关于化学纤维行业智能前纺车间的研究

吴振强+王勇+吴振

摘 要：针对近几年来人力资源减少、人力成本逐年增加等问题，对化学纤维行业前纺车间的全自动智能化生产进行了研究，以降低企业的招工压力和日常损耗，降低生产成本，进而为化纤企业生产模式的成功转型打下坚实的基础。

关键词：化学纤维；智能前纺车间；输送模式；劳动力成本

中图分类号：TQ340.5 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0121-02

1 化学纤维概论

化学纤维（下简称“化纤”）作为一种基础原材料，在日常的生产、生活中得到了广泛的应用。全世界80%的化纤生产企业都在中国，其中，近70%的企业又集中在江浙一带。我国的大型化纤生产企业很多，且全部属于劳动密集型产业，产品的转运、输送基本依靠全人工的生产模式，即人工完成将成型的纱锭从卷绕机卸下，然后挂到专用的纱车上，再将纱车推到检测区这一生产过程。

随着化纤生产规模的日益扩大，这种全人工的输送模式将很难维持下去，主要原因有以下几点：①招工难。江浙地区作为劳动密集型产业的集中地区，大量的招工需求得不到满足，劳动力成本不断提高。一个4×105 t产能的工厂，仅前纺车间就需要500人以上的劳动力，供不应求的劳动力使许多企业都处于劳动力缺乏的状态。②劳动强度太大。经计算，每个工人平均每班（8 h）搬运的纱锭总重量在8 t左右，很少有人可以长期从事此工种，因此化纤生产工厂的离职率很高。③工作环境恶劣。前纺车间的常年温度在35 ℃左右，噪声在100 dB左右，空气中油烟化学颗粒的浓度也很高，工人在此环境下长期工作会对身体造成很大的伤害。④日常生产损耗大，成本高。由于人工搬运会用手直接接触纱锭成品，因此很可能在生产过程中造成化纤的污染和损坏。

随着上述问题的不断凸显，研发一套全自动化的智能设备来代替人工生产已经成为了所有化纤企业所面临的问题。

2 解决方案

目前国内还没有关于化纤前纺车间自动化系统的研究，国外仅德国、意大利有类似功能的设备，但国内尚无成功的案例。

国外的系统可以分为两类，分别是空中悬挂式输送模式和高位立柱式输送模式。

通过对国内化纤企业现场情况的分析，发现国外系统存在一些弊端：①后期维护难度大、成本高。由于国外企业将设备全部都安装在空中，因此企业需要重新设计、规划厂房，避免风管、管道对设备的影响，这导致后期设备维护难度增大、成本增加。②生产效率较低。由于国外化纤企业的单线机位数量少（在20台以内）、品种单一，且进口设备的解决方案（输送效率）不适应国内单条生产线多工位（36位及以上）、多品种（4个及以上）的生产方式，因此其无法满足国内化纤生产的节拍要求。③设备造价高。设备的高采购价格和高后期维护成本在很大程度上会增加产品的成本，降低产品的市场竞争力。

考虑到以上国外设备的弊端和国内前纺车间的现状，应把解决方案定为地面轨道式输送模式。该方案可以避开前纺车间内的工艺设备，减少上下移动的时间，进而大幅降低设备的成本和后期维护费用。

3 系统构成

系统的标准配置为1台自动落筒机、1个机器人、2个旋转暂存台、1套上位机管理调度系统、1台服务器、1块LED看板、1台条码打印机和1台激光打印机。如果生产的节拍高于2.5 min /车，就可以利用系统具备的可扩展性增加各项配置的数量。

4 技术关键点

在该系统的研发过程中，有以下几个技术关键点。

4.1 卷绕机的电气、机械接口

一台自动落筒机要与多台（36台或42台）卷绕机接口，因此卷绕机与自动落筒机机轴在水平和垂直方向的一致性是保证丝柄平稳过渡的关键。

4.2 将成型丝柄及时运出

高效、准确地将一条线上36或42个任意位置的成型丝柄及时运出是保证生产正常运行的关键。丝柄成型后，卷绕机会自动翻转，将成型好的丝柄旋转到上方，下面的空纸筒继续绕丝。如果在7 min内没有将上方的成型丝柄取走，卷绕机就会自动保护跳车，从而出现断丝现象。断丝后必须采用人工引丝，这不仅严重地影响了生产效率，还造成了原材料的浪费。另外，设备运行效率如果不能满足生产节拍，也会影响到设备的正常生产。

