智能机械包装工程在染料成品包装的应用

发布时间：2022-04-18

智能机械包装工程在染料成品包装的应用

储于顺

日期：2021年4月10日

一、引言
1、国内染料市场整体情况
染料工业，属于精细化化工，是我国化工行业的主要产业之一，具有重要的产业地位。根据公开资料显示，目前我国染料年产能占全球产能的60%以上，占全球40%以上的市场份额，常规生产品种约八百多个，染料中间体年产量约45万吨，是名副其实的染料生产和使用大国。同时国内的染料生产企业约有450余家，但主要集中在浙江龙盛、闰土、吉华、湖北华丽、江苏亚邦、锦鸡等企业， 
2、染料企业的生产概况
    由于染料的成品，主要是以粉末状固体为主。其特性为颗径细，颗粒约为10um。比重轻，一般染料的比重约为0.3~0.4T/m3，含水量较小，常规低于10%。因而在成品包装过程中，容易产生大量的粉尘，同时由于染料所使用的生产原料多，工艺复杂，主要以苯、萘、蒽醌等原料为主要材料，经过一系列有机合成单元操作，合成各种染料中间体，进而合成染料。在后续的生产包装过程中，会产生大量废气。目前国内的染料生产企业，基本还延续着传统的生产工艺，即人工进行称重包装，由于缺少相应的防护及整体化的机械包装设备，在包装过程中污染物通过简单处理后排放甚至直排的情况大量存在，严重威胁着生态环境，同时也对生产人员健康有大的影响。

 3、目前染料企业成品包装现状

目前各染料生产企业，在成品包装过程中，基本上使用的是袋包装或箱装两种规格，袋包装形式为：编织袋内衬PE塑料袋。箱装形式为：纸箱内衬PE塑料袋。目前企业普遍使用人工进行称重包装，从放料口开始接料，到放完后进行复秤及后道的扎袋、封箱（编织袋缝口）、堆码等，各个工序均有人工处理完成，一般情况下，按照简易化的生产流程，一个放料口的生产班组约为3~5人（见图一）。一般情况下至少有两个班组在生产（如龙盛、闰土、吉华等这些行业内大企业，基本上极少有10个以上的班组在生产）。企业的用工量极大，与此同时，当前的包装工人普遍年龄在四五十岁以上，对于环境差、有污染的生产场所（见图二），年轻人员基本上是趋之若鹜，因此随着企业招工难度大、用工成本的普遍上涨以及企业对成品称重包装精度与合格率的不断提升，一体化机械智能包装已经是一种趋势所向，同时国家也在大力整理各项化工企业的污染问题，因此，一种智能化的机械包装整体工程设备即将会使得各染料化工企业作为技术整改的标准所需。

                     

                                                          （图一）                                                                                       （图二）

 二、染料成品机械包装工程的组成
在当今全球染料生产行业，美欧等国家的生产企业基本都是向东南亚国家迁移，因此在染料的智能化包装工程设备方面，没有先进的经验可以借鉴，目前，国内染料生产企业经过经常不断竞争，企业合并与重组的现像较多，染料生产逐步向大型、连续、智能等方面进行，成品机械包装设备作为生产的最后一个环节，其效率性直接关乎着企业的整体生产量，因此设备制造企业只能借鉴目前使用的相关设备以及结合使用单位的工艺要求进行不断的整改提升，以此来满足用户的需求。
染料成品的智能机械工程设备主要由：机械包装设备、脉冲除尘设备、开箱设备（箱装）、自动制袋套箱设备（箱装）、全自动封箱设备（箱装）、自动缝包设备（袋装）、识别系统（箱装）、码垛设备等组成。
1、机械包装设备
机械称重包装设备分无人化操作模式及半自动操作模式。是整个染料成品智能化机械包装工程的核心部分，粉体染料因为单价相对较高，同时企业要提高整体生产量及降低包装车间粉尘问题，所以用户普遍要求机械包装设备需具备称重精度高、包装速度快、减少人工数量及包装环境提升等标准。同时染料企业往往根据市场所需，会生产几十甚至上百个品种，生产企业不可能为一个品种去设置一套完整的生产线，因此，往往一套机械包装设备需要包装多个不同品种的产品，所以，机械包装设备的兼容包装也是需要考虑的问题。

