構建綠色智能化工廠,助推中國輪胎產業(yè)升級

1、構建綠色智能化工廠，助推中國輪胎產業(yè)升級鄧文忠，陳杰，周升平，吳江（中國化學工業(yè)桂林工程有限公司，廣西 桂林 541004）摘要： 簡要分析了輪胎行業(yè)的現狀，提出了行業(yè)轉型升級的方向是構建綠色智能化工廠，強調構建綠色智能化工廠的關鍵是以工程設計方案和工藝流程創(chuàng)新為基礎，綜合考慮了工藝布局、公用工程、工藝設備、全廠物流、綠色節(jié)能、智能管理的整體解決方案。并從智能化管理、智能化工藝設備、智能化物流系統(tǒng)、綠色工廠四個方面對綠色智能化工廠構想進行了部分描述。然后舉例介紹了智能化煉膠中心、成型車間智能化物流方案、蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化技術、橡膠廢氣處理技術等解決方案，可作為綠色智能化工廠的技術基礎，為中國輪胎產業(yè)

2、升級提供參考。關鍵詞： 綠色；智能化；工藝創(chuàng)新；產業(yè)升級1. 行業(yè)現狀分析進入21世紀以來，中國輪胎產業(yè)快速發(fā)展壯大，據統(tǒng)計，子午胎產量由2004年1.1億條增至2013年的4.76 億條，年均復合增長率為 17.72%。預計 2015年，乘用車胎、輕型載重車胎和載重車胎的子午化率將分別達到 100%、85%和90%的水平。中國早已成為世界輪胎工業(yè)第一生產大國，已建成各種規(guī)格系列產品齊全的完整工業(yè)體系，并獲得了一系列具有原始創(chuàng)新特性的國際前沿技術成果。我國載重子午胎經過了高速、高載的考驗，已達到世界先進水平；轎車子午胎已實現無內胎、寬斷面、扁平化、高速化；緊跟國際潮流的安全、節(jié)能、環(huán)保輪胎也已

3、穩(wěn)步推向國際市場并獲得認可。然而2014年以來，中國輪胎行業(yè)的發(fā)展卻面臨著巨大的挑戰(zhàn)，表現在輪胎企業(yè)庫存增加，工廠開工率不足，特別是進入2015年，這種現象更加普遍。分析原因：美國的“雙反”調查以及由此引發(fā)的多國連鎖反應所形成的貿易壁壘嚴重影響著國內輪胎的出口；國家質檢總局和國家標準委發(fā)布的復合橡膠通用技術規(guī)范要求，從2015年7月起，現有的97%及99%天膠含量的復合膠將被視為原膠，每噸進口需繳納1500元/噸的關稅，又大幅增加了輪胎企業(yè)的原材料成本；中國人口紅利的消失以及不斷提高的環(huán)保要求也使輪胎企業(yè)的運營成本不斷增加。經過多年快速發(fā)展，國內輪胎產能早已過剩，在出口受阻、內需增長緩慢、生產

4、成本不斷增加的背景下，在今后一段時間里，中國輪胎產業(yè)的主題或是：行業(yè)進一步的整合；中國PCR輪胎OEM生產及民族品牌打造；工廠異地搬遷及產能調整；工廠綠色、智能化生產改造。輪胎行業(yè)的特點是：復雜的工藝加工流程、品種眾多的化學材料和結構材料、工藝指標控制、復雜的半成品和成品物流、各類能源的需求，以及污染物發(fā)生點的低濃度分散性等，這些特點使得輪胎行業(yè)的綠色智能化推進難度很大，單純生產設備的智能化并不是綠色智能化工廠的全部，關鍵是應以工程方案策劃和工藝流程創(chuàng)新為基礎，在工廠立項之初就全盤考慮整體工藝布局，協調好公用工程、工藝設備、全廠物流系統(tǒng)的布局，融入綠色節(jié)能環(huán)保技術，并據此搭建全廠的智能化管理系

5、統(tǒng)，形成綠色智能化工廠整體解決方案。中國化學工業(yè)桂林工程有限公司（CGEC）作為新中國橡膠工業(yè)的先行者之一，伴隨著中國橡膠工業(yè)走過了六十年從無到有、由弱變強的發(fā)展道路。近年來，CGEC積極在智能化物流、節(jié)能環(huán)保、智能化控制等領域布局，結合其橡膠工程設計咨詢和橡機裝備研發(fā)兩方面的傳統(tǒng)優(yōu)勢，提出綠色智能化工廠整體解決方案，助推中國輪胎產業(yè)升級。2. 綠色智能化工廠構想綠色智能化輪胎工廠應該是工程項下，立足先進專項工藝技術，通過科學的工程技術、先進的工藝裝備以及信息化的管理手段達成整體工程系統(tǒng)。主要有以下特點：Ø 工程設計上全面融入節(jié)能環(huán)保綠色理念，實現總建造成本最低Ø 工藝路線

