造紙廠的大數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用

趙小玲 周安寧 劉靖偉

(1.西安科技大學(xué)化工學(xué)院，陜西西安，710054；2.維美德(中國)有限公司，上海，201809)

·造紙廠大數(shù)據(jù)·

造紙廠的大數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用

趙小玲1周安寧1劉靖偉2

(1.西安科技大學(xué)化工學(xué)院，陜西西安，710054；2.維美德(中國)有限公司，上海，201809)

造紙企業(yè)的大數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智能化的根本。本文重點(diǎn)介紹和分析了造紙廠大數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定性和產(chǎn)品性能的最佳化，并對造紙產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)化和智能化生產(chǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

工業(yè)4.0；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)探索過程

當(dāng)今科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)變革之間的互動中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)是首要的領(lǐng)域和話題，其實(shí)質(zhì)都是研究大數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用[1-2]。造紙企業(yè)對大數(shù)據(jù)的熱情，一方面出于對新事物的好奇和求知，另一方面是在企業(yè)中探尋大數(shù)據(jù)的更好管理和應(yīng)用。

每一個造紙廠都擁有大量的數(shù)據(jù)源，如分散控制系統(tǒng)(DCS)、機(jī)器控制系統(tǒng)(MCS)、質(zhì)量控制系統(tǒng)(QCS)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(CMS)以及來自實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)、紙病檢測系統(tǒng)(WIS)數(shù)據(jù)、ERP和加工執(zhí)行系統(tǒng)(MES)數(shù)據(jù)、設(shè)備的維護(hù)數(shù)據(jù)，還有消耗件的使用數(shù)據(jù)等[3]。單個企業(yè)乃至集團(tuán)，數(shù)據(jù)巨多。面對海量的數(shù)據(jù)，如何將數(shù)據(jù)從資源變?yōu)殛P(guān)鍵資產(chǎn)，從而更好地為生產(chǎn)線的可靠性、運(yùn)行性和在各項(xiàng)成本(如原材料、化學(xué)品、蒸汽和清水等)降低消耗上服務(wù)，各個企業(yè)目前的狀況不盡相同。大部分企業(yè)缺乏自己的數(shù)據(jù)分析人才，更談不上對這些數(shù)據(jù)系統(tǒng)化的管理和應(yīng)用。因此，本課題重點(diǎn)分析了造紙廠的大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用，以期為實(shí)現(xiàn)造紙工業(yè)的智能化提供參考。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，撬動數(shù)據(jù)驅(qū)動的新機(jī)遇[4-5]

“在未來的5年里，預(yù)期數(shù)字化每年將帶來成本節(jié)約gt;4%和高增長gt;3%”，這是譜華永道會計事務(wù)所(PwC)2016全球工業(yè) 4.0調(diào)查得出的結(jié)論。因而，造紙企業(yè)與擁有工藝技術(shù)、自動化和服務(wù)一體的供應(yīng)商聯(lián)合，讓供應(yīng)商在將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為貴重資產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。數(shù)據(jù)收集后的過濾、分析和應(yīng)用需要數(shù)據(jù)科學(xué)家、工藝專家、設(shè)備專家一起來完成。

這里舉一個簡單的例子，如做心電圖測試和診斷心臟疾病的過程中，通過在每次心跳心肌細(xì)胞去極化時會在皮膚表面引起很小的電學(xué)改變，這個小變化被心電圖記錄裝置捕捉并放大即可描繪心電圖，通過心電測試儀所獲得心電圖就是一組數(shù)據(jù)。收集到的數(shù)據(jù)過濾、分類整理、數(shù)據(jù)分析，從數(shù)據(jù)的變化中發(fā)現(xiàn)規(guī)律或者找到問題，從而確定想要運(yùn)行的數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)行的調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、運(yùn)行成本下降，才能將數(shù)據(jù)資源轉(zhuǎn)化為價值。大數(shù)據(jù)管理所帶來的機(jī)遇可分為：數(shù)據(jù)探索、數(shù)據(jù)應(yīng)用和生態(tài)系統(tǒng)/價值鏈的協(xié)作。

圖2 紙機(jī)各部分的操作數(shù)據(jù)

圖1 數(shù)據(jù)探索過程

圖3 紙機(jī)各部分的操作數(shù)據(jù)整理

1.1數(shù)據(jù)探索過程用于定義根本原因

數(shù)據(jù)探索適合定義那些頻繁引起工藝波動的根本原因(如產(chǎn)能、消耗、質(zhì)量、運(yùn)行性、壽命等)，具體做法是：明晰工藝上的挑戰(zhàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，然后各方面專家一起召開會議，進(jìn)行探討和研究，最后得出結(jié)論，形成行動計劃并執(zhí)行(見圖1)。數(shù)據(jù)探索過程主要是工藝專家和數(shù)據(jù)科學(xué)家同數(shù)據(jù)的對話。