1.1半自动机械称重包装设备
目前国内染料的成品主要通过两种设备进行成品出料：一是喷塔干燥设备出料，二是拼混设备混拼后出料。要使用机械包装设备，就要考虑到空间高度问题，而现状是国内众多的染料生产企业，之前的生产设备主要围绕人工操作模式，因此，前端设备普遍设置较矮，出料口离地高度普遍在1.5米以内，更甚至低于1米的也存在。如计划使用普通的机械包装设备，因高度问题，无法直接使用。这样的一种局面造就了如果企业要使用机械包装，就要更改目前的现有设备，一是提升喷塔或混拼设备的高度，二是通过其他物料转送方式进行物料的提升输送，方能实现机械智能定量包装。但无论哪一种，都将是高投入资金的局面。结合用户的实际情况，设备制作企业设计出一款适用于低矮出料口的专用智能机械包装设备（见设备小样图三）。
它无需让企业去改变现有的生产设备，更无需增加配套设施，该设备仅需要一人操作，就可现实自动定量称重，它既可以对袋装染料进行称重包装，亦可以对箱装染料进行称重包装，同时设计中考虑到包装袋（箱）的规格尺寸不同，从而设计成可调节式的称重托台。而且设计过程中充分考虑粉尘收集的要素，采用涨气式的夹袋装置，使得物料在整个称重过程中基本在相对密闭的环境下进行，杜绝了落料粉尘外溢的现象，生产环境大为改善。采用伺服控制系统，称重精度稳定、产能保证。设备结构设计简单，内存物料清理方便，在整体清理中可以直接使用水清理，方便染料生产用户快速更换包装品种。同时考虑到部分用户出料口多，但不持续生产的现状，为降低用户的资金投入，设备设计成轨道式的移动模式，方便用户根据自身生产需求进行临时调整。
这样的设备对于中小型染料生产企业，是一个性价比较高的选择，但整体而言，还是需要使用人工操作。无法现实无人化模式。

   （小样图三）

 1.2 无人化机械称重包装设备
随着很多扩并后企业的重组整改及新成立的企业对于生产设备的综合布局考虑，目前很多企业已经将染料的后端生产设备的高度进行了调整，以此来满足减少人工操作的智能化管理理念，因而，一体式的智能化机械包装称重设备应运而生。（见设备小样图四）

（设备小样图四）

 该设备工作流程：自动接入纸箱-纸箱定位-纸箱提升-防尘压盖-自动给料-精度辨识-二次称重给料-称重结束降箱-纸箱移出
整个运行流程依托PLC程序控制，设备充分考虑到染料生产用户对于各种成品包装的纸箱规格大小、成品称重的重量范围、对于粉尘环境的控制要求等因素，实现了无人化运行的目的。
1.2.1纸箱的自动接入：通过光电信号的控制，结合秤体运行的实际情况，设备将自动接入空箱。
1.2.2纸箱定位：空箱接入后，根据到位信号，设备将锁定空箱位置，让其对中秤体出料口。
1.2.3 纸箱提升：防止在落料过程中，降低物料的落料冲击力，将空箱进行适当高度的提升，减少物料对纸箱的冲击。
1.2.4 防尘压盖：在落料中，对敞口纸箱进行敞口的压盖，主要是防止落料中产生的扬尘，该系统将于脉冲除尘装置衔接使用，基本实现落料无粉尘外溢现象。
1.2.5自动给料：纸箱到位后，系统将根据到位信号的确认，向纸箱内自动进行染料成品的灌装，给料模式设定多种速度，可以进行灵活调整，来满足不同生产量。
1.2.6 精度辨识：系统将根据设定的重量称重程序，自动修正给料的速度，依次来实现称重精度的稳定性。
1.2.7二次称重给料：为了满足用户提出的称重精度控制到千分之一以内，设备设定二次称重给料方式，在一次给料的精度状态下，根据实际称重精度，进行更细化的精度补充，以达到更高的称重精度要求。
1.2.8称重结束：当设备达到设定的大精度值后，系统将停止设备的给料模式，称重工作结束，在延迟吸尘信号给出后，纸箱将降低至输送线，输送机将纸箱送出，光电信号判定后完成一个纸箱的标准包装称重任务。
本套无人化机械称重包装设备设计精巧，无论从高度及所占空间，都以用户为中心发出，减少空间的占用量。设备使用了大量传感信号控制系统，整个运行流程无人化。设备采用包围式设计，采用人机界面，方便使用者操作设定流程。
这样的设备，对于大型企业实现无人化生产，是不错的选择，但是该设备不适用于编织袋包装。但根据目前染料企业生产情况，80%以上的染料生产企业，均采用纸箱包装。但，选择这样的无人化机械称重包装设备，就需要考虑其他设备的衔接，因为仅仅这样的一套无人化机械称重包装设备是无法实现生产车间无人化的运作管理的。企业想要实现成品的智能生产包装，就需要考虑到整套的机械工程布局。以纸箱包装为例，就需要使用到开箱机、制袋套箱机、理袋热合机、封箱机、码垛设备等。
2、自动开箱机
自动开箱机是整套工程设备中的前端，是设备自动将折叠成纸板箱板打开，并完成下部分胶带粘合后成型一个纸箱。目前传统的使用方式为人工对纸板进行开箱封底，使之成为一个空纸箱，人工开箱速度较慢，且工作强度较大，因此使用开箱机，不仅能够提高整体生产效率，同时也是降低了用工数量。（详见设备小样图五）。
自动开箱机针对箱纸板有一定的要求，如边角倒圆、增加折痕深度等，都是保障的开箱中的合格率。
该设备也可以单纯代替人工开箱这个环节。作为智能化染料成品机械包装工程的一部分，它将开完整的空箱输送至后端的自动制袋套箱设备。

