王波 李友明 李繼庚

摘 要：本文以維達紙業(yè)（中國）有限公司制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的運行數據為依據，通過數據波動分析、生產過程故障診斷、生產數據對標和生產設備監(jiān)測等幾個方面，展示了MES對于生活用紙企業(yè)精細化管理的提升、幫助企業(yè)實現降低成本、提高生產效益的生產實踐。

關鍵詞： 生活用紙;精細化管理;制造執(zhí)行系統(tǒng)

中圖分類號：TS7

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.01.014

作為典型的流程工業(yè)，造紙工業(yè)具有高耗能、高污染和原材料消耗大等特點，面臨著巨大的節(jié)能減排壓力[1]。造紙工業(yè)生產過程復雜，物料流、能量流和信息流耦合嚴重，且各個控制系統(tǒng)之間信息集成度低，生產過程透明化程度低，關鍵數據容易局限于某“信息孤島”中，無法實現生產信息共享，導致生產效率低下、能源管控困難[2-3]。因此，如何提升造紙工業(yè)智能制造水平，對造紙工業(yè)實現節(jié)能降耗和可持續(xù)發(fā)展意義重大。

隨著產業(yè)集中度的不斷提高，造紙工業(yè)正趨向集團化發(fā)展，這也為集團的生產管控帶來了新的挑戰(zhàn)。例如，在對能源進行管理過程中，由于集團的下屬企業(yè)能源品種、管理方式、工人操作習慣及地域氣候不同，過往的節(jié)能數據缺乏時效性和針對性，集團總部往往不能實時掌握下屬各企業(yè)的能源利用狀況，導致集團總部對于設置于不同區(qū)域的下屬各企業(yè)能源系統(tǒng)的管控困難。如何實現生產過程精細化管理，是一個值得研究的問題。

對于造紙企業(yè)來說，普遍的企業(yè)信息化結構是由企業(yè)管理層（ERP/MRPII）和過程控制層（DCS/PLC）所組成的二元結構。前者負責企業(yè)層面，包括生產資源計劃、制造計劃、財務、銷售、采購等方面的管理，后者負責生產過程控制，二者之間不存在交互和聯系。而這也導致了企業(yè)管理層和過程控制層之間脫節(jié)的問題：首先，ERP管理系統(tǒng)不能對工廠的生產活動進行有效及時控制操作，使生產過程沒有切實可行的作業(yè)計劃作為指導;其次，工廠控制系統(tǒng)的操作信息和數據不能及時、準確、真實、直觀地反饋給管理系統(tǒng)，使企業(yè)管理層無法真實有效地把握生產實際情況，這些都使已經普遍實施的ERP、DCS等系統(tǒng)的能力大打折扣，導致這些系統(tǒng)的潛能大部分被掩埋[4-6]。

面向車間層的管理信息系統(tǒng)——制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）作為連接企業(yè)管理層和過程控制層的中間信息橋梁，很好地解決了上述問題。MES為操作人員和管理人員提供計劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源（人、設備、物料、客戶需求等）的當前狀態(tài)，解決了工廠生產過程的黑匣子問題，從而實現生產過程的可視化和可控化。因此，MES為企業(yè)信息化過程中的生產過程精細化管理提供了基礎和必要條件。針對如何利用企業(yè)信息化系統(tǒng)、實現生活用紙生產過程精細化管理這一問題，本文以維達紙業(yè)（中國）有限公司（以下簡稱維達紙業(yè)）的MES運行數據為依據，對生活用紙生產過程中降本增效的案例展開了研究。

1 數據波動分析

生產過程中，某些數據波動是正常現象，但對于穩(wěn)定生產的過程，如某些參數發(fā)生較大幅度的變化后，會導致消耗數據偏高，并進一步影響原本穩(wěn)定的生產過程。

對于生活用紙生產企業(yè)來說，在未發(fā)生轉產、開停機等狀態(tài)下，主蒸汽的用量通常在一個較小的范圍波動。以維達紙業(yè)某工廠為例，在生產過程中，鍋爐主蒸汽壓力通常在5%的幅度內波動。圖1所示為MES記錄的該工廠主蒸汽壓力在1周內的變化情況，該蒸汽供汽壓力的歷史平均值約為0.1 MPa，但是在圖1所示的1周內，其壓力波動幅度多次超過10%，最大壓力波動值為0.26 MPa，波動幅度超過28%。

通過MES調取對應時段紙機蒸汽用量與鍋爐主蒸汽壓力波動曲線進行對比（如圖2所示）可以發(fā)現，紙機蒸汽瞬時流量的波動幅度與鍋爐主蒸汽壓力的波動幅度曲線鏡像相關。其中，蒸汽壓力波動幅度平均為10%，最大為28%;蒸汽消耗量波動幅度平

