造纸工业智能化设计探讨

崔焕新 许海蓝 牛 帅 司成林 杨 乐 张 涛

（1.中国中轻国际工程有限公司，北京，100026；2.维美德自动化（上海）有限公司，北京，100020；3.霍尼韦尔（中国）有限公司，北京，100015；4.ABB（中国）有限公司，北京，100015）

目前，现场仪表系统和自动化控制系统在造纸行业已得到普遍应用。在此基础上，利用工业互联网、大数据、云计算、5G 通信等新技术，将自动化控制与信息化管理高度融合，让工厂生产与管理更具智慧，具备整体感知、预测、协同和分析能力，实现智能化的跨越，为企业的运营带来工艺流程的优化、生产成本的降低、劳动效率和生产效益的提升[1]，这是造纸行业发展的目标。

高速纸机生产线，无论是生产牛皮卡纸、瓦楞原纸、白卡纸、文化用纸等，从浆料制备到抄纸完成，所有的工艺系统及辅助系统，普遍采用集散控制系统（Distributed Control System，DCS）、纸机控制系统（Machine Control System，MCS）、质量控制系统（Quality Control System，QCS）、纸病监测系统（Web Inspection System，WIS）、纸机传动控制系统（DRIVE）等，少量企业也配置生产过程信息管理系统（Pro‐cess Information Management System，PIMS）、制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）、企业资源管理系统（Enterprise Resource Planning，ERP）。其自动化结构一般可规划为5层，见图1。

目前，大多数造纸企业完成了第1～第2层，少部分企业实现了第1～第3 层，部分企业配置了第4 层ERP，但真正发挥出ERP全部功能的仅是少数。而工业4.0 则是在第4 层基础上通过工业互联网和数据处理云平台等技术实现智能制造[2]，可以算是第5 层，大多数造纸企业正在第5层的路上。对数据收集和分析利用普遍不高的主要原因，一是控制系统配置在设计之初有缺陷，配置不全、系统间通信接口和通信协议配置不完善，如未配置MES 系统对生产过程数据进行分析处理。二是对大数据提取和分析重视不够，没有预留云端接口和预购服务，导致造纸生产线依旧停留在单纯的自动化控制阶段（工业2.0或3.0），与智能化（工业4.0）有差距。

本文主要探讨了在工程设计阶段，如何对高速纸机生产线现场仪表系统、智能MCC、自动化控制系统、生产管理系统、信息管理系统进行合理的配置；投产后如何在此基础上利用工业互联网、云平台，对大数据进行分析和利用，实现造纸生产线智能化运营。

1 自动化控制系统的典型配置

一条高速纸机生产线需设置独立的控制室进行控制，其典型控制系统的配置见图2。

1.1 常规控制系统

1.1.1 DCS控制系统

DCS控制系统主要用于下列造纸工艺流程中的现场仪表、控制阀门和电动机的控制与操作：浆料制备工艺系统，上浆工艺系统，白水回收工艺系统，清水、温水、冷却水、密封水、喷淋工艺系统，真空工艺系统，蒸汽冷凝水工艺系统，热回收工艺系统，损纸工艺系统，化学品制备工艺系统，厂房通风系统等。

厂房通风系统主流设计，一般由通风设备自带本体PLC进行控制，将部分重要信号（如运行状态、故障、温度等）以硬接线的方式送至DCS 进行监视，也有少部分用户，直接在DCS上进行控制。

蒸汽冷凝水系统、化学品制备系统一般在DCS上进行控制，但也有纸机供货商要求在MCS 上进行控制。

1.1.2 MCS控制系统

MCS 是用于纸机本体的控制，大多随纸机制造商配套供货，主要用于纸机本体各部件、纸机辅助传动的控制与连锁，如纸机油润滑系统、液压系统、气动系统等。另外，纸机喷淋系统的部分喷淋水阀，以及所有不在DCS 或QCS 上体现的控制和连锁功能，均由MCS 进行控制。MCS 控制系统以数字量为主，总I/O点数一般在4000左右。

对于高速纸机，一些用于执行特定功能、纸机专用的控制子系统也属于广义的MCS 范畴。如WMS、CMS，这些系统一般由纸机制造商配套供货，也可以由第三方单独提供。目前纸机配套提供的典型配置方案是将WIS/WMS 集成在一起进行监视，便于信息的集成和分析。