（设备小样图五）

因目前染料生产企业的包装规格较多，因此，在更换不同规格的纸箱时候，就需要人工尺寸的进行调整，针对这一现象，很多企业在布置生产线的时候，对纸箱的规格进行了统一，一般情况下一条独立的生产线都使用一种规格的纸箱，以方便智能化的规范管理。
3、自动制袋套箱机
传统的生产工艺中，都是企业预先准备好标准的PE塑料内袋，在称重包装前，人工套入纸箱内等待包装。这样的工序有两个环节组成，一是需要购置标准PE袋，二是需要人工再次进行套装，无论从经济角度还是生产效率，需要进行改变，因此，自动制袋套箱机就是生产企业的不二选择（详见设备小样图六）。
它仅需要用户采购成卷的PE膜，当空箱进入定位后，系统将首先对卷膜一头进行热合处理，考虑到热合的效果对包装密闭的重要性，因此热合采用双道热合，即热合两条。这样即使有一条热合出现漏点，另一条也能保障底部的密闭性。设备根据用户纸箱的规格，设定袋子的长度尺寸，送膜系统在达到设定的长度后停止，裁剪装置将进行切割，这样就形成一个标准的PE塑料袋。设备中的开袋装置将PE塑料袋根据纸箱的长宽规格曾四角打开，套入纸箱内，同时吹气装置将向PE塑料袋内吹气，让袋子四周充分贴边与纸箱内壁。
该装置机械结构复杂是一套多体运行结合接卸设备，在运行中，不仅要使得PE内袋的热合完整无误，还需要套箱的完整性合格，否则将直接影响到后道称重包装及自动理袋热合的效果。

（设备小样图六）

 目前自动制袋套箱机在程序设定方面做到了简单化、易操作的程度，即如果需要更换不同规格的纸箱，仅需要在人机界面上输入相对应的参数，系统将根据修订的参数，让设备进行自动调整以满足实际生产所需。
4、自动理袋热合设备
经过开箱、制袋套箱、自动称重包装后，即需要进入到一个关键环节-自动理袋热合。
目前绝大多数染料生产企业在这个环节均采用人工处置方式，就是将PE塑料内袋人工用扎丝（扎扣）进行密封。这个环节如果没有实现无人化，则整体的染料成品智能包装工程系统就无法实现。因此自动理袋热合设备就是填补这个空白。它将称重包装好的纸箱，进行PE内袋的整理并进行热封处理，使之形成包装内袋的密闭完整性。（详见设备小样图七）