4.3 确保人员的安全

要在移动设备运行区域确保人员的安全。丝柄成型区域会有人员穿行，因此，要在保证小车高速运行的同时，确保工作人员的安全。

4.4 将丝柄自动放回到专用的纱架

将运出来的丝柄自动放回到专用的纱架上是降低劳动强度的关键。

5 技术关键点的解决方案

5.1 电气、机械接口

电气方面通过PROFIBUS DP与卷绕头控制中心进行通讯，达到自动交互信息的目的。在机械方面，为了确保卷绕机与自动落筒机机轴在水平方向上一致，可以使用激光测量仪（或条码阅读器），使水平定位精度达到±2 mm；为了确保卷绕机和自动落筒机在垂直方向上一致，可以铺设能分段进行微调的铁轨，从而可以根据每台卷绕机机轴的高度差对铁轨进行调节。我们为后续落筒机机轴加装了伺服升降系统，使落筒机自动适应不同卷绕头安装的高度误差，精度达到了±2 mm。通过以上方法，能够保证每台卷绕机机轴与自动落筒机机轴在交换时水平、垂直方向上的一致。

5.2 自动落筒机的工作效率

我们对落筒机的工作节拍进行了精确计算，以36台卷绕机生产100DFDY产品为例，每台卷绕机大约3 h出丝一次，即36台卷绕机每5 min出丝一次。自动落筒机每次的作业时间为4.5 min，因此，对落筒机采用了双工位的设计，即落筒机具备运行一次取出两车丝柄的能力，在设备上满足了生产的要求。与此同时，我们还开发了一套计算机管理调度软件，使卷绕机落筒要求信号按照时间先后形成队列，并以小车当前位置为参考，计算出最优路径，从而实现最快的运输节拍。

5.3 特别运行安全设计

成型区人员的流动较大，且引丝使用的皮管经常会阻碍自动落筒机的运行，如果只依靠人力来保证高速运行自动落筒机的安全，则是非常困难的，而且一旦发生事故，造成的后果将会非常严重。因此可以在自动落筒机的前后安装激光扫描安全装置，使自动落筒机在探测到3 m内有障碍物时减慢速度，1 m内有障碍物时停止运行，保证人员人身安全和设备安全。除此之外，还增加了一套机械防撞机构作为最后的安全防护措施，确保自动落筒车高速运行时能够在2 cm内紧急制动。

5.4 工业机器人和机械手爪的使用

使用工业机器人和独立开发的机械手爪可以从自动落筒机机轴上将丝柄高速、无损地还原到丝饼小车上。机器手单次抓取双丝饼或三丝饼的周期为10 s，抓取精度为±0.1 mm。

6 预期经济效益及社会价值

使用自动落筒输送系统可以为企业带来很大的经济效益。主要体现在以下2个方面（以4×105 tFDY为例）。

6.1 将产品生产过程中的损耗降为零

使用自动落筒输送系统后，仅将丝柄还原到丝饼小车这一项，就可以每天为企业增加6 000元的效益，每年可达180万元。

6.2 可大幅降低劳动力成本

按当前24头36工位一条生产线统计，手动落筒时每班需7人，三班合计21人工；自动落筒输送系统投入运行后每班只需3人即可（络纱区内2人负责生头、套纸管和打扫卫生；下丝工位1人负责上下车和贴标签）。两项对比自动落筒输送系统投入生产后三班共计可节省12人工，将自动落筒输送系统的维护和能耗折算为1个人工，以人工成本核算实际可节省11人工。

暂时以每人每年公司需4万元的劳务支出计算每条线每年可以节省人工成本44万元，在不考虑人工成本逐年递增的基础上，公司在3～4年之内就可收回自动落筒输送系统的设备投资成本。自动落筒输送系统还可大大降低工人的劳动强度，有利于职工队伍的稳定，减少培训费用。同时，还可招收女工完成以前男工做起来都很吃力的工作，这对提高企业形象、提高企业管理水平会有很大的帮助。

7 结束语

自动落筒输送系统的开发成功地打破了国外对此技术的垄断，在为化纤企业提供了一套新的解决方案的同时，也促使国外企业降低了设备的价格，增强了我国化纤企业在国际市场中的竞争力。

化纤生产作为轻工纺织业的基础，对经济社会的发展意义重大，化纤企业生产模式的转型也必将对企业的发展起到关键作用，该系统的成功研究必将为化纤企业带来革命性的发展。

〔编辑：王霞〕

5.3 特别运行安全设计

成型区人员的流动较大，且引丝使用的皮管经常会阻碍自动落筒机的运行，如果只依靠人力来保证高速运行自动落筒机的安全，则是非常困难的，而且一旦发生事故，造成的后果将会非常严重。因此可以在自动落筒机的前后安装激光扫描安全装置，使自动落筒机在探测到3 m内有障碍物时减慢速度，1 m内有障碍物时停止运行，保证人员人身安全和设备安全。除此之外，还增加了一套机械防撞机构作为最后的安全防护措施，确保自动落筒车高速运行时能够在2 cm内紧急制动。

