浅析工业4.0 背景下棉纺织工厂设计发展方向

黄龙飞

湖南省轻纺设计院有限公司 湖南 长沙 410015

1 棉纺织工厂设计的发展历程

我国棉纺织厂的建造经历过较长的发展周期，先后主要有几个不同的形成阶段。最初阶段出现的是1950年前后采用的锯齿形厂房设计，其融合生产与生活密切配合的综合设计理念。连续的锯齿形风格的厂房成为当时棉纺织厂的典型代表。锯齿厂房在光线采集、产品加工流程、生产环境调节等方面，给我们提供了优质的参考经验。与此同时，在后续的相关行业以钢架结构厂房设计时，这些经验才被得以很好的引用和参考。经过将近20年的初期发展后，得益于改革开放的政策，我国纺织业在1980年前后进入一个新的蓬勃发展阶段。棉纺织工厂的总体规划调整为侧重于以生产为主导的设计理念，为了更好地实现对环境因素的把控，棉纺织厂多采用单层钢结构无窗厂房[1]。

中国的纺织业经历过高速发展后，基于国内超大的需求市场推动，在规模上已经成为世界第一，但是很难以摆脱“低端落后产业”的非正常看法，究其原因还是传统棉纺织厂给大众留下的印象多为飞花和噪声、难以忍受的温湿度环境、劳动密集型行业等。事实上，现代纺织厂作为国民生活支柱型产业，拥有全新的设计理念，如能利用新工艺、新技术、新设备，完全能改变传统纺织厂的缺点，成为行业转型的典范。棉纺织工厂的设计与建造过程需要提升建设高度，因地制宜地做好整体规划，依托周边环境条件，把各类相关产业结合起来，创建工业4.0新型产业模式[2]。

2 棉纺织工厂设计发展方向

2.1 合适的工厂选址

棉纺织工厂的机器设备数量较大、用工人数较多，加工流程较长，原料及成品运输频繁，工艺过程间配合紧密，车间温湿度要求较高，厂房集中，社会协作广泛。为了满足这些特点和要求，在选址时必须要考虑两个大的方面；①厂址的自然条件：例如地理位置、气候和地震情况等。②厂址的技术经济条件：例如临近原料供应地及成熟的周边条件。棉纺织工厂生产需要大量的棉花，而棉花又是地域性较强的农作物，所以选址临近棉花种植地将有效地降低原料运输成本，从而减少整体成本，提高了实际产能。而成熟的周边条件包括交通便利、基础设施齐全等。现代棉纺织工厂选址趋向于配套条件成熟的工业园区，即向着纺织工业集群方向发展。

2.2 合理的车间布置和柱网尺寸

对车间进行科学合理的布置，不仅应有助于生产，而且要为土建、电气、暖通、给排水等的设计提供便利条件。现代棉纺织工厂的车间布置应结合园区各厂房总平面布置，力保工艺路线和工厂管线的节能又高效。原料进车间的入口应在原料仓库最短安全半径范围内，成品入库的出口应尽可能地靠近成品仓库或印染车间，浆纱车间应设计在锅炉房附近，对于电能使用较大的细纱车间和织造车间应尽可能地接近变配电站。各车间的相互位置，应使运输路线缩短至最小限度，并避免迂回交叉，保证安全生产。

现代棉纺织工厂的柱网尺寸发展方向是：大跨度、大柱距、柱网尺寸统一、减少构件类型、构件装配化、节约厂房面积、节省工程造价，柱网规格有利于采用新工艺、新技术、新设备。例如现代单层钢结构无窗厂房多用柱网尺寸8m×27m、9m×30m、9m×34m等。棉纺织厂柱网尺寸的选择，不仅关系到机器排列的合理与否，还对厂房占地面积以及建筑投资等有显著影响[3]。

2.3 舒适的工作环境

传统棉纺织厂的工作环境十分令人不适，主要表现在三方面：巨大的噪声、飞花以及极端的车间温湿度。

针对噪声控制，国内和国外的行业专家从源头和过程以及末端整体分析，提出了不少解决方案：第一，从声音源头出发。改善纺织机械本身的机构和工艺，采用单个机器封闭式工作，不仅对噪声的控制有很大的作用，还能解决温湿度问题。第二，从传播途径出发。可以在建筑的表面加入吸声材料或吸声模块来消音。第三，加入人工防护装置。佩戴个人静音防护耳罩等防噪用具消除噪声。

传统棉纺织厂纺纱车间的温度控制在人体舒适温度范围内，比如温度在40℃以下，相对湿度控制在70%以下；织造车间的环境温度应均衡控制在27℃左右，相对湿度控制在70%左右，温湿度的环境极其恶劣，基本已经接近人体所能忍受范围的极限。为了能实现纤维易加工与工人舒适的多元均衡，未来纺织厂整体设计必须实现人机科学分离，使机器处于适度封闭的状态，即对各个工序生产加工区域的温湿度实施局部微气候控制，对各个车间的工作温湿度条件实施车间气候控制。

