造紙工業智能化設計探討

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，現場儀表系統和自動化控制系統在造紙行業已得到普遍應用。在此基礎上，利用工業互聯網、大數據、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、協同和分析能力，實現智能化的跨越，為企業的運營帶來工藝流程的優化、生產成本的降低、勞動效率和生產效益的提升[1]，這是造紙行業發展的目標。

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，所有的工藝系統及輔助系統，普遍采用集散控制系統（Distributed Control System，DCS）、紙機控制系統（Machine Control System，MCS）、質量控制系統（Quality Control System，QCS）、紙病監測系統（Web Inspection System，WIS）、紙機傳動控制系統（DRIVE）等，少量企業也配置生產過程信息管理系統（Pro‐cess Information Management System，PIMS）、制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）、企業資源管理系統（Enterprise Resource Planning，ERP）。其自動化結構一般可規劃為5層，見圖1。

目前，大多數造紙企業完成了第1～第2層，少部分企業實現了第1～第3 層，部分企業配置了第4 層ERP，但真正發揮出ERP全部功能的僅是少數。而工業4.0 則是在第4 層基礎上通過工業互聯網和數據處理云平臺等技術實現智能制造[2]，可以算是第5 層，大多數造紙企業正在第5層的路上。對數據收集和分析利用普遍不高的主要原因，一是控制系統配置在設計之初有缺陷，配置不全、系統間通信接口和通信協議配置不完善，如未配置MES 系統對生產過程數據進行分析處理。二是對大數據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2.0或3.0），與智能化（工業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場儀表系統、智能MCC、自動化控制系統、生產管理系統、信息管理系統進行合理的配置；投產后如何在此基礎上利用工業互聯網、云平臺，對大數據進行分析和利用，實現造紙生產線智能化運營。

1 自動化控制系統的典型配置

一條高速紙機生產線需設置獨立的控制室進行控制，其典型控制系統的配置見圖2。

1.1 常規控制系統

1.1.1 DCS控制系統

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

廠房通風系統主流設計，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、故障、溫度等）以硬接線的方式送至DCS 進行監視，也有少部分用戶，直接在DCS上進行控制。

蒸汽冷凝水系統、化學品制備系統一般在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

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、液壓系統、氣動系統等。另外，紙機噴淋系統的部分噴淋水閥，以及所有不在DCS 或QCS 上體現的控制和連鎖功能，均由MCS 進行控制。MCS 控制系統以數字量為主，總I/O點數一般在4000左右。

對于高速紙機，一些用于執行特定功能、紙機專用的控制子系統也屬于廣義的MCS 范疇。如WMS、CMS，這些系統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 集成在一起進行監視，便于信息的集成和分析。

紙病監測系統（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 紙機典型控制系統配置圖

紙張斷紙監視系統（Web Monitoring System，WMS）用于實時的數字化紙張斷紙檢測和分析，系統由攝像頭、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。攝像頭的數量一般在10～20臺左右，具體數量根據紙機的規格確定。

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

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

根據紙機的機臺情況，設置的監視點少的幾百點，多的達到2000點（涂布白卡紙生產線），典型的配置在1000 點左右。為了節約投資，建議有壓區的輥子，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，它需要經驗豐富的機修人員能對各種數據曲線進行分析，得出正確的判斷，才能發揮出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，作為工業互聯網的一部分，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

質量控制系統（QCS）是一個成熟的系統，幾乎每臺紙機都配備，現在也稱為質量管理系統（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（DRIVE）

紙機傳動控制系統（見圖3）是將紙機各個主傳動部位連接同步運轉，是保證紙機穩定運行的重要系統。該系統由機械減速裝置、調速裝置、分部傳動控制裝置等構成。DRIVE 系統主要體現在速度鏈控制、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。控制層次包括以下幾方面。

●在傳動機柜室：對交流電動機速度、電流、張力等參數的控制。

圖3 紙機傳動控制系統（DRIVE）

●在現場操作臺：配置智能化操作面板，與DRIVE 控制器實現高速數據通信，對紙機的相關參數進行調整的控制。

●數據監控：通過系統留有的維護、管理用通信接口，去實現數據監控。

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，為確保控制穩定精確，DRIVE 系統是一個變速的分部傳動控制系統。

1.2 安全監控管理系統

1.2.1 安全儀表系統[3]

大型的化學制漿生產線，需要設置安全儀表系統（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，通常是設置現場安全急停鏈系統，來保證生產中的安全性。

根據工藝系統和設備的區域布置，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，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。急停鏈中的電動機和設備會一直處于安全鎖定的狀態，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的碎漿、備漿、損紙處理、白水回收，損紙收集、紙機傳動等子系統中。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，用于指示急停鏈由哪個急停按鈕觸發，便于在系統中追溯和查詢。