纸病监测系统（WIS）用于标记纸张的瑕疵，为下一步在完成车间纸张分切提供信息，剔除掉不合格的纸张，提高产品的等级。

图1 自动化分层结构

图2 纸机典型控制系统配置图

纸张断纸监视系统（Web Monitoring System，WMS）用于实时的数字化纸张断纸检测和分析，系统由摄像头、照明光源，转换控制箱、图像处理器、图像存储服务器、操作员站组成。摄像头的数量一般在10～20台左右，具体数量根据纸机的规格确定。

纸机运行状况监测系统（Condition Monitoring System，CMS）用于对能影响纸机稳定运行的各部位进行监测，如对设备状态的监测、纸机运行状态监测、润滑油在线状态监测等。

通过对安装在纸机本体各部位的各类传感器发出的信息进行分析和提前预估，及早发现问题，采取必要的干预措施，保证纸机的正常运行。

根据纸机的机台情况，设置的监视点少的几百点，多的达到2000点（涂布白卡纸生产线），典型的配置在1000 点左右。为了节约投资，建议有压区的辊子，左右两侧都安装振动传感器，而烘缸只在一侧安装振动传感器。

CMS 是一套典型的机电一体化系统，它需要经验丰富的机修人员能对各种数据曲线进行分析，得出正确的判断，才能发挥出CMS 的作用。但分析经验的积累不是短时间能具备的，因此对用户机修工程师的操作培训非常重要，作为工业互联网的一部分，供应商提供的远程分析也是非常有效的方式。

1.1.3 QCS控制系统

质量控制系统（QCS）是一个成熟的系统，几乎每台纸机都配备，现在也称为质量管理系统（QMS），就是通过设置在扫描架上的各种传感器对纸幅的各种指标进行测量，综合分析后，通过设置的横向（CD）、纵向（MD）的执行机构，对纸幅的水分、定量、厚度等进行控制。1 台纸机可以根据需要设置多台扫描架，每台扫描架布置各种所需的传感器，如水分、定量、灰分、厚度、颜色等传感器。

1.1.4 纸机传动控制系统（DRIVE）

纸机传动控制系统（见图3）是将纸机各个主传动部位连接同步运转，是保证纸机稳定运行的重要系统。该系统由机械减速装置、调速装置、分部传动控制装置等构成。DRIVE 系统主要体现在速度链控制、负荷分配控制、张力控制、加压顺序控制、转移施胶涂布机控制、断纸连锁控制等方面。控制层次包括以下几方面。

●在传动机柜室：对交流电动机速度、电流、张力等参数的控制。

图3 纸机传动控制系统（DRIVE）

●在现场操作台：配置智能化操作面板，与DRIVE 控制器实现高速数据通信，对纸机的相关参数进行调整的控制。

●数据监控：通过系统留有的维护、管理用通信接口，去实现数据监控。

由于浆料配比、纸浆特性、纸机运行状况等条件的改变，使得纸机车速有较大的调整范围；电源的电压、频率以及负荷等因素的变化也会引起纸机车速的变化；同时纸机上各分部受到不同牵引力作用，在烘缸各段加热温度不同，都会使纸幅产生纵向的伸长或收缩。因此，为确保控制稳定精确，DRIVE 系统是一个变速的分部传动控制系统。

1.2 安全监控管理系统

1.2.1 安全仪表系统[3]

大型的化学制浆生产线，需要设置安全仪表系统（Safety Instrumented System，SIS）或（Safety Related System，SRS）。在浆料处理设备中，同样需要采取提升机械本质安全的措施，通常是设置现场安全急停链系统，来保证生产中的安全性。

根据工艺系统和设备的区域布置，将有紧急停止要求的电动机和设备进行分组，设置现场急停链，一条急停链对应一组。急停链中的任何一个紧急停止按钮或拉线开关被触发，则该急停链的所有电动机将被停止，且设备被控制到安全状态。急停链中的电动机和设备会一直处于安全锁定的状态，直到急停链中所有急停开关被恢复到正常，且由人工通过复位确认按钮手动解除急停。