均也達到10%，最大達到28%。由此可見，蒸汽壓力輸送不穩(wěn)定導致生產的不穩(wěn)定，只能通過紙張過干燥來彌補壓力偏低時的影響，導致蒸汽浪費。

通過MES的數據對比，查清了造成相關能量損失的原因，即可制定有效的管理方法來降低生產過程能耗，如制定壓力限值標準，不斷降低超壓力或壓力不足的頻次和時間。經過實踐跟蹤數據，將鍋爐主蒸汽壓力平均波動幅度由10%降低至5%，實現蒸汽消耗下降1.2%。

2 生產過程故障診斷

在造紙生產過程中，存在一些

并不影響生產過程的故障，當這些故障發(fā)生時，并不會影響產品質量，同時生產控制系統(tǒng)也不會發(fā)出報警。但這些微小的故障往往會造成生產過程能耗的提高，同時，當這些微小故障不斷累計并造成較大故障時，將會為企業(yè)帶來較大經濟損失。

如生活用紙生產過程中，紙機干燥部鼓風機的電流是對排風氣罩進行監(jiān)控的關鍵參數。通過MES持續(xù)記錄風機電流的變化，可以很容易發(fā)現設備運行情況的異常。生產過程中某鼓風機實時電流數據如圖3所示，該鼓風機電流最高可達57～66 A，遠遠高出以往生產過程中的電流值。在生產的紙產品質量穩(wěn)定、蒸汽干燥數據無異常情況下，可以認為風管阻力增加，換熱器出現堵塞，這在衛(wèi)生紙生產過程中是常見的現象。在生產薄頁紙時，揚克烘缸表面有實時霧化噴涂黏缸劑和剝離劑，且紙張在剝離烘缸起皺時產生的紙塵與濕汽、霧化的化學品極易黏附在排氣的風管內，并堵塞換熱器，增加風阻，增加鼓風機電流，額外增加了電能的消耗。與初始生產時的風機電流41 A相比，當風機阻力較大時，經過停機清理熱風風罩、熱風管道、換熱器后，電流下降到44 A。根據圖3顯示數據觀察，風機在41 A的電流穩(wěn)定運行，根據實時電流計算，此一項措施，每年可幫助企業(yè)節(jié)約10萬元電費。

通過MES數據平臺的實時數據，管理者可以根據干燥質量要求，確定最合理的電流數據，并進行實時監(jiān)控，使鼓風機在合理的電流范圍內保持最佳的電能消耗水平。

3 生產數據對標

在過往的生產過程中，由于缺少連接不同生產線生產過程控制系統(tǒng)的中間信息平臺，導致不同生產線之間不能進行過程實時數據的對比，其結果是，在盤點和總結生產狀態(tài)時，雖然發(fā)現具有相同工藝、設備和生產計劃的不同生產線，其單位產品綜合能耗和物料消耗存在較大差別，也難以通過學習較優(yōu)生產線的生產經驗來制定設備或者工藝調優(yōu)的方案。這主要是由于生產過程中，不能實時將不同生產線的過程參數進行對比所致。

通過MES對所有生產過程進行實時數據監(jiān)測，從而實現對各種設備的實時生產數據進行對比。這種對比方式改變了以往生產過程中只能對比階段性過程參數的粗放管理模式，通過精細化的實時數據對比，及時發(fā)現生產過程中所存在的差異，通過不斷對比不同設備和生產線的參數差異，確定設備運行參數調優(yōu)的方向，進而實現生產過程最優(yōu)化，減少生產線之間的差異。

以某車間4臺相同型號的紙機為例，在生產車間經常遇到因烘缸電機扭矩過高而不能提高紙機的運行速度，使產能得不到提高，同時還增加了電機的電耗。通過將相同生產計劃下，各紙機主要傳動點進行電能消耗進行對標，發(fā)現該紙機在生產過程中不需要打開真空吸水箱。因此，在實際生產過程中，關閉了該紙機的真空吸水箱，通過對比吸水箱關閉前后數據參數可以發(fā)現（如表1所示），關閉紙機真空吸水箱后，毛布與真空面板的摩擦阻力下降，烘缸扭矩數據下降，紙機其他數據變化較小，生產產品質量未見波動，但卻降低了紙機傳動能耗。通過橫向比較4臺紙機傳動部功率數據，可以發(fā)現調整后4臺紙機中的4#紙機的傳動能耗最低，其能耗值從162 kW降低到142 kW，年節(jié)約電耗成本14.9萬元左右。

