淺析工業(yè)4.0 背景下棉紡織工廠設(shè)計(jì)發(fā)展方向

黃龍飛

湖南省輕紡設(shè)計(jì)院有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410015

1 棉紡織工廠設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程

我國(guó)棉紡織廠的建造經(jīng)歷過較長(zhǎng)的發(fā)展周期，先后主要有幾個(gè)不同的形成階段。最初階段出現(xiàn)的是1950年前后采用的鋸齒形廠房設(shè)計(jì)，其融合生產(chǎn)與生活密切配合的綜合設(shè)計(jì)理念。連續(xù)的鋸齒形風(fēng)格的廠房成為當(dāng)時(shí)棉紡織廠的典型代表。鋸齒廠房在光線采集、產(chǎn)品加工流程、生產(chǎn)環(huán)境調(diào)節(jié)等方面，給我們提供了優(yōu)質(zhì)的參考經(jīng)驗(yàn)。與此同時(shí)，在后續(xù)的相關(guān)行業(yè)以鋼架結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)時(shí)，這些經(jīng)驗(yàn)才被得以很好的引用和參考。經(jīng)過將近20年的初期發(fā)展后，得益于改革開放的政策，我國(guó)紡織業(yè)在1980年前后進(jìn)入一個(gè)新的蓬勃發(fā)展階段。棉紡織工廠的總體規(guī)劃調(diào)整為側(cè)重于以生產(chǎn)為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)理念，為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境因素的把控，棉紡織廠多采用單層鋼結(jié)構(gòu)無窗廠房[1]。

中國(guó)的紡織業(yè)經(jīng)歷過高速發(fā)展后，基于國(guó)內(nèi)超大的需求市場(chǎng)推動(dòng)，在規(guī)模上已經(jīng)成為世界第一，但是很難以擺脫“低端落后產(chǎn)業(yè)”的非正?？捶?，究其原因還是傳統(tǒng)棉紡織廠給大眾留下的印象多為飛花和噪聲、難以忍受的溫濕度環(huán)境、勞動(dòng)密集型行業(yè)等。事實(shí)上，現(xiàn)代紡織廠作為國(guó)民生活支柱型產(chǎn)業(yè)，擁有全新的設(shè)計(jì)理念，如能利用新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備，完全能改變傳統(tǒng)紡織廠的缺點(diǎn)，成為行業(yè)轉(zhuǎn)型的典范。棉紡織工廠的設(shè)計(jì)與建造過程需要提升建設(shè)高度，因地制宜地做好整體規(guī)劃，依托周邊環(huán)境條件，把各類相關(guān)產(chǎn)業(yè)結(jié)合起來，創(chuàng)建工業(yè)4.0新型產(chǎn)業(yè)模式[2]。

2 棉紡織工廠設(shè)計(jì)發(fā)展方向

2.1 合適的工廠選址

棉紡織工廠的機(jī)器設(shè)備數(shù)量較大、用工人數(shù)較多，加工流程較長(zhǎng)，原料及成品運(yùn)輸頻繁，工藝過程間配合緊密，車間溫濕度要求較高，廠房集中，社會(huì)協(xié)作廣泛。為了滿足這些特點(diǎn)和要求，在選址時(shí)必須要考慮兩個(gè)大的方面；①廠址的自然條件：例如地理位置、氣候和地震情況等。②廠址的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件：例如臨近原料供應(yīng)地及成熟的周邊條件。棉紡織工廠生產(chǎn)需要大量的棉花，而棉花又是地域性較強(qiáng)的農(nóng)作物，所以選址臨近棉花種植地將有效地降低原料運(yùn)輸成本，從而減少整體成本，提高了實(shí)際產(chǎn)能。而成熟的周邊條件包括交通便利、基礎(chǔ)設(shè)施齊全等?，F(xiàn)代棉紡織工廠選址趨向于配套條件成熟的工業(yè)園區(qū)，即向著紡織工業(yè)集群方向發(fā)展。

2.2 合理的車間布置和柱網(wǎng)尺寸

對(duì)車間進(jìn)行科學(xué)合理的布置，不僅應(yīng)有助于生產(chǎn)，而且要為土建、電氣、暖通、給排水等的設(shè)計(jì)提供便利條件。現(xiàn)代棉紡織工廠的車間布置應(yīng)結(jié)合園區(qū)各廠房總平面布置，力保工藝路線和工廠管線的節(jié)能又高效。原料進(jìn)車間的入口應(yīng)在原料倉庫最短安全半徑范圍內(nèi)，成品入庫的出口應(yīng)盡可能地靠近成品倉庫或印染車間，漿紗車間應(yīng)設(shè)計(jì)在鍋爐房附近，對(duì)于電能使用較大的細(xì)紗車間和織造車間應(yīng)盡可能地接近變配電站。各車間的相互位置，應(yīng)使運(yùn)輸路線縮短至最小限度，并避免迂回交叉，保證安全生產(chǎn)。

