崔煥新 許海藍(lán) 牛 帥 司成林 楊 樂(lè) 張 濤
(1.中國(guó)中輕國(guó)際工程有限公司,北京,100026;2.維美德自動(dòng)化(上海)有限公司,北京,100020;3.霍尼韋爾(中國(guó))有限公司,北京,100015;4.ABB(中國(guó))有限公司,北京,100015)
目前,現(xiàn)場(chǎng)儀表系統(tǒng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)在造紙行業(yè)已得到普遍應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上,利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G 通信等新技術(shù),將自動(dòng)化控制與信息化管理高度融合,讓工廠生產(chǎn)與管理更具智慧,具備整體感知、預(yù)測(cè)、協(xié)同和分析能力,實(shí)現(xiàn)智能化的跨越,為企業(yè)的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)工藝流程的優(yōu)化、生產(chǎn)成本的降低、勞動(dòng)效率和生產(chǎn)效益的提升[1],這是造紙行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。
高速紙機(jī)生產(chǎn)線,無(wú)論是生產(chǎn)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(jī)控制系統(tǒng)(Machine Control System,MCS)、質(zhì)量控制系統(tǒng)(Quality Control System,QCS)、紙病監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Web Inspection System,WIS)、紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)(DRIVE)等,少量企業(yè)也配置生產(chǎn)過(guò)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(dòng)化結(jié)構(gòu)一般可規(guī)劃為5層,見(jiàn)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(shí)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(chǔ)上通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)處理云平臺(tái)等技術(shù)實(shí)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(duì)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(shè)計(jì)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(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。二是對(duì)大數(shù)據(jù)提取和分析重視不夠,沒(méi)有預(yù)留云端接口和預(yù)購(gòu)服務(wù),導(dǎo)致造紙生產(chǎn)線依舊停留在單純的自動(dòng)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(shè)計(jì)階段,如何對(duì)高速紙機(jī)生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)儀表系統(tǒng)、智能MCC、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)進(jìn)行合理的配置;投產(chǎn)后如何在此基礎(chǔ)上利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái),對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和利用,實(shí)現(xiàn)造紙生產(chǎn)線智能化運(yùn)營(yíng)。
一條高速紙機(jī)生產(chǎn)線需設(shè)置獨(dú)立的控制室進(jìn)行控制,其典型控制系統(tǒng)的配置見(jiàn)圖2。
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(chǎng)儀表、控制閥門(mén)和電動(dòng)機(jī)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(xué)品制備工藝系統(tǒng),廠房通風(fēng)系統(tǒng)等。
廠房通風(fēng)系統(tǒng)主流設(shè)計(jì),一般由通風(fēng)設(shè)備自帶本體PLC進(jìn)行控制,將部分重要信號(hào)(如運(yùn)行狀態(tài)、故障、溫度等)以硬接線的方式送至DCS 進(jìn)行監(jiān)視,也有少部分用戶(hù),直接在DCS上進(jìn)行控制。
蒸汽冷凝水系統(tǒng)、化學(xué)品制備系統(tǒng)一般在DCS上進(jìn)行控制,但也有紙機(jī)供貨商要求在MCS 上進(jìn)行控制。
1.1.2 MCS控制系統(tǒng)
MCS 是用于紙機(jī)本體的控制,大多隨紙機(jī)制造商配套供貨,主要用于紙機(jī)本體各部件、紙機(jī)輔助傳動(dòng)的控制與連鎖,如紙機(jī)油潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等。另外,紙機(jī)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(jìn)行控制。MCS 控制系統(tǒng)以數(shù)字量為主,總I/O點(diǎn)數(shù)一般在4000左右。
對(duì)于高速紙機(jī),一些用于執(zhí)行特定功能、紙機(jī)專(zhuān)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(jī)制造商配套供貨,也可以由第三方單獨(dú)提供。目前紙機(jī)配套提供的典型配置方案是將WIS/WMS 集成在一起進(jìn)行監(jiān)視,便于信息的集成和分析。