6、上引入創(chuàng)新工藝、新技術、新材料，使產能更優(yōu)，成本更低Ø 以智能化的工藝設備優(yōu)化工藝流程，提高效率，節(jié)省人工，穩(wěn)定質量Ø 以信息化手段實現智能生產調度，管理更高效、準確，生產更可靠Ø 以MES、ERP、SAP等系統(tǒng)為基礎實現信息化智能化管理Ø 融入綠色、環(huán)保理念，將傳統(tǒng)松散的生產單元升級成一個高效率的系統(tǒng)Ø 系統(tǒng)兼?zhèn)鋬?yōu)化和擴展的空間，達成柔性生產潛能以下從幾個方面對綠色智能化工廠構想進行具體描述。2.1. 智能化管理信息化管理系統(tǒng)是智能化、智慧化工廠管理理念的必不可少的載體，穩(wěn)定和柔性化是其成功的關鍵。工廠智能化管理模型如圖1所示。通過建立信息化

7、系統(tǒng)，可實現生產過程的自動化、企業(yè)管理方式的網絡化、領導決策支持的智能化、企業(yè)商務運營的電子化，從而實現綠色智能化制造的目標。圖1 工廠智能化管理模型2.2. 智能化工藝裝備智能化工藝裝備主要體現指以下三個方面：1) 傳統(tǒng)工藝設備的智能化升級：傳統(tǒng)工藝設備自動化程度低，一般也未預留與工廠智能化管理系統(tǒng)對接的接口，也基本沒有考慮與上、下工序的對接。在硬件和軟件兩方面都是一座孤島，無法滿足智能化工廠的要求。因此需要進行升級，提高自動化程度，增設接口，以便融入智能化工廠整體解決方案。如圖2所示的胎面自動拾取系統(tǒng)便是傳統(tǒng)工藝設備智能化升級的代表，既可實現與下道工序的自動對接和智能化存儲輸送，又為智能化

8、的生產調度打下了基礎。圖2 胎面自動拾取系統(tǒng)2) 典型智能化產品的應用：典型智能化產品如工業(yè)機器人、全自動立體庫、AGV（自動導引小車）、RGV（有軌制導小車）、EMS(電動單軌系統(tǒng))等的應用，可有效解決現有生產工藝中的一些半成品輸送難題，減少人為因素影響，有利于工廠智能化管理。圖3 輪胎胎坯空中智能輸送系統(tǒng)設備3) 智能化新工藝設備的應用：以工藝創(chuàng)新為基礎，研發(fā)應用智能化的新工藝設備，達到優(yōu)化傳統(tǒng)生產工藝的目的。如生膠破碎復配系統(tǒng)設備、一次法低溫煉膠設備、多復合擠出生產線、電子束預硫化設備、三角膠擠出貼合一體化系統(tǒng)、智能一次法成型設備、電磁加熱硫化設備等。圖4 生膠破碎復配系統(tǒng)設備圖5 五復

9、合擠出機組五復合擠出機組是為滿足PCR全新結構設計而研發(fā)的智能化設備，是基于工藝創(chuàng)新進行的針對性的設備研發(fā)，而設備的研發(fā)成功也助推了PCR新工藝的發(fā)展。圖6 三角膠熱貼生產線三角膠熱貼生產線將帶來TBR生產工藝的革新，減少工序，縮短工藝流程，為TBR智能化制造打下基礎，同時可以減少設備占地和操作人員，直接為企業(yè)創(chuàng)造經濟效益。2.3. 智能化物流系統(tǒng)構建智能化輪胎工廠不僅僅是將原有的工藝過程實現自動化，關鍵是要通過技術創(chuàng)新，縮短工藝流程，解決生產瓶頸，達成更優(yōu)的生產管理目標。而智能化物流系統(tǒng)是實現新工藝的基礎條件。智能化輪胎工廠對物流系統(tǒng)的基本要求有：Ø 投資回收期要短，運行成本要低&

10、#216; 物流系統(tǒng)必須與MES系統(tǒng)高度集成，MES系統(tǒng)必須穩(wěn)定、可靠Ø 智能化物流系統(tǒng)必須穩(wěn)定，免維護是關鍵Ø 縮短工藝流程、解決生產瓶頸是關鍵，降低庫存是基本要求Ø 局部的子系統(tǒng)要有足夠的容錯性，能夠快速解決異常情況Ø 要能夠體現生產的柔性采用智能化物流方案、按工藝流程連接各智能化工藝設備和立體庫，使工廠變成一個有機高效整體，在智能化管理系統(tǒng)的控制下，可以使各工藝設備生產效率最大化、中間流程最簡化、中轉存儲最小化，從而創(chuàng)造出更多的價值。2.4. 綠色工廠綠色工廠解決方案，不僅要考慮生產的產品是綠色的，更要在系統(tǒng)規(guī)劃和設計時要滿足各項環(huán)保政策，同時還要

