周佳成，初和平，張鳳仙

（1.西安工程大學，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.西安德高印染自動化工程有限公司，陜西西安 710048）

伴隨著世界工業(yè)4.0 時代的到來和最新碳達峰碳中和目標的提出，印染企業(yè)的重點是使生產(chǎn)原材料、機器設備、人員調(diào)度、能耗管理等實現(xiàn)智能化、信息化，人機交互更深入、更高效，其核心離不開海量數(shù)據(jù)的支持。因此，打造印染智能工廠的首要任務就是數(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和企業(yè)正常運行的前提，各個模塊需要聯(lián)動，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、智能化轉型升級已經(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)的智能化建設方法與實踐。

1 印染行業(yè)現(xiàn)狀

印染企業(yè)主要采用來料加工和自行采購原料加工兩種模式，大部分企業(yè)以來料加工為主。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、染料等價格上漲直接影響印染企業(yè)運行的成本。2021 年上半年，國家提出了碳達峰碳中和目標，這無疑會對印染行業(yè)產(chǎn)生巨大的沖擊，將進一步增加企業(yè)尤其是污染嚴重企業(yè)的成本。目前，印染行業(yè)利潤率處于較低水平，勞動力也較為密集，基于新時代背景，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；把關注的重點聚焦在如何實現(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、倉庫管理、人員機器調(diào)度，從上述多個方面入手應對新的管理需求和技術需求的新變化。智能制造與傳統(tǒng)制造最核心的區(qū)別是從人工驅(qū)動轉向數(shù)據(jù)驅(qū)動，部分企業(yè)提出了“黑燈車間”乃至“無人工廠”的概念。生產(chǎn)組織需要集成所有原材料、人員、設備等生產(chǎn)要素信息，以模擬仿真的形式進行生產(chǎn)前的準備，對生產(chǎn)過程工藝質(zhì)量、能耗、機器運行狀態(tài)、人員調(diào)度進行動態(tài)控制與實時數(shù)據(jù)分析，生產(chǎn)結束自動進行歷史數(shù)據(jù)的存儲并對數(shù)據(jù)進行分析決策，實現(xiàn)全面感知、物物互聯(lián)、預測預警、在線優(yōu)化、精準執(zhí)行的生產(chǎn)模式，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。目標是由人員操控生產(chǎn)模式轉向數(shù)據(jù)驅(qū)動生產(chǎn)模式。整個生產(chǎn)過程真正實現(xiàn)無人（或少人）操作、產(chǎn)品質(zhì)量自動控制、能耗最佳管理、人員高效調(diào)度。這些目標最終需要落實到生產(chǎn)中，精確到每臺機器、每位操作人員，以打造智能化車間為基礎，實現(xiàn)整個印染企業(yè)智能制造的革新。

2 印染行業(yè)智能化工廠設計

2.1 布匹卸貨、倉儲

坯布從紡織廠運輸?shù)接∪酒髽I(yè)，卸貨、倉儲就是智能化生產(chǎn)的第一步，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聯(lián)互通，卸貨后擺放到相應位置［2］。首先把倉庫分為3 類：白坯布庫、半成品庫、成品庫，方便管理，并對來自不同廠家的布匹進行分區(qū)，每次領料后工作人員在倉庫管理系統(tǒng)中詳細記錄入庫、出庫數(shù)據(jù)。這樣可以對訂單進行跟蹤，每筆訂單的成品率、坯布浪費做到有據(jù)可查，方便對生產(chǎn)工藝進行靈活調(diào)整。

2.2 生產(chǎn)工藝智能化

布匹從入庫開始和智能倉庫相結合，根據(jù)訂單的分類及相應的生產(chǎn)工藝流程，每筆訂單都會涉及多個工藝，MES 系統(tǒng)針對訂單編排工藝流程，并且完成每個工藝所需機器的調(diào)度和人員安排［3］，做到各個工藝之間的柔性連接，提高機器設備的使用效率，減少待加工布匹的等待時間。工人每完成一個工序，通過手持設備掃描，完成相關信息的上傳，實現(xiàn)機器設備與工作人員互聯(lián)互通，使得整個過程透明高效。

印染企業(yè)通常按照圖1 所示的工藝流程執(zhí)行，說明印染行業(yè)的生產(chǎn)工藝流程可以做到規(guī)范化、程序化。MES 系統(tǒng)針對訂單生成工藝流程后，工藝流程分配到的機器、所用的水、電、蒸汽、成品率都會以數(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)“說話”，為管理者提供決策支持。這才是智能車間的核心所在。

2.3 分步實施智能化生產(chǎn)

對于來料加工的訂單，形成以客戶訂單為導向，根據(jù)不同的訂單要求生成相應生產(chǎn)工藝流程。智能倉庫完成出庫流程，取出該客戶提供（或指定）的坯布。然后進入漂練車間完成第一道翻縫、燒毛工序，通過機器視覺實現(xiàn)布面智能識別，記錄每匹布之間縫頭相連的信息數(shù)據(jù)，突破現(xiàn)有設備的信息化交互水平，降低工人的勞動強度。完成了漂練車間的各道工序后進入染色車間，其中工序涉及染化料工藝配比問題，通過染料自動配比系統(tǒng)，對染化料進行稱量、化料，從而解決人工配比造成的誤差大、廢品率高的問題。MES 系統(tǒng)對不同訂單的配方進行記錄保存，下次接到相同的訂單可以直接通過MES 系統(tǒng)查詢到配比模型，可提高生產(chǎn)效率。

