构建绿色智能化工厂,助推中国轮胎产业升级.docx

构建绿色智能化工厂，助推中国轮胎产业升级邓文忠，陈杰，周升平，吴江（中国化学工业桂林工程有限公司，广西 桂林 541004）摘要： 简要分析了轮胎行业的现状，提出了行业转型升级的方向是构建绿色智能化工厂，强调构建绿色智能化工厂的关键是以工程设计方案和工艺流程创新为基础，综合考虑了工艺布局、公用工程、工艺设备、全厂物流、绿色节能、智能管理的整体解决方案。并从智能化管理、智能化工艺设备、智能化物流系统、绿色工厂四个方面对绿色智能化工厂构想进行了部分描述。然后举例介绍了智能化炼胶中心、成型车间智能化物流方案、蒸汽系统优化技术、橡胶废气处理技术等解决方案，可作为绿色智能化工厂的技术基础，为中国轮胎产业升级提供参考。关键词： 绿色；智能化；工艺创新；产业升级1. 行业现状分析进入21世纪以来，中国轮胎产业快速发展壮大，据统计，子午胎产量由2004年1.1亿条增至2013年的4.76 亿条，年均复合增长率为 17.72%。预计 2015年，乘用车胎、轻型载重车胎和载重车胎的子午化率将分别达到 100%、85%和90%的水平。中国早已成为世界轮胎工业第一生产大国，已建成各种规格系列产品齐全的完整工业体系，并获得了一系列具有原始创新特性的国际前沿技术成果。我国载重子午胎经过了高速、高载的考验，已达到世界先进水平；轿车子午胎已实现无内胎、宽断面、扁平化、高速化；紧跟国际潮流的安全、节能、环保轮胎也已稳步推向国际市场并获得认可。然而2014年以来，中国轮胎行业的发展却面临着巨大的挑战，表现在轮胎企业库存增加，工厂开工率不足，特别是进入2015年，这种现象更加普遍。分析原因：美国的“双反”调查以及由此引发的多国连锁反应所形成的贸易壁垒严重影响着国内轮胎的出口；国家质检总局和国家标准委发布的复合橡胶通用技术规范要求，从2015年7月起，现有的97%及99%天胶含量的复合胶将被视为原胶，每吨进口需缴纳1500元/吨的关税，又大幅增加了轮胎企业的原材料成本；中国人口红利的消失以及不断提高的环保要求也使轮胎企业的运营成本不断增加。经过多年快速发展，国内轮胎产能早已过剩，在出口受阻、内需增长缓慢、生产成本不断增加的背景下，在今后一段时间里，中国轮胎产业的主题或是：行业进一步的整合；中国PCR轮胎OEM生产及民族品牌打造；工厂异地搬迁及产能调整；工厂绿色、智能化生产改造。轮胎行业的特点是：复杂的工艺加工流程、品种众多的化学材料和结构材料、工艺指标控制、复杂的半成品和成品物流、各类能源的需求，以及污染物发生点的低浓度分散性等，这些特点使得轮胎行业的绿色智能化推进难度很大，单纯生产设备的智能化并不是绿色智能化工厂的全部，关键是应以工程方案策划和工艺流程创新为基础，在工厂立项之初就全盘考虑整体工艺布局，协调好公用工程、工艺设备、全厂物流系统的布局，融入绿色节能环保技术，并据此搭建全厂的智能化管理系统，形成绿色智能化工厂整体解决方案。中国化学工业桂林工程有限公司（CGEC）作为新中国橡胶工业的先行者之一，伴随着中国橡胶工业走过了六十年从无到有、由弱变强的发展道路。近年来，CGEC积极在智能化物流、节能环保、智能化控制等领域布局，结合其橡胶工程设计咨询和橡机装备研发两方面的传统优势，提出绿色智能化工厂整体解决方案，助推中国轮胎产业升级。2. 绿色智能化工厂构想绿色智能化轮胎工厂应该是工程项下，立足先进专项工艺技术，通过科学的工程技术、先进的工艺装备以及信息化的管理手段达成整体工程系统。