安全急停链主要用于浆料制备系统的碎浆、备浆、损纸处理、白水回收，损纸收集、纸机传动等子系统中。每条急停链包括以下硬件。

●带清晰安全标识的紧急停止按钮或拉线开关：应布置在易于观察并方便接近的现场设备附近，1 个急停链中的紧急停止按钮相距不应超过15 m。

●带指示灯的复位确认按钮：布置在车间危险区域外的安全位置。

●符合SIL 或PL 等级的安全继电器，扩展模块等。安全继电器的工作电源由UPS电源提供。

●急停按钮的一个常开触点作为DI信号接入车间DCS系统，用于指示急停链由哪个急停按钮触发，便于在系统中追溯和查询。

安全急停链系统是独立于过程控制系统的独立系统，为满足机械及人身安全要求所设置，不同于DCS系统中常见的单机停机或组停机连锁逻辑，急停动作优先级高于DCS系统中的逻辑停机。

1.2.2 智能MCC的数据采集与监控（SCADA）系统

来自低压MCC智能马达保护器的信号，一般采用Profibus-DP 协议传输到DCS，由于传输负载的原因，将所有信号都传输到DCS是不现实的，很多信号与生产过程控制关联不大，但对MCC的监视和维护是有用的。通过设置Profibus gateway 将信号分成两路；一路送到DCS，如运行信号、故障信号、启停命令、电流等；另一路送SCADA 系统（见图4），由SCADA 系统将这些信号收集起来进行监控，如过载、缺相、欠载、相不平衡和相序、相电流、线电压等。对脱扣状态、报警状态、距离脱扣时间、距离脱扣后重新启动时间、最近脱扣原因记录等维护诊断数据，这些数据保存在SCADA服务器中，用于维护查询，也可以采用OPC协议传输到工厂的PIMS上，做进一步分析和利用。

图4 智能MCC的SCADA 系统

1.2.3 信息管理系统

生产过程信息管理系统（PIMS）用来集中收集储存生产过程信息、产品质量数据及厂区其他数据，一般与DCS、MCS、QCS 挂在一张网上，属于DCS 的一部分。该系统是追踪纸张质量、产品损失分析、数据过程控制与操作人员日志的工具。收集到的历史趋势数据，可供定制报表，要配备ODBC 开放式数据库以及与其他系统进行实时信息交换的硬件设备。

1.2.4 生产及安全监控系统

闭路监控系统（Closed Circuit TV Systems，CCTV）是智能化工厂所必备的，用以监控关键的工艺生产设备区域、工厂的出入口、主车间的进出口、主生产操作车间内部现场状况。可以采用人脸识别技术，对进出车间人员进行身份识别和监控。

监控器采用液晶拼接显示器进行显示，监控器可以单独布置在集控中心，但对于造纸生产线多布置在造纸DCS控制室。

监控探头的数量与用户协商确定，少则30 台，多达百台以上。室外监控探头，应具有夜视功能。智能探头可光纤连接。

1.3 专用的配方管理软件包

对于化学品制备系统，特别是胶料制备、涂料制备工艺系统，工艺系统供货商（Valmet、GAW、BAV等）都会配置一套独有技术的配方管理软件包，类似BATCH PROTOCAL。若将整个化学品系统融到造纸企业DCS 上进行控制，对DCS 来说，实现配方功能是很难的，在DCS侧设置配方控制服务器，通过OPC通信协议，将化学品系统配带的配方服务器上的数据和操作画面，传输到DCS，应为上策的选择。

1.4 专用PLC控制系统

对于造纸生产线上复卷机（Winder）的控制，由设备配带的PLC 进行控制。1 台复卷机，典型的I/O点数在1000点左右。

其他工艺设备，如真空透平机、盘磨机、高浓除渣器等，这些设备不建议配带小型PLC，应纳入DCS进行集中控制。

1.5 控制系统的集成与整合

综上所述，一条高速纸机生产线，以DCS 控制系统为中心，再配置各种执行不同功能的控制子系统，如何把DCS 与各控制子系统整合在一起，实现信息化，避免自动化孤岛，是下一步实现工厂智能化的重要一步。

对控制系统的整合，有两种成熟的办法，一是采用系统集成的方法，即采用一个品牌的控制系统供货商来提供；二是系统分散采购，系统由用户集成，在采购各控制系统时约定系统之间的通信协议和通信方式、传输数据的内容等。大型高速纸机的首选方案应是采用系统集成的方式，具体优点如下。

