構建綠色智能化工廠，探索橡膠行業轉型升級新模式
鄧文忠 王東明 陳杰
（中國化學工業桂林工程有限公司）

摘要： 簡要分析了橡膠行業的現狀，提出了行業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、智能化倉儲物流、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、無疏水閥節能技術、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，為橡膠行業的轉型升級提供參考。
關鍵詞：綠色 智能化 工藝創新 轉型升級 新模式
1 行業現狀分析
中國橡膠行業經過數十年的發展，特別是進入21世紀以來這十幾年快速的發展，包括輪胎行業、管帶行業和制品行業均取得了舉世矚目的成就。以輪胎行業為例，根據統計，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第一生產大國，已建成各種規格系列產品齊全的完整工業體系，并獲得了一系列具有原始創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、節能、環保輪胎也已穩步推向國際市場并獲得認可。
然而2014年以來，中國輪胎行業的發展卻面臨著巨大的挑戰，表現在輪胎企業庫存增加，工廠開工率不足，特別是進入2015年，這種現象更加普遍。究其原因有：⑴美國的“雙反”調查以及由此引發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；⑵國家質檢總局和國家標準委發布的《復合橡膠通用技術規范》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的原材料成本；⑶中國人口紅利的消失以及不斷提高的環保要求也使輪胎企業的運營成本不斷增加。經過多年快速發展，國內輪胎產能早已過剩，在出口受阻、內需增長緩慢、生產成本不斷增加的背景下，如何轉型升級是擺在輪胎企業面前最大的難題。相同的問題同樣也擺在管帶企業面前。
近年來，“工業4.0”、“中國制造2025”、“互聯網+”、“物聯網”、“大數據”等概念越來越火熱，第四次工業革命已經不可逆轉的開始了。這些概念實際上是不同的國家、不同的行業從不同的領域、不同的視角描述的同一個未來——工業的未來、制造業的未來，具體來說就是通過橫向集成、縱向集成、端對端的集成來架設物理信息系統網絡，構建綠色智能工廠，實現智能生產、智能物流、智能服務。
橡膠行業目前面對的困難正是所有傳統制造業都面對的挑戰，而轉型升級的方向也必然是第四次工業革命的方向——綠色智能化。充分利用新工業革命的技術成就，構建綠色智能化橡膠工廠，實現產品的智能化生產，提供智能化服務，可以有效的提升企業競爭力。
但橡膠行業還有著自身的特點，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，以及污染物發生點的低濃度分散性等特點，使得橡膠行業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、全廠物流系統的布局，融入綠色節能環保技術，并據此搭建全廠的智能化管理系統，一個滿足上述要求的綠色智能化工廠整體解決方案才是橡膠工廠轉型升級的基礎。
中國化學工業桂林工程有限公司（CGEC）作為新中國橡膠工業的先行者之一，伴隨著中國橡膠工業走過了六十年從無到有、由弱變強的發展道路。近年來，CGEC積極在智能化物流、節能環保、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兩方面的傳統優勢，提出綠色智能化工廠整體解決方案，為橡膠行業轉型升級提供技術支持。
2 綠色智能化工廠構想
以輪胎廠為例，要構建一個綠色智能化的輪胎工廠，首先需要進行工藝流程創新，優化工藝布局，并進行針對性的工程方案設計，然后以智能化的工藝設備實現智能生產，以智能化物流系統為基礎實現智能調度，以MES、ERP等信息化、網絡化系統為基礎實現智能化管理，同時融入綠色環保解決方案，將傳統松散的生產組織升級成一個有機高效整體，并通過分析工廠大數據，不斷優化生產過程，這就是一個綠色智能化輪胎工廠的基本構想。以下從幾個方面對綠色智能化工廠構想進行描述。
2.1 智能化管理
采用管理信息網和過程控制網一體化統籌規劃，依據工廠對多網合一、互聯互通的需求，根據現代化工廠過程控制系統、電信系統、安保系統的特點，盡可能將其中的音頻、視頻、數據，甚至各種傳感器采集的信號，統一匯聚到以TCP/IP技術為基礎的管理信息網上，實現信息實時交換與共享，從而滿足管理信息網所承載的工廠信息系統對全廠生產和管理的需要。在綜合布線系統實施的基礎上，布置ERP、MES、PCS系統及視頻監控系統，為企業提供生產制造、倉儲物流等信息數據，實現生產過程一體化管控、條碼信息追溯等，與上級及平級部門各類信息系統平臺進行數據交互，完善企業信息化管理平臺系統。工廠智能化管理模型如圖1所示。
通過建立信息化系統，可實現生產過程的自動化、企業管理方式的網絡化、領導決策支持的智能化、企業商務運營的電子化，從而實現綠色智能化制造的目標。
總之，信息化是通過以信息技術為手段，對所有與企業相關的信息進行采集、傳輸、存儲和分析，使企業的決策層、管理層和執行層的人員都能夠及時得到完整、準確、一致的信息支持的過程，進而不斷提高企業的生產、經營、管理、決策、服務的效率和水平，增強企業對內外環境和市場做出迅速響應的能力，達到降低企業生產成本，提高企業運營效率，增強企業核心競爭力的目標。

