前的準(zhǔn)備，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程工藝質(zhì)量、能耗、機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)、人員調(diào)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，生產(chǎn)結(jié)束自動(dòng)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析決策，實(shí)現(xiàn)全面感知、物物互聯(lián)、預(yù)測(cè)預(yù)警、在線優(yōu)化、精準(zhǔn)執(zhí)行的生產(chǎn)模式，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。目標(biāo)是由人員操控生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)模式。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人（或少人）操作、產(chǎn)品質(zhì)量自動(dòng)控制、能耗最佳管理、人員高效調(diào)度。這些目標(biāo)最終需要落實(shí)到生產(chǎn)中，精確到每臺(tái)機(jī)器、每位操作人員，以打造智能化車(chē)間為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)印染企業(yè)智能制造的革新。

2 印染行業(yè)智能化工廠設(shè)計(jì)

2.1 布匹卸貨、倉(cāng)儲(chǔ)

坯布從紡織廠運(yùn)輸?shù)接∪酒髽I(yè)，卸貨、倉(cāng)儲(chǔ)就是智能化生產(chǎn)的第一步，運(yùn)輸坯布的車(chē)輛停到倉(cāng)庫(kù)的固定工位，由智能機(jī)器人完成坯布卸貨與智能倉(cāng)庫(kù)互聯(lián)互通，卸貨后擺放到相應(yīng)位置［2］。首先把倉(cāng)庫(kù)分為3 類(lèi)：白坯布庫(kù)、半成品庫(kù)、成品庫(kù)，方便管理，并對(duì)來(lái)自不同廠家的布匹進(jìn)行分區(qū)，每次領(lǐng)料后工作人員在倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)中詳細(xì)記錄入庫(kù)、出庫(kù)數(shù)據(jù)。這樣可以對(duì)訂單進(jìn)行跟蹤，每筆訂單的成品率、坯布浪費(fèi)做到有據(jù)可查，方便對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行靈活調(diào)整。

2.2 生產(chǎn)工藝智能化

布匹從入庫(kù)開(kāi)始和智能倉(cāng)庫(kù)相結(jié)合，根據(jù)訂單的分類(lèi)及相應(yīng)的生產(chǎn)工藝流程，每筆訂單都會(huì)涉及多個(gè)工藝，MES 系統(tǒng)針對(duì)訂單編排工藝流程，并且完成每個(gè)工藝所需機(jī)器的調(diào)度和人員安排［3］，做到各個(gè)工藝之間的柔性連接，提高機(jī)器設(shè)備的使用效率，減少待加工布匹的等待時(shí)間。工人每完成一個(gè)工序，通過(guò)手持設(shè)備掃描，完成相關(guān)信息的上傳，實(shí)現(xiàn)機(jī)器設(shè)備與工作人員互聯(lián)互通，使得整個(gè)過(guò)程透明高效。

印染企業(yè)通常按照?qǐng)D1 所示的工藝流程執(zhí)行，說(shuō)明印染行業(yè)的生產(chǎn)工藝流程可以做到規(guī)范化、程序化。MES 系統(tǒng)針對(duì)訂單生成工藝流程后，工藝流程分配到的機(jī)器、所用的水、電、蒸汽、成品率都會(huì)以數(shù)據(jù)圖表的形式發(fā)送給管理者，方便完成每筆訂單成本的核算和生產(chǎn)管理的優(yōu)化，做到讓數(shù)據(jù)“說(shuō)話”，為管理者提供決策支持。這才是智能車(chē)間的核心所在。

2.3 分步實(shí)施智能化生產(chǎn)