以紙機(jī)節(jié)能為例，數(shù)據(jù)探索過程介紹如下。

以現(xiàn)代化的瓦楞原紙生產(chǎn)線為例，卷紙幅寬6600 mm，車速1200 m/min，紙張定量為90～150 g/m2。紙廠發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)相同的產(chǎn)品(紙張定量105 g/m2和產(chǎn)量45 t/h)時，不同班組操作蒸汽消耗不同，且差異比較大，分別為:1.55 t汽/t紙和1.4 t汽/t紙。對紙機(jī)各部分的操作數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理，結(jié)果如圖2和圖3所示。

通過數(shù)據(jù)分析后，建議對真空單元進(jìn)行優(yōu)化，在干燥部蒸汽消耗的基礎(chǔ)上對網(wǎng)部脫水進(jìn)行最佳的設(shè)置，如圖4所示。在紙機(jī)縱向方向上，對網(wǎng)部脫水進(jìn)行調(diào)整，得出脫水元件的脫水量如圖4所示。圖4中左側(cè)深色黑圈脫水量為610、580、 450和790 kg/min，定量是125 g/m2，產(chǎn)量是45 t/h。

紙廠通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行探索，對網(wǎng)部脫水進(jìn)行優(yōu)化，紙廠節(jié)能顯著，其中電耗節(jié)省16%，蒸汽節(jié)省10%。

1.2通過數(shù)據(jù)探索過程建立紙和紙板性能模型

可以將數(shù)據(jù)探索用于預(yù)測性能和找出問題所在，實(shí)現(xiàn)在線無法檢測的效果。

本課題以掛面紙板的耐破性能為例,通過數(shù)據(jù)探索過程進(jìn)行建模。

首先，收集大量工藝數(shù)據(jù)和分析儀的測試數(shù)據(jù)，分析掛面紙板的耐破性能的影響因素，研究漿料性能與耐破性能之間的關(guān)系，最終建立預(yù)測模型。建模后的變量包括：漿張性能(抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、松厚度、SCT(矩距壓縮強(qiáng)度)、CMT(平壓性能測定))與紙和紙板的性能(抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、透氣度、矩距壓縮強(qiáng)度(SCT))。

圖5 耐破性能及各個紙種SCT建立的模型

圖6 通過數(shù)據(jù)探索預(yù)測斷紙

圖4 基于烘干部蒸汽消耗進(jìn)行最佳的網(wǎng)部脫水?dāng)?shù)據(jù)整理

最后建立在線執(zhí)行的質(zhì)量模式和預(yù)測，并讓操作人員可見。

該數(shù)據(jù)分析和建模的效果在于提供了在線的耐破性能信息，可以獲得更加穩(wěn)定的最終產(chǎn)品質(zhì)量，同時在線質(zhì)量預(yù)測可以幫助優(yōu)化質(zhì)量、原材料和化學(xué)品消耗以及能耗。

目前，已在某造紙廠對各個紙種耐破性能及SCT建模，并識別出預(yù)期的關(guān)系(見圖5)。由圖5可知，特定能源消耗可以增加耐破強(qiáng)度，并可以看出回收纖維和損紙量對耐破強(qiáng)度的影響。

另外，通過數(shù)據(jù)探索還可以預(yù)測斷紙，以雜志紙橫向撕裂度性能建模為例，這個建成的模型可以在紙幅斷裂的幾小時前對其進(jìn)行預(yù)測。

首先，研究斷紙的過程數(shù)據(jù)，包括漿料強(qiáng)度對斷紙性能影響；同時探索斷紙的工藝條件，設(shè)備狀況；最后，建立紙幅橫向撕裂度模型。這個模型是通過對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在現(xiàn)有質(zhì)量預(yù)測的基礎(chǔ)上，同時基于操作者的行為而建立的。這樣可以讓操作者在線看到強(qiáng)度預(yù)測，結(jié)果見圖6。

當(dāng)然，通過數(shù)據(jù)探索，可以對不同的紙張性能建模和優(yōu)化。下面是一家紙袋紙生產(chǎn)企業(yè)對紙袋紙抗張強(qiáng)度、撕裂度及漿料的游離度和纖維長度的建模結(jié)果和效果(見圖7)。最直接的收益就是大幅度地減少了紙張性能上的波動，改善紙機(jī)的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)更高的車速。

圖7 對不同的紙張性能建模和優(yōu)化

2 通過大數(shù)據(jù)管理來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定性和產(chǎn)品性能的最佳化