現(xiàn)代棉紡織工廠的柱網(wǎng)尺寸發(fā)展方向是：大跨度、大柱距、柱網(wǎng)尺寸統(tǒng)一、減少構(gòu)件類型、構(gòu)件裝配化、節(jié)約廠房面積、節(jié)省工程造價(jià)，柱網(wǎng)規(guī)格有利于采用新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備。例如現(xiàn)代單層鋼結(jié)構(gòu)無窗廠房多用柱網(wǎng)尺寸8m×27m、9m×30m、9m×34m等。棉紡織廠柱網(wǎng)尺寸的選擇，不僅關(guān)系到機(jī)器排列的合理與否，還對(duì)廠房占地面積以及建筑投資等有顯著影響[3]。

2.3 舒適的工作環(huán)境

傳統(tǒng)棉紡織廠的工作環(huán)境十分令人不適，主要表現(xiàn)在三方面：巨大的噪聲、飛花以及極端的車間溫濕度。

針對(duì)噪聲控制，國(guó)內(nèi)和國(guó)外的行業(yè)專家從源頭和過程以及末端整體分析，提出了不少解決方案：第一，從聲音源頭出發(fā)。改善紡織機(jī)械本身的機(jī)構(gòu)和工藝，采用單個(gè)機(jī)器封閉式工作，不僅對(duì)噪聲的控制有很大的作用，還能解決溫濕度問題。第二，從傳播途徑出發(fā)?？梢栽诮ㄖ谋砻婕尤胛暡牧匣蛭暷K來消音。第三，加入人工防護(hù)裝置。佩戴個(gè)人靜音防護(hù)耳罩等防噪用具消除噪聲。

傳統(tǒng)棉紡織廠紡紗車間的溫度控制在人體舒適溫度范圍內(nèi)，比如溫度在40℃以下，相對(duì)濕度控制在70%以下；織造車間的環(huán)境溫度應(yīng)均衡控制在27℃左右，相對(duì)濕度控制在70%左右，溫濕度的環(huán)境極其惡劣，基本已經(jīng)接近人體所能忍受范圍的極限。為了能實(shí)現(xiàn)纖維易加工與工人舒適的多元均衡，未來紡織廠整體設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)人機(jī)科學(xué)分離，使機(jī)器處于適度封閉的狀態(tài)，即對(duì)各個(gè)工序生產(chǎn)加工區(qū)域的溫濕度實(shí)施局部微氣候控制，對(duì)各個(gè)車間的工作溫濕度條件實(shí)施車間氣候控制。

2.4 單機(jī)臺(tái)的智能化與多機(jī)臺(tái)的信息化

目前，紡織設(shè)備的設(shè)計(jì)基本遵從傳統(tǒng)的后工業(yè)革命時(shí)期設(shè)計(jì)理念：多機(jī)臺(tái)單元組合，單機(jī)臺(tái)多工作單元組合。這樣的設(shè)計(jì)理念好處也很明顯，對(duì)于較大批量生產(chǎn)的要求能合理又高效的解決。這種設(shè)計(jì)理念的不足在于需要周期性的巡查，巡查就需要涉及較大的巡回勞動(dòng)工作和周期性的巡查制度來保障機(jī)器的工作狀態(tài)和質(zhì)量問題的處理。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，目前可以通過PDA終端的形式進(jìn)行定向巡查和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)控處理，工作人員可以通過PDA終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效引導(dǎo)和傳輸。生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的模式也由大范圍巡回發(fā)展成單點(diǎn)精準(zhǔn)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)單機(jī)臺(tái)的智能化和多機(jī)臺(tái)的信息化，這是未來紡織設(shè)備發(fā)展的方向。

2.5 節(jié)能降耗

建成能源高效利用、綜合能耗較低的綠色工廠是未來紡織同人共同追求的目標(biāo)。棉紡織工廠的節(jié)能降耗應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮。

（1）工藝設(shè)計(jì)節(jié)能

棉紡織工藝設(shè)計(jì)將朝著優(yōu)質(zhì)高效、短捷、連續(xù)化和自動(dòng)化、易操作的方向發(fā)展。清梳工序的目標(biāo)以少抓、輕打、多混、輕梳為主；并粗工序的目標(biāo)以保混比、去彎鉤、降不勻?yàn)橹?；?xì)紗和絡(luò)筒工序通過改善適紡條件、提高產(chǎn)量、降低斷頭來作為主要目標(biāo)；織部車間以降低斷頭、提高生產(chǎn)效率、科學(xué)設(shè)置織機(jī)工藝參數(shù)作為目標(biāo)，并合理控制規(guī)模?？紤]到建筑結(jié)構(gòu)和公用工程的合理性，車間規(guī)模宜控制在10萬錠以內(nèi)[4]。