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：⑴傳統工藝設備的智能化升級：傳統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。⑵典型智能化產品的應用：典型智能化產品如工業機器人、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)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。⑶智能化新工藝設備的應用：以工藝創新為基礎，研發應用智能化的新工藝設備，達到優化傳統生產工藝的目的。如生膠破碎復配系統設備、一次法低溫煉膠設備、電子束預硫化設備、智能一次法成型設備、加熱硫化設備等。

電磁圖2 輪胎胎坯空中智能輸送系統設備

圖3 生膠破碎復配系統設備

2.3 智能化倉儲物流
智能化倉儲物流是集機電光技術為一體的系統工程，具有代表性的現代物流技術主要包括條碼識別技術，GPS定位與追蹤系統，自動化分揀技術，自動化立體倉儲系統，自動輸送系統等。橡膠產品生產過程中有大量的原材料、半制品及成品需要在廠內運輸、停放、存儲，傳統方式需耗費大量人力、場地，產生大量的運營成本，要降本增效、提高產品質量、提升企業競爭力，智能化倉儲物流是必然選擇。
以輪胎廠為例，從原材料進廠開始，有各種天然膠、合成膠、化工粉料、炭黑及骨架等原材料需要存放和輸送；接著又有各種配方的母煉膠、終煉膠需要存放和輸送；批量生產的胎面、胎側、三角膠、墊膠、內襯層、鋼絲大卷、簾布卷、胎體大卷、帶束層等等輪胎部件不能及時在下一道工序使用，需要存放和再輸送；成型生產的胎坯需要存放和再輸送；硫化后經過檢驗合格的成品胎更需要存放和再輸送。采用全自動立體庫對上述貨物進行智能化管理，可以完全按照工藝要求進行進出庫操作，同時大量減少占地和操作人員數量，操作人員可減少約50%以上。
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，從而創造出更多的價值。
2.4 綠色工廠
綠色工廠的核心主題就是節能減排，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。中國橡膠工業協會已發布了《綠色輪胎技術規范》（以下簡稱《規范》）。該《規范》為我國首部綠色輪胎行業自律標準。《規范》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定。此外，《規范》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《規范》對我國發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發展的建設場地、節能與能源利用、節水與水資源利用、節材與材料資源利用、環境保護與污染物控制、室內環境與職業健康、運行管理七類指標及要求構成。國內相關行業已建立了本行業的綠色工廠評價體系，而橡膠行業還沒有相應的評價體系，這也制約了橡膠行業的技術進步和轉型升級。CGEC本著對行業的技術進步和國家的現實要求出發，已著手組織力量收集、分析和整理行業的有關數據，在此基礎上編制本行業的綠色輪胎工廠指標體系，同時也可為其他橡膠行業提供參考，而制定相關的綠色技術規范就是行業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煉膠車間的一系列問題，例如操作人員多、工作環境差、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 生膠破碎復配系統
生膠由于樹齡、批次、產地等客觀因素的影響，同一種類的生膠其性能往往有較大的波動，傳統煉膠工藝中，生膠采用逐塊使用的方式，使得生膠性能的不穩定性被帶入橡膠產品生產的各個環節，最終影響著橡膠產品質量的穩定性。
生膠破碎復配工藝就是將不同批次、不同產地的生膠采用自動碎膠機破碎成大小基本均勻（60-100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（4-5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研發的國內首條智能化生膠破碎復配物流系統已正式投入生產。根據實際使用效果來看，采用生膠破碎復配系統可有效提高混煉膠質量的穩定性，門尼粘度指標可控制在±2.5以內，門尼標準偏差可控制在1-3，混煉膠性能穩定可使橡膠半成品更加均勻一致，對橡膠產品質量穩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，改善密煉車間環境。生膠破碎復配系統的基本工藝流程如圖4所示。

圖4 生膠破碎復配系統工藝流程簡圖

3.1.2 小料自動稱量輸送系統
小粉料自動存儲輸送系統是橡膠工廠實現自動化煉膠的關鍵模塊，該系統與小料自動配料系統配套，將小粉料自動配料系統配好的袋裝小料自動裝入周轉箱，通過運輸系統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。
配備的物流監控與信息管理系統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跟蹤的信息流系統，實現貨物搬運、存取機械化、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，相比傳統手工配料節省80%的人員，相比自動配料節省30%的人員，減少了物料在投料和稱量中的人工錯誤率。小料自動稱量輸送系統工藝流程如圖5所示。