目前，預(yù)防性維護(hù)在造紙企業(yè)的發(fā)展剛剛進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段。設(shè)備維保計算機(jī)系統(tǒng)(CMMS)和設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)(DMM)結(jié)合，將設(shè)備管理的文件資料和管理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和管理，將實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能最佳化和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

在國內(nèi)，一些大型生產(chǎn)線都配備了輥?zhàn)诱駝颖O(jiān)測裝置，包括硬件裝置和軟件系統(tǒng)。振動傳感器(如RVT系列、控制器、IO卡和機(jī)柜等)都是硬件，Sensodec 6S、DMM都是軟件和程序組態(tài)。所以，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)已經(jīng)基本具備了條件，只是需要進(jìn)一步建立CMMS和設(shè)備管理的數(shù)據(jù)化。如果擴(kuò)展到整個工廠，甚至整個集團(tuán)，預(yù)防性的診斷就帶給企業(yè)更多的收益，不僅僅是設(shè)備資產(chǎn)的維保計劃優(yōu)化，減少資產(chǎn)損壞，減少非計劃停機(jī)和改善運(yùn)行性，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)價值最大化，同時還可以進(jìn)行生產(chǎn)決策，改善整個集團(tuán)生產(chǎn)線的運(yùn)行性。另外，預(yù)防性維保和預(yù)測性診斷系統(tǒng)，還可以通過數(shù)據(jù)探索，發(fā)展出自動建議運(yùn)行窗口，從而獲得設(shè)備的最佳操作窗口。

3 結(jié) 語

造紙廠擁有海量的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)目前很多是沉睡的貴重資產(chǎn)，這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用和管理，將帶給企業(yè)新的發(fā)展和競爭力。造紙企業(yè)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用從3年前的概念性和理論性正在進(jìn)入商業(yè)模式，造紙企業(yè)和技術(shù)設(shè)備供應(yīng)商之間正在共同探尋合作，開發(fā)和利用大數(shù)據(jù)，從而使大數(shù)據(jù)在造紙企業(yè)內(nèi)創(chuàng)造收益。目前聚焦的收益重點(diǎn)是提高設(shè)備管理實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，探索數(shù)據(jù)建模實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線的運(yùn)行性，以及進(jìn)一步通過遠(yuǎn)程的運(yùn)行性中心提供遠(yuǎn)程診斷和支持等。隨著ERP、MES等系統(tǒng)在造紙企業(yè)的進(jìn)一步完善，人工智能的引入，整個造紙產(chǎn)業(yè)將很快進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的數(shù)據(jù)化時代和智能化生產(chǎn)時代。

[1] CHEN Xiao-bin, LI Ji-geng. Research on the Constraction and Key Technologies in Intelligent Palp and Paper Industry[J]. China Pulp amp; Paper, 2016, 35(3): 55.

陳曉彬， 李繼庚. 工業(yè)4.0時代下智能造紙工業(yè)的構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國造紙， 2016， 35(3)： 55.

[2] 楊丹輝. 影響未來的新科技新產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)： 浪里淘沙方見金[M]. 中國社會科學(xué)院工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所未來產(chǎn)業(yè)研究組著. 北京: 中信出版社, 2017.

[3] 鑄就未來[S]. 維美德客戶雜志, 2017.5.

[4] JariAlmi. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)改善工廠的可靠性和運(yùn)行性[R]. 深圳: 2017國際造紙技術(shù)報告會, 2017.

(責(zé)任編輯：董鳳霞)

BigDataManagementandUtilizationinChina’sPulpandPaperMills

ZHAO Xiao-ling1,*ZHOU An-ning1Liu Jing-wei2
(1.Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710054; 2.ValmetChinaCo.,Ltd.,Shanghai, 201809)(*E-mail: 13801300956@163.com)

Paper Making Industry 4.0 refers to intelligent plant, intelligent production and intelligent logistics. Big data management and utilization are the fundamental of intelligence of paper enterprises. Big data discovery and big data management and utilization will be of benefit to production reliability, equipment performance and product quality stability, as well as production cost saving in the mills. Big data discovery and management is a dialogue with data, it will be conducted by data scientist, paper making process engineers, and automation specialists, they will carry out the data collection, sorting, analysis, study, and make conclusion and execute it. Mill intelligent production and logistics eventually will be realized base on the big data discovery, management and utilization.

industrial 4.0; industrial internet; big data discovery process

趙小玲女士，講師；主要從事化學(xué)工藝學(xué)研究與教學(xué)工作。

TS7

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.11.012

2017- 09- 08

本課題受陜西省教育廳專項(xiàng)項(xiàng)目資金支持，項(xiàng)目編號(12JK0601)。