5.4 工业机器人和机械手爪的使用

使用工业机器人和独立开发的机械手爪可以从自动落筒机机轴上将丝柄高速、无损地还原到丝饼小车上。机器手单次抓取双丝饼或三丝饼的周期为10 s，抓取精度为±0.1 mm。

6 预期经济效益及社会价值

使用自动落筒输送系统可以为企业带来很大的经济效益。主要体现在以下2个方面（以4×105 tFDY为例）。

6.1 将产品生产过程中的损耗降为零

使用自动落筒输送系统后，仅将丝柄还原到丝饼小车这一项，就可以每天为企业增加6 000元的效益，每年可达180万元。

6.2 可大幅降低劳动力成本

按当前24头36工位一条生产线统计，手动落筒时每班需7人，三班合计21人工；自动落筒输送系统投入运行后每班只需3人即可（络纱区内2人负责生头、套纸管和打扫卫生；下丝工位1人负责上下车和贴标签）。两项对比自动落筒输送系统投入生产后三班共计可节省12人工，将自动落筒输送系统的维护和能耗折算为1个人工，以人工成本核算实际可节省11人工。

暂时以每人每年公司需4万元的劳务支出计算每条线每年可以节省人工成本44万元，在不考虑人工成本逐年递增的基础上，公司在3～4年之内就可收回自动落筒输送系统的设备投资成本。自动落筒输送系统还可大大降低工人的劳动强度，有利于职工队伍的稳定，减少培训费用。同时，还可招收女工完成以前男工做起来都很吃力的工作，这对提高企业形象、提高企业管理水平会有很大的帮助。

7 结束语

自动落筒输送系统的开发成功地打破了国外对此技术的垄断，在为化纤企业提供了一套新的解决方案的同时，也促使国外企业降低了设备的价格，增强了我国化纤企业在国际市场中的竞争力。

化纤生产作为轻工纺织业的基础，对经济社会的发展意义重大，化纤企业生产模式的转型也必将对企业的发展起到关键作用，该系统的成功研究必将为化纤企业带来革命性的发展。

〔编辑：王霞〕

5.3 特别运行安全设计

成型区人员的流动较大，且引丝使用的皮管经常会阻碍自动落筒机的运行，如果只依靠人力来保证高速运行自动落筒机的安全，则是非常困难的，而且一旦发生事故，造成的后果将会非常严重。因此可以在自动落筒机的前后安装激光扫描安全装置，使自动落筒机在探测到3 m内有障碍物时减慢速度，1 m内有障碍物时停止运行，保证人员人身安全和设备安全。除此之外，还增加了一套机械防撞机构作为最后的安全防护措施，确保自动落筒车高速运行时能够在2 cm内紧急制动。

5.4 工业机器人和机械手爪的使用

使用工业机器人和独立开发的机械手爪可以从自动落筒机机轴上将丝柄高速、无损地还原到丝饼小车上。机器手单次抓取双丝饼或三丝饼的周期为10 s，抓取精度为±0.1 mm。

6 预期经济效益及社会价值

使用自动落筒输送系统可以为企业带来很大的经济效益。主要体现在以下2个方面（以4×105 tFDY为例）。

6.1 将产品生产过程中的损耗降为零

使用自动落筒输送系统后，仅将丝柄还原到丝饼小车这一项，就可以每天为企业增加6 000元的效益，每年可达180万元。

6.2 可大幅降低劳动力成本

按当前24头36工位一条生产线统计，手动落筒时每班需7人，三班合计21人工；自动落筒输送系统投入运行后每班只需3人即可（络纱区内2人负责生头、套纸管和打扫卫生；下丝工位1人负责上下车和贴标签）。两项对比自动落筒输送系统投入生产后三班共计可节省12人工，将自动落筒输送系统的维护和能耗折算为1个人工，以人工成本核算实际可节省11人工。

暂时以每人每年公司需4万元的劳务支出计算每条线每年可以节省人工成本44万元，在不考虑人工成本逐年递增的基础上，公司在3～4年之内就可收回自动落筒输送系统的设备投资成本。自动落筒输送系统还可大大降低工人的劳动强度，有利于职工队伍的稳定，减少培训费用。同时，还可招收女工完成以前男工做起来都很吃力的工作，这对提高企业形象、提高企业管理水平会有很大的帮助。

7 结束语

自动落筒输送系统的开发成功地打破了国外对此技术的垄断，在为化纤企业提供了一套新的解决方案的同时，也促使国外企业降低了设备的价格，增强了我国化纤企业在国际市场中的竞争力。

化纤生产作为轻工纺织业的基础，对经济社会的发展意义重大，化纤企业生产模式的转型也必将对企业的发展起到关键作用，该系统的成功研究必将为化纤企业带来革命性的发展。

〔编辑：王霞〕