崔煥新 許海藍 牛 帥 司成林 楊 樂 張 濤

（1.中國中輕國際工程有限公司，北京，100026；2.維美德自動化（上海）有限公司，北京，100020；3.霍尼韋爾（中國）有限公司，北京，100015；4.ABB（中國）有限公司，北京，100015）

目前，現(xiàn)場儀表系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)在造紙行業(yè)已得到普遍應用。在此基礎上，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、5G 通信等新技術，將自動化控制與信息化管理高度融合，讓工廠生產與管理更具智慧，具備整體感知、預測、協(xié)同和分析能力，實現(xiàn)智能化的跨越，為企業(yè)的運營帶來工藝流程的優(yōu)化、生產成本的降低、勞動效率和生產效益的提升[1]，這是造紙行業(yè)發(fā)展的目標。

高速紙機生產線，無論是生產牛皮卡紙、瓦楞原紙、白卡紙、文化用紙等，從漿料制備到抄紙完成，所有的工藝系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)，普遍采用集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）、紙機控制系統(tǒng)（Machine Control System，MCS）、質量控制系統(tǒng)（Quality Control System，QCS）、紙病監(jiān)測系統(tǒng)（Web Inspection System，WIS）、紙機傳動控制系統(tǒng)（DRIVE）等，少量企業(yè)也配置生產過程信息管理系統(tǒng)（Pro‐cess Information Management System，PIMS）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）、企業(yè)資源管理系統(tǒng)（Enterprise Resource Planning，ERP）。其自動化結構一般可規(guī)劃為5層，見圖1。

目前，大多數(shù)造紙企業(yè)完成了第1～第2層，少部分企業(yè)實現(xiàn)了第1～第3 層，部分企業(yè)配置了第4 層ERP，但真正發(fā)揮出ERP全部功能的僅是少數(shù)。而工業(yè)4.0 則是在第4 層基礎上通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)處理云平臺等技術實現(xiàn)智能制造[2]，可以算是第5 層，大多數(shù)造紙企業(yè)正在第5層的路上。對數(shù)據(jù)收集和分析利用普遍不高的主要原因，一是控制系統(tǒng)配置在設計之初有缺陷，配置不全、系統(tǒng)間通信接口和通信協(xié)議配置不完善，如未配置MES 系統(tǒng)對生產過程數(shù)據(jù)進行分析處理。二是對大數(shù)據(jù)提取和分析重視不夠，沒有預留云端接口和預購服務，導致造紙生產線依舊停留在單純的自動化控制階段（工業(yè)2.0或3.0），與智能化（工業(yè)4.0）有差距。

本文主要探討了在工程設計階段，如何對高速紙機生產線現(xiàn)場儀表系統(tǒng)、智能MCC、自動化控制系統(tǒng)、生產管理系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)進行合理的配置；投產后如何在此基礎上利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云平臺，對大數(shù)據(jù)進行分析和利用，實現(xiàn)造紙生產線智能化運營。

1 自動化控制系統(tǒng)的典型配置

一條高速紙機生產線需設置獨立的控制室進行控制，其典型控制系統(tǒng)的配置見圖2。

1.1 常規(guī)控制系統(tǒng)

1.1.1 DCS控制系統(tǒng)

DCS控制系統(tǒng)主要用于下列造紙工藝流程中的現(xiàn)場儀表、控制閥門和電動機的控制與操作：漿料制備工藝系統(tǒng)，上漿工藝系統(tǒng)，白水回收工藝系統(tǒng)，清水、溫水、冷卻水、密封水、噴淋工藝系統(tǒng)，真空工藝系統(tǒng)，蒸汽冷凝水工藝系統(tǒng)，熱回收工藝系統(tǒng)，損紙工藝系統(tǒng)，化學品制備工藝系統(tǒng)，廠房通風系統(tǒng)等。

廠房通風系統(tǒng)主流設計，一般由通風設備自帶本體PLC進行控制，將部分重要信號（如運行狀態(tài)、故障、溫度等）以硬接線的方式送至DCS 進行監(jiān)視，也有少部分用戶，直接在DCS上進行控制。

蒸汽冷凝水系統(tǒng)、化學品制備系統(tǒng)一般在DCS上進行控制，但也有紙機供貨商要求在MCS 上進行控制。

1.1.2 MCS控制系統(tǒng)

MCS 是用于紙機本體的控制，大多隨紙機制造商配套供貨，主要用于紙機本體各部件、紙機輔助傳動的控制與連鎖，如紙機油潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等。另外，紙機噴淋系統(tǒng)的部分噴淋水閥，以及所有不在DCS 或QCS 上體現(xiàn)的控制和連鎖功能，均由MCS 進行控制。MCS 控制系統(tǒng)以數(shù)字量為主，總I/O點數(shù)一般在4000左右。