●DCS、MCS、QCS、WIS、DRIVE 采用一家供货商来供货，各系统可以挂在同一张网上，数据采集到统一的数据服务器，方便信息共享及对外输出，减少各系统间的OPC服务器数量及接口。

●采用相同的用户界面，操作和维护方便。

●整个网络可采用一个共同的历史数据库，对数据比较、分析和报告，更直接有效。

●通用硬件的备用大大减少，如I/O 卡件、通信模件、控制器等，从而降低维护成本。

●各系统的编程组态，具有相同的工程环境，降低用户修订成本。

●与MES、ERP 通信时仅需1 个通信接口，实现信息在整个系统中共享。

新项目若只有纸机生产线，选择单一品牌的控制系统供货商进行系统集成是最理想的做法，至少把DCS、MCS、QCS、WIS 等集成在一张网上，DRIVE系统可单独采购。若选择的系统由用户自己集成，一般要按表1中的方式来约定DCS 与各系统间的通信协议和通信方式，传输数据的内容在开球会上提出。

表1 DCS系统与第三方系统的通信协议

2 系统的进阶配置

2.1 智能MCC

智能MCC 在高速纸机生产线中得到了广泛的应用，DCS的网络结构也发生了变化，设计思路及提资要求也有很大的不同，在设计时要给予应有的重视，电气专业要和DCS 专业密切配合，提出合理的通信方案。如由于电动机的控制是通过通信方式与DCS相连，DCS的I/O 卡件显著减少，I/O 柜总数减少，但DCS 的CPU 负荷及内存不但没有减少，反而有所增加，这与每台电机要求传输的数据多少有关；建议每台电机要求传输的数据不要太多，否则很容易造成网络堵塞；对低压智能MCC（690VAC 及以下），主流的智能马达保护器，无论是SIEMENS 的SIMOCODE，还是ABB 的MCU，都是采用Profibus-DP 协议和光纤传输介质，不用MODBUS；典型的工程经验是每条Profibus-DP 的负载电机的数量在50 台以内，若条件允许，40 台以内。在MCC 侧的OLM 供电，应由MCC柜内独立设置的UPS供电。

变频控制的电机采用智能模块的变频器，属于智能MCC 的范围。建议采用单独一条DP 线控制，不和其他普通智能MCC混用一条线。

2.2 现场设备管理（Field Device Manager，FDM）服务器

设置FDM 服务器是必要的，可以单独设置，也可以与其他服务器集成在一起。基于对HART、Profi‐bus 和FF 等开放标准的支持，FDM 可作为全厂范围内智能仪表的统一管理工具，不论设备的生产厂家和类型。FDM 使用未经修改的设备描述（DD）和设备类型管理（DTM）文件，执行所有的设备组态、管理和诊断任务，并支持DD 或DTM 文件中描述的所有功能和特性，简化了用户对智能仪表的维护任务。

另外，FDM 允许Client 客户端通过工厂分布式网络结构远程访问HART 数据、使用FDM 服务器提供的所有功能。

2.3 DCS操作员培训系统和培训仿真系统

DCS操作员培训系统和培训仿真系统英文缩写都是OTS（Operator Training System），但这是两套不同内涵的系统，操作员培训系统是一种常见的离线培训系统，一般用DCS 硬件——控制器、I/O 卡件、操作员站搭建一套独立的系统，用于操作员的离线培训、熟悉系统操作。而操作员培训仿真系统是一套模拟动态工艺过程的仿真机，与DCS 实时相连，对操作员进行培训。通过数字双胞胎技术，操作人员能够模拟各类正常及特殊的工况，在造纸机真正启动前对DCS操作与纸张生产有所了解，掌握和学习操作要点及处理规程。不同于化学制浆生产线，有成熟的OTS应用案例，但到目前为止，对于纸机生产线的模拟仿真系统未有实际应用的产品和案例，这有待造纸机厂家与系统供应商共同开发。