11、有更經濟的投資和運營成本，綠色廠房設計、環(huán)境治理、節(jié)能降耗措施等等都是必不可少的環(huán)節(jié)。綠色工廠的核心主題就是節(jié)能減排，與智能化解決方案不同，綠色工廠解決方案有著具體的指標。中國橡膠工業(yè)協會已發(fā)布了綠色輪胎技術規(guī)范(以下簡稱規(guī)范)。該規(guī)范為我國首部綠色輪胎行業(yè)自律標準。規(guī)范除了對綠色輪胎提出了產品性能要求外，還對原材料的使用提出了要求，同時也提出了綠色輪胎的清潔生產和污染物排放要求，例如對產品綜合能耗、水污染物和大氣排放物的排放標準等都有具體規(guī)定。此外，規(guī)范還推薦了綠色輪胎生產工藝技術，比如煉膠/硫化廢氣除臭、低溫連續(xù)混煉、鍋爐煙氣脫硫/除塵/脫硝、高溫充氮硫化、炭黑管道輸送、橡膠助劑造粒、輪胎

12、自動化成型及半成品部件大卷化、壓出/壓延電子束預硫化等技術；并建議逐步取消胎面底面涂膠漿工藝。該規(guī)范對我國發(fā)展綠色輪胎具有指導作用。而綠色工廠評價體系則由可持續(xù)發(fā)展的建設場地、節(jié)能與能源利用、節(jié)水與水資源利用、節(jié)材與材料資源利用、環(huán)境保護與污染物控制、室內環(huán)境與職業(yè)健康、運行管理七類指標及要求構成。國內相關行業(yè)已建立了本行業(yè)的綠色工廠評價體系，而輪胎行業(yè)還沒有相應的評價體系，這也制約了輪胎行業(yè)的技術進步和轉型升級。CGEC本著對行業(yè)的技術進步和國家的現實要求出發(fā)，已著手組織力量收集、分析和整理行業(yè)的有關數據，在此基礎上編制本行業(yè)的綠色輪胎工廠指標體系，同時也可為其他輪胎行業(yè)提供參考，而制定相關

13、的綠色技術規(guī)范就是行業(yè)下一步需要進行的提升工作。3. 綠色智能化解決方案示例3.1. 智能化煉膠中心智能化的煉膠中心將從根本上解決傳統(tǒng)煉膠車間的一系列問題，如：操作人員多、工作環(huán)境差、勞動強度大、物流量大造成的管理混亂、高出錯率和安全隱患等。智能化煉膠中心通過生膠破碎復配、一次法低溫煉膠等先進工藝的應用，可大幅提高混煉膠質量，提高生產效率，降低能耗；通過智能化倉儲物流方案的應用可大幅減少操作人員數量，降低出錯率，并與后續(xù)工序實現無縫對接；通過ERP、MES與基層PCS、WMS的對接可大幅提升煉膠中心的管理效率和管理質量。以下簡單介紹幾項智能化煉膠中心應用的解決方案。3.1.1. 生膠破碎復配系

14、統(tǒng)生膠破碎復配系統(tǒng)就是將不同批次、不同產地的生膠采用自動碎膠機破碎成大小基本均勻（60100克）的碎膠塊，取消了生膠烘膠工序，然后送入大容積的拌勻罐（45噸）拌勻均化，再按配方重量投入密煉機密煉，這樣每車投入密煉機的生膠性能整體保持穩(wěn)定。同時從碎膠機上料到密煉機投料的全過程采用智能化物流解決方案，通過全自動復配稱量、多元化配送等技術實現全自動智能化生產。目前，由CGEC研發(fā)的國內首條智能化生膠破碎復配物流系統(tǒng)已正式投入生產。根據實際使用效果來看，采用生膠破碎復配系統(tǒng)可有效提高混煉膠質量的穩(wěn)定性，門尼粘度指標可控制在±2 .5以內，門尼標準偏差可控制在13，混煉膠性能穩(wěn)定可使橡膠半成品