對于高速紙機，一些用于執(zhí)行特定功能、紙機專用的控制子系統(tǒng)也屬于廣義的MCS 范疇。如WMS、CMS，這些系統(tǒng)一般由紙機制造商配套供貨，也可以由第三方單獨提供。目前紙機配套提供的典型配置方案是將WIS/WMS 集成在一起進行監(jiān)視，便于信息的集成和分析。

紙病監(jiān)測系統(tǒng)（WIS）用于標記紙張的瑕疵，為下一步在完成車間紙張分切提供信息，剔除掉不合格的紙張，提高產品的等級。

圖1 自動化分層結構

圖2 紙機典型控制系統(tǒng)配置圖

紙張斷紙監(jiān)視系統(tǒng)（Web Monitoring System，WMS）用于實時的數(shù)字化紙張斷紙檢測和分析，系統(tǒng)由攝像頭、照明光源，轉換控制箱、圖像處理器、圖像存儲服務器、操作員站組成。攝像頭的數(shù)量一般在10～20臺左右，具體數(shù)量根據(jù)紙機的規(guī)格確定。

紙機運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)（Condition Monitoring System，CMS）用于對能影響紙機穩(wěn)定運行的各部位進行監(jiān)測，如對設備狀態(tài)的監(jiān)測、紙機運行狀態(tài)監(jiān)測、潤滑油在線狀態(tài)監(jiān)測等。

通過對安裝在紙機本體各部位的各類傳感器發(fā)出的信息進行分析和提前預估，及早發(fā)現(xiàn)問題，采取必要的干預措施，保證紙機的正常運行。

根據(jù)紙機的機臺情況，設置的監(jiān)視點少的幾百點，多的達到2000點（涂布白卡紙生產線），典型的配置在1000 點左右。為了節(jié)約投資，建議有壓區(qū)的輥子，左右兩側都安裝振動傳感器，而烘缸只在一側安裝振動傳感器。

CMS 是一套典型的機電一體化系統(tǒng)，它需要經驗豐富的機修人員能對各種數(shù)據(jù)曲線進行分析，得出正確的判斷，才能發(fā)揮出CMS 的作用。但分析經驗的積累不是短時間能具備的，因此對用戶機修工程師的操作培訓非常重要，作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一部分，供應商提供的遠程分析也是非常有效的方式。

1.1.3 QCS控制系統(tǒng)

質量控制系統(tǒng)（QCS）是一個成熟的系統(tǒng)，幾乎每臺紙機都配備，現(xiàn)在也稱為質量管理系統(tǒng)（QMS），就是通過設置在掃描架上的各種傳感器對紙幅的各種指標進行測量，綜合分析后，通過設置的橫向（CD）、縱向（MD）的執(zhí)行機構，對紙幅的水分、定量、厚度等進行控制。1 臺紙機可以根據(jù)需要設置多臺掃描架，每臺掃描架布置各種所需的傳感器，如水分、定量、灰分、厚度、顏色等傳感器。

1.1.4 紙機傳動控制系統(tǒng)（DRIVE）

紙機傳動控制系統(tǒng)（見圖3）是將紙機各個主傳動部位連接同步運轉，是保證紙機穩(wěn)定運行的重要系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機械減速裝置、調速裝置、分部傳動控制裝置等構成。DRIVE 系統(tǒng)主要體現(xiàn)在速度鏈控制、負荷分配控制、張力控制、加壓順序控制、轉移施膠涂布機控制、斷紙連鎖控制等方面?？刂茖哟伟ㄒ韵聨追矫妗?/p>

●在傳動機柜室：對交流電動機速度、電流、張力等參數(shù)的控制。

圖3 紙機傳動控制系統(tǒng)（DRIVE）

●在現(xiàn)場操作臺：配置智能化操作面板，與DRIVE 控制器實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，對紙機的相關參數(shù)進行調整的控制。

●數(shù)據(jù)監(jiān)控：通過系統(tǒng)留有的維護、管理用通信接口，去實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。

由于漿料配比、紙漿特性、紙機運行狀況等條件的改變，使得紙機車速有較大的調整范圍；電源的電壓、頻率以及負荷等因素的變化也會引起紙機車速的變化；同時紙機上各分部受到不同牽引力作用，在烘缸各段加熱溫度不同，都會使紙幅產生縱向的伸長或收縮。因此，為確?？刂品€(wěn)定精確，DRIVE 系統(tǒng)是一個變速的分部傳動控制系統(tǒng)。