紙病監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(WIS)用于標(biāo)記紙張的瑕疵,為下一步在完成車(chē)間紙張分切提供信息,剔除掉不合格的紙張,提高產(chǎn)品的等級(jí)。
圖1 自動(dòng)化分層結(jié)構(gòu)
圖2 紙機(jī)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(shí)時(shí)的數(shù)字化紙張斷紙檢測(cè)和分析,系統(tǒng)由攝像頭、照明光源,轉(zhuǎn)換控制箱、圖像處理器、圖像存儲(chǔ)服務(wù)器、操作員站組成。攝像頭的數(shù)量一般在10~20臺(tái)左右,具體數(shù)量根據(jù)紙機(jī)的規(guī)格確定。
紙機(jī)運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Condition Monitoring System,CMS)用于對(duì)能影響紙機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的各部位進(jìn)行監(jiān)測(cè),如對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、紙機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、潤(rùn)滑油在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。
通過(guò)對(duì)安裝在紙機(jī)本體各部位的各類(lèi)傳感器發(fā)出的信息進(jìn)行分析和提前預(yù)估,及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,采取必要的干預(yù)措施,保證紙機(jī)的正常運(yùn)行。
根據(jù)紙機(jī)的機(jī)臺(tái)情況,設(shè)置的監(jiān)視點(diǎn)少的幾百點(diǎn),多的達(dá)到2000點(diǎn)(涂布白卡紙生產(chǎn)線),典型的配置在1000 點(diǎn)左右。為了節(jié)約投資,建議有壓區(qū)的輥?zhàn)樱笥覂蓚?cè)都安裝振動(dòng)傳感器,而烘缸只在一側(cè)安裝振動(dòng)傳感器。
CMS 是一套典型的機(jī)電一體化系統(tǒng),它需要經(jīng)驗(yàn)豐富的機(jī)修人員能對(duì)各種數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析,得出正確的判斷,才能發(fā)揮出CMS 的作用。但分析經(jīng)驗(yàn)的積累不是短時(shí)間能具備的,因此對(duì)用戶(hù)機(jī)修工程師的操作培訓(xùn)非常重要,作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一部分,供應(yīng)商提供的遠(yuǎn)程分析也是非常有效的方式。
1.1.3 QCS控制系統(tǒng)
質(zhì)量控制系統(tǒng)(QCS)是一個(gè)成熟的系統(tǒng),幾乎每臺(tái)紙機(jī)都配備,現(xiàn)在也稱(chēng)為質(zhì)量管理系統(tǒng)(QMS),就是通過(guò)設(shè)置在掃描架上的各種傳感器對(duì)紙幅的各種指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,綜合分析后,通過(guò)設(shè)置的橫向(CD)、縱向(MD)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),對(duì)紙幅的水分、定量、厚度等進(jìn)行控制。1 臺(tái)紙機(jī)可以根據(jù)需要設(shè)置多臺(tái)掃描架,每臺(tái)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(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)(DRIVE)
紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)是將紙機(jī)各個(gè)主傳動(dòng)部位連接同步運(yùn)轉(zhuǎn),是保證紙機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機(jī)械減速裝置、調(diào)速裝置、分部傳動(dòng)控制裝置等構(gòu)成。DRIVE 系統(tǒng)主要體現(xiàn)在速度鏈控制、負(fù)荷分配控制、張力控制、加壓順序控制、轉(zhuǎn)移施膠涂布機(jī)控制、斷紙連鎖控制等方面。控制層次包括以下幾方面。
●在傳動(dòng)機(jī)柜室:對(duì)交流電動(dòng)機(jī)速度、電流、張力等參數(shù)的控制。
圖3 紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)(DRIVE)
●在現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái):配置智能化操作面板,與DRIVE 控制器實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信,對(duì)紙機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的控制。
●數(shù)據(jù)監(jiān)控:通過(guò)系統(tǒng)留有的維護(hù)、管理用通信接口,去實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。
由于漿料配比、紙漿特性、紙機(jī)運(yùn)行狀況等條件的改變,使得紙機(jī)車(chē)速有較大的調(diào)整范圍;電源的電壓、頻率以及負(fù)荷等因素的變化也會(huì)引起紙機(jī)車(chē)速的變化;同時(shí)紙機(jī)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(huì)使紙幅產(chǎn)生縱向的伸長(zhǎng)或收縮。因此,為確??刂品€(wěn)定精確,DRIVE 系統(tǒng)是一個(gè)變速的分部傳動(dòng)控制系統(tǒng)。