主要有以下特点： 工程设计上全面融入节能环保绿色理念，实现总建造成本最低 工艺路线上引入创新工艺、新技术、新材料，使产能更优，成本更低 以智能化的工艺设备优化工艺流程，提高效率，节省人工，稳定质量 以信息化手段实现智能生产调度，管理更高效、准确，生产更可靠 以MES、ERP、SAP等系统为基础实现信息化智能化管理 融入绿色、环保理念，将传统松散的生产单元升级成一个高效率的系统 系统兼备优化和扩展的空间，达成柔性生产潜能以下从几个方面对绿色智能化工厂构想进行具体描述。2.1. 智能化管理信息化管理系统是智能化、智慧化工厂管理理念的必不可少的载体，稳定和柔性化是其成功的关键。工厂智能化管理模型如图1所示。通过建立信息化系统，可实现生产过程的自动化、企业管理方式的网络化、领导决策支持的智能化、企业商务运营的电子化，从而实现绿色智能化制造的目标。图1 工厂智能化管理模型2.2. 智能化工艺装备智能化工艺装备主要体现指以下三个方面：1) 传统工艺设备的智能化升级：传统工艺设备自动化程度低，一般也未预留与工厂智能化管理系统对接的接口，也基本没有考虑与上、下工序的对接。在硬件和软件两方面都是一座孤岛，无法满足智能化工厂的要求。因此需要进行升级，提高自动化程度，增设接口，以便融入智能化工厂整体解决方案。如图2所示的胎面自动拾取系统便是传统工艺设备智能化升级的代表，既可实现与下道工序的自动对接和智能化存储输送，又为智能化的生产调度打下了基础。图2 胎面自动拾取系统2) 典型智能化产品的应用：典型智能化产品如工业机器人、全自动立体库、AGV（自动导引小车）、RGV（有轨制导小车）、EMS(电动单轨系统)等的应用，可有效解决现有生产工艺中的一些半成品输送难题，减少人为因素影响，有利于工厂智能化管理。图3 轮胎胎坯空中智能输送系统设备3) 智能化新工艺设备的应用：以工艺创新为基础，研发应用智能化的新工艺设备，达到优化传统生产工艺的目的。如生胶破碎复配系统设备、一次法低温炼胶设备、多复合挤出生产线、电子束预硫化设备、三角胶挤出贴合一体化系统、智能一次法成型设备、电磁加热硫化设备等。图4 生胶破碎复配系统设备图5 五复合挤出机组五复合挤出机组是为满足PCR全新结构设计而研发的智能化设备，是基于工艺创新进行的针对性的设备研发，而设备的研发成功也助推了PCR新工艺的发展。图6 三角胶热贴生产线三角胶热贴生产线将带来TBR生产工艺的革新，减少工序，缩短工艺流程，为TBR智能化制造打下基础，同时可以减少设备占地和操作人员，直接为企业创造经济效益。2.3. 智能化物流系统构建智能化轮胎工厂不仅仅是将原有的工艺过程实现自动化，关键是要通过技术创新，缩短工艺流程，解决生产瓶颈，达成更优的生产管理目标。而智能化物流系统是实现新工艺的基础条件。智能化轮胎工厂对物流系统的基本要求有： 投资回收期要短，运行成本要低 物流系统必须与MES系统高度集成，MES系统必须稳定、可靠 智能化物流系统必须稳定，免维护是关键 缩短工艺流程、解决生产瓶颈是关键，降低库存是基本要求 局部的子系统要有足够的容错性，能够快速解决异常情况 要能够体现生产的柔性采用智能化物流方案、按工艺流程连接各智能化工艺设备和立体库，使工厂变成一个有机高效整体，在智能化管理系统的控制下，可以使各工艺设备生产效率最大化、中间流程最简化、中转存储最小化，从而创造出更多的价值。2.4. 