1.2 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)

1.2.1 安全儀表系統(tǒng)[3]

大型的化學制漿生產線，需要設置安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，SIS）或（Safety Related System，SRS）。在漿料處理設備中，同樣需要采取提升機械本質安全的措施，通常是設置現(xiàn)場安全急停鏈系統(tǒng)，來保證生產中的安全性。

根據(jù)工藝系統(tǒng)和設備的區(qū)域布置，將有緊急停止要求的電動機和設備進行分組，設置現(xiàn)場急停鏈，一條急停鏈對應一組。急停鏈中的任何一個緊急停止按鈕或拉線開關被觸發(fā)，則該急停鏈的所有電動機將被停止，且設備被控制到安全狀態(tài)。急停鏈中的電動機和設備會一直處于安全鎖定的狀態(tài)，直到急停鏈中所有急停開關被恢復到正常，且由人工通過復位確認按鈕手動解除急停。

安全急停鏈主要用于漿料制備系統(tǒng)的碎漿、備漿、損紙?zhí)幚?、白水回收，損紙收集、紙機傳動等子系統(tǒng)中。每條急停鏈包括以下硬件。

●帶清晰安全標識的緊急停止按鈕或拉線開關：應布置在易于觀察并方便接近的現(xiàn)場設備附近，1 個急停鏈中的緊急停止按鈕相距不應超過15 m。

●帶指示燈的復位確認按鈕：布置在車間危險區(qū)域外的安全位置。

●符合SIL 或PL 等級的安全繼電器，擴展模塊等。安全繼電器的工作電源由UPS電源提供。

●急停按鈕的一個常開觸點作為DI信號接入車間DCS系統(tǒng)，用于指示急停鏈由哪個急停按鈕觸發(fā)，便于在系統(tǒng)中追溯和查詢。

安全急停鏈系統(tǒng)是獨立于過程控制系統(tǒng)的獨立系統(tǒng)，為滿足機械及人身安全要求所設置，不同于DCS系統(tǒng)中常見的單機停機或組停機連鎖邏輯，急停動作優(yōu)先級高于DCS系統(tǒng)中的邏輯停機。

1.2.2 智能MCC的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)

來自低壓MCC智能馬達保護器的信號，一般采用Profibus-DP 協(xié)議傳輸?shù)紻CS，由于傳輸負載的原因，將所有信號都傳輸?shù)紻CS是不現(xiàn)實的，很多信號與生產過程控制關聯(lián)不大，但對MCC的監(jiān)視和維護是有用的。通過設置Profibus gateway 將信號分成兩路；一路送到DCS，如運行信號、故障信號、啟停命令、電流等；另一路送SCADA 系統(tǒng)（見圖4），由SCADA 系統(tǒng)將這些信號收集起來進行監(jiān)控，如過載、缺相、欠載、相不平衡和相序、相電流、線電壓等。對脫扣狀態(tài)、報警狀態(tài)、距離脫扣時間、距離脫扣后重新啟動時間、最近脫扣原因記錄等維護診斷數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)保存在SCADA服務器中，用于維護查詢，也可以采用OPC協(xié)議傳輸?shù)焦S的PIMS上，做進一步分析和利用。

圖4 智能MCC的SCADA 系統(tǒng)

1.2.3 信息管理系統(tǒng)

生產過程信息管理系統(tǒng)（PIMS）用來集中收集儲存生產過程信息、產品質量數(shù)據(jù)及廠區(qū)其他數(shù)據(jù)，一般與DCS、MCS、QCS 掛在一張網(wǎng)上，屬于DCS 的一部分。該系統(tǒng)是追蹤紙張質量、產品損失分析、數(shù)據(jù)過程控制與操作人員日志的工具。收集到的歷史趨勢數(shù)據(jù)，可供定制報表，要配備ODBC 開放式數(shù)據(jù)庫以及與其他系統(tǒng)進行實時信息交換的硬件設備。

1.2.4 生產及安全監(jiān)控系統(tǒng)

閉路監(jiān)控系統(tǒng)（Closed Circuit TV Systems，CCTV）是智能化工廠所必備的，用以監(jiān)控關鍵的工藝生產設備區(qū)域、工廠的出入口、主車間的進出口、主生產操作車間內部現(xiàn)場狀況?？梢圆捎萌四樧R別技術，對進出車間人員進行身份識別和監(jiān)控。