對(duì)于來(lái)料加工的訂單，形成以客戶(hù)訂單為導(dǎo)向，根據(jù)不同的訂單要求生成相應(yīng)生產(chǎn)工藝流程。智能倉(cāng)庫(kù)完成出庫(kù)流程，取出該客戶(hù)提供（或指定）的坯布。然后進(jìn)入漂練車(chē)間完成第一道翻縫、燒毛工序，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)布面智能識(shí)別，記錄每匹布之間縫頭相連的信息數(shù)據(jù)，突破現(xiàn)有設(shè)備的信息化交互水平，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。完成了漂練車(chē)間的各道工序后進(jìn)入染色車(chē)間，其中工序涉及染化料工藝配比問(wèn)題，通過(guò)染料自動(dòng)配比系統(tǒng)，對(duì)染化料進(jìn)行稱(chēng)量、化料，從而解決人工配比造成的誤差大、廢品率高的問(wèn)題。MES 系統(tǒng)對(duì)不同訂單的配方進(jìn)行記錄保存，下次接到相同的訂單可以直接通過(guò)MES 系統(tǒng)查詢(xún)到配比模型，可提高生產(chǎn)效率。

印染工廠根據(jù)工藝工序劃分為6 個(gè)環(huán)節(jié)：坯布倉(cāng)儲(chǔ)、前處理、染色、印花、后整理、成品倉(cāng)儲(chǔ)?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程要靈活調(diào)配，車(chē)間之間設(shè)有智能儲(chǔ)布倉(cāng)庫(kù)，將不能夠進(jìn)入下一道工序的坯布儲(chǔ)存在這里，作為生產(chǎn)過(guò)程的柔性連接，實(shí)現(xiàn)每個(gè)車(chē)間模塊智能化生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)全工藝流程的智能化生產(chǎn)，流程如圖2所示。

訂單產(chǎn)品品種、客戶(hù)要求不一樣，生產(chǎn)工藝流程也會(huì)不一樣。印染設(shè)備涉及諸多工藝參數(shù)，如溫度、濕度、燒毛程度、強(qiáng)力、pH、含潮率、門(mén)幅等，還涉及化學(xué)品、水、電、蒸汽消耗的在線控制；生產(chǎn)過(guò)程中還涉及余熱回收、中水回用；同時(shí)，高溫和大量化學(xué)品的使用對(duì)設(shè)備和傳感器會(huì)產(chǎn)生腐蝕和影響，面對(duì)連續(xù)化生產(chǎn)作業(yè)，印染工廠智能化的復(fù)雜程度和難度超過(guò)其他行業(yè)。

2.4 車(chē)間能耗采集管理系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)耗能設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)每臺(tái)設(shè)備的用水量、用電量、用蒸汽量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行能耗定值和生產(chǎn)效率分析。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)建立大數(shù)據(jù)能效定值模型，解決企業(yè)設(shè)備耗能分散、不利于管理維護(hù)等問(wèn)題。從企業(yè)的實(shí)際需求來(lái)看，測(cè)量結(jié)果已經(jīng)延伸到數(shù)據(jù)應(yīng)用層，中間涵蓋儀器儀表、網(wǎng)絡(luò)通信、參數(shù)設(shè)置、采集軟件、管理軟件、網(wǎng)絡(luò)安全等數(shù)據(jù)流向的各個(gè)層級(jí)，如圖3所示。因此，從采集設(shè)備的準(zhǔn)確性向收集數(shù)據(jù)應(yīng)用的有效性轉(zhuǎn)移，是目前對(duì)智能化工廠提出的第一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

整個(gè)能耗采集管理系統(tǒng)通過(guò)儀表和各類(lèi)傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)，如水、電、天然氣、溫度、壓力、含潮率、生產(chǎn)長(zhǎng)度、化學(xué)品用量等進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)上傳，對(duì)各個(gè)參數(shù)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，從而實(shí)現(xiàn)能耗排放的監(jiān)控、問(wèn)題追蹤，提高生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)管理水平，解決了以往各項(xiàng)生產(chǎn)成本不便管理統(tǒng)計(jì)的問(wèn)題。目前設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中驗(yàn)證了其可行性，為企業(yè)進(jìn)行成本核算、績(jī)效考核、能耗管理提供了數(shù)據(jù)支持。

