印染工厂智能化生产车间的探索

包德全

（江苏赛格纺织机械有限公司，江苏扬州 211403）

近两年来，德国工业4.0概念被越来越多人提及，成为未来工业的发展趋势。2010年，我国的制造业产值在全球占比超过美国，成为世界制造业第一大国。2015年5月8日，国务院印发《中国制造2025》，布置全面推进实施制造业强国的战略。最新《劳动法》的实施、史上最严环保政策的出台使中国和全球制造业一样，走到了新的十字路口；随着人口红利的消失，产能过剩问题突出，印染企业也走到了十字路口，环保节能、数字化、信息化、智能化转型升级已经成为印染企业生存发展的必由之路。这里主要探讨印染企业的智能化建设、智能车间的建设。

1 智能制造在中国其他行业的成功实践

1.1 海尔的“黑灯车间”

作为国内知名企业，海尔的创新、管理与发展一直是其他企业学习的典范。早在2012年德国刚刚提出工业4.0 的时候，海尔就开始了智能工厂的实践。短短几年，海尔已经在四大产业建成7家“工业4.0”的示范工厂，包括沈阳的冰箱、郑州和胶州的空调、佛山的滚筒洗衣机、青岛热水器等整机工厂；从一个工序的无人到一个车间的无人，再到整个工厂的智能化、自动化。以海尔佛山工厂为例，采用了iMES 全程订单执行管理系统，装配了200多个RFID，4 300多个传感器，60多个设备控制器，整个车间均由机器人操作，全面实现了设备与设备的互联、设备与物料的互联、设备与人的互联。整个生产过程真正实现无人操作、产品质量自动控制，在家电产业率先进入了工业4.0时代，实现智能化制造，达到国际领先水平。

1.2 物流行业率先实现智能化

智能化仓储、自动分拣系统已在电商物流行业成功运用。近年来，由于中国人口众多，经济发展迅速，加之电商的出现极大刺激了物流的发展。中国物流行业发展突飞猛进，淘宝双11 更是创单日千亿成交量，海量的商品需要以最快的速度送到消费者手里，单靠人工劳动是难以完成的。顺丰、淘宝、京东都相继投入了智能物流系统领域的研究，不断延伸产业链，开展多方的跨界合作，投资建设大型智能仓储站，研发建设全自动分拣系统，极大地减轻了员工的劳动强度，提高了人员使用效率，同时避免了人为出错率。京东甚至率先尝试无人机送货，并在部分地区开始了试运行。这些企业在中国智能制造方面均作出了艰辛的探索，并取得了优异的成绩，为行业的发展作出了巨大的贡献，促进了中国工业智能化的发展。

2 智能制造在纺织印染行业的实践

2.1 泰安康平纳在筒子纱染色方面的智能化生产

山东康平纳集团有限公司在筒子纱染色智能化车间建设方面取得了喜人的成绩，荣获2014年国家科学技术进步一等奖，成功列入2015年国家首批46 家智能制造试点示范项目之一，成为实施“中国制造2015”规划的引导工程。创新使我国成为世界首个实现全流程自动化染色技术并实现工业化生产的国家。筒子纱智能化生产车间只有几个员工在车间查看设备运行数据，原来由2 人操作的工作全部由智能机器人替代，解决了印染车间岗位劳动强度大、工作环境差、招工难等问题；所有操作全部由传感器和中央系统来控制，工艺重演性抛开了人为因素，从理论上实现了一致性。据统计，色差与缸差由原来的4 级提高到4.5 级以上，染色一次成功率由原来的80%提高到96%以上，生产效率提高15%，吨纱节水28 t、节电250 kWh、节汽1.7 t，减少污水排放 28 t，节约用工10%以上，车间干净整洁，赶超德国、意大利等国际领先水平。

2.2 青岛红领在服装领域的智能化实践

青岛红领集团作为一家传统的服装生产企业，用了几年时间，投入近3 亿元，在3 000 多人的工厂通过不断创新，完成了传统生产方式向自动化、智能化生产方式的转变。红领企业借助互联网实现了个性化定制的工厂化生产，从大规模制造转为大规模定制，直接面向消费者、终端客户，满足客户个性化的需求体验。红领企业自主研发的西装个性化定制系统建立了人体各项尺寸与西装版式尺寸相对应的数据库；该系统可以对客户的身形尺寸进行数据建模，通过计算机3D 打版形成顾客专属的数据版型，数据信息被传输到备料部门后，在自动裁床上完成裁剪。每套西装所需的全部布片会被挂在一个吊挂上，同时挂上一张附着客户信息的电子磁卡，储存顾客对西装的个性化需求，流水线上的电脑识别终端会读取这些信息，并提示操作，通过流水线向具体个性化工位传递信息。红领服装采用智能化生产将高端定制服装周期由3个月缩短为7天，可实现零库存；取消诸多中间环节，成本和价格大幅降低，企业利润成倍增长。