監(jiān)控器采用液晶拼接顯示器進行顯示，監(jiān)控器可以單獨布置在集控中心，但對于造紙生產線多布置在造紙DCS控制室。

監(jiān)控探頭的數(shù)量與用戶協(xié)商確定，少則30 臺，多達百臺以上。室外監(jiān)控探頭，應具有夜視功能。智能探頭可光纖連接。

1.3 專用的配方管理軟件包

對于化學品制備系統(tǒng)，特別是膠料制備、涂料制備工藝系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)供貨商（Valmet、GAW、BAV等）都會配置一套獨有技術的配方管理軟件包，類似BATCH PROTOCAL。若將整個化學品系統(tǒng)融到造紙企業(yè)DCS 上進行控制，對DCS 來說，實現(xiàn)配方功能是很難的，在DCS側設置配方控制服務器，通過OPC通信協(xié)議，將化學品系統(tǒng)配帶的配方服務器上的數(shù)據(jù)和操作畫面，傳輸?shù)紻CS，應為上策的選擇。

1.4 專用PLC控制系統(tǒng)

對于造紙生產線上復卷機（Winder）的控制，由設備配帶的PLC 進行控制。1 臺復卷機，典型的I/O點數(shù)在1000點左右。

其他工藝設備，如真空透平機、盤磨機、高濃除渣器等，這些設備不建議配帶小型PLC，應納入DCS進行集中控制。

1.5 控制系統(tǒng)的集成與整合

綜上所述，一條高速紙機生產線，以DCS 控制系統(tǒng)為中心，再配置各種執(zhí)行不同功能的控制子系統(tǒng)，如何把DCS 與各控制子系統(tǒng)整合在一起，實現(xiàn)信息化，避免自動化孤島，是下一步實現(xiàn)工廠智能化的重要一步。

對控制系統(tǒng)的整合，有兩種成熟的辦法，一是采用系統(tǒng)集成的方法，即采用一個品牌的控制系統(tǒng)供貨商來提供；二是系統(tǒng)分散采購，系統(tǒng)由用戶集成，在采購各控制系統(tǒng)時約定系統(tǒng)之間的通信協(xié)議和通信方式、傳輸數(shù)據(jù)的內容等。大型高速紙機的首選方案應是采用系統(tǒng)集成的方式，具體優(yōu)點如下。

●DCS、MCS、QCS、WIS、DRIVE 采用一家供貨商來供貨，各系統(tǒng)可以掛在同一張網(wǎng)上，數(shù)據(jù)采集到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務器，方便信息共享及對外輸出，減少各系統(tǒng)間的OPC服務器數(shù)量及接口。

●采用相同的用戶界面，操作和維護方便。

●整個網(wǎng)絡可采用一個共同的歷史數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)比較、分析和報告，更直接有效。

●通用硬件的備用大大減少，如I/O 卡件、通信模件、控制器等，從而降低維護成本。

●各系統(tǒng)的編程組態(tài)，具有相同的工程環(huán)境，降低用戶修訂成本。

●與MES、ERP 通信時僅需1 個通信接口，實現(xiàn)信息在整個系統(tǒng)中共享。

新項目若只有紙機生產線，選擇單一品牌的控制系統(tǒng)供貨商進行系統(tǒng)集成是最理想的做法，至少把DCS、MCS、QCS、WIS 等集成在一張網(wǎng)上，DRIVE系統(tǒng)可單獨采購。若選擇的系統(tǒng)由用戶自己集成，一般要按表1中的方式來約定DCS 與各系統(tǒng)間的通信協(xié)議和通信方式，傳輸數(shù)據(jù)的內容在開球會上提出。

表1 DCS系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)的通信協(xié)議

2 系統(tǒng)的進階配置

2.1 智能MCC

智能MCC 在高速紙機生產線中得到了廣泛的應用，DCS的網(wǎng)絡結構也發(fā)生了變化，設計思路及提資要求也有很大的不同，在設計時要給予應有的重視，電氣專業(yè)要和DCS 專業(yè)密切配合，提出合理的通信方案。如由于電動機的控制是通過通信方式與DCS相連，DCS的I/O 卡件顯著減少，I/O 柜總數(shù)減少，但DCS 的CPU 負荷及內存不但沒有減少，反而有所增加，這與每臺電機要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)多少有關；建議每臺電機要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不要太多，否則很容易造成網(wǎng)絡堵塞；對低壓智能MCC（690VAC 及以下），主流的智能馬達保護器，無論是SIEMENS 的SIMOCODE，還是ABB 的MCU，都是采用Profibus-DP 協(xié)議和光纖傳輸介質，不用MODBUS；典型的工程經驗是每條Profibus-DP 的負載電機的數(shù)量在50 臺以內，若條件允許，40 臺以內。在MCC 側的OLM 供電，應由MCC柜內獨立設置的UPS供電。