绿色工厂绿色工厂解决方案，不仅要考虑生产的产品是绿色的，更要在系统规划和设计时要满足各项环保政策，同时还要有更经济的投资和运营成本，绿色厂房设计、环境治理、节能降耗措施等等都是必不可少的环节。绿色工厂的核心主题就是节能减排，与智能化解决方案不同，绿色工厂解决方案有着具体的指标。中国橡胶工业协会已发布了绿色轮胎技术规范(以下简称规范)。该规范为我国首部绿色轮胎行业自律标准。规范除了对绿色轮胎提出了产品性能要求外，还对原材料的使用提出了要求，同时也提出了绿色轮胎的清洁生产和污染物排放要求，例如对产品综合能耗、水污染物和大气排放物的排放标准等都有具体规定。此外，规范还推荐了绿色轮胎生产工艺技术，比如炼胶/硫化废气除臭、低温连续混炼、锅炉烟气脱硫/除尘/脱硝、高温充氮硫化、炭黑管道输送、橡胶助剂造粒、轮胎自动化成型及半成品部件大卷化、压出/压延电子束预硫化等技术；并建议逐步取消胎面底面涂胶浆工艺。该规范对我国发展绿色轮胎具有指导作用。而绿色工厂评价体系则由可持续发展的建设场地、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与材料资源利用、环境保护与污染物控制、室内环境与职业健康、运行管理七类指标及要求构成。国内相关行业已建立了本行业的绿色工厂评价体系，而轮胎行业还没有相应的评价体系，这也制约了轮胎行业的技术进步和转型升级。CGEC本着对行业的技术进步和国家的现实要求出发，已着手组织力量收集、分析和整理行业的有关数据，在此基础上编制本行业的绿色轮胎工厂指标体系，同时也可为其他轮胎行业提供参考，而制定相关的绿色技术规范就是行业下一步需要进行的提升工作。3. 绿色智能化解决方案示例3.1. 智能化炼胶中心智能化的炼胶中心将从根本上解决传统炼胶车间的一系列问题，如：操作人员多、工作环境差、劳动强度大、物流量大造成的管理混乱、高出错率和安全隐患等。智能化炼胶中心通过生胶破碎复配、一次法低温炼胶等先进工艺的应用，可大幅提高混炼胶质量，提高生产效率，降低能耗；通过智能化仓储物流方案的应用可大幅减少操作人员数量，降低出错率，并与后续工序实现无缝对接；通过ERP、MES与基层PCS、WMS的对接可大幅提升炼胶中心的管理效率和管理质量。以下简单介绍几项智能化炼胶中心应用的解决方案。3.1.1. 生胶破碎复配系统生胶破碎复配系统就是将不同批次、不同产地的生胶采用自动碎胶机破碎成大小基本均匀（60100克）的碎胶块，取消了生胶烘胶工序，然后送入大容积的拌匀罐（45吨）拌匀均化，再按配方重量投入密炼机密炼，这样每车投入密炼机的生胶性能整体保持稳定。同时从碎胶机上料到密炼机投料的全过程采用智能化物流解决方案，通过全自动复配称量、多元化配送等技术实现全自动智能化生产。目前，由CGEC研发的国内首条智能化生胶破碎复配物流系统已正式投入生产。根据实际使用效果来看，采用生胶破碎复配系统可有效提高混炼胶质量的稳定性，门尼粘度指标可控制在2 .5以内，门尼标准偏差可控制在13，混炼胶性能稳定可使橡胶半成品更加均匀一致，对橡胶产品质量稳定性的提升有重要意义；密炼能耗（包含碎胶能耗）可下降10%；同时可减少操作人员及叉车数量，降低劳动强度，改善密炼车间环境。3.1.2. 小料自动称量输送系统小粉料自动存储输送系统是橡胶工厂实现自动化炼胶的关键模块，该系统与小料自动配料系统配套，将小粉料自动配料系统配好的袋装小料自动装入周转箱，通过运输系统将周转箱自动输送至小料立体仓库存放；按照生产计划的指令，立体库自动输出周转箱，通过空中转运线将周转箱输送至指定密炼机台，并实现自动投料至密炼机。