3 印染行业智能化现状

3.1 染化料配送和自动监控

印染企业智能化在染料自动配送方面受到很多企业的重视，有很多企业从事该方面的研发，如杭州开源、凡腾公司以及德国SADO 公司等，并成功运用到生产实践中。建立印染全流程设备数字化监控系统已成为新建项目的方向。该系统通过各种传感器对生产现场的工艺参数如：水、电、汽、温度、湿度、化学品含量、织物幅宽、单位面积质量、速度等进行实时监控，可实现节能减排、质量追踪、产品品质提升、提高生产效率、减少用工，提高了工艺技术水平和管理水平，改变了以前依靠操作工、老师傅凭经验生产，受制于人的现象。新建的项目如山东如意金乡印染工业园、浙江金梭印染项目；同时，宜兴乐祺、愉悦家纺等知名企业很早就在车间设备上安装了水、电、汽测控系统，进行成本核算、消耗考核，提高节能减排管理水平。但有的系统对各种工艺参数采集到中央控制系统并作相应控制还不完善。

3.2 智能化管理系统

基于车间现场作业层面的信息化采集系统SFC得到逐步重视，生产管理MES系统也逐步被运用到印染企业。完善ERP 系统中的基础信息和生产过程与企业计划的信息断层问题，还需从根本上提升ERP系统的运用水平。

3.3 智能互联

从产品上来讲，真正能够实现物料、生产工艺、生产设备之间智能互联的是康平纳筒子纱项目。但筒子纱的染色和布匹的染整从工艺到产品形态有着根本的区别。布的染整或者更确切地说，纯棉平幅织物连续印染工厂完全智能化生产目前还没有企业能够做到。荣盛染整被誉为传统印染工厂向智能化工厂成功转型的案例，为行业在智能化生产方向起了很好的标杆和表率作用；但该公司产品以化纤和针织为主，染整设备基本上是单一的机缸，织物形态为绳状加工，而且布匹的转运设备之间互联还是基本采用传统人工方式，尚需完善。

4 平幅棉织物生产智能化工厂

印染工厂实现智能化的目的包括减少人工成本，提高生产效率、企业技术管理水平、节能减排水平、产品质量和稳定性，提高市场反应能力和服务能力等。印染工厂虽然不及纺织服装厂用工多，但很多工序劳动强度大、工作环境差，对现场工作人员经验要求高，造成印染企业一线生产人员严重短缺，人员逐步老年化，年轻人不愿意从事印染行业，生产一线出现工资支出逐年提高的现象。采用机器人减少用人对于印染企业同样至关重要，印染工厂智能化生产能否取得重大突破，能否最大程度上减少用工，将繁重的体力劳动、重复的人为劳动采用机器人代替是个关键，也是一个重要标志。

4.1 卸货、仓储

坯布从纺织厂运输到印染企业从卸货、仓储开始，就是智能化生产的开始，运输坯布的车辆停到仓库的固定工位，由智能机器人完成坯布卸货与智能仓库互通互联，摆放到相应位置。

4.2 生产工艺智能化

布匹从卸货开始和智能仓库相结合，根据订单及相应的生产工艺流程，MES 系统自动配制相应染化料，与设备互联互通。

4.2.1 纯棉织物印染工厂生产工艺

坯布准备：坯布进厂→卸货→仓储→拆包→翻边→缝头。

印染生产过程：冷堆+氧漂；染色→定型→预缩；烧毛→退煮漂→丝光；印花→定型→预缩；预定型→蒸化水洗→轧光。

成品包装：检验→裁剪→包装→仓库→发运。

4.2.2 分步实施智能化生产

以客户的生产订单为导向，在导流中生成相应生产工艺流程，通过智能仓库自动取出相应订单的坯布进入第一道烧毛工序，正反布面智能识别，每匹布之间缝头相连，突破现有设备水平，降低劳动强度。

