智能機械包裝工程在染料成品包裝的應用

發布時間：2022-04-18

智能機械包裝工程在染料成品包裝的應用

儲于順

日期：2021年4月10日

一、引言
1、國內染料市場整體情況
染料工業，屬于精細化化工，是我國化工行業的主要產業之一，具有重要的產業地位。根據公開資料顯示，目前我國染料年產能占全球產能的60%以上，占全球40%以上的市場份額，常規生產品種約八百多個，染料中間體年產量約45萬噸，是名副其實的染料生產和使用大國。同時國內的染料生產企業約有450余家，但主要集中在浙江龍盛、閏土、吉華、湖北華麗、江蘇亞邦、錦雞等企業， 
2、染料企業的生產概況
    由于染料的成品，主要是以粉末狀固體為主。其特性為顆徑細，顆粒約為10um。比重輕，一般染料的比重約為0.3~0.4T/m3，含水量較小，常規低于10%。因而在成品包裝過程中，容易產生大量的粉塵，同時由于染料所使用的生產原料多，工藝復雜，主要以苯、萘、蒽醌等原料為主要材料，經過一系列有機合成單元操作，合成各種染料中間體，進而合成染料。在后續的生產包裝過程中，會產生大量廢氣。目前國內的染料生產企業，基本還延續著傳統的生產工藝，即人工進行稱重包裝，由于缺少相應的防護及整體化的機械包裝設備，在包裝過程中污染物通過簡單處理后排放甚至直排的情況大量存在，嚴重威脅著生態環境，同時也對生產人員健康有大的影響。

 3、目前染料企業成品包裝現狀

目前各染料生產企業，在成品包裝過程中，基本上使用的是袋包裝或箱裝兩種規格，袋包裝形式為：編織袋內襯PE塑料袋。箱裝形式為：紙箱內襯PE塑料袋。目前企業普遍使用人工進行稱重包裝，從放料口開始接料，到放完后進行復秤及后道的扎袋、封箱（編織袋縫口）、堆碼等，各個工序均有人工處理完成，一般情況下，按照簡易化的生產流程，一個放料口的生產班組約為3~5人（見圖一）。一般情況下至少有兩個班組在生產（如龍盛、閏土、吉華等這些行業內大企業，基本上極少有10個以上的班組在生產）。企業的用工量極大，與此同時，當前的包裝工人普遍年齡在四五十歲以上，對于環境差、有污染的生產場所（見圖二），年輕人員基本上是趨之若鶩，因此隨著企業招工難度大、用工成本的普遍上漲以及企業對成品稱重包裝精度與合格率的不斷提升，一體化機械智能包裝已經是一種趨勢所向，同時國家也在大力整理各項化工企業的污染問題，因此，一種智能化的機械包裝整體工程設備即將會使得各染料化工企業作為技術整改的標準所需。

                     

                                                          （圖一）                                                                                       （圖二）

 二、染料成品機械包裝工程的組成
在當今全球染料生產行業，美歐等國家的生產企業基本都是向東南亞國家遷移，因此在染料的智能化包裝工程設備方面，沒有先進的經驗可以借鑒，目前，國內染料生產企業經過經常不斷競爭，企業合并與重組的現像較多，染料生產逐步向大型、連續、智能等方面進行，成品機械包裝設備作為生產的最后一個環節，其效率性直接關乎著企業的整體生產量，因此設備制造企業只能借鑒目前使用的相關設備以及結合使用單位的工藝要求進行不斷的整改提升，以此來滿足用戶的需求。
染料成品的智能機械工程設備主要由：機械包裝設備、脈沖除塵設備、開箱設備（箱裝）、自動制袋套箱設備（箱裝）、全自動封箱設備（箱裝）、自動縫包設備（袋裝）、識別系統（箱裝）、碼垛設備等組成。
1、機械包裝設備
機械稱重包裝設備分無人化操作模式及半自動操作模式。是整個染料成品智能化機械包裝工程的核心部分，粉體染料因為單價相對較高，同時企業要提高整體生產量及降低包裝車間粉塵問題，所以用戶普遍要求機械包裝設備需具備稱重精度高、包裝速度快、減少人工數量及包裝環境提升等標準。同時染料企業往往根據市場所需，會生產幾十甚至上百個品種，生產企業不可能為一個品種去設置一套完整的生產線，因此，往往一套機械包裝設備需要包裝多個不同品種的產品，所以，機械包裝設備的兼容包裝也是需要考慮的問題。