1.2.1 安全儀表系統(tǒng)[3]
大型的化學(xué)制漿生產(chǎn)線,需要設(shè)置安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrumented System,SIS)或(Safety Related System,SRS)。在漿料處理設(shè)備中,同樣需要采取提升機(jī)械本質(zhì)安全的措施,通常是設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)安全急停鏈系統(tǒng),來(lái)保證生產(chǎn)中的安全性。
根據(jù)工藝系統(tǒng)和設(shè)備的區(qū)域布置,將有緊急停止要求的電動(dòng)機(jī)和設(shè)備進(jìn)行分組,設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)急停鏈,一條急停鏈對(duì)應(yīng)一組。急停鏈中的任何一個(gè)緊急停止按鈕或拉線開(kāi)關(guān)被觸發(fā),則該急停鏈的所有電動(dòng)機(jī)將被停止,且設(shè)備被控制到安全狀態(tài)。急停鏈中的電動(dòng)機(jī)和設(shè)備會(huì)一直處于安全鎖定的狀態(tài),直到急停鏈中所有急停開(kāi)關(guān)被恢復(fù)到正常,且由人工通過(guò)復(fù)位確認(rèn)按鈕手動(dòng)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)幚怼姿厥?,損紙收集、紙機(jī)傳動(dòng)等子系統(tǒng)中。每條急停鏈包括以下硬件。
●帶清晰安全標(biāo)識(shí)的緊急停止按鈕或拉線開(kāi)關(guān):應(yīng)布置在易于觀察并方便接近的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近,1 個(gè)急停鏈中的緊急停止按鈕相距不應(yīng)超過(guò)15 m。
●帶指示燈的復(fù)位確認(rèn)按鈕:布置在車(chē)間危險(xiǎn)區(qū)域外的安全位置。
●符合SIL 或PL 等級(jí)的安全繼電器,擴(kuò)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(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)作為DI信號(hào)接入車(chē)間DCS系統(tǒng),用于指示急停鏈由哪個(gè)急停按鈕觸發(fā),便于在系統(tǒng)中追溯和查詢(xún)。
安全急停鏈系統(tǒng)是獨(dú)立于過(guò)程控制系統(tǒng)的獨(dú)立系統(tǒng),為滿(mǎn)足機(jī)械及人身安全要求所設(shè)置,不同于DCS系統(tǒng)中常見(jiàn)的單機(jī)停機(jī)或組停機(jī)連鎖邏輯,急停動(dòng)作優(yōu)先級(jí)高于DCS系統(tǒng)中的邏輯停機(jī)。
1.2.2 智能MCC的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)
來(lái)自低壓MCC智能馬達(dá)保護(hù)器的信號(hào),一般采用Profibus-DP 協(xié)議傳輸?shù)紻CS,由于傳輸負(fù)載的原因,將所有信號(hào)都傳輸?shù)紻CS是不現(xiàn)實(shí)的,很多信號(hào)與生產(chǎn)過(guò)程控制關(guān)聯(lián)不大,但對(duì)MCC的監(jiān)視和維護(hù)是有用的。通過(guò)設(shè)置Profibus gateway 將信號(hào)分成兩路;一路送到DCS,如運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)、啟停命令、電流等;另一路送SCADA 系統(tǒng)(見(jiàn)圖4),由SCADA 系統(tǒng)將這些信號(hào)收集起來(lái)進(jìn)行監(jiān)控,如過(guò)載、缺相、欠載、相不平衡和相序、相電流、線電壓等。對(duì)脫扣狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、距離脫扣時(shí)間、距離脫扣后重新啟動(dòng)時(shí)間、最近脫扣原因記錄等維護(hù)診斷數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)保存在SCADA服務(wù)器中,用于維護(hù)查詢(xún),也可以采用OPC協(xié)議傳輸?shù)焦S的PIMS上,做進(jìn)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(chǎn)過(guò)程信息管理系統(tǒng)(PIMS)用來(lái)集中收集儲(chǔ)存生產(chǎn)過(guò)程信息、產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)量、產(chǎn)品損失分析、數(shù)據(jù)過(guò)程控制與操作人員日志的工具。收集到的歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù),可供定制報(bào)表,要配備ODBC 開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)以及與其他系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換的硬件設(shè)備。
1.2.4 生產(chǎn)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(guān)鍵的工藝生產(chǎn)設(shè)備區(qū)域、工廠的出入口、主車(chē)間的進(jìn)出口、主生產(chǎn)操作車(chē)間內(nèi)部現(xiàn)場(chǎng)狀況??梢圆捎萌四樧R(shí)別技術(shù),對(duì)進(jìn)出車(chē)間人員進(jìn)行身份識(shí)別和監(jiān)控。
監(jiān)控器采用液晶拼接顯示器進(jìn)行顯示,監(jiān)控器可以單獨(dú)布置在集控中心,但對(duì)于造紙生產(chǎn)線多布置在造紙DCS控制室。
監(jiān)控探頭的數(shù)量與用戶(hù)協(xié)商確定,少則30 臺(tái),多達(dá)百臺(tái)以上。室外監(jiān)控探頭,應(yīng)具有夜視功能。智能探頭可光纖連接。
