智能革新
——生活用紙4.0的應用

謝承俊 福伊特造紙(中國)有限公司

當前，智能制造、工業互聯網和數字化轉型已經是不可阻擋的趨勢。同樣在造紙行業內，推動工業4.0的發展也已經是行業內的共識。

1 造紙4.0

將工業的發展歷程和造紙行業的技術發展歷程放在一起觀察會發現，每一次工業革命對造紙行業都會有極大的促進。第一次工業革命期間，1798年第一臺長網紙機被發明；第二次工業革命期間，1872年現代造紙機的成形、壓榨、干燥部雛形出現，這個模塊也一直被延續使用至今；第三次工業革命開始后，1975年在造紙設備領域的第一套DCS 系統得到應用，標志著造紙行業進入了3.0的時代；第四次工業革命將跟前面三次工業革命有很大的不同，第四次工業革命將不僅僅只是一個簡單的產品、系統的應用。在工業4.0的發展過程中，將會綜合運用到大數據、云技術、人工智能、虛擬現實、5G通訊等等各式各樣的新技術，是所有這些新技術的綜合體現。有人預估真正實現第四次工業革命，可能大約會持續30～40年的時間。

圖1 工業革命和造紙技術發展歷程

在以上這些新技術當中，最核心、最根本的就是數據。只有先進行基礎數據的收集，才能進行相關的分析及應用。其實在當今的造紙企業當中，已經產生了大量的數據。例如，某大型集團的IT系統每天產生將近2,500萬條數據。對這些數據進行收集、分析并利用，將會成為企業非常核心的競爭力。

然而到目前，大部分企業的數據并沒有得到很好的利用。就像石油一樣，石油是非常重要的戰略資源，但是我們不能直接使用原油，必須經過提煉加工，生產日常使用的汽油、柴油以及各種化工產品。同樣對數據的利用也是如此，必須要經過提煉。數據的應用，首先要把數據收集存儲起來，做結構化存儲。然后在不同的數據孤島之間架起一座座橋梁，使數據能夠產生協同運用的可能性。其次，實現數據的可視化來對生產運營做相關的指導。再往后可以對這些數據進行分析，并對生產過程進行優化，最終實現“自動駕駛”的功能，由系統自動對生產運營、維護保養、管理流程進行優化。

推動工業4.0、造紙4.0的發展，最終是想實現數字孿生。那么如何來實現數字孿生呢？首先是收集工廠所有的相關數據、信息，包括資產的數據、軟件的數據，以及設備運轉實時產生的數據。當把所有的數據綜合起來，在數字云里面，用數據搭建虛擬工廠，數據搭建的虛擬工廠其實是對實體工廠的數字映射。

例如，企業如果要做設備的改造，通常要計算投資回報率。在當前計算投資回報率時，主要是利用廠商提供的技術指標，或者設備供應商的技術經驗來進行大概的計算。而如果實現了數據孿生，搭建完成虛擬工廠，在虛擬工廠里面就可能進行非常精確的計算。設備改造以后，對企業的生產運營的影響，投資回報情況等有直觀的呈現。同時還可以從虛擬工廠里面發現很多企業平時沒有注意到的問題。

再例如，企業如果做新品的開發。目前可能是生產、研發、質量管理人員、供應商一起，對產品配方和工藝經過多次的討論，再進行一系列的試驗生產。在以后的虛擬工廠里面，可以測試各種各樣的數據和配方。從中挑選最優的配方在實體工廠進行實際生產。同樣可以用虛擬紙機，做預測性維護，優化工藝流程，優化管理等等。總體來說，通過虛擬工廠可以實現很多意想不到的功能。

當然，要實現工業4.0也不是一蹴而就的。福伊特提供的策略是循序漸進，逐步投資，使工廠每一份投資，都能得到相應的收益，從而促使工廠不斷的朝著造紙4.0、工業4.0方向前進。

比如說，企業可以首先對某些產品裝智能模塊，或者可視化。其次，通過這個產品跟工業互聯網連接，生產工作人員將能隨時隨地對設備進行訪問。然后，將不同的智能產品連接起來，形成系統，系統就可能實現一些復雜的功能。最后，將不同的系統有機結合，形成覆蓋整個工廠的智能系統，從而實現工業4.0。

目前，國內很多衛生紙機都是安裝在中小型企業，裝有DCS 以及QCS 這類基本的自動化、信息化管理系統的紙機數量較少。從這個角度來看行業內還有很多企業達不到工業3.0的標準，不適合去直接發展工業4.0。所以推動工業4.0還要結合工廠的實際，進行慎重的考慮。

2 OnEfficiency工藝優化模塊

對造紙企業來說，推動造紙4.0的發展，其實就是想解決企業關注的需求痛點。造紙企業面臨著各種各樣的痛點，比如效率、成本、品質，以及安全性。造紙企業希望用更先進的方式，先進的科學生產力解決他們這些痛點，并創造效益。

圖2展示的是福伊特針對生活用紙工藝部分的智能化解決方案。該技術會應用到大數據以及支持機器學習的工具，實現高級的回路控制，并通過高級的回路控制實現目前的控制水平所實現不了的一些功能，比如說松厚度的控制。

圖2 福伊特公司生活用紙智能化解決方案示意圖

2.1 流程控制原理

造紙流程是一個很復雜的過程，原材料、設備器材、人員等因素在生產過程中都會發生不同程度的變化，這些變量的輸入就導致了造紙的流程也處于不穩定中。流程的波動最終反映出來的就是品質的波動。當處于波峰的時候，可能就意味著資源浪費，而當處于波谷的時候，可能意味著產品質量的降低，甚至斷紙的發生。

