計(jì)算機(jī)集成制造CIM在制漿造紙工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、 引言

1973年，美國(guó)的Joseph Harrington博士在《Computer Integrated Manufacturing》一書中提出了一種組織企業(yè)生產(chǎn)的理論——CIM，直譯為計(jì)算機(jī)集成制造。CIM是一種組織管理和運(yùn)行企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的新哲理。

CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）是基于CIM哲理而組成的系統(tǒng)，即它是通過計(jì)算機(jī)硬軟件，并綜合運(yùn)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將企業(yè)生產(chǎn)全部過程中有關(guān)的人、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)管理三要素及其信息流與物質(zhì)流有機(jī)集成并優(yōu)化運(yùn)行的復(fù)雜大系統(tǒng)。這一定義是針對(duì)離散型工業(yè)而言，其實(shí)以石化、化工、冶金、能源、造紙為代表的流程工業(yè)也在向CIMS方向發(fā)展。把CIMS概念擴(kuò)展至流程工業(yè)，即形成了流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)CIPS（Computer Integrated Process System）概念，也可稱為流程工業(yè)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS in process industry）。

流程工業(yè)集成自動(dòng)化大致經(jīng)歷了以下五個(gè)階段：（1）早期的過程控制階段;（2）70年代以前的直接數(shù)字控制階段DDC（Direct Digit Control）;（3）70～80年代的集散控制階段DCS（Distributed Control System）;（4）80年代以后的DCS+優(yōu)化階段;（5）流程工業(yè)綜合自動(dòng)化（CIPS）階段。集成化分散控制系統(tǒng)向信息管理系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制方向擴(kuò)展，將過程控制和信息管理系統(tǒng)緊密結(jié)合起來，便構(gòu)成了計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS）。90年代開始將生產(chǎn)調(diào)度、計(jì)劃優(yōu)化、經(jīng)營(yíng)管理與決策等引入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，使市場(chǎng)意識(shí)與優(yōu)化控制相結(jié)合，促使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)走向更加完善的CIPS階段，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益與技術(shù)進(jìn)步?？梢姡珻IPS是流程工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2、 制漿造紙工業(yè)生產(chǎn)流程特點(diǎn)及對(duì)CIPS的需求

制漿造紙全過程工藝流程（如圖1）可以描述為：麥草、蘆葦?shù)仍旒堅(jiān)辖?jīng)干、濕法備料，同蒸煮液（黑液和白液）混合后被送往蒸煮部進(jìn)行高溫蒸煮，通過蒸煮反應(yīng)生成粗漿;粗漿經(jīng)過洗滌和篩選，除去其中的黑液、渣質(zhì)和粗大纖維，變成良漿，然后被送往漂白工段，經(jīng)過CEH三段連續(xù)漂白變成紙漿;從洗篩漂車間過來的紙漿，與其它漿種按一定比例配合，并與填料、膠料和染料等添加物料混合，形成混合漿;混合漿被打入成漿池，被清水和白水稀釋成規(guī)定濃度的紙漿，再與明礬等填料混合，經(jīng)調(diào)漿箱、除砂器、穩(wěn)漿箱和流漿箱上網(wǎng)，再經(jīng)壓榨、烘干、施膠、壓光和卷取變形成成品紙.

由此可見，制漿造紙工業(yè)屬于少品種、大批量的連續(xù)型生產(chǎn)方式，另外，制漿造紙業(yè)是造成環(huán)境污染最嚴(yán)重的行業(yè)之一，同時(shí)還是木材、化學(xué)品、水、電等原材料和能源的消耗大戶。因此，為了增強(qiáng)制漿造紙企業(yè)的市場(chǎng)應(yīng)變能力、適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，保證生產(chǎn)過程的連續(xù)、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)和安全，還要在生產(chǎn)的過程中盡可能的減少污染、降低消耗、保護(hù)環(huán)境，這就需要將現(xiàn)代管理技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)有效地集成起來，也就是需要在流程工業(yè)CIPS理論的指導(dǎo)下，針對(duì)制漿造紙企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，研究制漿造紙企業(yè)CIPS結(jié)構(gòu)和實(shí)施方法。

3、 制漿造紙工業(yè)CIPS的三層體系結(jié)構(gòu)

流程工業(yè)CIPS的體系結(jié)構(gòu)

流程工業(yè)CIPS的理論和技術(shù)經(jīng)過多年的研究發(fā)展，特別是經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)，已逐步趨向合理的體系結(jié)構(gòu)。其層次結(jié)構(gòu)的框架已由5層結(jié)構(gòu)的Prudue模型（如圖2）為ERP\MES\PCS 3層結(jié)構(gòu)（如圖3）。在Prudue模型中，流程工業(yè)CIPS自上而下從功能上被分為了經(jīng)營(yíng)決策、企業(yè)管理、生產(chǎn)調(diào)度、過程監(jiān)控和過程控制5個(gè)層次，將管理過程和生產(chǎn)過程明顯分開。但在其網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)踐中，如何處理既有生產(chǎn)性質(zhì)又有管理性質(zhì)的信息，是一個(gè)較大的問題，造成了流程工業(yè)CIPS研究與開發(fā)過程中混亂和標(biāo)準(zhǔn)的難以統(tǒng)一。ERP\MES\PCS 3層結(jié)構(gòu)將流程工業(yè)系統(tǒng)分為以財(cái)務(wù)分析/決策為核心的企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）和以優(yōu)化管理、以優(yōu)化運(yùn)行為核心的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和設(shè)備綜合控制為核心的過程控制系統(tǒng)（PCS）。這一結(jié)構(gòu)較好地解決了企業(yè)管理和生產(chǎn)中一些共性的問題，也為管理和控制鏈接中各企業(yè)的個(gè)性問題提供了解決方法。