1.1半自動機械稱重包裝設備
目前國內染料的成品主要通過兩種設備進行成品出料：一是噴塔干燥設備出料，二是拼混設備混拼后出料。要使用機械包裝設備，就要考慮到空間高度問題，而現狀是國內眾多的染料生產企業，之前的生產設備主要圍繞人工操作模式，因此，前端設備普遍設置較矮，出料口離地高度普遍在1.5米以內，更甚至低于1米的也存在。如計劃使用普通的機械包裝設備，因高度問題，無法直接使用。這樣的一種局面造就了如果企業要使用機械包裝，就要更改目前的現有設備，一是提升噴塔或混拼設備的高度，二是通過其他物料轉送方式進行物料的提升輸送，方能實現機械智能定量包裝。但無論哪一種，都將是高投入資金的局面。結合用戶的實際情況，設備制作企業設計出一款適用于低矮出料口的專用智能機械包裝設備（見設備小樣圖三）。
它無需讓企業去改變現有的生產設備，更無需增加配套設施，該設備僅需要一人操作，就可現實自動定量稱重，它既可以對袋裝染料進行稱重包裝，亦可以對箱裝染料進行稱重包裝，同時設計中考慮到包裝袋（箱）的規格尺寸不同，從而設計成可調節式的稱重托臺。而且設計過程中充分考慮粉塵收集的要素，采用漲氣式的夾袋裝置，使得物料在整個稱重過程中基本在相對密閉的環境下進行，杜絕了落料粉塵外溢的現象，生產環境大為改善。采用伺服控制系統，稱重精度穩定、產能保證。設備結構設計簡單，內存物料清理方便，在整體清理中可以直接使用水清理，方便染料生產用戶快速更換包裝品種。同時考慮到部分用戶出料口多，但不持續生產的現狀，為降低用戶的資金投入，設備設計成軌道式的移動模式，方便用戶根據自身生產需求進行臨時調整。
這樣的設備對于中小型染料生產企業，是一個性價比較高的選擇，但整體而言，還是需要使用人工操作。無法現實無人化模式。

   （小樣圖三）

 1.2 無人化機械稱重包裝設備
隨著很多擴并后企業的重組整改及新成立的企業對于生產設備的綜合布局考慮，目前很多企業已經將染料的后端生產設備的高度進行了調整，以此來滿足減少人工操作的智能化管理理念，因而，一體式的智能化機械包裝稱重設備應運而生。（見設備小樣圖四）

（設備小樣圖四）

 該設備工作流程：自動接入紙箱-紙箱定位-紙箱提升-防塵壓蓋-自動給料-精度辨識-二次稱重給料-稱重結束降箱-紙箱移出
整個運行流程依托PLC程序控制，設備充分考慮到染料生產用戶對于各種成品包裝的紙箱規格大小、成品稱重的重量范圍、對于粉塵環境的控制要求等因素，實現了無人化運行的目的。
1.2.1紙箱的自動接入：通過光電信號的控制，結合秤體運行的實際情況，設備將自動接入空箱。
1.2.2紙箱定位：空箱接入后，根據到位信號，設備將鎖定空箱位置，讓其對中秤體出料口。
1.2.3 紙箱提升：防止在落料過程中，降低物料的落料沖擊力，將空箱進行適當高度的提升，減少物料對紙箱的沖擊。
1.2.4 防塵壓蓋：在落料中，對敞口紙箱進行敞口的壓蓋，主要是防止落料中產生的揚塵，該系統將于脈沖除塵裝置銜接使用，基本實現落料無粉塵外溢現象。
1.2.5自動給料：紙箱到位后，系統將根據到位信號的確認，向紙箱內自動進行染料成品的灌裝，給料模式設定多種速度，可以進行靈活調整，來滿足不同生產量。
1.2.6 精度辨識：系統將根據設定的重量稱重程序，自動修正給料的速度，依次來實現稱重精度的穩定性。
1.2.7二次稱重給料：為了滿足用戶提出的稱重精度控制到千分之一以內，設備設定二次稱重給料方式，在一次給料的精度狀態下，根據實際稱重精度，進行更細化的精度補充，以達到更高的稱重精度要求。
1.2.8稱重結束：當設備達到設定的大精度值后，系統將停止設備的給料模式，稱重工作結束，在延遲吸塵信號給出后，紙箱將降低至輸送線，輸送機將紙箱送出，光電信號判定后完成一個紙箱的標準包裝稱重任務。
本套無人化機械稱重包裝設備設計精巧，無論從高度及所占空間，都以用戶為中心發出，減少空間的占用量。設備使用了大量傳感信號控制系統，整個運行流程無人化。設備采用包圍式設計，采用人機界面，方便使用者操作設定流程。
這樣的設備，對于大型企業實現無人化生產，是不錯的選擇，但是該設備不適用于編織袋包裝。但根據目前染料企業生產情況，80%以上的染料生產企業，均采用紙箱包裝。但，選擇這樣的無人化機械稱重包裝設備，就需要考慮其他設備的銜接，因為僅僅這樣的一套無人化機械稱重包裝設備是無法實現生產車間無人化的運作管理的。企業想要實現成品的智能生產包裝，就需要考慮到整套的機械工程布局。以紙箱包裝為例，就需要使用到開箱機、制袋套箱機、理袋熱合機、封箱機、碼垛設備等。
2、自動開箱機
自動開箱機是整套工程設備中的前端，是設備自動將折疊成紙板箱板打開，并完成下部分膠帶粘合后成型一個紙箱。目前傳統的使用方式為人工對紙板進行開箱封底，使之成為一個空紙箱，人工開箱速度較慢，且工作強度較大，因此使用開箱機，不僅能夠提高整體生產效率，同時也是降低了用工數量。（詳見設備小樣圖五）。
自動開箱機針對箱紙板有一定的要求，如邊角倒圓、增加折痕深度等，都是保障的開箱中的合格率。
該設備也可以單純代替人工開箱這個環節。作為智能化染料成品機械包裝工程的一部分，它將開完整的空箱輸送至后端的自動制袋套箱設備。