（设备小样图七）

该设备运行流程为：纸箱的定位-内袋的整理-袋内空气排除-PE内袋的热封-袋子的整形-纸箱的送出
4.1纸箱的定位：根据纸箱规格的参数，制定纸箱定位尺寸。
4.2内袋的整理：提袋装置将自动把套在纸箱的PE塑料内袋进行拉起并拉直整理。
4.3袋内空气排出：整理后的PE塑料内袋需要对其袋内的空气进行排放，以防止热合后形成袋内的鼓包，影响后续的自动封箱效果。
4.4制动热封：热合装置将对PE塑料内袋进行热封，考虑到整体热封的安全效果，设计成双道热封，保障热封的合格率。
4.5内袋的整理：这是一种重要的环节，热封口的袋口，需要用过机械方式进行整理，否则在后道自动封箱过程中，容易内袋外露，影响包装的美观度。
该装置需要结合脉冲设备一体使用，因为在排出袋内空气的时候，有可能会顺带吸附出及少量染料，为防止染料直接排放到大气，形成污染，因此需要和除尘系统进行对接使用。
该装置结构复查，但操作性相对容易，通过人机界面设定的参数，设备会自动修正相关运行参数。但设备的维护细节较多，需要用户单位关注并经常性的进行相关部件尤其是热封装置的清洁维护。
5、全自动封箱机
自动封箱机主要是将纸箱的上半部分进行自动折盖并粘贴胶带，目前国内市场上的封箱机制作单位比较多，但基本上都是不能自动调整封箱的尺寸，即在运行中往往只能对一个规格尺寸的纸箱进行封箱，如同时有其他规格的纸箱进入，则就无法正常使用。因此，一种能够随时随地自动调整封箱尺寸的设备，就显得更受用户的青睐。
该设备能够根据纸箱不同的规格，在运行中自动调整封箱的宽度、高度，以满足一台设备可以适应不同产品的封箱要求（详见设备小样图八）

（设备小样图八）

 该设备可以作为单一规格纸箱进行封箱使用，如需要同时兼容不同规格的纸箱，就需要在前端对纸箱进行一个“身份”识别，该内容将在后面的整体布局介绍中会有描述。
6、码垛系统
码垛设备作为包装的最后一个环节，曾经因受限于码垛机器人的成本高昂，维护复杂等因素，使得众多染料生产企业放弃了选择，而采用人工方式进行堆码。
人工堆码首先是人员的使用数量，其次是人工的劳动强度，一般染料的成品纸箱的高度约为0.5米左右，每箱的重量约为25kg，一个托盘的标准堆码大多为3层，每层12箱，一个托盘合计36箱（900kg）。正常的一个出料口一小时的速度平均约为2.5吨（100箱）。使用人工操作，工作强度可想而知。
随着国内机器人的不断发展，促使国外品牌的价格也从高位神坛走入相对亲民的时代。机器人码垛也越来越受到大中型染料生产企业的重视。无论从工作效率及安全性上考量，选择使用机器人堆码，是实现智能化机械包装工程的最后一环。从而可以现实智能化的规范生产管理。
三、智能机械包装工程在染料成品包装的应用
组成一套机械包装的系统工程，需要将各个机械单机设备进行功能性的衔接组合，是一套以多个装置和子系统构建的庞大体系。以满足染料生产企业对于实现无人化智能包装的需求。大中型染料生产企业都具有数十个以上的染料生产装置，如何能够在满足其同时生产的基础上，还要实现投入少，效率高的要求。这就需要进行优化组合。
如一染料生产企业，有6支喷塔组成的生产车间，想要实现经济的无人化生产，就需要在设计中充分考虑各设备的兼容性，同时还要终盘考虑用户的现场布置情况，只有这样才可以设计组合出一套机械包装工程（如下图九）。

 设计方案包含三套开箱及设备、三套制袋套箱设备、六套自动称重包装设备、六套自动理袋热合设备、两套自动封箱设备、两套机器人堆码设备以及两套托盘的输送等，整个生产流程无人化。这样的智能化机械包装工程，可以满足用户在使用三种规格的纸箱基础上，达到每小时15T的生产量。相较传统人工模式下，以每支喷塔3个人工计算，可以每一班省却18人的用工数，每年节省的人工成本约为250万元以上。
再如一染料生产企业（如下图），一包装车间有12套拼混设备，混拼后的染料需要现实无人化的生产流程，同时需要考虑到设备的兼容性以及满足用户生产流程，因而设计成单边六合一的包装码垛生产线。