国内外都没有成熟的经验来借鉴，产品品种不一样，客户要求不一样，生产工艺也会产生不一样，印染设备涉及诸多工艺参数，如：温度、湿度、浓度、液位、张力、pH、含潮率、门幅等物理化学参数，还涉及化学品、水、电、汽消耗的在线控制。生产过程中，余热热能回收、中水回用，同时，高温和大量化学品的使用对设备和传感器不可避免产生腐蚀，而生产过程又是连续化生产作业，印染工厂智能化的复杂程度和难度超过其他行业。

印染工厂根据工艺工序划分成五个车间：坯布仓储车间、前处理车间、染色印花车间、后整理车间、成品仓储车间，考虑到生产的灵活调配，车间之间设有智能储布仓库，作为生产过程的柔性连接，通过实现每个车间智能化生产，从而实现全工艺流程的智能化生产，流程如下。

4.2.3 根据工序车间功能进行智能化

4.2.3.1 坯布仓储车间

坯布仓储车间的智能化包括坯布机器人卸货、智能仓库自动拆包、正反识别、智能缝头运输到下道工序。

4.2.3.2 前处理车间

前处理车间工序包括烧毛、冷堆、退浆、煮炼漂、丝光、磨毛等，成品为漂白制品，为下道染色或印花工序作准备，或者是漂白布，经过后整理工序进入成品出厂工序。在本车间牵涉的设备很多，品种不一样，工艺也会不一样，但本工艺段化学品的使用相对固定，只在浓度上会因品种相应变化。在印染工厂中，多机台工艺车速有可能统一，给连续生产或者无人生产带来可能性，是最有可能率先实现智能化、无人化生产的车间；具体的技术方案可分为连续无缝头方案和有缝头方案，同时还与车间厂房条件相关。

4.2.3.3 白坯智能仓储

白坯智能仓储既是前处理车间的中转仓库，又是后道染色、印花的原料仓库，具有自动输入和自动输出功能，同时具有在智能化生产过程中满足后道生产计划的作用。

4.2.3.4 染色车间

染色车间要根据生产量规模确定机台的数量，这里指的是连续式轧染设备。由于纯棉和涤棉工艺的差别，涤棉生产需要使用高温焙烘，设备选型应尽可能满足通用性，染化料选型工艺尽可能选择满足连续化生产特性。染色是个复杂的物理化学过程，涉及到的染化料品种及助剂非常多，智能化生产将对产品质量的稳定和提升起到根本性的作用。染化料测配可对各种参数指标，如：温度、压力、湿度、浓度、液位等实现智能控制，彻底摆脱了人为因素，提高了产品的正品率、重演性。

4.2.3.5 印花车间

印花车间和染色车间有相似之处，根据生产决定印花机数量的多少，由智能仓库根据订单提供相应的漂白布，系统根据订单的花型自动完成分色配料、涂料印花和活性印花生产流程。生产过程中，设备布局要尽可能将离散性生产方式改造为连续式生产方式，因工艺因素不能够连续式，则需要创新解决。印花过程相对染色过程更为复杂，染料助剂品种繁多，还涉及花型制网、蒸化、焙固、水洗、洗网等工序，随着数码印花特别是高速数码印花的成熟，成本的下降，给印花智能化生产带来了根本性的突破，同时可改善工作环境、节能降耗、减少排放，产生革命性的变革。

4.2.3.6 色布智能仓储

色布智能仓储作为染色车间和印花车间完工后的中转仓储，同时也作为后整理车间的准备仓库，是智能生产过程中的柔性连接，在ERP 和MES 系统下按照生产订单，由中央控制系统与后道工序智能配送生产所用布料。

4.2.3.7 后整理车间

后整理车间包括定型、预缩机、轧光机以及特种整理，如树脂整理、阻燃整理。前几道工序，化学品、助剂使用较少，水、汽消耗也较少，主要采用烘燥热源，如导热油、天然气、高压蒸汽，因而污水排放较少，废气排放较多，要注意废气的治理和余热回收利用。门幅的控制、缩率的控制、湿度的控制、温度的控制、液位的控制、自动配料、缝头的检测等均可实现智能生产。

4.2.3.8 成品检验包装

该工序包括检验、裁剪、自动包装、出库、装运等，本车间可采用先进的图像识别系统用于检验、自动裁剪，辅助少量的人工。由于不涉及到化学品，生产过程相对简单。传统的生产过程用工较多，自动化水平低下，通过智能生产的改造可将人员从简单、重复的劳动中解放出来。