變頻控制的電機采用智能模塊的變頻器，屬于智能MCC 的范圍。建議采用單獨一條DP 線控制，不和其他普通智能MCC混用一條線。

2.2 現(xiàn)場設備管理（Field Device Manager，F(xiàn)DM）服務器

設置FDM 服務器是必要的，可以單獨設置，也可以與其他服務器集成在一起。基于對HART、Profi‐bus 和FF 等開放標準的支持，F(xiàn)DM 可作為全廠范圍內智能儀表的統(tǒng)一管理工具，不論設備的生產廠家和類型。FDM 使用未經修改的設備描述（DD）和設備類型管理（DTM）文件，執(zhí)行所有的設備組態(tài)、管理和診斷任務，并支持DD 或DTM 文件中描述的所有功能和特性，簡化了用戶對智能儀表的維護任務。

另外，F(xiàn)DM 允許Client 客戶端通過工廠分布式網(wǎng)絡結構遠程訪問HART 數(shù)據(jù)、使用FDM 服務器提供的所有功能。

2.3 DCS操作員培訓系統(tǒng)和培訓仿真系統(tǒng)

DCS操作員培訓系統(tǒng)和培訓仿真系統(tǒng)英文縮寫都是OTS（Operator Training System），但這是兩套不同內涵的系統(tǒng)，操作員培訓系統(tǒng)是一種常見的離線培訓系統(tǒng)，一般用DCS 硬件——控制器、I/O 卡件、操作員站搭建一套獨立的系統(tǒng)，用于操作員的離線培訓、熟悉系統(tǒng)操作。而操作員培訓仿真系統(tǒng)是一套模擬動態(tài)工藝過程的仿真機，與DCS 實時相連，對操作員進行培訓。通過數(shù)字雙胞胎技術，操作人員能夠模擬各類正常及特殊的工況，在造紙機真正啟動前對DCS操作與紙張生產有所了解，掌握和學習操作要點及處理規(guī)程。不同于化學制漿生產線，有成熟的OTS應用案例，但到目前為止，對于紙機生產線的模擬仿真系統(tǒng)未有實際應用的產品和案例，這有待造紙機廠家與系統(tǒng)供應商共同開發(fā)。

2.4 同步時鐘的設置

高度協(xié)作的紙機各自動化系統(tǒng)之間需要保持統(tǒng)一的高精度時鐘同步。通常做法是設置時鐘服務器，以GPS 或北斗衛(wèi)星作為時間來源，應用NTP（網(wǎng)絡時間協(xié)議）將所有計算機系統(tǒng)的時間通過網(wǎng)絡進行授時，形成整個集成自動化系統(tǒng)毫秒級誤差的時間同步，對SOE進行時間定位。

2.5 冗余的策略

DCS、MCS、PLC 等控制系統(tǒng)的控制器最好采用冗余配置，服務器采用冗余配置，智能MCC 采用Profibus-DP通信的介質應考慮冗余備用。

I/O卡件一般不需要冗余配置，但I/O柜內需要預留20%左右的擴展空間。

2.6 虛擬化技術

（1）自動化控制系統(tǒng)虛擬化平臺

自動化控制系統(tǒng)虛擬化平臺見圖5。該平臺以DCS控制系統(tǒng)為中心，采用集成自動化控制系統(tǒng)的方案，將系統(tǒng)集成在一起，掛在一條網(wǎng)絡上，設置一套帶有硬盤的冗余高性能服務器，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)歷史服務器等各服務器族群、各客戶站、客戶端的虛擬化。采用這種虛擬技術的優(yōu)點是虛擬服務器通過虛擬出任意版本的Windows 系統(tǒng)，可以將原先束縛在普通PC、普通服務器硬件上的控制站點解放出來，在升級自動化系統(tǒng)的軟件時就不再受制于硬件。

（2）結合云技術的虛擬工程平臺

利用云平臺搭建的自動化控制系統(tǒng)虛擬化平臺是一個開放的自動化虛擬工程平臺，對傳統(tǒng)自動化項目執(zhí)行帶來巨大的變革。合同生效后就可以在云端虛擬平臺創(chuàng)建任意版本、配置、規(guī)模不限的DCS 控制系統(tǒng)，工程可以隨時開始，而不受制于硬件和軟件的購買和安裝時間限制；通過高速VPN 訪問接口，可以隨時將工程從虛擬機轉移到本地的虛擬或物理系統(tǒng)中。項目團隊借助公有云，可以在世界任何地方協(xié)作進行編程組態(tài)、測試、培訓及遠程FAT 等工程服務。相比于傳統(tǒng)方案，虛擬工程平臺不僅可以大大節(jié)約成本，還能夠縮短自動化項目的執(zhí)行周期。

