關(guān)于化學(xué)纖維行業(yè)智能前紡車間的研究

吳振強(qiáng)+王勇+吳振

摘 要：針對近幾年來人力資源減少、人力成本逐年增加等問題，對化學(xué)纖維行業(yè)前紡車間的全自動智能化生產(chǎn)進(jìn)行了研究，以降低企業(yè)的招工壓力和日常損耗，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而為化纖企業(yè)生產(chǎn)模式的成功轉(zhuǎn)型打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)纖維；智能前紡車間；輸送模式；勞動力成本

中圖分類號：TQ340.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0121-02

1 化學(xué)纖維概論

化學(xué)纖維（下簡稱“化纖”）作為一種基礎(chǔ)原材料，在日常的生產(chǎn)、生活中得到了廣泛的應(yīng)用。全世界80%的化纖生產(chǎn)企業(yè)都在中國，其中，近70%的企業(yè)又集中在江浙一帶。我國的大型化纖生產(chǎn)企業(yè)很多，且全部屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運(yùn)、輸送基本依靠全人工的生產(chǎn)模式，即人工完成將成型的紗錠從卷繞機(jī)卸下，然后掛到專用的紗車上，再將紗車推到檢測區(qū)這一生產(chǎn)過程。

隨著化纖生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，這種全人工的輸送模式將很難維持下去，主要原因有以下幾點(diǎn)：①招工難。江浙地區(qū)作為勞動密集型產(chǎn)業(yè)的集中地區(qū)，大量的招工需求得不到滿足，勞動力成本不斷提高。一個(gè)4×105 t產(chǎn)能的工廠，僅前紡車間就需要500人以上的勞動力，供不應(yīng)求的勞動力使許多企業(yè)都處于勞動力缺乏的狀態(tài)。②勞動強(qiáng)度太大。經(jīng)計(jì)算，每個(gè)工人平均每班（8 h）搬運(yùn)的紗錠總重量在8 t左右，很少有人可以長期從事此工種，因此化纖生產(chǎn)工廠的離職率很高。③工作環(huán)境惡劣。前紡車間的常年溫度在35 ℃左右，噪聲在100 dB左右，空氣中油煙化學(xué)顆粒的濃度也很高，工人在此環(huán)境下長期工作會對身體造成很大的傷害。④日常生產(chǎn)損耗大，成本高。由于人工搬運(yùn)會用手直接接觸紗錠成品，因此很可能在生產(chǎn)過程中造成化纖的污染和損壞。

隨著上述問題的不斷凸顯，研發(fā)一套全自動化的智能設(shè)備來代替人工生產(chǎn)已經(jīng)成為了所有化纖企業(yè)所面臨的問題。

2 解決方案

目前國內(nèi)還沒有關(guān)于化纖前紡車間自動化系統(tǒng)的研究，國外僅德國、意大利有類似功能的設(shè)備，但國內(nèi)尚無成功的案例。

國外的系統(tǒng)可以分為兩類，分別是空中懸掛式輸送模式和高位立柱式輸送模式。

通過對國內(nèi)化纖企業(yè)現(xiàn)場情況的分析，發(fā)現(xiàn)國外系統(tǒng)存在一些弊端：①后期維護(hù)難度大、成本高。由于國外企業(yè)將設(shè)備全部都安裝在空中，因此企業(yè)需要重新設(shè)計(jì)、規(guī)劃廠房，避免風(fēng)管、管道對設(shè)備的影響，這導(dǎo)致后期設(shè)備維護(hù)難度增大、成本增加。②生產(chǎn)效率較低。由于國外化纖企業(yè)的單線機(jī)位數(shù)量少（在20臺以內(nèi)）、品種單一，且進(jìn)口設(shè)備的解決方案（輸送效率）不適應(yīng)國內(nèi)單條生產(chǎn)線多工位（36位及以上）、多品種（4個(gè)及以上）的生產(chǎn)方式，因此其無法滿足國內(nèi)化纖生產(chǎn)的節(jié)拍要求。③設(shè)備造價(jià)高。設(shè)備的高采購價(jià)格和高后期維護(hù)成本在很大程度上會增加產(chǎn)品的成本，降低產(chǎn)品的市場競爭力。