2.4 同步时钟的设置

高度协作的纸机各自动化系统之间需要保持统一的高精度时钟同步。通常做法是设置时钟服务器，以GPS 或北斗卫星作为时间来源，应用NTP（网络时间协议）将所有计算机系统的时间通过网络进行授时，形成整个集成自动化系统毫秒级误差的时间同步，对SOE进行时间定位。

2.5 冗余的策略

DCS、MCS、PLC 等控制系统的控制器最好采用冗余配置，服务器采用冗余配置，智能MCC 采用Profibus-DP通信的介质应考虑冗余备用。

I/O卡件一般不需要冗余配置，但I/O柜内需要预留20%左右的扩展空间。

2.6 虚拟化技术

（1）自动化控制系统虚拟化平台

自动化控制系统虚拟化平台见图5。该平台以DCS控制系统为中心，采用集成自动化控制系统的方案，将系统集成在一起，挂在一条网络上，设置一套带有硬盘的冗余高性能服务器，以实现数据历史服务器等各服务器族群、各客户站、客户端的虚拟化。采用这种虚拟技术的优点是虚拟服务器通过虚拟出任意版本的Windows 系统，可以将原先束缚在普通PC、普通服务器硬件上的控制站点解放出来，在升级自动化系统的软件时就不再受制于硬件。

（2）结合云技术的虚拟工程平台

利用云平台搭建的自动化控制系统虚拟化平台是一个开放的自动化虚拟工程平台，对传统自动化项目执行带来巨大的变革。合同生效后就可以在云端虚拟平台创建任意版本、配置、规模不限的DCS 控制系统，工程可以随时开始，而不受制于硬件和软件的购买和安装时间限制；通过高速VPN 访问接口，可以随时将工程从虚拟机转移到本地的虚拟或物理系统中。项目团队借助公有云，可以在世界任何地方协作进行编程组态、测试、培训及远程FAT 等工程服务。相比于传统方案，虚拟工程平台不仅可以大大节约成本，还能够缩短自动化项目的执行周期。

需要注意的是，访问虚拟服务器必须设置许可证制度、必须设置安全防火墙以及严格的病毒预防和数据加密。

2.7 虚拟专用网络的设置

虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）每个DCS、MCS、QCS、DRIVE 等控制系统应该设置访问外网的软件与接口，主要用在安装调试期间，用户与控制系统供货商技术中心、工艺设备供货商服务中心之间进行信息、文件的传输和指导调试，以实现在生产线运行出现故障时，为用户提供远程维护和诊断，连接示意图见图6。具体做法是：客户端DCS 设备通过网络连接到云端服务器，用户将信息和需求通过私有云或混合云，传输到云端服务器，或利用云计算、或与异地大数据运行客服中心的专家进行沟通，双向交流，快速得到解决问题的策略和指导，云服务器自动分析设备运行数据，对出现异常及时向客户提出警告，及时排除故障避免产生损失。这是智能工厂信息化的一个重要体现。

2.8 供电和接地（UPS）

控制系统的UPS 电源，一般不太要求冗余配置。DCS、MCS 等控制系统接地，按等电位的方式即与电气专业共地。

2.9 工业网络安全

随着工业物联网的发展，网络病毒也向工控系统蔓延，如已发现的“震网”病毒、“WannaCry”勒索病毒、乌克兰电网攻击等针对工控系统的网络安全事件，工业网络安全防护必须考虑，这是需要包含物理、软件、网络、管理等在内的复杂系统工程。目前采用比较成熟的措施，诸如安全防火墙、防病毒软件、系统补丁管理软件、USB管理、网络风险评估及检测系统、在线备份和恢复系统等。

图5 自动化控制系统虚拟化平台

图6 VPN网络连接示意图

3 MES系统的运用

制造执行系统（MES）工作流程见图7。该系统用于纸机生产线全流程闭环管理，MES 通过接收DCS、QCS、MCS 等过程控制系统的在线信息及其化验室的信息，实现订单计划排产、生产跟踪、分切系统优化、纸品追踪分析检索、生产自动化、成本分析、设备管理、仓储管理、发货管理、能源优化管理、决策支持、与ERP 系统交互等整体MES功能。

