淺析工業4.0 背景下棉紡織工廠設計發展方向

黃龍飛

湖南省輕紡設計院有限公司 湖南 長沙 410015

1 棉紡織工廠設計的發展歷程

我國棉紡織廠的建造經歷過較長的發展周期，先后主要有幾個不同的形成階段。最初階段出現的是1950年前后采用的鋸齒形廠房設計，其融合生產與生活密切配合的綜合設計理念。連續的鋸齒形風格的廠房成為當時棉紡織廠的典型代表。鋸齒廠房在光線采集、產品加工流程、生產環境調節等方面，給我們提供了優質的參考經驗。與此同時，在后續的相關行業以鋼架結構廠房設計時，這些經驗才被得以很好的引用和參考。經過將近20年的初期發展后，得益于改革開放的政策，我國紡織業在1980年前后進入一個新的蓬勃發展階段。棉紡織工廠的總體規劃調整為側重于以生產為主導的設計理念，為了更好地實現對環境因素的把控，棉紡織廠多采用單層鋼結構無窗廠房[1]。

中國的紡織業經歷過高速發展后，基于國內超大的需求市場推動，在規模上已經成為世界第一，但是很難以擺脫“低端落后產業”的非正常看法，究其原因還是傳統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境、勞動密集型行業等。事實上，現代紡織廠作為國民生活支柱型產業，擁有全新的設計理念，如能利用新工藝、新技術、新設備，完全能改變傳統紡織廠的缺點，成為行業轉型的典范。棉紡織工廠的設計與建造過程需要提升建設高度，因地制宜地做好整體規劃，依托周邊環境條件，把各類相關產業結合起來，創建工業4.0新型產業模式[2]。

2 棉紡織工廠設計發展方向

2.1 合適的工廠選址

棉紡織工廠的機器設備數量較大、用工人數較多，加工流程較長，原料及成品運輸頻繁，工藝過程間配合緊密，車間溫濕度要求較高，廠房集中，社會協作廣泛。為了滿足這些特點和要求，在選址時必須要考慮兩個大的方面；①廠址的自然條件：例如地理位置、氣候和地震情況等。②廠址的技術經濟條件：例如臨近原料供應地及成熟的周邊條件。棉紡織工廠生產需要大量的棉花，而棉花又是地域性較強的農作物，所以選址臨近棉花種植地將有效地降低原料運輸成本，從而減少整體成本，提高了實際產能。而成熟的周邊條件包括交通便利、基礎設施齊全等。現代棉紡織工廠選址趨向于配套條件成熟的工業園區，即向著紡織工業集群方向發展。

2.2 合理的車間布置和柱網尺寸

對車間進行科學合理的布置，不僅應有助于生產，而且要為土建、電氣、暖通、給排水等的設計提供便利條件。現代棉紡織工廠的車間布置應結合園區各廠房總平面布置，力保工藝路線和工廠管線的節能又高效。原料進車間的入口應在原料倉庫最短安全半徑范圍內，成品入庫的出口應盡可能地靠近成品倉庫或印染車間，漿紗車間應設計在鍋爐房附近，對于電能使用較大的細紗車間和織造車間應盡可能地接近變配電站。各車間的相互位置，應使運輸路線縮短至最小限度，并避免迂回交叉，保證安全生產。

現代棉紡織工廠的柱網尺寸發展方向是：大跨度、大柱距、柱網尺寸統一、減少構件類型、構件裝配化、節約廠房面積、節省工程造價，柱網規格有利于采用新工藝、新技術、新設備。例如現代單層鋼結構無窗廠房多用柱網尺寸8m×27m、9m×30m、9m×34m等。棉紡織廠柱網尺寸的選擇，不僅關系到機器排列的合理與否，還對廠房占地面積以及建筑投資等有顯著影響[3]。

2.3 舒適的工作環境

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

針對噪聲控制，國內和國外的行業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。改善紡織機械本身的機構和工藝，采用單個機器封閉式工作，不僅對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。可以在建筑的表面加入吸聲材料或吸聲模塊來消音。第三，加入人工防護裝置。佩戴個人靜音防護耳罩等防噪用具消除噪聲。

傳統棉紡織廠紡紗車間的溫度控制在人體舒適溫度范圍內，比如溫度在40℃以下，相對濕度控制在70%以下；織造車間的環境溫度應均衡控制在27℃左右，相對濕度控制在70%左右，溫濕度的環境極其惡劣，基本已經接近人體所能忍受范圍的極限。為了能實現纖維易加工與工人舒適的多元均衡，未來紡織廠整體設計必須實現人機科學分離，使機器處于適度封閉的狀態，即對各個工序生產加工區域的溫濕度實施局部微氣候控制，對各個車間的工作溫濕度條件實施車間氣候控制。