圖5 小料自動稱量輸送系統工藝流程簡圖

3.1.3 混煉膠立體庫及自動物流系統
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，大幅提高了生產效率，降低了出錯率。混煉膠立體庫及自動物流系統工藝流程如圖6所示。

圖6 混煉膠立體庫及自動物流系統工藝流程簡圖

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，利用立體庫來協調不同工藝設備的生產節拍，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。成型車間智能化物流解決方案流程如圖7所示。

圖7 成型車間智能化物流流程簡圖

3.3無疏水閥節能技術
綠色工廠的一個重要標志就是節能，橡膠行業屬于高耗能行業，橡膠產品的硫化過程是伴隨的是蒸汽的大量消耗，而無疏水閥節能技術可大量減少硫化過程的蒸汽消耗。
無動力閉式集中疏水硫化是在硫化蒸汽供熱系統中采用新型無動力集中疏水系統，替代疏水閥疏水等傳統疏水技術，從根本上解決了疏水閥管理困難等諸多蒸汽供熱過程中存在的難題。
新型無動力集中疏水技術可實現一臺疏水系統對多臺用熱設備進行集中疏水的功能。由此，系統中的蒸汽無法穿越凝結水而產生泄漏，實現阻汽疏水的效果。其原理如圖8所示。

圖8 無動力閉式集中疏水系統工藝原理圖

采用新型無動力集中疏水技術后，凝結水回收無需凝結水泵，充分利用凝結水自身壓力進行輸送即可；系統完全密閉、帶壓運行，無二次蒸汽泄漏，無空氣混入凝結水，系統熱能效率近100%，管道不存在氧腐蝕；與傳統蒸汽疏水方式相比，節汽率可達20%以上。系統結構簡單、方便實用，并能改善工人工作環境和消除現場原疏水閥直排汽的情況，同時大大降低了大量疏水閥頻繁更換所需費用及維修工作量。
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量造成了影響。針對橡膠廢氣的特點， 采用了“光電裂解+吸附過濾”聯合工藝的技術路線進行處理。其工藝流程如圖9所示。

圖9 “光電裂解+吸附過濾”工藝流程簡圖

采用該技術路線進行廢氣處理其技術特點如下：⑴光電裂解：利用高能臭氧UV光束照射并裂解有機廢氣，使有機或無機高分子有機化合物分子鏈，在高能光束照射下，降解轉變成低分子化合物，如CO2、H2O等等。同時，利用高能UV光束裂解有機廢氣中細菌的分子鍵，破壞細菌的核酸（DNA）,再通過臭氧分解空氣中的氧分子產生游離氧，對有機物進行氧化反應，徹底達到脫臭及滅殺細菌的目的。⑵吸附過濾：利用褐煤活性焦吸附劑具有較多的微孔和較大的比表面積，以及且其表面具有較多羥基、羧基等活性基團的性質，將多種氣體中極性和非極性的離子和分子吸附，與此同時通過過濾將細小的吸附劑濾除，從而排出潔凈氣體。當吸附劑達到飽和狀態后，用壓縮空氣振動清灰，使之抖落至灰斗中，運至固廢處理單位燃燒，使有害氣體分解為二氧化碳和水，最終實現硫化煙氣的無害化處理。
根據使用效果來看，其處理能力遠遠高于國家標準，實際使用數據如表1所示。

表1 “光電裂解+吸附過濾”聯合工藝處理數據

3.5 其它節能技術
◆ 壓縮空氣系統節能技術
◆ 深冷制氮技術
◆ 高壓變頻技術
◆ 導光管照明技術
◆ 硫化廢氣高效收集系統技術
◆ 余熱制冷及采暖系統技術
以上的節能技術已在行業內得到推廣應用，并取得較好的節能效果。
4 結語
橡膠行業的轉型升級需要充分利用高端智能制造技術，加快“兩化”深度融合步伐，實現過程智能化、生產裝備數字化和經營管理網絡信息化，逐步走向綠色、高端、智能制造。以集中集成、智能應用為原則，運用物聯網、云技術等信息技術，以生產運行自動化、物流管理智能化和企業管理信息化為切入點，開展數據中心和智能工廠建設，實現各類資源“高利用、低排放、減量化、低污染”的利用目標，建設一批綠色智能化橡膠工廠。
CGEC將充分利用其在橡膠工程設計咨詢和橡機裝備研發方面的資源優勢，以工程設計策劃和工藝流程創新為基礎，融合在智能化物流、綠色能源、智能化控制等領域的技術成果，提出綠色智能化工廠整體解決方案，并不斷完善，為橡膠行業轉型升級提供高附加值的技術支持和服務。