4 MES輔助的生產設備監(jiān)測

由于生活用紙生產過程中，存

在大量的無法直接監(jiān)測的設備，這些設備往往需要操作人員通過現場巡查或在生產過程出現異常時，才能發(fā)現存在的問題，這不僅耗費了大量人力，同時對于一些不能通過設備巡查發(fā)現細小的運行狀態(tài)問題，或者設備處在合理但非最佳運行狀態(tài)等情況，不能實現有效監(jiān)測。這也造成了生產過程的能耗、物耗以及生產成本的升高。MES可以通過數據協(xié)同的方式，通過對其他相關度較高的數據進行監(jiān)測，進而實現對這些不能直接監(jiān)測設備的有效管理。

以造紙廠常用的空氣壓縮機為例。由于常見的空氣壓縮機沒有直接反應運行狀態(tài)的系統(tǒng)參數，過往的生產過程中，無法通過DCS系統(tǒng)對其進行有效監(jiān)控。在MES中，對空氣壓縮機的運行狀態(tài)監(jiān)測可以通過關聯分析空氣壓縮機的實時排氣壓力來實現，通過對壓力數據的波動進行觀察和分析，評估空氣壓縮機的使用效能。圖4所示為MES中1天內的某臺空氣壓縮機的實時排氣壓力數據，該空氣壓縮機的平均排氣壓力基本在0.69～0.73 MPa之間波動，最高為0.75 MPa，且1天內超過50%的時間內排氣壓力低于0.73 MPa。通過對比生產過程參數，這一時段內其他關聯設備的運行參數均處在穩(wěn)定的運行范圍，生產狀態(tài)穩(wěn)定。因此對于這一生產狀態(tài)下，排氣壓力高于0.73 MPa的時段，至少還可以將空氣壓縮機的排氣壓力向下調整0.02 MPa，且不會影響車間的機器運行。通過MES設備關聯參數監(jiān)測，對相關空氣壓縮機的設置參數進行調整，如表2所示。經實際生產驗證，參數調整后，工廠各生產車間的生產狀態(tài)均未發(fā)生改變，而同一狀態(tài)下，由于空氣壓縮機排氣壓力降低，每天可減少電耗2751 kWh，全年可節(jié)省用電成本約50萬元。

對于像空氣壓縮機這類非關鍵生產配套設備，MES解決了過往的生產信息系統(tǒng)無法對其連續(xù)生產參數進行展現的問題。

5 結 論

本文總結了以制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）為代表的企業(yè)信息化系統(tǒng)輔助生活用紙生產過程的精細化管理的相關案例。通過MES在精細化管理過程中，用于生產過程數據波動分析、生產過程故障診斷、生產數據對標以及生產設備檢測等主要功能，實現生產過程的調優(yōu)和精細化控制，從而挖掘以往生產過程中所忽略或無法實現的節(jié)能降耗空間。

參 考 文 獻

[1] Man Yi， Han Yulin， Li Jigeng， et al. Review of Energy Consumption Research for Papermaking Industry Based on Life Cycle Analysis[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering， 2018（8）： 17.

[2] Man Yi， Hong Mengna， Li Jigeng， et al. Paper mills integrated gasification combined cycle process with high energy efficiency for cleaner production[J]. Journal of Cleaner Production， 2017， 156： 244.

[3] Liu Huanbin， Li Jigeng. Reflect on Industry 4.0 and How to Build the Smart Paper-enterprise[J]. Paper Science & Technology， 2016， 35（3）： 1.

劉煥彬， 李繼庚. 工業(yè) 4.0 及構建智能造紙企業(yè)的思考[J]. 造紙科學與技術， 2016， 35（3）： 1.

[4] LI Minghui， WANG Mengxiao， HU Nanjiang. Application of MES in Papermaking Industry[J]. Transactions of China Pulp and Paper， 2006， 21（4）： 94.

李明輝， 王孟效， 胡南江. MES在造紙工業(yè)中的應用方案[J]. 中國造紙學報， 2006， 21（4）： 94.

[5] TANG Wei， SUN Zhenyu， FANG Hui， et al. A Survey on the Progress of Thermodynamic Control System of Paper Machine Dryer Section[J]. China Pulp & Paper， 2017， 36（2）： 59.

湯 偉， 孫振宇， 方 輝， 等. 紙機干燥部勢力控制系統(tǒng)發(fā)展綜述[J]. 中國造紙. 2017， 36（2）： 59.

[6] XU Xiaowei， XU Zhixian， YAN Laipeng. Smart Paper-making Mill-Paper Industry Informatization Management Platform[J]. China Pulp & Paper， 2018， 37（4）： 61.

徐小偉， 許智賢， 鄢來朋. 智慧造紙工廠——造紙工業(yè)信息化管理平臺[J]. 中國造紙， 2018， 37（4）： 61. CPP

（責任編輯：常 青）