對(duì)于化學(xué)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(huì)配置一套獨(dú)有技術(shù)的配方管理軟件包,類(lèi)似BATCH PROTOCAL。若將整個(gè)化學(xué)品系統(tǒng)融到造紙企業(yè)DCS 上進(jìn)行控制,對(duì)DCS 來(lái)說(shuō),實(shí)現(xiàn)配方功能是很難的,在DCS側(cè)設(shè)置配方控制服務(wù)器,通過(guò)OPC通信協(xié)議,將化學(xué)品系統(tǒng)配帶的配方服務(wù)器上的數(shù)據(jù)和操作畫(huà)面,傳輸?shù)紻CS,應(yīng)為上策的選擇。
對(duì)于造紙生產(chǎn)線上復(fù)卷機(jī)(Winder)的控制,由設(shè)備配帶的PLC 進(jìn)行控制。1 臺(tái)復(fù)卷機(jī),典型的I/O點(diǎn)數(shù)在1000點(diǎn)左右。
其他工藝設(shè)備,如真空透平機(jī)、盤(pán)磨機(jī)、高濃除渣器等,這些設(shè)備不建議配帶小型PLC,應(yīng)納入DCS進(jìn)行集中控制。
綜上所述,一條高速紙機(jī)生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)信息化,避免自動(dòng)化孤島,是下一步實(shí)現(xiàn)工廠智能化的重要一步。
對(duì)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(gè)品牌的控制系統(tǒng)供貨商來(lái)提供;二是系統(tǒng)分散采購(gòu),系統(tǒng)由用戶(hù)集成,在采購(gòu)各控制系統(tǒng)時(shí)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(nèi)容等。大型高速紙機(jī)的首選方案應(yīng)是采用系統(tǒng)集成的方式,具體優(yōu)點(diǎn)如下。
●DCS、MCS、QCS、WIS、DRIVE 采用一家供貨商來(lái)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(wù)器,方便信息共享及對(duì)外輸出,減少各系統(tǒng)間的OPC服務(wù)器數(shù)量及接口。
●采用相同的用戶(hù)界面,操作和維護(hù)方便。
●整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可采用一個(gè)共同的歷史數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)數(shù)據(jù)比較、分析和報(bào)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(hù)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(hù)修訂成本。
●與MES、ERP 通信時(shí)僅需1 個(gè)通信接口,實(shí)現(xiàn)信息在整個(gè)系統(tǒng)中共享。
新項(xiàng)目若只有紙機(jī)生產(chǎn)線,選擇單一品牌的控制系統(tǒng)供貨商進(jìn)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(dú)采購(gòu)。若選擇的系統(tǒng)由用戶(hù)自己集成,一般要按表1中的方式來(lái)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(nèi)容在開(kāi)球會(huì)上提出。
表1 DCS系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)的通信協(xié)議
智能MCC 在高速紙機(jī)生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用,DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化,設(shè)計(jì)思路及提資要求也有很大的不同,在設(shè)計(jì)時(shí)要給予應(yīng)有的重視,電氣專(zhuān)業(yè)要和DCS 專(zhuān)業(yè)密切配合,提出合理的通信方案。如由于電動(dòng)機(jī)的控制是通過(guò)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(fù)荷及內(nèi)存不但沒(méi)有減少,反而有所增加,這與每臺(tái)電機(jī)要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)多少有關(guān);建議每臺(tái)電機(jī)要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不要太多,否則很容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞;對(duì)低壓智能MCC(690VAC 及以下),主流的智能馬達(dá)保護(hù)器,無(wú)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(zhì),不用MODBUS;典型的工程經(jīng)驗(yàn)是每條Profibus-DP 的負(fù)載電機(jī)的數(shù)量在50 臺(tái)以?xún)?nèi),若條件允許,40 臺(tái)以?xún)?nèi)。在MCC 側(cè)的OLM 供電,應(yīng)由MCC柜內(nèi)獨(dú)立設(shè)置的UPS供電。
變頻控制的電機(jī)采用智能模塊的變頻器,屬于智能MCC 的范圍。建議采用單獨(dú)一條DP 線控制,不和其他普通智能MCC混用一條線。
設(shè)置FDM 服務(wù)器是必要的,可以單獨(dú)設(shè)置,也可以與其他服務(wù)器集成在一起?;趯?duì)HART、Profi‐bus 和FF 等開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的支持,F(xiàn)DM 可作為全廠范圍內(nèi)智能儀表的統(tǒng)一管理工具,不論設(shè)備的生產(chǎn)廠家和類(lèi)型。FDM 使用未經(jīng)修改的設(shè)備描述(DD)和設(shè)備類(lèi)型管理(DTM)文件,執(zhí)行所有的設(shè)備組態(tài)、管理和診斷任務(wù),并支持DD 或DTM 文件中描述的所有功能和特性,簡(jiǎn)化了用戶(hù)對(duì)智能儀表的維護(hù)任務(wù)。