需要注意的是，訪問虛擬服務器必須設置許可證制度、必須設置安全防火墻以及嚴格的病毒預防和數(shù)據(jù)加密。

2.7 虛擬專用網(wǎng)絡的設置

虛擬專用網(wǎng)絡（Virtual Private Network，VPN）每個DCS、MCS、QCS、DRIVE 等控制系統(tǒng)應該設置訪問外網(wǎng)的軟件與接口，主要用在安裝調試期間，用戶與控制系統(tǒng)供貨商技術中心、工藝設備供貨商服務中心之間進行信息、文件的傳輸和指導調試，以實現(xiàn)在生產線運行出現(xiàn)故障時，為用戶提供遠程維護和診斷，連接示意圖見圖6。具體做法是：客戶端DCS 設備通過網(wǎng)絡連接到云端服務器，用戶將信息和需求通過私有云或混合云，傳輸?shù)皆贫朔掌?，或利用云計算、或與異地大數(shù)據(jù)運行客服中心的專家進行溝通，雙向交流，快速得到解決問題的策略和指導，云服務器自動分析設備運行數(shù)據(jù)，對出現(xiàn)異常及時向客戶提出警告，及時排除故障避免產生損失。這是智能工廠信息化的一個重要體現(xiàn)。

2.8 供電和接地（UPS）

控制系統(tǒng)的UPS 電源，一般不太要求冗余配置。DCS、MCS 等控制系統(tǒng)接地，按等電位的方式即與電氣專業(yè)共地。

2.9 工業(yè)網(wǎng)絡安全

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡病毒也向工控系統(tǒng)蔓延，如已發(fā)現(xiàn)的“震網(wǎng)”病毒、“WannaCry”勒索病毒、烏克蘭電網(wǎng)攻擊等針對工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全事件，工業(yè)網(wǎng)絡安全防護必須考慮，這是需要包含物理、軟件、網(wǎng)絡、管理等在內的復雜系統(tǒng)工程。目前采用比較成熟的措施，諸如安全防火墻、防病毒軟件、系統(tǒng)補丁管理軟件、USB管理、網(wǎng)絡風險評估及檢測系統(tǒng)、在線備份和恢復系統(tǒng)等。

圖5 自動化控制系統(tǒng)虛擬化平臺

圖6 VPN網(wǎng)絡連接示意圖

3 MES系統(tǒng)的運用

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）工作流程見圖7。該系統(tǒng)用于紙機生產線全流程閉環(huán)管理，MES 通過接收DCS、QCS、MCS 等過程控制系統(tǒng)的在線信息及其化驗室的信息，實現(xiàn)訂單計劃排產、生產跟蹤、分切系統(tǒng)優(yōu)化、紙品追蹤分析檢索、生產自動化、成本分析、設備管理、倉儲管理、發(fā)貨管理、能源優(yōu)化管理、決策支持、與ERP 系統(tǒng)交互等整體MES功能。

MES 能夠與ERP（SAP）的主數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)實時傳輸。ERP的采購訂單、銷售訂單等數(shù)據(jù)能夠通過接口自動傳入MES；倉庫入、發(fā)、存、批次等數(shù)據(jù)能夠從MES 按邏輯自動傳入ERP。若用戶沒有配置ERP，訂單錄入采用手工方式導入MES。MES所需的硬件配置包括：①布置在紙機機柜室內的雙機熱備高端服務器；②布置在現(xiàn)場帶操作員站的客戶端；③掃描槍、手持終端PDA、條碼打印機、標簽打印機、針式打印機；④網(wǎng)絡終端機柜及配電柜；交換機、光纖收發(fā)器、內部光纖及網(wǎng)線等所有附件。

MES 服務器需要做到真正的冗余，而不是鏡像方式。MES現(xiàn)場機柜220 VAC電源，由各工藝設備供貨商配帶的現(xiàn)場機柜就近提供。MES 系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)的通信協(xié)議見表2。

表2 MES系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)的通信協(xié)議

4 現(xiàn)場儀表的設置

現(xiàn)場儀表系統(tǒng)的配置包括各類變送器、傳感器、控制閥門、分析儀表及輔助附件等，要根據(jù)生產規(guī)模、產品品種和工藝要求，在保證可靠性的前提下，按合理的性價比進行配置。