在系統(tǒng)的能耗界面能夠看到每個(gè)機(jī)臺(tái)能耗實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)施過(guò)程，采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖4 所示。工藝結(jié)束后可以按實(shí)際需求生成報(bào)表，這些數(shù)據(jù)可以為企業(yè)優(yōu)化管理決策提供重要的參考。采集的設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了無(wú)線化，讓整個(gè)能耗管理系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔，從采集過(guò)程監(jiān)視與控制等方面實(shí)現(xiàn)全過(guò)程控制。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，幫助企業(yè)把數(shù)據(jù)上傳到云端進(jìn)行保存記錄，保障了數(shù)據(jù)的安全性。

3 印染廠智能物流方案

3.1 AGV 小車(chē)

AGV 小車(chē)是一種智能無(wú)人搬運(yùn)小車(chē)，可以用來(lái)搬運(yùn)車(chē)間到車(chē)間、機(jī)臺(tái)到機(jī)臺(tái)之間的加工坯布，以充電蓄電池為動(dòng)力源，可通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行路線，并通過(guò)系統(tǒng)來(lái)控制其運(yùn)行，光學(xué)傳感器可探測(cè)路線及回避障礙物，還具有智能充電功能。應(yīng)用AGV 小車(chē)可以構(gòu)建廠內(nèi)智能物流系統(tǒng)，以滿足印染工廠平面運(yùn)輸?shù)男枨?，可以有效地降低人工成本?/p>

3.2 漿桶搬運(yùn)系統(tǒng)案例

智能工廠物流模塊在印花調(diào)漿工段共有3 個(gè)工位，分別為空桶放置區(qū)、工作區(qū)以及滿桶放置區(qū)，在空桶放置區(qū)和滿桶放置區(qū)設(shè)置傳感器用以檢測(cè)料桶的有無(wú)。

如圖5 所示，當(dāng)空桶放置區(qū)檢測(cè)不到時(shí)，通信系統(tǒng)通知調(diào)度系統(tǒng)該位置還未放置空桶，此時(shí)調(diào)度系統(tǒng)對(duì)就近的AGV 下發(fā)搬運(yùn)空桶命令，送完空桶后，當(dāng)滿桶放置區(qū)的光電檢測(cè)到滿桶信號(hào)時(shí)，AGV 前往滿桶放置區(qū)將滿桶搬運(yùn)到相應(yīng)的位置［4］?？臻e的時(shí)間，AGV 會(huì)去充電區(qū)進(jìn)行電量補(bǔ)充，當(dāng)調(diào)度系統(tǒng)再次下發(fā)任務(wù)時(shí)，AGV 緊接著執(zhí)行任務(wù)。

3.3 智能立體行車(chē)機(jī)器人

采用智能立體行車(chē)機(jī)器人完成坯布車(chē)的轉(zhuǎn)運(yùn)，可以大大提高工廠的自動(dòng)化程度，行車(chē)機(jī)器人在機(jī)器完成坯布加工工序后把坯布運(yùn)送到下個(gè)工序，可以實(shí)現(xiàn)坯布運(yùn)輸過(guò)程無(wú)人化。智能物流對(duì)印染智能工廠的構(gòu)建有著重要意義，可以提高工廠的自動(dòng)化程度以及減少用工。印染工廠智能化生產(chǎn)能否取得重大突破，能否最大程度地減少用工，將繁重的體力勞動(dòng)、重復(fù)的人力勞動(dòng)采用機(jī)器人代替是關(guān)鍵，也是智能化的重要標(biāo)志。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于智能制造背景對(duì)印染智能工廠建設(shè)進(jìn)行了探究，在生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)物料實(shí)現(xiàn)智能無(wú)人輸送，在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)智能倉(cāng)儲(chǔ)管理，設(shè)備和人員高效調(diào)度排班。經(jīng)過(guò)實(shí)踐探索，該方向具有可行性，企業(yè)用工人數(shù)大幅度減少，降低了生產(chǎn)一線員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少了環(huán)境污染。市場(chǎng)需求產(chǎn)生管理變化需求，智能制造、人工智能已經(jīng)掀起新一波的社會(huì)變革，智能制造時(shí)代背景下的印染企業(yè)智能化建設(shè)該如何發(fā)展，值得深入思考并付諸行動(dòng)，為智能工廠的建設(shè)、人工智能研究提供切實(shí)的支持與保障。