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

1.2.2 智能MCC的數據采集與監控（SCADA）系統

來自低壓MCC智能馬達保護器的信號，一般采用Profibus-DP 協議傳輸到DCS，由于傳輸負載的原因，將所有信號都傳輸到DCS是不現實的，很多信號與生產過程控制關聯不大，但對MCC的監視和維護是有用的。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（見圖4），由SCADA 系統將這些信號收集起來進行監控，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、報警狀態、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據，這些數據保存在SCADA服務器中，用于維護查詢，也可以采用OPC協議傳輸到工廠的PIMS上，做進一步分析和利用。

圖4 智能MCC的SCADA 系統

1.2.3 信息管理系統

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

1.2.4 生產及安全監控系統

閉路監控系統（Closed Circuit TV Systems，CCTV）是智能化工廠所必備的，用以監控關鍵的工藝生產設備區域、工廠的出入口、主車間的進出口、主生產操作車間內部現場狀況。可以采用人臉識別技術，對進出車間人員進行身份識別和監控。

監控器采用液晶拼接顯示器進行顯示，監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。

監控探頭的數量與用戶協商確定，少則30 臺，多達百臺以上。室外監控探頭，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，特別是膠料制備、涂料制備工藝系統，工藝系統供貨商（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融到造紙企業DCS 上進行控制，對DCS 來說，實現配方功能是很難的，在DCS側設置配方控制服務器，通過OPC通信協議，將化學品系統配帶的配方服務器上的數據和操作畫面，傳輸到DCS，應為上策的選擇。

1.4 專用PLC控制系統

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 控制系統為中心，再配置各種執行不同功能的控制子系統，如何把DCS 與各控制子系統整合在一起，實現信息化，避免自動化孤島，是下一步實現工廠智能化的重要一步。

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

●DCS、MCS、QCS、WIS、DRIVE 采用一家供貨商來供貨，各系統可以掛在同一張網上，數據采集到統一的數據服務器，方便信息共享及對外輸出，減少各系統間的OPC服務器數量及接口。

●采用相同的用戶界面，操作和維護方便。

●整個網絡可采用一個共同的歷史數據庫，對數據比較、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。

●各系統的編程組態，具有相同的工程環境，降低用戶修訂成本。

●與MES、ERP 通信時僅需1 個通信接口，實現信息在整個系統中共享。

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

表1 DCS系統與第三方系統的通信協議

2 系統的進階配置

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的網絡結構也發生了變化，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，電氣專業要和DCS 專業密切配合，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的數據多少有關；建議每臺電機要求傳輸的數據不要太多，否則很容易造成網絡堵塞；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 現場設備管理（Field Device Manager，FDM）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，FDM 可作為全廠范圍內智能儀表的統一管理工具，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，執行所有的設備組態、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，FDM 允許Client 客戶端通過工廠分布式網絡結構遠程訪問HART 數據、使用FDM 服務器提供的所有功能。

2.3 DCS操作員培訓系統和培訓仿真系統

DCS操作員培訓系統和培訓仿真系統英文縮寫都是OTS（Operator Training System），但這是兩套不同內涵的系統，操作員培訓系統是一種常見的離線培訓系統，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，用于操作員的離線培訓、熟悉系統操作。而操作員培訓仿真系統是一套模擬動態工藝過程的仿真機，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未有實際應用的產品和案例，這有待造紙機廠家與系統供應商共同開發。

2.4 同步時鐘的設置

高度協作的紙機各自動化系統之間需要保持統一的高精度時鐘同步。通常做法是設置時鐘服務器，以GPS 或北斗衛星作為時間來源，應用NTP（網絡時間協議）將所有計算機系統的時間通過網絡進行授時，形成整個集成自動化系統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）自動化控制系統虛擬化平臺

自動化控制系統虛擬化平臺見圖5。該平臺以DCS控制系統為中心，采用集成自動化控制系統的方案，將系統集成在一起，掛在一條網絡上，設置一套帶有硬盤的冗余高性能服務器，以實現數據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點是虛擬服務器通過虛擬出任意版本的Windows 系統，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虛擬化平臺是一個開放的自動化虛擬工程平臺，對傳統自動化項目執行帶來巨大的變革。合同生效后就可以在云端虛擬平臺創建任意版本、配置、規模不限的DCS 控制系統，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中。項目團隊借助公有云，可以在世界任何地方協作進行編程組態、測試、培訓及遠程FAT 等工程服務。相比于傳統方案，虛擬工程平臺不僅可以大大節約成本，還能夠縮短自動化項目的執行周期。

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據加密。

2.7 虛擬專用網絡的設置

虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）每個DCS、MCS、QCS、DRIVE 等控制系統應該設置訪問外網的軟件與接口，主要用在安裝調試期間，用戶與控制系統供貨商技術中心、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，以實現在生產線運行出現故障時，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，傳輸到云端服務器，或利用云計算、或與異地大數據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據，對出現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。