4.2.3.9 印染工厂智能方案

印染工程有其特殊的复杂性，宜分步实施智能方案。通过印染工厂生产流程的分类介绍，笔者认为印染工厂智能化应该由智能坯布仓库、智能化前处理车间、智能化染色印花车间、智能化后整理车间、智能化检验包装车间组成。各个部门之间通过ERP 系统、MES 系统统一指挥；硬件上，在各车间之间建有配合生产规模的智能仓储，满足订单、生产调配需要，协调车速、检修、保养等储布功能。根据工艺、染化料使用、设备制定相应方案，做到人机相连，机器与机器相连，最大程度上机器换人。无人化车间是终极目标，但实施起来难度很大，可以分步实施，先易后难；先以减少一半人工为目标，随着实践的深入和技术的进步逐步减少，在探索阶段可以不考虑成本，在实际产业过程中还要考虑投资回报的经济性。构建印染工厂的智能化也可以从一道工序、一个车间开始实施，譬如，从前处理车间开始实践，该车间既涉及到化学品的配送，又需要配备浓度、温度、湿度、流量等计量检测设备，生产过程相对简单，但布的物流技术、缝头技术、设备进布出布、人机互连、设备与设备互连等技术上是相通的。鉴于印染工厂智能化生产的复杂性，可在仓储、前处理车间、检验成品率等方面先取得突破，继而在印染工厂全产链实施。

5 平幅棉织物生产布匹智能物流的方案

5.1 AGV小车

AGV 小 车（Automated Guided Vehicle，简 称AGV）是一种智能无人搬运小车，可以用来搬运车间到车间、机台到机台之间的加工布匹，用充电蓄电池为动力来源，通过系统来控制其运行路线，或者利用地磁轨道来设立行进路线，地磁轨道埋于地下或贴于地板上。AGV小车还可进行导航系统规划运行路线，光学传感器可导到路线及回避障碍物，且具有智能充电功能。当电量即将耗尽时，会向系统发出指令请求充电，并可自动到充电位置接受无线充电。AGV小车要运用到印染工厂还需要作相应改造，以满足印染工厂平面运输的要求。

5.2 智能立体行车机器人

智能立体行车机器人可以将布匹进行上下、左右、前后、三维立体搬运。立体行车机器人可在一定的区域内替代人工操作，在系统控制下精确定位运输，并且能够和AGV小车协同工作，从而完成加工织物在生产过程中的无人运送工作。

5.3 智能缝头装置

这是印染工厂智能化生产的关键装置，也是印染工厂车间能够实现无人化的关键。在系统操作下，智能缝头装置自动检测布卷即将到头，完成后卷布头备缝，自动缝头，在干布和湿布状态下均能够正常工作。该装置在系统指挥下生产订单的织物通过AGV小车和智能立体行车机器人协同工作，实现织物无人操作。

6 结束语

笔者从事印染成套设备的研发与制造已近30年，见证了54型印染设备向74型印染设备的转变，参与了96新型印染成套设备的探索实践，见证了十多年来中国印染设备逐步赶上国际水平的过程，并于2002年创建了赛格纺织机械有限公司。通过十多年的努力，赛格品牌成为了行业熟知的一个品牌，并且成功进入土耳其、巴基斯坦、孟加拉、印度、越南、非洲等海外市场，改变了印染成套设备只能从国外进口的局面，凭借好的品质、性能和适当的价格赢得国际买家的青睐，打破了印染成套设备由欧洲同行垄断的局面。德国的工业4.0、中国制造2025 给中国经济转型升级指明了方向。笔者先后去德国游学，亲身感受德国工业4.0的现状；2017年，参加了江苏省经信委智能制造总裁班为期一年的系统学习，对智能化生产的理论和实践有了更深入的了解；参观了国内优秀企业：青岛红领、韩都衣舍、康平纳、德国大众第五工厂，积极关注智能制造技术在国内的发展。印染工厂智能化生产需要攻克的课题很多，要整合多学科、多门类的技术人才，同时，转化成适应印染工厂的实用技术。平幅棉织物智能化生产采用ERP 系统，连接MES 系统和SFC信息化采集系统，在系统操控下实现以订单为核心智能编排生产工艺。在生产过程中，织物实现智能无人输送，同时实现各种染化料的智能分析和自动输送。企业用工人数大幅度降低，减少了生产一线员工的劳动强度，改善了生产环境。江苏赛格纺织机械有限公司作为印染成套设备研发单位期望能够与有志于印染智能化产业的企业和个人开展合作，共同探索印染工厂智能化生产建设，实现中国纺织大国梦、强国梦。