 该工程系统每一套包含一台自动开箱设备、一套制袋套箱设备、两台自动称重包装设备（移动式）、一套自动封箱设备、一套机器人堆码设备以及一套托盘的输送等。可以实现每一边两种产品的同时生产包装。为了减少机械包装设备的投入，每一边仅选用两套机械包装秤，挨序进行称重包装使用。
同时存在很多染料包装企业使用多种纸箱规格，因而有些设计模式在前端就需要考虑独立的对应配置，（如下图）

该设计满足用户同时生产三个不同规格的纸箱产品，使用一套机器人码垛系统，实现无人化的生产包装。
从以上三个设计方案中，我们发现，整套智能化机械包装工程，除了单件设备外，还有众多主要注意的点，如怎样在使用多种规格的纸箱时候，封箱设备和码垛设备如何进行区分，如何保障入库成品每箱的精度都在允许误差范围内、如何确保正常使用等。
1、纸箱识别
识别不同规格的纸箱，在众多使用兼容设备的工程系统中，是核心内容，因为如果使用一套全自动封箱设备及一套机器人码垛设备，那就要对每一个规格的纸箱进行识别，这样才能确保这些设备在封箱和抓取中，正确定位。所以我们要给纸箱制造一个独立“身份”标识，一般选择用条形码。每一个纸箱都对应一个独立的条形码，该条形码可以预先在系统中设定对应好，通过专用喷绘条形码的喷码机或者在纸箱上直接打印好，亦可以把条形码预先打印在标签上，届时进行标签的自动粘贴即可（相应增加了设备成本）。每一个规格的纸箱在进入封箱设备或者机器人堆码抓取前，都将通过扫码机进行条形码的扫描识别。系统将根据相关信号数据，自动对应程序中的设置参数，以达到设备的自动调整尺寸参数，从而避免了封箱不完整或者堆码不成功的现象。方便了用户的设备资金投入。
2、重量分选
机械称重包装设备，其包装的称重度会受到诸如物料的堆密度、含水量、流动性及来料的持续性等因素的影响，从而造成偶发性的称重精度不准确，因此在智能机械包装工程中，就需要考虑加入在线重量检测复检机构，该机构将对每一箱的物料进行复秤，如果复秤的精度在允许的误差范围内，则该纸箱会自动流入下一环节，如复秤精度在允许误差范围之外，则复检机构将不合格重量纸箱推出输送线，并进行报警，提示人工进行干预。设置这个环节，主要是确保每一箱的称重精度，均在合格线内，以保障用户的权益。
3、设备的正常化使用
我们知道，一套智能化机械包装工程系统，要让其长期稳定的运行，对于日常的保养维护的分不开的。越是智能化的设备，越是需要有专业的技术人员进行日常的检查和维护，目前国内染料行业，自动化控制方面技术性工作人员相对较少，因此对于设备的维护，也是每一个准备添置类似智能机械工程设备的染料企业需要值得思考的地方
四、结论
数据显示，2018年，我国染颜料行业销售收入累计完成681.5亿元，同比增长15.3%，中商产业研究院预测，2020年我国染颜料产量将达120万吨。近年来中国、印度等国家的染料工业也因染料制造技术的转移和纺织工业的快速发展涌现出一批具有较强生产能力和研发能力的企业，对于所有染料生产企业而言，提高生产效率，降低生产成本，改善生产环境，增强竞争优势就是必然要选择的发展方向。染料成品的机械包装及其智能化机械工程，降低企业的用工成本，减少了劳动强度，提高了工作效率，在安全和环保方面也具有非常重要的意义。同时也便于企业实现自动化控制，符合现代化工企业的要求。
当然，随着染料企业对成品包装袋要求逐年的提高，在未来，如何实现100%的称重精度的机械包装称重设备、如何继续减少在包装过程中粉尘外溢甚至无任何粉尘逃逸、如何使得包装机械工程中单个机械设备的产能是我们从事机械工程人员研究的一个方向。

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