（設備小樣圖五）

因目前染料生產企業的包裝規格較多，因此，在更換不同規格的紙箱時候，就需要人工尺寸的進行調整，針對這一現象，很多企業在布置生產線的時候，對紙箱的規格進行了統一，一般情況下一條獨立的生產線都使用一種規格的紙箱，以方便智能化的規范管理。
3、自動制袋套箱機
傳統的生產工藝中，都是企業預先準備好標準的PE塑料內袋，在稱重包裝前，人工套入紙箱內等待包裝。這樣的工序有兩個環節組成，一是需要購置標準PE袋，二是需要人工再次進行套裝，無論從經濟角度還是生產效率，需要進行改變，因此，自動制袋套箱機就是生產企業的不二選擇（詳見設備小樣圖六）。
它僅需要用戶采購成卷的PE膜，當空箱進入定位后，系統將首先對卷膜一頭進行熱合處理，考慮到熱合的效果對包裝密閉的重要性，因此熱合采用雙道熱合，即熱合兩條。這樣即使有一條熱合出現漏點，另一條也能保障底部的密閉性。設備根據用戶紙箱的規格，設定袋子的長度尺寸，送膜系統在達到設定的長度后停止，裁剪裝置將進行切割，這樣就形成一個標準的PE塑料袋。設備中的開袋裝置將PE塑料袋根據紙箱的長寬規格曾四角打開，套入紙箱內，同時吹氣裝置將向PE塑料袋內吹氣，讓袋子四周充分貼邊與紙箱內壁。
該裝置機械結構復雜是一套多體運行結合接卸設備，在運行中，不僅要使得PE內袋的熱合完整無誤，還需要套箱的完整性合格，否則將直接影響到后道稱重包裝及自動理袋熱合的效果。

（設備小樣圖六）

 目前自動制袋套箱機在程序設定方面做到了簡單化、易操作的程度，即如果需要更換不同規格的紙箱，僅需要在人機界面上輸入相對應的參數，系統將根據修訂的參數，讓設備進行自動調整以滿足實際生產所需。
4、自動理袋熱合設備
經過開箱、制袋套箱、自動稱重包裝后，即需要進入到一個關鍵環節-自動理袋熱合。
目前絕大多數染料生產企業在這個環節均采用人工處置方式，就是將PE塑料內袋人工用扎絲（扎扣）進行密封。這個環節如果沒有實現無人化，則整體的染料成品智能包裝工程系統就無法實現。因此自動理袋熱合設備就是填補這個空白。它將稱重包裝好的紙箱，進行PE內袋的整理并進行熱封處理，使之形成包裝內袋的密閉完整性。（詳見設備小樣圖七）