考慮到以上國外設(shè)備的弊端和國內(nèi)前紡車間的現(xiàn)狀，應(yīng)把解決方案定為地面軌道式輸送模式。該方案可以避開前紡車間內(nèi)的工藝設(shè)備，減少上下移動的時(shí)間，進(jìn)而大幅降低設(shè)備的成本和后期維護(hù)費(fèi)用。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置為1臺自動落筒機(jī)、1個(gè)機(jī)器人、2個(gè)旋轉(zhuǎn)暫存臺、1套上位機(jī)管理調(diào)度系統(tǒng)、1臺服務(wù)器、1塊LED看板、1臺條碼打印機(jī)和1臺激光打印機(jī)。如果生產(chǎn)的節(jié)拍高于2.5 min /車，就可以利用系統(tǒng)具備的可擴(kuò)展性增加各項(xiàng)配置的數(shù)量。

4 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

在該系統(tǒng)的研發(fā)過程中，有以下幾個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

4.1 卷繞機(jī)的電氣、機(jī)械接口

一臺自動落筒機(jī)要與多臺（36臺或42臺）卷繞機(jī)接口，因此卷繞機(jī)與自動落筒機(jī)機(jī)軸在水平和垂直方向的一致性是保證絲柄平穩(wěn)過渡的關(guān)鍵。

4.2 將成型絲柄及時(shí)運(yùn)出

高效、準(zhǔn)確地將一條線上36或42個(gè)任意位置的成型絲柄及時(shí)運(yùn)出是保證生產(chǎn)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。絲柄成型后，卷繞機(jī)會自動翻轉(zhuǎn)，將成型好的絲柄旋轉(zhuǎn)到上方，下面的空紙筒繼續(xù)繞絲。如果在7 min內(nèi)沒有將上方的成型絲柄取走，卷繞機(jī)就會自動保護(hù)跳車，從而出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。斷絲后必須采用人工引絲，這不僅嚴(yán)重地影響了生產(chǎn)效率，還造成了原材料的浪費(fèi)。另外，設(shè)備運(yùn)行效率如果不能滿足生產(chǎn)節(jié)拍，也會影響到設(shè)備的正常生產(chǎn)。

4.3 確保人員的安全

要在移動設(shè)備運(yùn)行區(qū)域確保人員的安全。絲柄成型區(qū)域會有人員穿行，因此，要在保證小車高速運(yùn)行的同時(shí)，確保工作人員的安全。

4.4 將絲柄自動放回到專用的紗架

將運(yùn)出來的絲柄自動放回到專用的紗架上是降低勞動強(qiáng)度的關(guān)鍵。

5 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的解決方案

5.1 電氣、機(jī)械接口

電氣方面通過PROFIBUS DP與卷繞頭控制中心進(jìn)行通訊，達(dá)到自動交互信息的目的。在機(jī)械方面，為了確保卷繞機(jī)與自動落筒機(jī)機(jī)軸在水平方向上一致，可以使用激光測量儀（或條碼閱讀器），使水平定位精度達(dá)到±2 mm；為了確保卷繞機(jī)和自動落筒機(jī)在垂直方向上一致，可以鋪設(shè)能分段進(jìn)行微調(diào)的鐵軌，從而可以根據(jù)每臺卷繞機(jī)機(jī)軸的高度差對鐵軌進(jìn)行調(diào)節(jié)。我們?yōu)楹罄m(xù)落筒機(jī)機(jī)軸加裝了伺服升降系統(tǒng)，使落筒機(jī)自動適應(yīng)不同卷繞頭安裝的高度誤差，精度達(dá)到了±2 mm。通過以上方法，能夠保證每臺卷繞機(jī)機(jī)軸與自動落筒機(jī)機(jī)軸在交換時(shí)水平、垂直方向上的一致。