2.4 單機臺的智能化與多機臺的信息化

目前，紡織設備的設計基本遵從傳統的后工業革命時期設計理念：多機臺單元組合，單機臺多工作單元組合。這樣的設計理念好處也很明顯，對于較大批量生產的要求能合理又高效的解決。這種設計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工作和周期性的巡查制度來保障機器的工作狀態和質量問題的處理。隨著信息技術的快速發展，目前可以通過PDA終端的形式進行定向巡查和實時的數據監控處理，工作人員可以通過PDA終端實現數據的有效引導和傳輸。生產運轉的模式也由大范圍巡回發展成單點精準對接，實現單機臺的智能化和多機臺的信息化，這是未來紡織設備發展的方向。

2.5 節能降耗

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。棉紡織工廠的節能降耗應從以下幾個方面考慮。

（1）工藝設計節能

棉紡織工藝設計將朝著優質高效、短捷、連續化和自動化、易操作的方向發展。清梳工序的目標以少抓、輕打、多混、輕梳為主；并粗工序的目標以保混比、去彎鉤、降不勻為主；細紗和絡筒工序通過改善適紡條件、提高產量、降低斷頭來作為主要目標；織部車間以降低斷頭、提高生產效率、科學設置織機工藝參數作為目標，并合理控制規模。考慮到建筑結構和公用工程的合理性，車間規模宜控制在10萬錠以內[4]。

中國棉紡織行業協會曾推薦過高效的節能減排技術，推薦名錄中寫了一項錠子節能技術——TXD61系列新型高性能高速節能錠子。比如在際華3542公司將TXD6103高速節能錠子成功用于4.5萬錠緊密紡。紡紗錠速提高了11.5%，細紗能耗下降11.49%，年節省潤滑油4.3t，年可減少使用成本支出115.6萬元。

（2）公用工程節能

在能源耗用方面，棉紡織廠的總功率輸出主要是空調使用、除塵工作、制冷設備使用，如果能從這三方面進行調整或優化，節能潛力巨大。

1）空調：紡織廠細紗車間的機器發熱量較大，占據了工廠總的發熱量一半以上。使用的電能除了一部分使用到機器的正常運轉中，大多數都以自然散發的方式，充斥到整個車間中，既沒有實現電能的合理利用，又給車間熱量造成一定的冗余。而另一方面對于機器數量少的前紡并粗車間，車間發熱量小，如果冬季僅靠機器發熱量很難來實現車間溫度的保障，需要選用其他方式實現能量的補充。可以通過合理規劃設計送回風管道系統，以調整風力速度、減少局部阻力、抓住細節處設計，降低能耗。

2）制冷：做好深井回灌技術的應用，通過冬季儲能的方式給夏季降溫，反之夏季儲能的方式給予冬季供暖。充分利用低溫冬灌井水，應對冷量實行綜合調度，以用水最大利用率原則，實行用水的多級，多循環用水，反復用水。

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型長毛濾料額定顧慮風量3000m3/（m2.h）～4000m3/（m2.h），工作阻力≤130Pa，是一款不錯的過濾材料，較好的優化了過濾效果[5]。

4）電氣：可以從配電室布局、器件設備選用、功率補償參數設置、智能燈光配備等方面進行電氣化科學節能。如在布局上可以讓車間變配電室盡量靠近負荷中心，以降低供配電系統的線損。對于變壓器的選用可以從節能的角度考慮選用低損耗、低噪聲的節能變壓器。選用高效能的電機，盡可能地降低能耗。對于照明區域的電燈照明設置，可以采用智慧燈箱設置，進行分控節能的方式，力爭誰使用，誰開放。不使用，不開放。不覆蓋，不使用。

（3）建筑節能

現代棉紡織廠建筑節能主要考慮建筑結構的保溫隔濕、建筑采光等構造設計。建筑結構盡量選用保證散熱量小、不結露，能實現保溫隔熱的結構設計方式，以達到車間生產環境的需要。對于棉紡織車間的外墻應該差別化設計，對于保溫車間通過加裝保溫層的方式輔助保溫，對于除塵或者隔離車間即可采用低保溫要求的建筑材料進行設計[6]。

3 結束語

目前，“中國制造2025”，或“工業4.0”已經在全力推動制造業的智能化轉型。工業4.0能夠讓企業更好地控制和了解工廠運營，從而利用實時數據提高生產力、降低成本、優化流程。需要強調的是，智能制造將以堅實的運營管理方式和精細化的生產體系著實推動智能制造落地。目前，低端產能逐步向東南亞轉移是行業短期優化產地布局的一個途徑，但僅僅只是開始，不是最終目標和實現途徑。紡織產業的終極路徑在于產業鏈的協同整合和產業設備的升級，綠色建筑和智能制造必然會成為未來棉紡織工廠設計的發展方向。