MES 能够与ERP（SAP）的主数据、业务数据实时传输。ERP的采购订单、销售订单等数据能够通过接口自动传入MES；仓库入、发、存、批次等数据能够从MES 按逻辑自动传入ERP。若用户没有配置ERP，订单录入采用手工方式导入MES。MES所需的硬件配置包括：①布置在纸机机柜室内的双机热备高端服务器；②布置在现场带操作员站的客户端；③扫描枪、手持终端PDA、条码打印机、标签打印机、针式打印机；④网络终端机柜及配电柜；交换机、光纤收发器、内部光纤及网线等所有附件。

MES 服务器需要做到真正的冗余，而不是镜像方式。MES现场机柜220 VAC电源，由各工艺设备供货商配带的现场机柜就近提供。MES 系统与第三方系统的通信协议见表2。

表2 MES系统与第三方系统的通信协议

4 现场仪表的设置

现场仪表系统的配置包括各类变送器、传感器、控制阀门、分析仪表及辅助附件等，要根据生产规模、产品品种和工艺要求，在保证可靠性的前提下，按合理的性价比进行配置。

图7 MES 系统闭环工作流程

对各类常规温度、压力、液位等变送器的选用，按介质类型来选择变送器接液部材质和连接形式。

对控制阀门，主要按介质类型来选用气动开关或调节阀门，阀门一般选用硬密封。另外，要注意工艺是否有FO、FC、FI 的要求，是选择单作用还是双作用；对闸板阀，要注意是否有双面密封的要求等。

对各类浓度变送器的选用，根据工况和工艺的要求，选用刀式、旋转式、光学、微波等形式的浆浓变送器。

上浆系统中，对浆中纤维特性进行在线分析的专用仪表，如电荷分析仪（Cationic Demand Analyzer）、留着率分析仪（Retention Measurement Analyzer）、游离度分析仪（Freeness Measurement）等，一般随纸机配带。

4.1 选择带Hart协议的变送器

为实现智能工厂对现场设备的管理，变送器及阀门定位器应配带Hart 协议，带Hart 协议的变送器应支持用于资产管理的电子设备描述（EDDL 或DTM），变送器供货商应提供DTM 文件给DCS 供货商，并下载到DCS Hart管理服务器上。

4.2 选用仪表要重视可靠性

现场工况繁杂，选用维护方便和使用寿命长的仪表，是实现智能化工厂的重要保障。尽管一次性投资很大，但人为减少现场仪表的数量和降低质量，是不能够实现工厂智能化的。

4.3 选用配带信息化功能的仪表

为适应工业4.0 智能化的理念，一些新型的智能变送器、传感器、电气阀门定位器等装置，内置专用的APP 应用程序，用户可以通过蓝牙技术或无线通信技术，在近距离内（一般为25 m 以内）用智能手机或平板电脑进行无线连接，获得产品的所有信息，进行快速参数设置、显示和状况诊断。

这类智能仪表对日常维护提供了巨大的便捷性，如安装在大型浆塔顶部的雷达液位计、安装在高空管道上的仪表，在日常现场巡视时，不需要爬高，就近利用智能手机进行远程诊断和参数设置。

4.4 采用具备可扩展性和方便安装的辅助装置

经验证明，在现场设置三位一体的接线箱，将信号、气源、电源等置入接线箱内，采用多芯电缆接到DCS I/O柜，可使智能工厂的维护和改造变得简单。

5 打造智能工厂的技术手段

在完成过程自动化、数字化和信息化的基础上，如何利用工业互联网和云平台打造智能化工厂，离不开自动化设备制造商、系统软件供应商研发推出的新产品和新技术手段。他们提供的带有智能化概念的产品、APP软件、分析软件和云端专业服务极大地丰富了造纸行业智能化的内涵，让智能化走进现实。

目前，利用比较多的公有云平台有：亚马逊的AWS、微软的AZURE 及ali 云等。基于对工艺、设备及自动化的深刻理解，各供应商提出了一系列解决方案，用于指导工厂的智能化生产、设备维护和商业业务。但自动化及造纸设备供应商提出的解决方案应值得关注，他们开发的结合人工智能（AI）的数据驱动工业互联网应用程序，在云平台对用户传输过来的来自设备和生产过程中的大量数据、来自实验室的质量数据、来自企业资源计划和生产执行系统的数据和信息，在云环境中进行分析和预判，预测即将到来的变化和事件，根据预测做出决策，提前通知用户进行主动防御，或让系统自动填充最佳设定值。