5.2 自動落筒機(jī)的工作效率

我們對落筒機(jī)的工作節(jié)拍進(jìn)行了精確計(jì)算，以36臺卷繞機(jī)生產(chǎn)100DFDY產(chǎn)品為例，每臺卷繞機(jī)大約3 h出絲一次，即36臺卷繞機(jī)每5 min出絲一次。自動落筒機(jī)每次的作業(yè)時(shí)間為4.5 min，因此，對落筒機(jī)采用了雙工位的設(shè)計(jì)，即落筒機(jī)具備運(yùn)行一次取出兩車絲柄的能力，在設(shè)備上滿足了生產(chǎn)的要求。與此同時(shí)，我們還開發(fā)了一套計(jì)算機(jī)管理調(diào)度軟件，使卷繞機(jī)落筒要求信號按照時(shí)間先后形成隊(duì)列，并以小車當(dāng)前位置為參考，計(jì)算出最優(yōu)路徑，從而實(shí)現(xiàn)最快的運(yùn)輸節(jié)拍。

5.3 特別運(yùn)行安全設(shè)計(jì)

成型區(qū)人員的流動較大，且引絲使用的皮管經(jīng)常會阻礙自動落筒機(jī)的運(yùn)行，如果只依靠人力來保證高速運(yùn)行自動落筒機(jī)的安全，則是非常困難的，而且一旦發(fā)生事故，造成的后果將會非常嚴(yán)重。因此可以在自動落筒機(jī)的前后安裝激光掃描安全裝置，使自動落筒機(jī)在探測到3 m內(nèi)有障礙物時(shí)減慢速度，1 m內(nèi)有障礙物時(shí)停止運(yùn)行，保證人員人身安全和設(shè)備安全。除此之外，還增加了一套機(jī)械防撞機(jī)構(gòu)作為最后的安全防護(hù)措施，確保自動落筒車高速運(yùn)行時(shí)能夠在2 cm內(nèi)緊急制動。

5.4 工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手爪的使用

使用工業(yè)機(jī)器人和獨(dú)立開發(fā)的機(jī)械手爪可以從自動落筒機(jī)機(jī)軸上將絲柄高速、無損地還原到絲餅小車上。機(jī)器手單次抓取雙絲餅或三絲餅的周期為10 s，抓取精度為±0.1 mm。

6 預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益及社會價(jià)值

使用自動落筒輸送系統(tǒng)可以為企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面（以4×105 tFDY為例）。

6.1 將產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的損耗降為零

使用自動落筒輸送系統(tǒng)后，僅將絲柄還原到絲餅小車這一項(xiàng)，就可以每天為企業(yè)增加6 000元的效益，每年可達(dá)180萬元。

6.2 可大幅降低勞動力成本

按當(dāng)前24頭36工位一條生產(chǎn)線統(tǒng)計(jì)，手動落筒時(shí)每班需7人，三班合計(jì)21人工；自動落筒輸送系統(tǒng)投入運(yùn)行后每班只需3人即可（絡(luò)紗區(qū)內(nèi)2人負(fù)責(zé)生頭、套紙管和打掃衛(wèi)生；下絲工位1人負(fù)責(zé)上下車和貼標(biāo)簽）。兩項(xiàng)對比自動落筒輸送系統(tǒng)投入生產(chǎn)后三班共計(jì)可節(jié)省12人工，將自動落筒輸送系統(tǒng)的維護(hù)和能耗折算為1個(gè)人工，以人工成本核算實(shí)際可節(jié)省11人工。

暫時(shí)以每人每年公司需4萬元的勞務(wù)支出計(jì)算每條線每年可以節(jié)省人工成本44萬元，在不考慮人工成本逐年遞增的基礎(chǔ)上，公司在3～4年之內(nèi)就可收回自動落筒輸送系統(tǒng)的設(shè)備投資成本。自動落筒輸送系統(tǒng)還可大大降低工人的勞動強(qiáng)度，有利于職工隊(duì)伍的穩(wěn)定，減少培訓(xùn)費(fèi)用。同時(shí)，還可招收女工完成以前男工做起來都很吃力的工作，這對提高企業(yè)形象、提高企業(yè)管理水平會有很大的幫助。