15、更加均勻一致，對橡膠產品質量穩(wěn)定性的提升有重要意義；密煉能耗（包含碎膠能耗）可下降10%；同時可減少操作人員及叉車數量，降低勞動強度，改善密煉車間環(huán)境。3.1.2. 小料自動稱量輸送系統(tǒng)小粉料自動存儲輸送系統(tǒng)是橡膠工廠實現自動化煉膠的關鍵模塊，該系統(tǒng)與小料自動配料系統(tǒng)配套，將小粉料自動配料系統(tǒng)配好的袋裝小料自動裝入周轉箱，通過運輸系統(tǒng)將周轉箱自動輸送至小料立體倉庫存放；按照生產計劃的指令，立體庫自動輸出周轉箱，通過空中轉運線將周轉箱輸送至指定密煉機臺，并實現自動投料至密煉機。配備的物流監(jiān)控與信息管理系統(tǒng)基于物流和信息流控制的緊密結合，設置了一套對物流進行動態(tài)跟蹤的信息流系統(tǒng)，實現貨物搬運、存取

16、機械化、管理自動化，使材料和配件的貯存、管理、周轉聯成一體，確立合理的貯存量，減少倉貯費用。該系統(tǒng)可實現小粉料的全自動儲存和輸送，大大減輕勞動強度，相比傳統(tǒng)手工配料節(jié)省80%的人員，相比自動配料節(jié)省30%的人員，減少了物料在投料和稱量中的人工錯誤率。3.1.3. 混煉膠立體庫及自動物流系統(tǒng)混煉膠的生產工藝是橡膠工廠的技術核心之一，其重要程度不言而喻，鑒于混煉膠種類的繁多和中間生產過程工藝的復雜，混煉膠存儲和輸送的管理難度很大，在投入大量的人力、場地、叉車輸送的情況下，任然有很高的出錯率和安全隱患。采用全自動立體庫對混煉膠進行管理，采用AGV來完成混煉膠在工藝設備和立體庫之間的輸送，并對密煉機上

17、料設備和膠片冷卻設備進行升級，實現進出料的全自動化，從而實現混煉膠存儲和流轉無人化。此外，還通過智能化的輸送設備實現了與下一道橡膠生產車間的無縫對接；通過采用智能化的管理系統(tǒng)，大幅提高了生產效率，降低了出錯率。3.2. 成型車間智能化物流方案成型是橡膠產品生產過程中最復雜的一道工序，以全鋼子午胎為例，用于胎坯成型的部件就超過10種，大量部件以及胎坯的輸送，結合成型機的快速生產節(jié)拍，使得成型的物流量非常大，工人數量也非常多。特別是在生產過程中往往需要頻繁的進行生產規(guī)格的更換，很容易造成生產現場的混亂，影響生產效率。采用智能化的物流解決方案，充分利用立體空間進行部件和胎坯的自動化物流輸送，利用立體

18、庫來協調不同工藝設備的生產節(jié)拍，可有效的提高成型機生產效率，減少操作人員數量。同樣以全鋼子午胎生產為例，可采用“立體庫+AGV”的方案實現鋼絲壓延與鋼絲簾布裁斷的對接；采用“AGV+立體庫+EMS”的方案實現胎體簾布、內襯層大卷的存儲和至成型機的輸送；采用AGV自動輸送胎面車；而大卷化、模塊化的胎側、墊膠卷取小車同樣采用AGV實現在擠出線與成型機之間的自動流轉；而成型后的胎坯直接采用架空輸送線送至立體庫。3.3. 蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化技術綠色工廠的一個重要標志就是節(jié)能，輪胎行業(yè)屬于高耗能行業(yè)，輪胎的硫化過程是伴隨的是蒸汽的大量消耗。無動力閉式集中疏水系統(tǒng)，是CGEC研發(fā)的一種具有創(chuàng)新意義的、可在多臺用

19、熱設備的供熱系統(tǒng)中實現集中疏水和凝結水回收的方法及其裝置，開辟了蒸汽疏水的新途徑。該系統(tǒng)取代每臺硫化機安裝多只疏水閥的疏水技術，杜絕泄漏，減少管理，可大幅降低硫化蒸汽單耗。此外，大部分工業(yè)企業(yè)的蒸汽均采用高壓制備、減壓使用的方式。高溫高壓蒸汽經減溫減壓后，高品位的能量變成了低品位的能量，造成了能量的白白浪費。螺桿膨脹機可替代蒸汽減壓閥，利用壓差進行發(fā)電，實現蒸汽能源的梯級利用，使原先由于減壓浪費的能量大部分得以回收，在滿足用戶壓力參數要求的同時，還可產生發(fā)電效益，一舉兩得。 3.4. 橡膠廢氣處理技術橡膠產品生產過程中產生大量廢氣及異味，如輪胎生產過程中，在煉膠、擠出壓延、膠漿房，特別實在硫化工段，有著大量的廢氣產生。無組織的自由排放會對環(huán)境造成惡劣影響，只有通過有組織的集中處理，按照綠色工廠指標體系要求進行達標排放，才符合綠色工廠的要求。橡膠廢氣中含有非甲烷總烴及苯系衍生物等大量的有機物，臭氣濃度高，對車間及周邊的空氣質