印染企业的智能化建设探索

周佳成，初和平，张凤仙

（1.西安工程大学，陕西西安 710048；2.山东昌邑市荣源印染有限公司，山东潍坊 261300；3.西安德高印染自动化工程有限公司，陕西西安 710048）

伴随着世界工业4.0 时代的到来和最新碳达峰碳中和目标的提出，印染企业的重点是使生产原材料、机器设备、人员调度、能耗管理等实现智能化、信息化，人机交互更深入、更高效，其核心离不开海量数据的支持。因此，打造印染智能工厂的首要任务就是数据的采集、积累。智能制造背景下的数据采集，无论是采集方式还是在企业中发挥的作用，已经发生了质的变化。广义的数据采集已经成为现代化工厂工艺质量、环境、安全、能源管理体系的基础和企业正常运行的前提，各个模块需要联动，以满足现代印染厂的管理需求。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。本研究主要探索印染企业的智能化建设方法与实践。

1 印染行业现状

印染企业主要采用来料加工和自行采购原料加工两种模式，大部分企业以来料加工为主。印染企业的成本主要包括水、电、蒸汽、染料、人工等。作为高污染、高能耗行业，印染企业的水、电、蒸汽等成本占比在40%以上，染料成本占比在20%以上［1］。随着环保要求的日益提高，水电、燃煤、染料等价格上涨直接影响印染企业运行的成本。2021 年上半年，国家提出了碳达峰碳中和目标，这无疑会对印染行业产生巨大的冲击，将进一步增加企业尤其是污染严重企业的成本。目前，印染行业利润率处于较低水平，劳动力也较为密集，基于新时代背景，本研究提出了印染工厂智能化管理模式探索，综合分析了印染行业的现状；把关注的重点聚焦在如何实现节能减排、提高传统能源的使用效率上，并且以订单为核心智能化编排生产工艺、仓库管理、人员机器调度，从上述多个方面入手应对新的管理需求和技术需求的新变化。智能制造与传统制造最核心的区别是从人工驱动转向数据驱动，部分企业提出了“黑灯车间”乃至“无人工厂”的概念。生产组织需要集成所有原材料、人员、设备等生产要素信息，以模拟仿真的形式进行生产前的准备，对生产过程工艺质量、能耗、机器运行状态、人员调度进行动态控制与实时数据分析，生产结束自动进行历史数据的存储并对数据进行分析决策，实现全面感知、物物互联、预测预警、在线优化、精准执行的生产模式，从而提高企业的生产效率。目标是由人员操控生产模式转向数据驱动生产模式。整个生产过程真正实现无人（或少人）操作、产品质量自动控制、能耗最佳管理、人员高效调度。这些目标最终需要落实到生产中，精确到每台机器、每位操作人员，以打造智能化车间为基础，实现整个印染企业智能制造的革新。

2 印染行业智能化工厂设计

2.1 布匹卸货、仓储

坯布从纺织厂运输到印染企业，卸货、仓储就是智能化生产的第一步，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联互通，卸货后摆放到相应位置［2］。首先把仓库分为3 类：白坯布库、半成品库、成品库，方便管理，并对来自不同厂家的布匹进行分区，每次领料后工作人员在仓库管理系统中详细记录入库、出库数据。这样可以对订单进行跟踪，每笔订单的成品率、坯布浪费做到有据可查，方便对生产工艺进行灵活调整。

2.2 生产工艺智能化

布匹从入库开始和智能仓库相结合，根据订单的分类及相应的生产工艺流程，每笔订单都会涉及多个工艺，MES 系统针对订单编排工艺流程，并且完成每个工艺所需机器的调度和人员安排［3］，做到各个工艺之间的柔性连接，提高机器设备的使用效率，减少待加工布匹的等待时间。工人每完成一个工序，通过手持设备扫描，完成相关信息的上传，实现机器设备与工作人员互联互通，使得整个过程透明高效。

印染企业通常按照图1 所示的工艺流程执行，说明印染行业的生产工艺流程可以做到规范化、程序化。MES 系统针对订单生成工艺流程后，工艺流程分配到的机器、所用的水、电、蒸汽、成品率都会以数据图表的形式发送给管理者，方便完成每笔订单成本的核算和生产管理的优化，做到让数据“说话”，为管理者提供决策支持。这才是智能车间的核心所在。

2.3 分步实施智能化生产

对于来料加工的订单，形成以客户订单为导向，根据不同的订单要求生成相应生产工艺流程。智能仓库完成出库流程，取出该客户提供（或指定）的坯布。然后进入漂练车间完成第一道翻缝、烧毛工序，通过机器视觉实现布面智能识别，记录每匹布之间缝头相连的信息数据，突破现有设备的信息化交互水平，降低工人的劳动强度。完成了漂练车间的各道工序后进入染色车间，其中工序涉及染化料工艺配比问题，通过染料自动配比系统，对染化料进行称量、化料，从而解决人工配比造成的误差大、废品率高的问题。MES 系统对不同订单的配方进行记录保存，下次接到相同的订单可以直接通过MES 系统查询到配比模型，可提高生产效率。