7 結(jié)束語

自動落筒輸送系統(tǒng)的開發(fā)成功地打破了國外對此技術(shù)的壟斷，在為化纖企業(yè)提供了一套新的解決方案的同時(shí)，也促使國外企業(yè)降低了設(shè)備的價(jià)格，增強(qiáng)了我國化纖企業(yè)在國際市場中的競爭力。

化纖生產(chǎn)作為輕工紡織業(yè)的基礎(chǔ)，對經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展意義重大，化纖企業(yè)生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型也必將對企業(yè)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用，該系統(tǒng)的成功研究必將為化纖企業(yè)帶來革命性的發(fā)展。

〔編輯：王霞〕

5.3 特別運(yùn)行安全設(shè)計(jì)

成型區(qū)人員的流動較大，且引絲使用的皮管經(jīng)常會阻礙自動落筒機(jī)的運(yùn)行，如果只依靠人力來保證高速運(yùn)行自動落筒機(jī)的安全，則是非常困難的，而且一旦發(fā)生事故，造成的后果將會非常嚴(yán)重。因此可以在自動落筒機(jī)的前后安裝激光掃描安全裝置，使自動落筒機(jī)在探測到3 m內(nèi)有障礙物時(shí)減慢速度，1 m內(nèi)有障礙物時(shí)停止運(yùn)行，保證人員人身安全和設(shè)備安全。除此之外，還增加了一套機(jī)械防撞機(jī)構(gòu)作為最后的安全防護(hù)措施，確保自動落筒車高速運(yùn)行時(shí)能夠在2 cm內(nèi)緊急制動。

5.4 工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手爪的使用

使用工業(yè)機(jī)器人和獨(dú)立開發(fā)的機(jī)械手爪可以從自動落筒機(jī)機(jī)軸上將絲柄高速、無損地還原到絲餅小車上。機(jī)器手單次抓取雙絲餅或三絲餅的周期為10 s，抓取精度為±0.1 mm。

6 預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益及社會價(jià)值

使用自動落筒輸送系統(tǒng)可以為企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面（以4×105 tFDY為例）。

6.1 將產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的損耗降為零

使用自動落筒輸送系統(tǒng)后，僅將絲柄還原到絲餅小車這一項(xiàng)，就可以每天為企業(yè)增加6 000元的效益，每年可達(dá)180萬元。

6.2 可大幅降低勞動力成本

按當(dāng)前24頭36工位一條生產(chǎn)線統(tǒng)計(jì)，手動落筒時(shí)每班需7人，三班合計(jì)21人工；自動落筒輸送系統(tǒng)投入運(yùn)行后每班只需3人即可（絡(luò)紗區(qū)內(nèi)2人負(fù)責(zé)生頭、套紙管和打掃衛(wèi)生；下絲工位1人負(fù)責(zé)上下車和貼標(biāo)簽）。兩項(xiàng)對比自動落筒輸送系統(tǒng)投入生產(chǎn)后三班共計(jì)可節(jié)省12人工，將自動落筒輸送系統(tǒng)的維護(hù)和能耗折算為1個(gè)人工，以人工成本核算實(shí)際可節(jié)省11人工。

暫時(shí)以每人每年公司需4萬元的勞務(wù)支出計(jì)算每條線每年可以節(jié)省人工成本44萬元，在不考慮人工成本逐年遞增的基礎(chǔ)上，公司在3～4年之內(nèi)就可收回自動落筒輸送系統(tǒng)的設(shè)備投資成本。自動落筒輸送系統(tǒng)還可大大降低工人的勞動強(qiáng)度，有利于職工隊(duì)伍的穩(wěn)定，減少培訓(xùn)費(fèi)用。同時(shí)，還可招收女工完成以前男工做起來都很吃力的工作，這對提高企業(yè)形象、提高企業(yè)管理水平會有很大的幫助。

7 結(jié)束語

自動落筒輸送系統(tǒng)的開發(fā)成功地打破了國外對此技術(shù)的壟斷，在為化纖企業(yè)提供了一套新的解決方案的同時(shí)，也促使國外企業(yè)降低了設(shè)備的價(jià)格，增強(qiáng)了我國化纖企業(yè)在國際市場中的競爭力。