印染工廠根據(jù)工藝工序劃分為6 個環(huán)節(jié)：坯布倉儲、前處理、染色、印花、后整理、成品倉儲?？紤]到實際生產(chǎn)過程要靈活調(diào)配，車間之間設有智能儲布倉庫，將不能夠進入下一道工序的坯布儲存在這里，作為生產(chǎn)過程的柔性連接，實現(xiàn)每個車間模塊智能化生產(chǎn)，從而實現(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、客戶要求不一樣，生產(chǎn)工藝流程也會不一樣。印染設備涉及諸多工藝參數(shù)，如溫度、濕度、燒毛程度、強力、pH、含潮率、門幅等，還涉及化學品、水、電、蒸汽消耗的在線控制；生產(chǎn)過程中還涉及余熱回收、中水回用；同時，高溫和大量化學品的使用對設備和傳感器會產(chǎn)生腐蝕和影響，面對連續(xù)化生產(chǎn)作業(yè)，印染工廠智能化的復雜程度和難度超過其他行業(yè)。

2.4 車間能耗采集管理系統(tǒng)

通過對耗能設備的實時監(jiān)控，對每臺設備的用水量、用電量、用蒸汽量等關鍵數(shù)據(jù)進行分析建模，從而實現(xiàn)對每臺設備進行能耗定值和生產(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)設備耗能分散、不利于管理維護等問題。從企業(yè)的實際需求來看，測量結果已經(jīng)延伸到數(shù)據(jù)應用層，中間涵蓋儀器儀表、網(wǎng)絡通信、參數(shù)設置、采集軟件、管理軟件、網(wǎng)絡安全等數(shù)據(jù)流向的各個層級，如圖3所示。因此，從采集設備的準確性向收集數(shù)據(jù)應用的有效性轉移，是目前對智能化工廠提出的第一項巨大挑戰(zhàn)。

整個能耗采集管理系統(tǒng)通過儀表和各類傳感器對現(xiàn)場的工藝參數(shù)，如水、電、天然氣、溫度、壓力、含潮率、生產(chǎn)長度、化學品用量等進行采集并實時上傳，對各個參數(shù)實行實時監(jiān)控管理，從而實現(xiàn)能耗排放的監(jiān)控、問題追蹤，提高生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)管理水平，解決了以往各項生產(chǎn)成本不便管理統(tǒng)計的問題。目前設計的系統(tǒng)已經(jīng)在生產(chǎn)實踐中驗證了其可行性，為企業(yè)進行成本核算、績效考核、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機臺能耗實時監(jiān)控的實施過程，采集到的部分數(shù)據(jù)如圖4 所示。工藝結束后可以按實際需求生成報表，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。采集的設備都實現(xiàn)了無線化，讓整個能耗管理系統(tǒng)更簡潔，從采集過程監(jiān)視與控制等方面實現(xiàn)全過程控制。經(jīng)過現(xiàn)場測試分析，幫助企業(yè)把數(shù)據(jù)上傳到云端進行保存記錄，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

AGV 小車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坯布，以充電蓄電池為動力源，可通過導航系統(tǒng)規(guī)劃運行路線，并通過系統(tǒng)來控制其運行，光學傳感器可探測路線及回避障礙物，還具有智能充電功能。應用AGV 小車可以構建廠內(nèi)智能物流系統(tǒng)，以滿足印染工廠平面運輸?shù)男枨螅梢杂行У亟档腿斯こ杀尽?/p>

3.2 漿桶搬運系統(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)設置傳感器用以檢測料桶的有無。

如圖5 所示，當空桶放置區(qū)檢測不到時，通信系統(tǒng)通知調(diào)度系統(tǒng)該位置還未放置空桶，此時調(diào)度系統(tǒng)對就近的AGV 下發(fā)搬運空桶命令，送完空桶后，當滿桶放置區(qū)的光電檢測到滿桶信號時，AGV 前往滿桶放置區(qū)將滿桶搬運到相應的位置［4］?？臻e的時間，AGV 會去充電區(qū)進行電量補充，當調(diào)度系統(tǒng)再次下發(fā)任務時，AGV 緊接著執(zhí)行任務。

3.3 智能立體行車機器人

采用智能立體行車機器人完成坯布車的轉運，可以大大提高工廠的自動化程度，行車機器人在機器完成坯布加工工序后把坯布運送到下個工序，可以實現(xiàn)坯布運輸過程無人化。智能物流對印染智能工廠的構建有著重要意義，可以提高工廠的自動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、重復的人力勞動采用機器人代替是關鍵，也是智能化的重要標志。

4 結束語

基于智能制造背景對印染智能工廠建設進行了探究，在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)物料實現(xiàn)智能無人輸送，在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)智能倉儲管理，設備和人員高效調(diào)度排班。經(jīng)過實踐探索，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)一線員工的勞動強度，同時減少了環(huán)境污染。市場需求產(chǎn)生管理變化需求，智能制造、人工智能已經(jīng)掀起新一波的社會變革，智能制造時代背景下的印染企業(yè)智能化建設該如何發(fā)展，值得深入思考并付諸行動，為智能工廠的建設、人工智能研究提供切實的支持與保障。