另外,F(xiàn)DM 允許Client 客戶(hù)端通過(guò)工廠分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程訪問(wèn)HART 數(shù)據(jù)、使用FDM 服務(wù)器提供的所有功能。
DCS操作員培訓(xùn)系統(tǒng)和培訓(xùn)仿真系統(tǒng)英文縮寫(xiě)都是OTS(Operator Training System),但這是兩套不同內(nèi)涵的系統(tǒng),操作員培訓(xùn)系統(tǒng)是一種常見(jiàn)的離線培訓(xùn)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(dú)立的系統(tǒng),用于操作員的離線培訓(xùn)、熟悉系統(tǒng)操作。而操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)是一套模擬動(dòng)態(tài)工藝過(guò)程的仿真機(jī),與DCS 實(shí)時(shí)相連,對(duì)操作員進(jìn)行培訓(xùn)。通過(guò)數(shù)字雙胞胎技術(shù),操作人員能夠模擬各類(lèi)正常及特殊的工況,在造紙機(jī)真正啟動(dòng)前對(duì)DCS操作與紙張生產(chǎn)有所了解,掌握和學(xué)習(xí)操作要點(diǎn)及處理規(guī)程。不同于化學(xué)制漿生產(chǎn)線,有成熟的OTS應(yīng)用案例,但到目前為止,對(duì)于紙機(jī)生產(chǎn)線的模擬仿真系統(tǒng)未有實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品和案例,這有待造紙機(jī)廠家與系統(tǒng)供應(yīng)商共同開(kāi)發(fā)。
高度協(xié)作的紙機(jī)各自動(dòng)化系統(tǒng)之間需要保持統(tǒng)一的高精度時(shí)鐘同步。通常做法是設(shè)置時(shí)鐘服務(wù)器,以GPS 或北斗衛(wèi)星作為時(shí)間來(lái)源,應(yīng)用NTP(網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議)將所有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行授時(shí),形成整個(gè)集成自動(dòng)化系統(tǒng)毫秒級(jí)誤差的時(shí)間同步,對(duì)SOE進(jìn)行時(shí)間定位。
DCS、MCS、PLC 等控制系統(tǒng)的控制器最好采用冗余配置,服務(wù)器采用冗余配置,智能MCC 采用Profibus-DP通信的介質(zhì)應(yīng)考慮冗余備用。
I/O卡件一般不需要冗余配置,但I(xiàn)/O柜內(nèi)需要預(yù)留20%左右的擴(kuò)展空間。
(1)自動(dòng)化控制系統(tǒng)虛擬化平臺(tái)
自動(dòng)化控制系統(tǒng)虛擬化平臺(tái)見(jiàn)圖5。該平臺(tái)以DCS控制系統(tǒng)為中心,采用集成自動(dòng)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(luò)上,設(shè)置一套帶有硬盤(pán)的冗余高性能服務(wù)器,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歷史服務(wù)器等各服務(wù)器族群、各客戶(hù)站、客戶(hù)端的虛擬化。采用這種虛擬技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是虛擬服務(wù)器通過(guò)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(wù)器硬件上的控制站點(diǎn)解放出來(lái),在升級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件時(shí)就不再受制于硬件。
(2)結(jié)合云技術(shù)的虛擬工程平臺(tái)
利用云平臺(tái)搭建的自動(dòng)化控制系統(tǒng)虛擬化平臺(tái)是一個(gè)開(kāi)放的自動(dòng)化虛擬工程平臺(tái),對(duì)傳統(tǒng)自動(dòng)化項(xiàng)目執(zhí)行帶來(lái)巨大的變革。合同生效后就可以在云端虛擬平臺(tái)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(shí)開(kāi)始,而不受制于硬件和軟件的購(gòu)買(mǎi)和安裝時(shí)間限制;通過(guò)高速VPN 訪問(wèn)接口,可以隨時(shí)將工程從虛擬機(jī)轉(zhuǎn)移到本地的虛擬或物理系統(tǒng)中。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)借助公有云,可以在世界任何地方協(xié)作進(jìn)行編程組態(tài)、測(cè)試、培訓(xùn)及遠(yuǎn)程FAT 等工程服務(wù)。相比于傳統(tǒng)方案,虛擬工程平臺(tái)不僅可以大大節(jié)約成本,還能夠縮短自動(dòng)化項(xiàng)目的執(zhí)行周期。
需要注意的是,訪問(wèn)虛擬服務(wù)器必須設(shè)置許可證制度、必須設(shè)置安全防火墻以及嚴(yán)格的病毒預(yù)防和數(shù)據(jù)加密。
虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)(Virtual Private Network,VPN)每個(gè)DCS、MCS、QCS、DRIVE 等控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置訪問(wèn)外網(wǎng)的軟件與接口,主要用在安裝調(diào)試期間,用戶(hù)與控制系統(tǒng)供貨商技術(shù)中心、工藝設(shè)備供貨商服務(wù)中心之間進(jìn)行信息、文件的傳輸和指導(dǎo)調(diào)試,以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)線運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí),為用戶(hù)提供遠(yuǎn)程維護(hù)和診斷,連接示意圖見(jiàn)圖6。具體做法是:客戶(hù)端DCS 設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到云端服務(wù)器,用戶(hù)將信息和需求通過(guò)私有云或混合云,傳輸?shù)皆贫朔?wù)器,或利用云計(jì)算、或與異地大數(shù)據(jù)運(yùn)行客服中心的專(zhuān)家進(jìn)行溝通,雙向交流,快速得到解決問(wèn)題的策略和指導(dǎo),云服務(wù)器自動(dòng)分析設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)出現(xiàn)異常及時(shí)向客戶(hù)提出警告,及時(shí)排除故障避免產(chǎn)生損失。這是智能工廠信息化的一個(gè)重要體現(xiàn)。
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(zhuān)業(yè)共地。
隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)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(duì)工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全事件,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)必須考慮,這是需要包含物理、軟件、網(wǎng)絡(luò)、管理等在內(nèi)的復(fù)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(bǔ)丁管理軟件、USB管理、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及檢測(cè)系統(tǒng)、在線備份和恢復(fù)系統(tǒng)等。
圖5 自動(dòng)化控制系統(tǒng)虛擬化平臺(tái)
圖6 VPN網(wǎng)絡(luò)連接示意圖
制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)工作流程見(jiàn)圖7。該系統(tǒng)用于紙機(jī)生產(chǎn)線全流程閉環(huán)管理,MES 通過(guò)接收DCS、QCS、MCS 等過(guò)程控制系統(tǒng)的在線信息及其化驗(yàn)室的信息,實(shí)現(xiàn)訂單計(jì)劃排產(chǎn)、生產(chǎn)跟蹤、分切系統(tǒng)優(yōu)化、紙品追蹤分析檢索、生產(chǎn)自動(dòng)化、成本分析、設(shè)備管理、倉(cāng)儲(chǔ)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(wù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。ERP的采購(gòu)訂單、銷(xiāo)售訂單等數(shù)據(jù)能夠通過(guò)接口自動(dòng)傳入MES;倉(cāng)庫(kù)入、發(fā)、存、批次等數(shù)據(jù)能夠從MES 按邏輯自動(dòng)傳入ERP。若用戶(hù)沒(méi)有配置ERP,訂單錄入采用手工方式導(dǎo)入MES。MES所需的硬件配置包括:①布置在紙機(jī)機(jī)柜室內(nèi)的雙機(jī)熱備高端服務(wù)器;②布置在現(xiàn)場(chǎng)帶操作員站的客戶(hù)端;③掃描槍、手持終端PDA、條碼打印機(jī)、標(biāo)簽打印機(jī)、針式打印機(jī);④網(wǎng)絡(luò)終端機(jī)柜及配電柜;交換機(jī)、光纖收發(fā)器、內(nèi)部光纖及網(wǎng)線等所有附件。
MES 服務(wù)器需要做到真正的冗余,而不是鏡像方式。MES現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜220 VAC電源,由各工藝設(shè)備供貨商配帶的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜就近提供。MES 系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)的通信協(xié)議見(jiàn)表2。
表2 MES系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)的通信協(xié)議
現(xiàn)場(chǎng)儀表系統(tǒng)的配置包括各類(lèi)變送器、傳感器、控制閥門(mén)、分析儀表及輔助附件等,要根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品品種和工藝要求,在保證可靠性的前提下,按合理的性?xún)r(jià)比進(jìn)行配置。
圖7 MES 系統(tǒng)閉環(huán)工作流程
對(duì)各類(lèi)常規(guī)溫度、壓力、液位等變送器的選用,按介質(zhì)類(lèi)型來(lái)選擇變送器接液部材質(zhì)和連接形式。
對(duì)控制閥門(mén),主要按介質(zhì)類(lèi)型來(lái)選用氣動(dòng)開(kāi)關(guān)或調(diào)節(jié)閥門(mén),閥門(mén)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(duì)閘板閥,要注意是否有雙面密封的要求等。
對(duì)各類(lèi)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(zhuǎn)式、光學(xué)、微波等形式的漿濃變送器。
上漿系統(tǒng)中,對(duì)漿中纖維特性進(jìn)行在線分析的專(zhuān)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(jī)配帶。
為實(shí)現(xiàn)智能工廠對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的管理,變送器及閥門(mén)定位器應(yīng)配帶Hart 協(xié)議,帶Hart 協(xié)議的變送器應(yīng)支持用于資產(chǎn)管理的電子設(shè)備描述(EDDL 或DTM),變送器供貨商應(yīng)提供DTM 文件給DCS 供貨商,并下載到DCS Hart管理服務(wù)器上。