让有经验的设备供货商和专家服务团队，对大数据进行提取和运用的同时，要防备信息传输的安全性、可靠性，做好授权操作和防火墙隔离措施，并需要用户和供货商之间签订保密协议。实现安全、保密的连接和数据管理，IT（信息技术）将会发挥主要作用。

5.1 传统控制室拓展至控制空间的理念，也是工厂智能化的一种体现[4]

在控制室外，从物流管理、实验室到各管理层，整个现场社区都需要相关流程的特定信息，由于这些信息也可以在传统的控制室之外接收和处理，称之为“控制空间”，在控制空间，通过设置网络安全措施，根据用户角色设置权限，按需求共享信息。让用户依据权限对工艺过程进行支持与协作，这样无论用户走到任何地方，都可以采用移动设备接收这些信息，也可用于执行必要的控制、监测和报告任务，减轻传统控制室内操作人员面对众多数据的压力。如Valmet DNA User Interface 用户界面（DNA UI）、ABB DCS 的Smart Client 等，均是采用网络技术开发的可移动用户界面（User Interface），打造“控制空间”，让用户在任何时间、任何地点、任何移动操作终端上都能利用这个界面。

5.2 借助云平台实现远程管理、维护与故障预判成为一种主流

用户有了足够的来自现场设备的运行数据，一旦出现故障，工厂可能缺乏有经验的专家来解读，最好的设备专家来自于外部专业供应商或服务机构，可将数据信息传输到云端，允许经过授权的外部供应商或服务机构查看数据，利用复杂软件进行全天无休的高级自动分析和远程诊断，提出预防性维护建议或改进性能的具体措施，帮助现场工程师快速诊断潜在问题并进行维护。如ABB 开发的Ability™配电控制系统-芯Vision，是采用ABB 与微软联合开发的云架构传输、存储和分析数据，通过路由器实现云连接，帮助用户远程监测电气系统，实施电能管理，实现节能增效，见图8[5]。又如SIEMENS 纸机传动性能分析（DPA）系统[6]，为避免云数据交换量过大，在现场架设模型计算与边缘计算设备（云桥），利用SIEMENS的Mindsphere 云平台，完成数据采集，依据内置算法，在没有张力传感器的条件下，计算出整机各机架间张力，并结合生产纸种的运行大数据，对张力与参数设置进行远程实时监测，给出断纸预测报警（以往的提前预估只能靠在实验室测量纸张质量，如强度等），见图9。

5.3 虚拟现实技术的应用

采用市场上已推出的可实现远程诊断的智能头盔，带有毒气体检测、生命体征检测和人员定位的智能个人防护设备、移动终端软件、基于VR/AR 技术的虚拟培训系统等工具，提高人员的生产力及安全性，这些装备和技术手段的采用，也是智能工厂的一种体现。

图8 利用工业互联网平台进行数据传输与云计算

图9 SIEMENS纸机传动性能分析（DPA）系统

6 结 语

打造基于信息化、互联网及人工智能技术的控制系统，对整个生产工序集成控制，是智能化造纸生产线追求的目标，要分步实施。第一步，在设计阶段就要把现场仪表系统、DCS系统、MES系统等基础自动化建立起来，使生产过程数字化和信息化，让高质量的数据成为企业的资产，这是实现工业4.0 的基石；第二步，投产后由IT 人员根据需求，通过工业互联网技术，将数据接入云端，在云端让经过授权的外部设备供应商或服务机构，利用数据挖掘技术、云计算技术、大数据分析技术，对数据资产进行有效的管理和利用，实现将工厂数字化转型为智能化的目标。

打造智能化造纸生产线要因地制宜，要考虑适应性和可操作性，要根据工艺需求进行配置，注重投资性价比，同时兼顾操作人员的操作水平和培训，提高利用率。

信息传输到云端，要注意传输的保密性和安全性，要设置防火墙和授权，要签订保密协议。

利用云平台，订制由外部设备供应商或服务机构提供的专家级服务，用户一般需要按每月或按使用的流量多少来支付相应的服务费用，但为让设备保持智能运维，提前预测潜在的故障，减少非计划停机，提高生产效能，真正实现造纸企业的智能制造、绿色制造，这些付出是必要的。