中國(guó)棉紡織行業(yè)協(xié)會(huì)曾推薦過高效的節(jié)能減排技術(shù)，推薦名錄中寫了一項(xiàng)錠子節(jié)能技術(shù)——TXD61系列新型高性能高速節(jié)能錠子。比如在際華3542公司將TXD6103高速節(jié)能錠子成功用于4.5萬錠緊密紡。紡紗錠速提高了11.5%，細(xì)紗能耗下降11.49%，年節(jié)省潤(rùn)滑油4.3t，年可減少使用成本支出115.6萬元。

（2）公用工程節(jié)能

在能源耗用方面，棉紡織廠的總功率輸出主要是空調(diào)使用、除塵工作、制冷設(shè)備使用，如果能從這三方面進(jìn)行調(diào)整或優(yōu)化，節(jié)能潛力巨大。

1）空調(diào)：紡織廠細(xì)紗車間的機(jī)器發(fā)熱量較大，占據(jù)了工廠總的發(fā)熱量一半以上。使用的電能除了一部分使用到機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，大多數(shù)都以自然散發(fā)的方式，充斥到整個(gè)車間中，既沒有實(shí)現(xiàn)電能的合理利用，又給車間熱量造成一定的冗余。而另一方面對(duì)于機(jī)器數(shù)量少的前紡并粗車間，車間發(fā)熱量小，如果冬季僅靠機(jī)器發(fā)熱量很難來實(shí)現(xiàn)車間溫度的保障，需要選用其他方式實(shí)現(xiàn)能量的補(bǔ)充。可以通過合理規(guī)劃設(shè)計(jì)送回風(fēng)管道系統(tǒng)，以調(diào)整風(fēng)力速度、減少局部阻力、抓住細(xì)節(jié)處設(shè)計(jì)，降低能耗。

2）制冷：做好深井回灌技術(shù)的應(yīng)用，通過冬季儲(chǔ)能的方式給夏季降溫，反之夏季儲(chǔ)能的方式給予冬季供暖。充分利用低溫冬灌井水，應(yīng)對(duì)冷量實(shí)行綜合調(diào)度，以用水最大利用率原則，實(shí)行用水的多級(jí)，多循環(huán)用水，反復(fù)用水。

3）除塵：改善除塵材料，選用過濾效果好、阻力小的濾料，最大限度地降低過濾阻力。近年來面市的JM型長(zhǎng)毛濾料額定顧慮風(fēng)量3000m3/（m2.h）～4000m3/（m2.h），工作阻力≤130Pa，是一款不錯(cuò)的過濾材料，較好的優(yōu)化了過濾效果[5]。

4）電氣：可以從配電室布局、器件設(shè)備選用、功率補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置、智能燈光配備等方面進(jìn)行電氣化科學(xué)節(jié)能。如在布局上可以讓車間變配電室盡量靠近負(fù)荷中心，以降低供配電系統(tǒng)的線損。對(duì)于變壓器的選用可以從節(jié)能的角度考慮選用低損耗、低噪聲的節(jié)能變壓器。選用高效能的電機(jī)，盡可能地降低能耗。對(duì)于照明區(qū)域的電燈照明設(shè)置，可以采用智慧燈箱設(shè)置，進(jìn)行分控節(jié)能的方式，力爭(zhēng)誰使用，誰開放。不使用，不開放。不覆蓋，不使用。

（3）建筑節(jié)能

現(xiàn)代棉紡織廠建筑節(jié)能主要考慮建筑結(jié)構(gòu)的保溫隔濕、建筑采光等構(gòu)造設(shè)計(jì)。建筑結(jié)構(gòu)盡量選用保證散熱量小、不結(jié)露，能實(shí)現(xiàn)保溫隔熱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，以達(dá)到車間生產(chǎn)環(huán)境的需要。對(duì)于棉紡織車間的外墻應(yīng)該差別化設(shè)計(jì)，對(duì)于保溫車間通過加裝保溫層的方式輔助保溫，對(duì)于除塵或者隔離車間即可采用低保溫要求的建筑材料進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。

3 結(jié)束語

目前，“中國(guó)制造2025”，或“工業(yè)4.0”已經(jīng)在全力推動(dòng)制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型。工業(yè)4.0能夠讓企業(yè)更好地控制和了解工廠運(yùn)營(yíng)，從而利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提高生產(chǎn)力、降低成本、優(yōu)化流程。需要強(qiáng)調(diào)的是，智能制造將以堅(jiān)實(shí)的運(yùn)營(yíng)管理方式和精細(xì)化的生產(chǎn)體系著實(shí)推動(dòng)智能制造落地。目前，低端產(chǎn)能逐步向東南亞轉(zhuǎn)移是行業(yè)短期優(yōu)化產(chǎn)地布局的一個(gè)途徑，但僅僅只是開始，不是最終目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)途徑。紡織產(chǎn)業(yè)的終極路徑在于產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同整合和產(chǎn)業(yè)設(shè)備的升級(jí)，綠色建筑和智能制造必然會(huì)成為未來棉紡織工廠設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。