化纖生產(chǎn)作為輕工紡織業(yè)的基礎(chǔ)，對經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展意義重大，化纖企業(yè)生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型也必將對企業(yè)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用，該系統(tǒng)的成功研究必將為化纖企業(yè)帶來革命性的發(fā)展。

〔編輯：王霞〕

5.3 特別運(yùn)行安全設(shè)計(jì)

成型區(qū)人員的流動較大，且引絲使用的皮管經(jīng)常會阻礙自動落筒機(jī)的運(yùn)行，如果只依靠人力來保證高速運(yùn)行自動落筒機(jī)的安全，則是非常困難的，而且一旦發(fā)生事故，造成的后果將會非常嚴(yán)重。因此可以在自動落筒機(jī)的前后安裝激光掃描安全裝置，使自動落筒機(jī)在探測到3 m內(nèi)有障礙物時(shí)減慢速度，1 m內(nèi)有障礙物時(shí)停止運(yùn)行，保證人員人身安全和設(shè)備安全。除此之外，還增加了一套機(jī)械防撞機(jī)構(gòu)作為最后的安全防護(hù)措施，確保自動落筒車高速運(yùn)行時(shí)能夠在2 cm內(nèi)緊急制動。

5.4 工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手爪的使用

使用工業(yè)機(jī)器人和獨(dú)立開發(fā)的機(jī)械手爪可以從自動落筒機(jī)機(jī)軸上將絲柄高速、無損地還原到絲餅小車上。機(jī)器手單次抓取雙絲餅或三絲餅的周期為10 s，抓取精度為±0.1 mm。

6 預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益及社會價(jià)值

使用自動落筒輸送系統(tǒng)可以為企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面（以4×105 tFDY為例）。

6.1 將產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的損耗降為零

使用自動落筒輸送系統(tǒng)后，僅將絲柄還原到絲餅小車這一項(xiàng)，就可以每天為企業(yè)增加6 000元的效益，每年可達(dá)180萬元。

6.2 可大幅降低勞動力成本

按當(dāng)前24頭36工位一條生產(chǎn)線統(tǒng)計(jì)，手動落筒時(shí)每班需7人，三班合計(jì)21人工；自動落筒輸送系統(tǒng)投入運(yùn)行后每班只需3人即可（絡(luò)紗區(qū)內(nèi)2人負(fù)責(zé)生頭、套紙管和打掃衛(wèi)生；下絲工位1人負(fù)責(zé)上下車和貼標(biāo)簽）。兩項(xiàng)對比自動落筒輸送系統(tǒng)投入生產(chǎn)后三班共計(jì)可節(jié)省12人工，將自動落筒輸送系統(tǒng)的維護(hù)和能耗折算為1個(gè)人工，以人工成本核算實(shí)際可節(jié)省11人工。

暫時(shí)以每人每年公司需4萬元的勞務(wù)支出計(jì)算每條線每年可以節(jié)省人工成本44萬元，在不考慮人工成本逐年遞增的基礎(chǔ)上，公司在3～4年之內(nèi)就可收回自動落筒輸送系統(tǒng)的設(shè)備投資成本。自動落筒輸送系統(tǒng)還可大大降低工人的勞動強(qiáng)度，有利于職工隊(duì)伍的穩(wěn)定，減少培訓(xùn)費(fèi)用。同時(shí)，還可招收女工完成以前男工做起來都很吃力的工作，這對提高企業(yè)形象、提高企業(yè)管理水平會有很大的幫助。

7 結(jié)束語

自動落筒輸送系統(tǒng)的開發(fā)成功地打破了國外對此技術(shù)的壟斷，在為化纖企業(yè)提供了一套新的解決方案的同時(shí)，也促使國外企業(yè)降低了設(shè)備的價(jià)格，增強(qiáng)了我國化纖企業(yè)在國際市場中的競爭力。

化纖生產(chǎn)作為輕工紡織業(yè)的基礎(chǔ)，對經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展意義重大，化纖企業(yè)生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型也必將對企業(yè)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用，該系統(tǒng)的成功研究必將為化纖企業(yè)帶來革命性的發(fā)展。

〔編輯：王霞〕