工藝優化模塊的原理包括三個方面：顯示、穩定、優化。在工藝優化階段，首先就是要把造紙流程的波動做可視化呈現。呈現出來以后，操作人員就可以對相應的流程進行控制，使生產過程更加穩定。最后再進行優化，將控制指標優化至所需要的數值。

圖3 工藝優化模塊的原理示意圖

2.2 傳統QCS系統的局限性

目前生活用紙行業中應用的QCS系統通常只能檢測產品定量、水分，但其他一些重要物理性能，例如松厚度，只能采取下卷取樣測量的方式。這種檢測方式一方面工作效率較低，另一方面存在測量的盲區，可能會出現當松厚度不達標時，生產人員不能及時得到相應的信息。

圖4 常規的松厚度檢測點以及松厚度變化的真實情況對比

從圖4可以看到，第二個到第四個測量點通過測量結果來看，松厚度指標都是在標準范圍之內，但是這之間產品的松厚度有較大的波動，間斷性的測量并不能對整個生產過程做到全面的質量監控。

因此如果有一種方式能夠顯示實時的松厚度，就可以實時進行調整，保持品質的穩定。并且在未來，也可以將這一部分的控制置于閉環控制當中。

2.3 虛擬傳感器

要想實現這樣的功能，就需要引入“虛擬傳感器”的概念。虛擬傳感器有別于物理傳感器，是用大數據、機器學習的方式組建的一個算法，也就是一個數據模型。通過這個數學模型，我們可以實時計算出此時的物性指標。

首先，需要收集紙機正常、穩定運轉3個月以上的實際數據，挑選大約80%左右的數據來進行虛擬傳感器的搭建工作，剩下的20%來做測試。并用測試結果跟質量管理測量的數據進行比對，提高虛擬傳感器的準確性。

圖5 虛擬傳感器示意圖

在搭建虛擬傳感器的過程當中，紙機生產的工藝流程、工藝參數可能會有相應的變化。搭建好的虛擬傳感器需要在紙機的實際環境里運轉2～3個月。通過虛擬傳感器自我學習的功能不斷地校準，從而更貼合該紙機的生產狀況。最終可以用虛擬傳感器做可視化，指導企業的生產，提前調整。

從事造紙行業的專業技術人員通常對哪些參數的調整對松厚度有影響會有經驗判斷，但是并不能準確判斷各個因素之間相關性具體是多少。虛擬傳感器的搭建就是找出所有影響因素的參數，選擇影響最大的20～30種寫入模型中。在這個模型中，不僅僅只是反饋對松厚度單個參數的影響、調整，產生的其他一系列影響都會反饋在模型中。單一的參數調整以后，對整個系統的影響要做到平衡。

圖6是福伊特在實驗室的測試案例，在該測試中選取了約3,300個數據點。經過數據分析和運算，數據最終的相關性可以達到0.94。通常如果預測值跟實際值的相關性在0.9左右，就已經具備了閉環控制的基礎。

2.4 OnEfficiency控制系統供貨范圍和實例

在生活用紙行業應用OnEfficiency控制系統對工廠有一定的硬件要求。首先必須具有DCS、QCS、MCS這些基本的自動化控制系統。此外，還需要有相對完整的實驗室測試指標為預測指標做比對。

圖7所示是OnEfficiency控制系統在歐洲的測試案例。主要生產的產品是衛生紙，定量是16g/m2，年產能3.5萬t。

通過OnEfficiency控制系統優化，松厚度等指標保持在標準范圍之內，定量能降低0.15g/m2，每年減少纖維用量達到3,500t，如果按照4,800元/t的漿價計算，每年可以節約費用168萬元。

圖7 OnEfficiency控制系統松厚度虛擬傳感器監測數據

客戶的反饋也非常正面，因為能夠隨時對產品的質量進行掌控，操作人員也能隨時對產品物理性質做出相應的調整。

除了松厚度的控制，針對生活用紙，福伊特還有大量其他的模塊可供選擇，比如說：工業物聯網平臺、脫水控制、成本控制、狀態監測、維保管理等。這些模塊，包含了從工藝流程到設備維保，到智能化服務、數據實時應用等各方面。例如，福伊特公司現在研發的最新斷紙預測模塊，可以通過云計算預測什么時候，什么部位會產生斷紙，給生產人員提前的警示，然后做出相應的調整，來提升運行效率。

所有這些模塊，既可以單獨安裝，也可以組合安裝。既可以裝在本地的服務器，也可以裝在福伊特公司的云端服務器。安裝的模塊越多實現的功能就會越強大。當這些模塊的功能逐漸覆蓋整個工廠，就會逐步實現造紙4.0——引入數字孿生的愿景。

3 SpeedChange T 新式換卷技術

針對尚未安裝QCS系統的紙機，福伊特公司也有一些傳統自動化的產品可以幫助廠家提升其效率。比如說Speed Change T新式自動換卷技術，該套設備具有安全性好、效率高、投資少的優點，能夠顯著提升紙機效率。

傳統生活用紙的換卷系統，都是采用手動方式，缺點很多，例如：需打斷進行換卷，然后再引紙；引紙效率取決于員工技能水平；有安全隱患等。

圖8 人工換卷

SpeedChange T采用全幅自動吹氣換卷，無需打斷，可以顯著提升紙機效率，并減少輥底損紙。同時，對員工的安全也是一種保護。

圖9 SpeedChange T 新式換卷技術

正常的人工換卷時間大概是在25s左右，用新換卷技術，大概只有4s。人工換卷的成功率通常是90%，采用這種新型的換卷技術，成功率可以提高到97%。以運行車速是1,850m/min，成品定量17g/m2的紙機為例，采用新的換卷技術，每年收益大概是15萬歐元，約合人民幣120萬～130萬元，收益非常明顯。