（設備小樣圖七）

該設備運行流程為：紙箱的定位-內袋的整理-袋內空氣排除-PE內袋的熱封-袋子的整形-紙箱的送出
4.1紙箱的定位：根據紙箱規格的參數，制定紙箱定位尺寸。
4.2內袋的整理：提袋裝置將自動把套在紙箱的PE塑料內袋進行拉起并拉直整理。
4.3袋內空氣排出：整理后的PE塑料內袋需要對其袋內的空氣進行排放，以防止熱合后形成袋內的鼓包，影響后續的自動封箱效果。
4.4制動熱封：熱合裝置將對PE塑料內袋進行熱封，考慮到整體熱封的安全效果，設計成雙道熱封，保障熱封的合格率。
4.5內袋的整理：這是一種重要的環節，熱封口的袋口，需要用過機械方式進行整理，否則在后道自動封箱過程中，容易內袋外露，影響包裝的美觀度。
該裝置需要結合脈沖設備一體使用，因為在排出袋內空氣的時候，有可能會順帶吸附出及少量染料，為防止染料直接排放到大氣，形成污染，因此需要和除塵系統進行對接使用。
該裝置結構復查，但操作性相對容易，通過人機界面設定的參數，設備會自動修正相關運行參數。但設備的維護細節較多，需要用戶單位關注并經常性的進行相關部件尤其是熱封裝置的清潔維護。
5、全自動封箱機
自動封箱機主要是將紙箱的上半部分進行自動折蓋并粘貼膠帶，目前國內市場上的封箱機制作單位比較多，但基本上都是不能自動調整封箱的尺寸，即在運行中往往只能對一個規格尺寸的紙箱進行封箱，如同時有其他規格的紙箱進入，則就無法正常使用。因此，一種能夠隨時隨地自動調整封箱尺寸的設備，就顯得更受用戶的青睞。
該設備能夠根據紙箱不同的規格，在運行中自動調整封箱的寬度、高度，以滿足一臺設備可以適應不同產品的封箱要求（詳見設備小樣圖八）

（設備小樣圖八）

 該設備可以作為單一規格紙箱進行封箱使用，如需要同時兼容不同規格的紙箱，就需要在前端對紙箱進行一個“身份”識別，該內容將在后面的整體布局介紹中會有描述。
6、碼垛系統
碼垛設備作為包裝的最后一個環節，曾經因受限于碼垛機器人的成本高昂，維護復雜等因素，使得眾多染料生產企業放棄了選擇，而采用人工方式進行堆碼。
人工堆碼首先是人員的使用數量，其次是人工的勞動強度，一般染料的成品紙箱的高度約為0.5米左右，每箱的重量約為25kg，一個托盤的標準堆碼大多為3層，每層12箱，一個托盤合計36箱（900kg）。正常的一個出料口一小時的速度平均約為2.5噸（100箱）。使用人工操作，工作強度可想而知。
隨著國內機器人的不斷發展，促使國外品牌的價格也從高位神壇走入相對親民的時代。機器人碼垛也越來越受到大中型染料生產企業的重視。無論從工作效率及安全性上考量，選擇使用機器人堆碼，是實現智能化機械包裝工程的最后一環。從而可以現實智能化的規范生產管理。
三、智能機械包裝工程在染料成品包裝的應用
組成一套機械包裝的系統工程，需要將各個機械單機設備進行功能性的銜接組合，是一套以多個裝置和子系統構建的龐大體系。以滿足染料生產企業對于實現無人化智能包裝的需求。大中型染料生產企業都具有數十個以上的染料生產裝置，如何能夠在滿足其同時生產的基礎上，還要實現投入少，效率高的要求。這就需要進行優化組合。
如一染料生產企業，有6支噴塔組成的生產車間，想要實現經濟的無人化生產，就需要在設計中充分考慮各設備的兼容性，同時還要終盤考慮用戶的現場布置情況，只有這樣才可以設計組合出一套機械包裝工程（如下圖九）。

 設計方案包含三套開箱及設備、三套制袋套箱設備、六套自動稱重包裝設備、六套自動理袋熱合設備、兩套自動封箱設備、兩套機器人堆碼設備以及兩套托盤的輸送等，整個生產流程無人化。這樣的智能化機械包裝工程，可以滿足用戶在使用三種規格的紙箱基礎上，達到每小時15T的生產量。相較傳統人工模式下，以每支噴塔3個人工計算，可以每一班省卻18人的用工數，每年節省的人工成本約為250萬元以上。
再如一染料生產企業（如下圖），一包裝車間有12套拼混設備，混拼后的染料需要現實無人化的生產流程，同時需要考慮到設備的兼容性以及滿足用戶生產流程，因而設計成單邊六合一的包裝碼垛生產線。