3.2制漿造紙工業(yè)CIPS的三層體系結(jié)構(gòu)

將ERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)圖運(yùn)用與制漿造紙工業(yè)中，形成制漿造紙工業(yè)CIPS的三層體系結(jié)構(gòu)（如圖4）。

三層結(jié)構(gòu)在功能劃分上雖仍有重疊，但各有側(cè)重：

1）ERP 控制的對(duì)象以企業(yè)的資金流為主，圍繞企業(yè)生產(chǎn)而進(jìn)行的管理工作，包括供應(yīng)、銷售、庫(kù)房、財(cái)務(wù)、人力、設(shè)備、綜合計(jì)劃及經(jīng)營(yíng)決策。

2）MES 作為CIPS的中心環(huán)節(jié)，在整個(gè)CIPS中起到承上啟下的作用。MES控制對(duì)象以企業(yè)的物流為主，主要完成生產(chǎn)計(jì)劃的調(diào)度與統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)過程成本控制、產(chǎn)品質(zhì)量控制與管理、物料流控制與管理、設(shè)備安全控制與管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與處理等工作。

3）PCS 聚焦于生產(chǎn)過程的設(shè)備，監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況，控制整個(gè)生產(chǎn)過程。一般包括基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)和過程自動(dòng)化系統(tǒng)。

4 、基于現(xiàn)場(chǎng)總線的造紙廠CIPS方案

本課題組與國(guó)內(nèi)某大型造紙廠合作，根據(jù)該廠提出的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，以上述制漿造紙工業(yè)CIPS三層體系結(jié)構(gòu)圖為基架，為該廠設(shè)計(jì)了一種基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的造紙廠CIPS方案。

4.1 造紙企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)層次

綜合自動(dòng)化是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展方向，在完整的企業(yè)網(wǎng)構(gòu)架中，現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)涉及從底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)到上層信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程?；谏鲜隹紤]，統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)具有三層結(jié)構(gòu)（如圖5）所示，從底層向上依次為：過程控制層（PCS）、制造執(zhí)行層（MES）、企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP）。

（1）企業(yè)資源規(guī)劃層： 該層又稱為信息層。它是實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息集成和管、控一體化的重要組成部分。它的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要有高性能計(jì)算機(jī)、工作站、PC 機(jī)等，包括各類管理、計(jì)算用客戶機(jī)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)等。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下構(gòu)建一個(gè)安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）制造執(zhí)行層：由擔(dān)任監(jiān)控任務(wù)的工作站、PC 機(jī)、或控制器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的局域網(wǎng)段。負(fù)責(zé)從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警和趨勢(shì)分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設(shè)計(jì)和下載。這一層處于以太網(wǎng)中，其關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)包的正確解釋和傳輸。制造執(zhí)行層除了上述功能外，還為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制和遠(yuǎn)程操作優(yōu)化提供支撐環(huán)境。例如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，工藝流程監(jiān)控、先進(jìn)控制以及設(shè)備管理等。

（3）過程控制層：現(xiàn)場(chǎng)總線是將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互聯(lián)的實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)絡(luò)，又稱之為工廠的底層網(wǎng)絡(luò) Infranet，遵循 ISO 的 OSI 開放互聯(lián)參考模型的全部或部分協(xié)議。這一層可能包含有基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 FF 的 HI 網(wǎng)段，或 HART， Profibus， LonWorks 等網(wǎng)段，同種通信協(xié)議的網(wǎng)段可采用網(wǎng)橋、中繼器連接，各不同通信協(xié)議的網(wǎng)段之間則采用網(wǎng)關(guān)相連，或直接在操作站的計(jì)算機(jī)內(nèi)交換信息。

以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的過程控制層計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是企業(yè)信息集成的物質(zhì)基礎(chǔ)和運(yùn)行環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)資源共享和作業(yè)分布處理的工具與工作環(huán)境。它的設(shè)計(jì)與實(shí)施直接影響整個(gè)CIPS系統(tǒng)的性能與功能。

4.2 基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的過程控制層

該部分以Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線為網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以SIMATIC PCS7自動(dòng)化系統(tǒng)為控制平臺(tái)，將企業(yè)所有過程高效率地、全范圍地集成到完整的企業(yè)環(huán)境中來，主要包括過程監(jiān)控、先進(jìn)控制、過程優(yōu)化等。此外，質(zhì)量、儲(chǔ)運(yùn)、公用工程、環(huán)境監(jiān)控等也是過程級(jí)控制管理的重要組成部分。具體實(shí)現(xiàn)為：