圖7 MES 系統(tǒng)閉環(huán)工作流程

對各類常規(guī)溫度、壓力、液位等變送器的選用，按介質類型來選擇變送器接液部材質和連接形式。

對控制閥門，主要按介質類型來選用氣動開關或調節(jié)閥門，閥門一般選用硬密封。另外，要注意工藝是否有FO、FC、FI 的要求，是選擇單作用還是雙作用；對閘板閥，要注意是否有雙面密封的要求等。

對各類濃度變送器的選用，根據(jù)工況和工藝的要求，選用刀式、旋轉式、光學、微波等形式的漿濃變送器。

上漿系統(tǒng)中，對漿中纖維特性進行在線分析的專用儀表，如電荷分析儀（Cationic Demand Analyzer）、留著率分析儀（Retention Measurement Analyzer）、游離度分析儀（Freeness Measurement）等，一般隨紙機配帶。

4.1 選擇帶Hart協(xié)議的變送器

為實現(xiàn)智能工廠對現(xiàn)場設備的管理，變送器及閥門定位器應配帶Hart 協(xié)議，帶Hart 協(xié)議的變送器應支持用于資產管理的電子設備描述（EDDL 或DTM），變送器供貨商應提供DTM 文件給DCS 供貨商，并下載到DCS Hart管理服務器上。

4.2 選用儀表要重視可靠性

現(xiàn)場工況繁雜，選用維護方便和使用壽命長的儀表，是實現(xiàn)智能化工廠的重要保障。盡管一次性投資很大，但人為減少現(xiàn)場儀表的數(shù)量和降低質量，是不能夠實現(xiàn)工廠智能化的。

4.3 選用配帶信息化功能的儀表

為適應工業(yè)4.0 智能化的理念，一些新型的智能變送器、傳感器、電氣閥門定位器等裝置，內置專用的APP 應用程序，用戶可以通過藍牙技術或無線通信技術，在近距離內（一般為25 m 以內）用智能手機或平板電腦進行無線連接，獲得產品的所有信息，進行快速參數(shù)設置、顯示和狀況診斷。

這類智能儀表對日常維護提供了巨大的便捷性，如安裝在大型漿塔頂部的雷達液位計、安裝在高空管道上的儀表，在日?，F(xiàn)場巡視時，不需要爬高，就近利用智能手機進行遠程診斷和參數(shù)設置。

4.4 采用具備可擴展性和方便安裝的輔助裝置

經驗證明，在現(xiàn)場設置三位一體的接線箱，將信號、氣源、電源等置入接線箱內，采用多芯電纜接到DCS I/O柜，可使智能工廠的維護和改造變得簡單。

5 打造智能工廠的技術手段

在完成過程自動化、數(shù)字化和信息化的基礎上，如何利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和云平臺打造智能化工廠，離不開自動化設備制造商、系統(tǒng)軟件供應商研發(fā)推出的新產品和新技術手段。他們提供的帶有智能化概念的產品、APP軟件、分析軟件和云端專業(yè)服務極大地豐富了造紙行業(yè)智能化的內涵，讓智能化走進現(xiàn)實。

目前，利用比較多的公有云平臺有：亞馬遜的AWS、微軟的AZURE 及ali 云等。基于對工藝、設備及自動化的深刻理解，各供應商提出了一系列解決方案，用于指導工廠的智能化生產、設備維護和商業(yè)業(yè)務。但自動化及造紙設備供應商提出的解決方案應值得關注，他們開發(fā)的結合人工智能（AI）的數(shù)據(jù)驅動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用程序，在云平臺對用戶傳輸過來的來自設備和生產過程中的大量數(shù)據(jù)、來自實驗室的質量數(shù)據(jù)、來自企業(yè)資源計劃和生產執(zhí)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息，在云環(huán)境中進行分析和預判，預測即將到來的變化和事件，根據(jù)預測做出決策，提前通知用戶進行主動防御，或讓系統(tǒng)自動填充最佳設定值。

讓有經驗的設備供貨商和專家服務團隊，對大數(shù)據(jù)進行提取和運用的同時，要防備信息傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃?，做好授權操作和防火墻隔離措施，并需要用戶和供貨商之間簽訂保密協(xié)議。實現(xiàn)安全、保密的連接和數(shù)據(jù)管理，IT（信息技術）將會發(fā)揮主要作用。

5.1 傳統(tǒng)控制室拓展至控制空間的理念，也是工廠智能化的一種體現(xiàn)[4]