現(xiàn)場(chǎng)工況繁雜,選用維護(hù)方便和使用壽命長(zhǎng)的儀表,是實(shí)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(chǎng)儀表的數(shù)量和降低質(zhì)量,是不能夠?qū)崿F(xiàn)工廠智能化的。
為適應(yīng)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(mén)定位器等裝置,內(nèi)置專(zhuān)用的APP 應(yīng)用程序,用戶(hù)可以通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)或無(wú)線通信技術(shù),在近距離內(nèi)(一般為25 m 以?xún)?nèi))用智能手機(jī)或平板電腦進(jìn)行無(wú)線連接,獲得產(chǎn)品的所有信息,進(jìn)行快速參數(shù)設(shè)置、顯示和狀況診斷。
這類(lèi)智能儀表對(duì)日常維護(hù)提供了巨大的便捷性,如安裝在大型漿塔頂部的雷達(dá)液位計(jì)、安裝在高空管道上的儀表,在日?,F(xiàn)場(chǎng)巡視時(shí),不需要爬高,就近利用智能手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和參數(shù)設(shè)置。
經(jīng)驗(yàn)證明,在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置三位一體的接線箱,將信號(hào)、氣源、電源等置入接線箱內(nèi),采用多芯電纜接到DCS I/O柜,可使智能工廠的維護(hù)和改造變得簡(jiǎn)單。
在完成過(guò)程自動(dòng)化、數(shù)字化和信息化的基礎(chǔ)上,如何利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)打造智能化工廠,離不開(kāi)自動(dòng)化設(shè)備制造商、系統(tǒng)軟件供應(yīng)商研發(fā)推出的新產(chǎn)品和新技術(shù)手段。他們提供的帶有智能化概念的產(chǎn)品、APP軟件、分析軟件和云端專(zhuān)業(yè)服務(wù)極大地豐富了造紙行業(yè)智能化的內(nèi)涵,讓智能化走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
目前,利用比較多的公有云平臺(tái)有:亞馬遜的AWS、微軟的AZURE 及ali 云等?;趯?duì)工藝、設(shè)備及自動(dòng)化的深刻理解,各供應(yīng)商提出了一系列解決方案,用于指導(dǎo)工廠的智能化生產(chǎn)、設(shè)備維護(hù)和商業(yè)業(yè)務(wù)。但自動(dòng)化及造紙?jiān)O(shè)備供應(yīng)商提出的解決方案應(yīng)值得關(guān)注,他們開(kāi)發(fā)的結(jié)合人工智能(AI)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序,在云平臺(tái)對(duì)用戶(hù)傳輸過(guò)來(lái)的來(lái)自設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程中的大量數(shù)據(jù)、來(lái)自實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)量數(shù)據(jù)、來(lái)自企業(yè)資源計(jì)劃和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息,在云環(huán)境中進(jìn)行分析和預(yù)判,預(yù)測(cè)即將到來(lái)的變化和事件,根據(jù)預(yù)測(cè)做出決策,提前通知用戶(hù)進(jìn)行主動(dòng)防御,或讓系統(tǒng)自動(dòng)填充最佳設(shè)定值。
讓有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備供貨商和專(zhuān)家服務(wù)團(tuán)隊(duì),對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和運(yùn)用的同時(shí),要防備信息傳輸?shù)陌踩?、可靠性,做好授?quán)操作和防火墻隔離措施,并需要用戶(hù)和供貨商之間簽訂保密協(xié)議。實(shí)現(xiàn)安全、保密的連接和數(shù)據(jù)管理,IT(信息技術(shù))將會(huì)發(fā)揮主要作用。
在控制室外,從物流管理、實(shí)驗(yàn)室到各管理層,整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)社區(qū)都需要相關(guān)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(chēng)之為“控制空間”,在控制空間,通過(guò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)安全措施,根據(jù)用戶(hù)角色設(shè)置權(quán)限,按需求共享信息。讓用戶(hù)依據(jù)權(quán)限對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行支持與協(xié)作,這樣無(wú)論用戶(hù)走到任何地方,都可以采用移動(dòng)設(shè)備接收這些信息,也可用于執(zhí)行必要的控制、監(jiān)測(cè)和報(bào)告任務(wù),減輕傳統(tǒng)控制室內(nèi)操作人員面對(duì)眾多數(shù)據(jù)的壓力。如Valmet DNA User Interface 用戶(hù)界面(DNA UI)、ABB DCS 的Smart Client 等,均是采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)的可移動(dòng)用戶(hù)界面(User Interface),打造“控制空間”,讓用戶(hù)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何移動(dòng)操作終端上都能利用這個(gè)界面。