分散過程控制裝置 主要由S7-400 PLC自動(dòng)化系統(tǒng)和分布式I/O組成，它不但可以完成復(fù)雜的控制任務(wù)，而且還可以作為一個(gè)系統(tǒng)部件通過網(wǎng)絡(luò)與操作員站OS和工程站ES相連接。分布式I/O模塊插入ET200M分布式I/O站內(nèi)，通過Profibus-DP連接到中央單元。

操作員站（OS） 操作員站通過通信處理器與工廠級(jí)的工業(yè)以太網(wǎng)相連， 采用了世界通用的數(shù)據(jù)/接口標(biāo)準(zhǔn)，包括OPC、OCX、ODBC以及WEB訪問函數(shù)，即使是非常特殊的需求，PCS7中也能滿足。操作員通過上位機(jī)的Wincc對(duì)各個(gè)車間生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)視和操作控制， WinCC人機(jī)界面軟件是各操作站操作控制和監(jiān)控的基礎(chǔ)，可以保證數(shù)據(jù)的可靠性，它能使PC成為高效能的監(jiān)控系統(tǒng)，其集成數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以優(yōu)化控制回路，并在調(diào)試過程中解決問題。

工程師站（ES） 工程師站（也稱為工程師系統(tǒng)）是由工程師根據(jù)上述制漿造紙工藝流程和各條生產(chǎn)線過程控制要求，為PCS7的操作員站、自動(dòng)化系統(tǒng)以及分布式I/O提供全廠范圍的編程。它包括一個(gè)帶有Windows NT Workstation操作系統(tǒng)的SIMATIC RI45 Desktop工業(yè)PC，增加了OS控制系統(tǒng)軟件、OS工程軟件、S7/PMC、工程師工具集、“基本塊”庫(kù)和“技術(shù)塊”庫(kù)，用于Profibus或工業(yè)以太網(wǎng)的組態(tài)軟件，以及帶有驅(qū)動(dòng)軟件的匹配接口模塊和與終端總線連接的接口。其通用的數(shù)據(jù)庫(kù)和相互兼容的工具在很大程度上防止了多重導(dǎo)入和可能的錯(cuò)誤;使用工藝分級(jí)配置，工廠可以按照功能的不同進(jìn)行組態(tài);用戶只需處理所選擇的與過程任務(wù)一致的對(duì)象;使用來自CAE工具的工藝數(shù)據(jù)，使預(yù)先配置好的數(shù)據(jù)可以自動(dòng)重復(fù)使用。

通訊系統(tǒng) SIMATIC PCS7的通訊系統(tǒng)包括系統(tǒng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線。系統(tǒng)總線是系統(tǒng)的主干，用來連接過程控制系統(tǒng)（自動(dòng)化系統(tǒng)AS、工程師站ES、操作員站OS）的所有部件，使它們之間能彼此通信。系統(tǒng)總線以工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus或MPI為基礎(chǔ);現(xiàn)場(chǎng)總線用于連接自動(dòng)化系統(tǒng)和分布式I/O以及智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，使它們之間的數(shù)據(jù)以最小的安裝工作進(jìn)行傳輸。

工廠過程分析系統(tǒng)可以通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口OPC獲取數(shù)據(jù)。當(dāng)WinCC服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，OPC通訊方式會(huì)自動(dòng)切換，從而避免數(shù)據(jù)丟失。用ISDN專線連接自動(dòng)化系統(tǒng)則能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程組態(tài)，確保工廠的穩(wěn)定生產(chǎn)。

5 、結(jié)束語(yǔ)

作為典型的流程工業(yè)，制漿造紙工業(yè)在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的地位和作用，實(shí)現(xiàn)制漿造紙工業(yè)的綜合自動(dòng)化，在提高它的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)降低它對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)國(guó)家和社會(huì)具有重要意義。在制漿造紙工業(yè)CIPS中采用現(xiàn)場(chǎng)總線作為底層通信網(wǎng)絡(luò)，所節(jié)省的設(shè)備、材料、施工、維護(hù)等費(fèi)用達(dá)40%以上。現(xiàn)場(chǎng)總線采用數(shù)字傳輸技術(shù)，數(shù)字信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，精度高，無需采用抗干擾和提高精度的措施，而且，由于采用通信總線的連續(xù)方式，節(jié)省了電纜用量60%以上。

我國(guó)制漿造紙工業(yè)CIPS的研究起步較晚，而國(guó)外一些研究成果和企業(yè)成功的CIPS模式尚不適合我大多數(shù)制漿造紙企業(yè)的實(shí)際情況，加之流程工業(yè)與離散制造工業(yè)代表著兩種不同的生產(chǎn)方式，這就決定了CIPS必定會(huì)有著一些與CIMS截然不同的特點(diǎn)，因此，針對(duì)我國(guó)制漿造紙工業(yè)企業(yè)數(shù)量多，規(guī)模小，產(chǎn)品品種少，技術(shù)含量低，污染嚴(yán)重的特點(diǎn)，研究一種適合我制漿造紙工業(yè)的CIPS，具有重要的意思。

責(zé)任編輯：gt