印染工厂根据工艺工序划分为6 个环节：坯布仓储、前处理、染色、印花、后整理、成品仓储。考虑到实际生产过程要灵活调配，车间之间设有智能储布仓库，将不能够进入下一道工序的坯布储存在这里，作为生产过程的柔性连接，实现每个车间模块智能化生产，从而实现全工艺流程的智能化生产，流程如图2所示。

订单产品品种、客户要求不一样，生产工艺流程也会不一样。印染设备涉及诸多工艺参数，如温度、湿度、烧毛程度、强力、pH、含潮率、门幅等，还涉及化学品、水、电、蒸汽消耗的在线控制；生产过程中还涉及余热回收、中水回用；同时，高温和大量化学品的使用对设备和传感器会产生腐蚀和影响，面对连续化生产作业，印染工厂智能化的复杂程度和难度超过其他行业。

2.4 车间能耗采集管理系统

通过对耗能设备的实时监控，对每台设备的用水量、用电量、用蒸汽量等关键数据进行分析建模，从而实现对每台设备进行能耗定值和生产效率分析。根据采集的数据建立大数据能效定值模型，解决企业设备耗能分散、不利于管理维护等问题。从企业的实际需求来看，测量结果已经延伸到数据应用层，中间涵盖仪器仪表、网络通信、参数设置、采集软件、管理软件、网络安全等数据流向的各个层级，如图3所示。因此，从采集设备的准确性向收集数据应用的有效性转移，是目前对智能化工厂提出的第一项巨大挑战。

整个能耗采集管理系统通过仪表和各类传感器对现场的工艺参数，如水、电、天然气、温度、压力、含潮率、生产长度、化学品用量等进行采集并实时上传，对各个参数实行实时监控管理，从而实现能耗排放的监控、问题追踪，提高生产工艺和生产管理水平，解决了以往各项生产成本不便管理统计的问题。目前设计的系统已经在生产实践中验证了其可行性，为企业进行成本核算、绩效考核、能耗管理提供了数据支持。

在系统的能耗界面能够看到每个机台能耗实时监控的实施过程，采集到的部分数据如图4 所示。工艺结束后可以按实际需求生成报表，这些数据可以为企业优化管理决策提供重要的参考。采集的设备都实现了无线化，让整个能耗管理系统更简洁，从采集过程监视与控制等方面实现全过程控制。经过现场测试分析，帮助企业把数据上传到云端进行保存记录，保障了数据的安全性。

3 印染厂智能物流方案

3.1 AGV 小车

AGV 小车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坯布，以充电蓄电池为动力源，可通过导航系统规划运行路线，并通过系统来控制其运行，光学传感器可探测路线及回避障碍物，还具有智能充电功能。应用AGV 小车可以构建厂内智能物流系统，以满足印染工厂平面运输的需求，可以有效地降低人工成本。

3.2 浆桶搬运系统案例

智能工厂物流模块在印花调浆工段共有3 个工位，分别为空桶放置区、工作区以及满桶放置区，在空桶放置区和满桶放置区设置传感器用以检测料桶的有无。

如图5 所示，当空桶放置区检测不到时，通信系统通知调度系统该位置还未放置空桶，此时调度系统对就近的AGV 下发搬运空桶命令，送完空桶后，当满桶放置区的光电检测到满桶信号时，AGV 前往满桶放置区将满桶搬运到相应的位置［4］。空闲的时间，AGV 会去充电区进行电量补充，当调度系统再次下发任务时，AGV 紧接着执行任务。

3.3 智能立体行车机器人

采用智能立体行车机器人完成坯布车的转运，可以大大提高工厂的自动化程度，行车机器人在机器完成坯布加工工序后把坯布运送到下个工序，可以实现坯布运输过程无人化。智能物流对印染智能工厂的构建有着重要意义，可以提高工厂的自动化程度以及减少用工。印染工厂智能化生产能否取得重大突破，能否最大程度地减少用工，将繁重的体力劳动、重复的人力劳动采用机器人代替是关键，也是智能化的重要标志。

4 结束语

基于智能制造背景对印染智能工厂建设进行了探究，在生产过程中，生产物料实现智能无人输送，在生产过程中实现智能仓储管理，设备和人员高效调度排班。经过实践探索，该方向具有可行性，企业用工人数大幅度减少，降低了生产一线员工的劳动强度，同时减少了环境污染。市场需求产生管理变化需求，智能制造、人工智能已经掀起新一波的社会变革，智能制造时代背景下的印染企业智能化建设该如何发展，值得深入思考并付诸行动，为智能工厂的建设、人工智能研究提供切实的支持与保障。