用戶(hù)有了足夠的來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),一旦出現(xiàn)故障,工廠可能缺乏有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家來(lái)解讀,最好的設(shè)備專(zhuān)家來(lái)自于外部專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商或服務(wù)機(jī)構(gòu),可將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆贫?,允許經(jīng)過(guò)授權(quán)的外部供應(yīng)商或服務(wù)機(jī)構(gòu)查看數(shù)據(jù),利用復(fù)雜軟件進(jìn)行全天無(wú)休的高級(jí)自動(dòng)分析和遠(yuǎn)程診斷,提出預(yù)防性維護(hù)建議或改進(jìn)性能的具體措施,幫助現(xiàn)場(chǎng)工程師快速診斷潛在問(wèn)題并進(jìn)行維護(hù)。如ABB 開(kāi)發(fā)的Ability?配電控制系統(tǒng)-芯Vision,是采用ABB 與微軟聯(lián)合開(kāi)發(fā)的云架構(gòu)傳輸、存儲(chǔ)和分析數(shù)據(jù),通過(guò)路由器實(shí)現(xiàn)云連接,幫助用戶(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電氣系統(tǒng),實(shí)施電能管理,實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效,見(jiàn)圖8[5]。又如SIEMENS 紙機(jī)傳動(dòng)性能分析(DPA)系統(tǒng)[6],為避免云數(shù)據(jù)交換量過(guò)大,在現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)模型計(jì)算與邊緣計(jì)算設(shè)備(云橋),利用SIEMENS的Mindsphere 云平臺(tái),完成數(shù)據(jù)采集,依據(jù)內(nèi)置算法,在沒(méi)有張力傳感器的條件下,計(jì)算出整機(jī)各機(jī)架間張力,并結(jié)合生產(chǎn)紙種的運(yùn)行大數(shù)據(jù),對(duì)張力與參數(shù)設(shè)置進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),給出斷紙預(yù)測(cè)報(bào)警(以往的提前預(yù)估只能靠在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量紙張質(zhì)量,如強(qiáng)度等),見(jiàn)圖9。
采用市場(chǎng)上已推出的可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷的智能頭盔,帶有毒氣體檢測(cè)、生命體征檢測(cè)和人員定位的智能個(gè)人防護(hù)設(shè)備、移動(dòng)終端軟件、基于VR/AR 技術(shù)的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)等工具,提高人員的生產(chǎn)力及安全性,這些裝備和技術(shù)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(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與云計(jì)算
圖9 SIEMENS紙機(jī)傳動(dòng)性能分析(DPA)系統(tǒng)
打造基于信息化、互聯(lián)網(wǎng)及人工智能技術(shù)的控制系統(tǒng),對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工序集成控制,是智能化造紙生產(chǎn)線追求的目標(biāo),要分步實(shí)施。第一步,在設(shè)計(jì)階段就要把現(xiàn)場(chǎng)儀表系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等基礎(chǔ)自動(dòng)化建立起來(lái),使生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化和信息化,讓高質(zhì)量的數(shù)據(jù)成為企業(yè)的資產(chǎn),這是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0 的基石;第二步,投產(chǎn)后由IT 人員根據(jù)需求,通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將數(shù)據(jù)接入云端,在云端讓經(jīng)過(guò)授權(quán)的外部設(shè)備供應(yīng)商或服務(wù)機(jī)構(gòu),利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù),對(duì)數(shù)據(jù)資產(chǎn)進(jìn)行有效的管理和利用,實(shí)現(xiàn)將工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型為智能化的目標(biāo)。
打造智能化造紙生產(chǎn)線要因地制宜,要考慮適應(yīng)性和可操作性,要根據(jù)工藝需求進(jìn)行配置,注重投資性?xún)r(jià)比,同時(shí)兼顧操作人員的操作水平和培訓(xùn),提高利用率。
信息傳輸?shù)皆贫?,要注意傳輸?shù)谋C苄院桶踩裕O(shè)置防火墻和授權(quán),要簽訂保密協(xié)議。
利用云平臺(tái),訂制由外部設(shè)備供應(yīng)商或服務(wù)機(jī)構(gòu)提供的專(zhuān)家級(jí)服務(wù),用戶(hù)一般需要按每月或按使用的流量多少來(lái)支付相應(yīng)的服務(wù)費(fèi)用,但為讓設(shè)備保持智能運(yùn)維,提前預(yù)測(cè)潛在的故障,減少非計(jì)劃停機(jī),提高生產(chǎn)效能,真正實(shí)現(xiàn)造紙企業(yè)的智能制造、綠色制造,這些付出是必要的。