2.4 单机台的智能化与多机台的信息化

目前，纺织设备的设计基本遵从传统的后工业革命时期设计理念：多机台单元组合，单机台多工作单元组合。这样的设计理念好处也很明显，对于较大批量生产的要求能合理又高效的解决。这种设计理念的不足在于需要周期性的巡查，巡查就需要涉及较大的巡回劳动工作和周期性的巡查制度来保障机器的工作状态和质量问题的处理。随着信息技术的快速发展，目前可以通过PDA终端的形式进行定向巡查和实时的数据监控处理，工作人员可以通过PDA终端实现数据的有效引导和传输。生产运转的模式也由大范围巡回发展成单点精准对接，实现单机台的智能化和多机台的信息化，这是未来纺织设备发展的方向。

2.5 节能降耗

建成能源高效利用、综合能耗较低的绿色工厂是未来纺织同人共同追求的目标。棉纺织工厂的节能降耗应从以下几个方面考虑。

（1）工艺设计节能

棉纺织工艺设计将朝着优质高效、短捷、连续化和自动化、易操作的方向发展。清梳工序的目标以少抓、轻打、多混、轻梳为主；并粗工序的目标以保混比、去弯钩、降不匀为主；细纱和络筒工序通过改善适纺条件、提高产量、降低断头来作为主要目标；织部车间以降低断头、提高生产效率、科学设置织机工艺参数作为目标，并合理控制规模。考虑到建筑结构和公用工程的合理性，车间规模宜控制在10万锭以内[4]。

中国棉纺织行业协会曾推荐过高效的节能减排技术，推荐名录中写了一项锭子节能技术——TXD61系列新型高性能高速节能锭子。比如在际华3542公司将TXD6103高速节能锭子成功用于4.5万锭紧密纺。纺纱锭速提高了11.5%，细纱能耗下降11.49%，年节省润滑油4.3t，年可减少使用成本支出115.6万元。

（2）公用工程节能

在能源耗用方面，棉纺织厂的总功率输出主要是空调使用、除尘工作、制冷设备使用，如果能从这三方面进行调整或优化，节能潜力巨大。

1）空调：纺织厂细纱车间的机器发热量较大，占据了工厂总的发热量一半以上。使用的电能除了一部分使用到机器的正常运转中，大多数都以自然散发的方式，充斥到整个车间中，既没有实现电能的合理利用，又给车间热量造成一定的冗余。而另一方面对于机器数量少的前纺并粗车间，车间发热量小，如果冬季仅靠机器发热量很难来实现车间温度的保障，需要选用其他方式实现能量的补充。可以通过合理规划设计送回风管道系统，以调整风力速度、减少局部阻力、抓住细节处设计，降低能耗。

2）制冷：做好深井回灌技术的应用，通过冬季储能的方式给夏季降温，反之夏季储能的方式给予冬季供暖。充分利用低温冬灌井水，应对冷量实行综合调度，以用水最大利用率原则，实行用水的多级，多循环用水，反复用水。

3）除尘：改善除尘材料，选用过滤效果好、阻力小的滤料，最大限度地降低过滤阻力。近年来面市的JM型长毛滤料额定顾虑风量3000m3/（m2.h）～4000m3/（m2.h），工作阻力≤130Pa，是一款不错的过滤材料，较好的优化了过滤效果[5]。

4）电气：可以从配电室布局、器件设备选用、功率补偿参数设置、智能灯光配备等方面进行电气化科学节能。如在布局上可以让车间变配电室尽量靠近负荷中心，以降低供配电系统的线损。对于变压器的选用可以从节能的角度考虑选用低损耗、低噪声的节能变压器。选用高效能的电机，尽可能地降低能耗。对于照明区域的电灯照明设置，可以采用智慧灯箱设置，进行分控节能的方式，力争谁使用，谁开放。不使用，不开放。不覆盖，不使用。

（3）建筑节能

现代棉纺织厂建筑节能主要考虑建筑结构的保温隔湿、建筑采光等构造设计。建筑结构尽量选用保证散热量小、不结露，能实现保温隔热的结构设计方式，以达到车间生产环境的需要。对于棉纺织车间的外墙应该差别化设计，对于保温车间通过加装保温层的方式辅助保温，对于除尘或者隔离车间即可采用低保温要求的建筑材料进行设计[6]。

3 结束语

目前，“中国制造2025”，或“工业4.0”已经在全力推动制造业的智能化转型。工业4.0能够让企业更好地控制和了解工厂运营，从而利用实时数据提高生产力、降低成本、优化流程。需要强调的是，智能制造将以坚实的运营管理方式和精细化的生产体系着实推动智能制造落地。目前，低端产能逐步向东南亚转移是行业短期优化产地布局的一个途径，但仅仅只是开始，不是最终目标和实现途径。纺织产业的终极路径在于产业链的协同整合和产业设备的升级，绿色建筑和智能制造必然会成为未来棉纺织工厂设计的发展方向。