 該工程系統每一套包含一臺自動開箱設備、一套制袋套箱設備、兩臺自動稱重包裝設備（移動式）、一套自動封箱設備、一套機器人堆碼設備以及一套托盤的輸送等�？梢詫崿F每一邊兩種產品的同時生產包裝。為了減少機械包裝設備的投入，每一邊僅選用兩套機械包裝秤，挨序進行稱重包裝使用。
同時存在很多染料包裝企業使用多種紙箱規格，因而有些設計模式在前端就需要考慮獨立的對應配置，（如下圖）

該設計滿足用戶同時生產三個不同規格的紙箱產品，使用一套機器人碼垛系統，實現無人化的生產包裝。
從以上三個設計方案中，我們發現，整套智能化機械包裝工程，除了單件設備外，還有眾多主要注意的點，如怎樣在使用多種規格的紙箱時候，封箱設備和碼垛設備如何進行區分，如何保障入庫成品每箱的精度都在允許誤差范圍內、如何確保正常使用等。
1、紙箱識別
識別不同規格的紙箱，在眾多使用兼容設備的工程系統中，是核心內容，因為如果使用一套全自動封箱設備及一套機器人碼垛設備，那就要對每一個規格的紙箱進行識別，這樣才能確保這些設備在封箱和抓取中，正確定位。所以我們要給紙箱制造一個獨立“身份”標識，一般選擇用條形碼。每一個紙箱都對應一個獨立的條形碼，該條形碼可以預先在系統中設定對應好，通過專用噴繪條形碼的噴碼機或者在紙箱上直接打印好，亦可以把條形碼預先打印在標簽上，屆時進行標簽的自動粘貼即可（相應增加了設備成本）。每一個規格的紙箱在進入封箱設備或者機器人堆碼抓取前，都將通過掃碼機進行條形碼的掃描識別。系統將根據相關信號數據，自動對應程序中的設置參數，以達到設備的自動調整尺寸參數，從而避免了封箱不完整或者堆碼不成功的現象。方便了用戶的設備資金投入。
2、重量分選
機械稱重包裝設備，其包裝的稱重度會受到諸如物料的堆密度、含水量、流動性及來料的持續性等因素的影響，從而造成偶發性的稱重精度不準確，因此在智能機械包裝工程中，就需要考慮加入在線重量檢測復檢機構，該機構將對每一箱的物料進行復秤，如果復秤的精度在允許的誤差范圍內，則該紙箱會自動流入下一環節，如復秤精度在允許誤差范圍之外，則復檢機構將不合格重量紙箱推出輸送線，并進行報警，提示人工進行干預。設置這個環節，主要是確保每一箱的稱重精度，均在合格線內，以保障用戶的權益。
3、設備的正常化使用
我們知道，一套智能化機械包裝工程系統，要讓其長期穩定的運行，對于日常的保養維護的分不開的。越是智能化的設備，越是需要有專業的技術人員進行日常的檢查和維護，目前國內染料行業，自動化控制方面技術性工作人員相對較少，因此對于設備的維護，也是每一個準備添置類似智能機械工程設備的染料企業需要值得思考的地方
四、結論
數據顯示，2018年，我國染顏料行業銷售收入累計完成681.5億元，同比增長15.3%，中商產業研究院預測，2020年我國染顏料產量將達120萬噸。近年來中國、印度等國家的染料工業也因染料制造技術的轉移和紡織工業的快速發展涌現出一批具有較強生產能力和研發能力的企業，對于所有染料生產企業而言，提高生產效率，降低生產成本，改善生產環境，增強競爭優勢就是必然要選擇的發展方向。染料成品的機械包裝及其智能化機械工程，降低企業的用工成本，減少了勞動強度，提高了工作效率，在安全和環保方面也具有非常重要的意義。同時也便于企業實現自動化控制，符合現代化工企業的要求。
當然，隨著染料企業對成品包裝袋要求逐年的提高，在未來，如何實現100%的稱重精度的機械包裝稱重設備、如何繼續減少在包裝過程中粉塵外溢甚至無任何粉塵逃逸、如何使得包裝機械工程中單個機械設備的產能是我們從事機械工程人員研究的一個方向。

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