配备的物流监控与信息管理系统基于物流和信息流控制的紧密结合，设置了一套对物流进行动态跟踪的信息流系统，实现货物搬运、存取机械化、管理自动化，使材料和配件的贮存、管理、周转联成一体，确立合理的贮存量，减少仓贮费用。该系统可实现小粉料的全自动储存和输送，大大减轻劳动强度，相比传统手工配料节省80%的人员，相比自动配料节省30%的人员，减少了物料在投料和称量中的人工错误率。3.1.3. 混炼胶立体库及自动物流系统混炼胶的生产工艺是橡胶工厂的技术核心之一，其重要程度不言而喻，鉴于混炼胶种类的繁多和中间生产过程工艺的复杂，混炼胶存储和输送的管理难度很大，在投入大量的人力、场地、叉车输送的情况下，任然有很高的出错率和安全隐患。采用全自动立体库对混炼胶进行管理，采用AGV来完成混炼胶在工艺设备和立体库之间的输送，并对密炼机上料设备和胶片冷却设备进行升级，实现进出料的全自动化，从而实现混炼胶存储和流转无人化。此外，还通过智能化的输送设备实现了与下一道橡胶生产车间的无缝对接；通过采用智能化的管理系统，大幅提高了生产效率，降低了出错率。3.2. 成型车间智能化物流方案成型是橡胶产品生产过程中最复杂的一道工序，以全钢子午胎为例，用于胎坯成型的部件就超过10种，大量部件以及胎坯的输送，结合成型机的快速生产节拍，使得成型的物流量非常大，工人数量也非常多。特别是在生产过程中往往需要频繁的进行生产规格的更换，很容易造成生产现场的混乱，影响生产效率。采用智能化的物流解决方案，充分利用立体空间进行部件和胎坯的自动化物流输送，利用立体库来协调不同工艺设备的生产节拍，可有效的提高成型机生产效率，减少操作人员数量。同样以全钢子午胎生产为例，可采用“立体库+AGV”的方案实现钢丝压延与钢丝帘布裁断的对接；采用“AGV+立体库+EMS”的方案实现胎体帘布、内衬层大卷的存储和至成型机的输送；采用AGV自动输送胎面车；而大卷化、模块化的胎侧、垫胶卷取小车同样采用AGV实现在挤出线与成型机之间的自动流转；而成型后的胎坯直接采用架空输送线送至立体库。3.3. 蒸汽系统优化技术绿色工厂的一个重要标志就是节能，轮胎行业属于高耗能行业，轮胎的硫化过程是伴随的是蒸汽的大量消耗。无动力闭式集中疏水系统，是CGEC研发的一种具有创新意义的、可在多台用热设备的供热系统中实现集中疏水和凝结水回收的方法及其装置，开辟了蒸汽疏水的新途径。该系统取代每台硫化机安装多只疏水阀的疏水技术，杜绝泄漏，减少管理，可大幅降低硫化蒸汽单耗。此外，大部分工业企业的蒸汽均采用高压制备、减压使用的方式。高温高压蒸汽经减温减压后，高品位的能量变成了低品位的能量，造成了能量的白白浪费。螺杆膨胀机可替代蒸汽减压阀，利用压差进行发电，实现蒸汽能源的梯级利用，使原先由于减压浪费的能量大部分得以回收，在满足用户压力参数要求的同时，还可产生发电效益，一举两得。 3.4. 橡胶废气处理技术橡胶产品生产过程中产生大量废气及异味，如轮胎生产过程中，在炼胶、挤出压延、胶浆房，特别实在硫化工段，有着大量的废气产生。无组织的自由排放会对环境造成恶劣影响，只有通过有组织的集中处理，按照绿色工厂指标体系要求进行达标排放，才符合绿色工厂的要求。橡胶废气中含有非甲烷总烃及苯系衍生物等大量的有机物，臭气浓度高，对车间及周边的空气质量造成了影响。针对