2.8 供電和接地（UPS）

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

2.9 工業網絡安全

隨著工業物聯網的發展，網絡病毒也向工控系統蔓延，如已發現的“震網”病毒、“WannaCry”勒索病毒、烏克蘭電網攻擊等針對工控系統的網絡安全事件，工業網絡安全防護必須考慮，這是需要包含物理、軟件、網絡、管理等在內的復雜系統工程。目前采用比較成熟的措施，諸如安全防火墻、防病毒軟件、系統補丁管理軟件、USB管理、網絡風險評估及檢測系統、在線備份和恢復系統等。

圖5 自動化控制系統虛擬化平臺

圖6 VPN網絡連接示意圖

3 MES系統的運用

制造執行系統（MES）工作流程見圖7。該系統用于紙機生產線全流程閉環管理，MES 通過接收DCS、QCS、MCS 等過程控制系統的在線信息及其化驗室的信息，實現訂單計劃排產、生產跟蹤、分切系統優化、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、發貨管理、能源優化管理、決策支持、與ERP 系統交互等整體MES功能。

MES 能夠與ERP（SAP）的主數據、業務數據實時傳輸。ERP的采購訂單、銷售訂單等數據能夠通過接口自動傳入MES；倉庫入、發、存、批次等數據能夠從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網絡終端機柜及配電柜；交換機、光纖收發器、內部光纖及網線等所有附件。

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

表2 MES系統與第三方系統的通信協議

4 現場儀表的設置

現場儀表系統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，要根據生產規模、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 系統閉環工作流程

對各類常規溫度、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協議的變送器

為實現智能工廠對現場設備的管理，變送器及閥門定位器應配帶Hart 協議，帶Hart 協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

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

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，在日常現場巡視時，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、數字化和信息化的基礎上，如何利用工業互聯網和云平臺打造智能化工廠，離不開自動化設備制造商、系統軟件供應商研發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服務極大地豐富了造紙行業智能化的內涵，讓智能化走進現實。

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、設備維護和商業業務。但自動化及造紙設備供應商提出的解決方案應值得關注，他們開發的結合人工智能（AI）的數據驅動工業互聯網應用程序，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據、來自實驗室的質量數據、來自企業資源計劃和生產執行系統的數據和信息，在云環境中進行分析和預判，預測即將到來的變化和事件，根據預測做出決策，提前通知用戶進行主動防御，或讓系統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，對大數據進行提取和運用的同時，要防備信息傳輸的安全性、可靠性，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議。實現安全、保密的連接和數據管理，IT（信息技術）將會發揮主要作用。

5.1 傳統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[4]

在控制室外，從物流管理、實驗室到各管理層，整個現場社區都需要相關流程的特定信息，由于這些信息也可以在傳統的控制室之外接收和處理，稱之為“控制空間”，在控制空間，通過設置網絡安全措施，根據用戶角色設置權限，按需求共享信息。讓用戶依據權限對工藝過程進行支持與協作，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，也可用于執行必要的控制、監測和報告任務，減輕傳統控制室內操作人員面對眾多數據的壓力。如Valmet DNA User Interface 用戶界面（DNA UI）、ABB DCS 的Smart Client 等，均是采用網絡技術開發的可移動用戶界面（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場設備的運行數據，一旦出現故障，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供應商或服務機構，可將數據信息傳輸到云端，允許經過授權的外部供應商或服務機構查看數據，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，幫助現場工程師快速診斷潛在問題并進行維護。如ABB 開發的Ability?配電控制系統-芯Vision，是采用ABB 與微軟聯合開發的云架構傳輸、存儲和分析數據，通過路由器實現云連接，幫助用戶遠程監測電氣系統，實施電能管理，實現節能增效，見圖8[5]。又如SIEMENS 紙機傳動性能分析（DPA）系統[6]，為避免云數據交換量過大，在現場架設模型計算與邊緣計算設備（云橋），利用SIEMENS的Mindsphere 云平臺，完成數據采集，依據內置算法，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據，對張力與參數設置進行遠程實時監測，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 虛擬現實技術的應用

采用市場上已推出的可實現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。

圖8 利用工業互聯網平臺進行數據傳輸與云計算

圖9 SIEMENS紙機傳動性能分析（DPA）系統

6 結 語

打造基于信息化、互聯網及人工智能技術的控制系統，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場儀表系統、DCS系統、MES系統等基礎自動化建立起來，使生產過程數字化和信息化，讓高質量的數據成為企業的資產，這是實現工業4.0 的基石；第二步，投產后由IT 人員根據需求，通過工業互聯網技術，將數據接入云端，在云端讓經過授權的外部設備供應商或服務機構，利用數據挖掘技術、云計算技術、大數據分析技術，對數據資產進行有效的管理和利用，實現將工廠數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。

信息傳輸到云端，要注意傳輸的保密性和安全性，要設置防火墻和授權，要簽訂保密協議。

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，真正實現造紙企業的智能制造、綠色制造，這些付出是必要的。