在控制室外，從物流管理、實驗室到各管理層，整個現(xiàn)場社區(qū)都需要相關流程的特定信息，由于這些信息也可以在傳統(tǒng)的控制室之外接收和處理，稱之為“控制空間”，在控制空間，通過設置網(wǎng)絡安全措施，根據(jù)用戶角色設置權限，按需求共享信息。讓用戶依據(jù)權限對工藝過程進行支持與協(xié)作，這樣無論用戶走到任何地方，都可以采用移動設備接收這些信息，也可用于執(zhí)行必要的控制、監(jiān)測和報告任務，減輕傳統(tǒng)控制室內操作人員面對眾多數(shù)據(jù)的壓力。如Valmet DNA User Interface 用戶界面（DNA UI）、ABB DCS 的Smart Client 等，均是采用網(wǎng)絡技術開發(fā)的可移動用戶界面（User Interface），打造“控制空間”，讓用戶在任何時間、任何地點、任何移動操作終端上都能利用這個界面。

5.2 借助云平臺實現(xiàn)遠程管理、維護與故障預判成為一種主流

用戶有了足夠的來自現(xiàn)場設備的運行數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)故障，工廠可能缺乏有經驗的專家來解讀，最好的設備專家來自于外部專業(yè)供應商或服務機構，可將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆贫耍试S經過授權的外部供應商或服務機構查看數(shù)據(jù)，利用復雜軟件進行全天無休的高級自動分析和遠程診斷，提出預防性維護建議或改進性能的具體措施，幫助現(xiàn)場工程師快速診斷潛在問題并進行維護。如ABB 開發(fā)的Ability?配電控制系統(tǒng)-芯Vision，是采用ABB 與微軟聯(lián)合開發(fā)的云架構傳輸、存儲和分析數(shù)據(jù)，通過路由器實現(xiàn)云連接，幫助用戶遠程監(jiān)測電氣系統(tǒng)，實施電能管理，實現(xiàn)節(jié)能增效，見圖8[5]。又如SIEMENS 紙機傳動性能分析（DPA）系統(tǒng)[6]，為避免云數(shù)據(jù)交換量過大，在現(xiàn)場架設模型計算與邊緣計算設備（云橋），利用SIEMENS的Mindsphere 云平臺，完成數(shù)據(jù)采集，依據(jù)內置算法，在沒有張力傳感器的條件下，計算出整機各機架間張力，并結合生產紙種的運行大數(shù)據(jù)，對張力與參數(shù)設置進行遠程實時監(jiān)測，給出斷紙預測報警（以往的提前預估只能靠在實驗室測量紙張質量，如強度等），見圖9。

5.3 虛擬現(xiàn)實技術的應用

采用市場上已推出的可實現(xiàn)遠程診斷的智能頭盔，帶有毒氣體檢測、生命體征檢測和人員定位的智能個人防護設備、移動終端軟件、基于VR/AR 技術的虛擬培訓系統(tǒng)等工具，提高人員的生產力及安全性，這些裝備和技術手段的采用，也是智能工廠的一種體現(xiàn)。

圖8 利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)傳輸與云計算

圖9 SIEMENS紙機傳動性能分析（DPA）系統(tǒng)

6 結 語

打造基于信息化、互聯(lián)網(wǎng)及人工智能技術的控制系統(tǒng)，對整個生產工序集成控制，是智能化造紙生產線追求的目標，要分步實施。第一步，在設計階段就要把現(xiàn)場儀表系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等基礎自動化建立起來，使生產過程數(shù)字化和信息化，讓高質量的數(shù)據(jù)成為企業(yè)的資產，這是實現(xiàn)工業(yè)4.0 的基石；第二步，投產后由IT 人員根據(jù)需求，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，將數(shù)據(jù)接入云端，在云端讓經過授權的外部設備供應商或服務機構，利用數(shù)據(jù)挖掘技術、云計算技術、大數(shù)據(jù)分析技術，對數(shù)據(jù)資產進行有效的管理和利用，實現(xiàn)將工廠數(shù)字化轉型為智能化的目標。

打造智能化造紙生產線要因地制宜，要考慮適應性和可操作性，要根據(jù)工藝需求進行配置，注重投資性價比，同時兼顧操作人員的操作水平和培訓，提高利用率。

信息傳輸?shù)皆贫?，要注意傳輸?shù)谋Ｃ苄院桶踩?，要設置防火墻和授權，要簽訂保密協(xié)議。

利用云平臺，訂制由外部設備供應商或服務機構提供的專家級服務，用戶一般需要按每月或按使用的流量多少來支付相應的服務費用，但為讓設備保持智能運維，提前預測潛在的故障，減少非計劃停機，提高生產效能，真正實現(xiàn)造紙企業(yè)的智能制造、綠色制造，這些付出是必要的。