企業(yè)信息化助力生活用紙生產(chǎn)過(guò)程精細(xì)化管理

王波 李友明 李繼庚

摘 要：本文以維達(dá)紙業(yè)（中國(guó)）有限公司制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)波動(dòng)分析、生產(chǎn)過(guò)程故障診斷、生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)和生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)測(cè)等幾個(gè)方面，展示了MES對(duì)于生活用紙企業(yè)精細(xì)化管理的提升、幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)降低成本、提高生產(chǎn)效益的生產(chǎn)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞： 生活用紙;精細(xì)化管理;制造執(zhí)行系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TS7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.01.014

作為典型的流程工業(yè)，造紙工業(yè)具有高耗能、高污染和原材料消耗大等特點(diǎn)，面臨著巨大的節(jié)能減排壓力[1]。造紙工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，物料流、能量流和信息流耦合嚴(yán)重，且各個(gè)控制系統(tǒng)之間信息集成度低，生產(chǎn)過(guò)程透明化程度低，關(guān)鍵數(shù)據(jù)容易局限于某“信息孤島”中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息共享，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下、能源管控困難[2-3]。因此，如何提升造紙工業(yè)智能制造水平，對(duì)造紙工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和可持續(xù)發(fā)展意義重大。

隨著產(chǎn)業(yè)集中度的不斷提高，造紙工業(yè)正趨向集團(tuán)化發(fā)展，這也為集團(tuán)的生產(chǎn)管控帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。例如，在對(duì)能源進(jìn)行管理過(guò)程中，由于集團(tuán)的下屬企業(yè)能源品種、管理方式、工人操作習(xí)慣及地域氣候不同，過(guò)往的節(jié)能數(shù)據(jù)缺乏時(shí)效性和針對(duì)性，集團(tuán)總部往往不能實(shí)時(shí)掌握下屬各企業(yè)的能源利用狀況，導(dǎo)致集團(tuán)總部對(duì)于設(shè)置于不同區(qū)域的下屬各企業(yè)能源系統(tǒng)的管控困難。如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程精細(xì)化管理，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

對(duì)于造紙企業(yè)來(lái)說(shuō)，普遍的企業(yè)信息化結(jié)構(gòu)是由企業(yè)管理層（ERP/MRPII）和過(guò)程控制層（DCS/PLC）所組成的二元結(jié)構(gòu)。前者負(fù)責(zé)企業(yè)層面，包括生產(chǎn)資源計(jì)劃、制造計(jì)劃、財(cái)務(wù)、銷(xiāo)售、采購(gòu)等方面的管理，后者負(fù)責(zé)生產(chǎn)過(guò)程控制，二者之間不存在交互和聯(lián)系。而這也導(dǎo)致了企業(yè)管理層和過(guò)程控制層之間脫節(jié)的問(wèn)題：首先，ERP管理系統(tǒng)不能對(duì)工廠的生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行有效及時(shí)控制操作，使生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有切實(shí)可行的作業(yè)計(jì)劃作為指導(dǎo);其次，工廠控制系統(tǒng)的操作信息和數(shù)據(jù)不能及時(shí)、準(zhǔn)確、真實(shí)、直觀地反饋給管理系統(tǒng)，使企業(yè)管理層無(wú)法真實(shí)有效地把握生產(chǎn)實(shí)際情況，這些都使已經(jīng)普遍實(shí)施的ERP、DCS等系統(tǒng)的能力大打折扣，導(dǎo)致這些系統(tǒng)的潛能大部分被掩埋[4-6]。

面向車(chē)間層的管理信息系統(tǒng)——制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）作為連接企業(yè)管理層和過(guò)程控制層的中間信息橋梁，很好地解決了上述問(wèn)題。MES為操作人員和管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源（人、設(shè)備、物料、客戶(hù)需求等）的當(dāng)前狀態(tài)，解決了工廠生產(chǎn)過(guò)程的黑匣子問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的可視化和可控化。因此，MES為企業(yè)信息化過(guò)程中的生產(chǎn)過(guò)程精細(xì)化管理提供了基礎(chǔ)和必要條件。針對(duì)如何利用企業(yè)信息化系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)生活用紙生產(chǎn)過(guò)程精細(xì)化管理這一問(wèn)題，本文以維達(dá)紙業(yè)（中國(guó)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)維達(dá)紙業(yè)）的MES運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)生活用紙生產(chǎn)過(guò)程中降本增效的案例展開(kāi)了研究。

1 數(shù)據(jù)波動(dòng)分析

生產(chǎn)過(guò)程中，某些數(shù)據(jù)波動(dòng)是正?，F(xiàn)象，但對(duì)于穩(wěn)定生產(chǎn)的過(guò)程，如某些參數(shù)發(fā)生較大幅度的變化后，會(huì)導(dǎo)致消耗數(shù)據(jù)偏高，并進(jìn)一步影響原本穩(wěn)定的生產(chǎn)過(guò)程。

對(duì)于生活用紙生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，在未發(fā)生轉(zhuǎn)產(chǎn)、開(kāi)停機(jī)等狀態(tài)下，主蒸汽的用量通常在一個(gè)較小的范圍波動(dòng)。以維達(dá)紙業(yè)某工廠為例，在生產(chǎn)過(guò)程中，鍋爐主蒸汽壓力通常在5%的幅度內(nèi)波動(dòng)。圖1所示為MES記錄的該工廠主蒸汽壓力在1周內(nèi)的變化情況，該蒸汽供汽壓力的歷史平均值約為0.1 MPa，但是在圖1所示的1周內(nèi)，其壓力波動(dòng)幅度多次超過(guò)10%，最大壓力波動(dòng)值為0.26 MPa，波動(dòng)幅度超過(guò)28%。

通過(guò)MES調(diào)取對(duì)應(yīng)時(shí)段紙機(jī)蒸汽用量與鍋爐主蒸汽壓力波動(dòng)曲線進(jìn)行對(duì)比（如圖2所示）可以發(fā)現(xiàn)，紙機(jī)蒸汽瞬時(shí)流量的波動(dòng)幅度與鍋爐主蒸汽壓力的波動(dòng)幅度曲線鏡像相關(guān)。其中，蒸汽壓力波動(dòng)幅度平均為10%，最大為28%;蒸汽消耗量波動(dòng)幅度平

均也達(dá)到10%，最大達(dá)到28%。由此可見(jiàn)，蒸汽壓力輸送不穩(wěn)定導(dǎo)致生產(chǎn)的不穩(wěn)定，只能通過(guò)紙張過(guò)干燥來(lái)彌補(bǔ)壓力偏低時(shí)的影響，導(dǎo)致蒸汽浪費(fèi)。

通過(guò)MES的數(shù)據(jù)對(duì)比，查清了造成相關(guān)能量損失的原因，即可制定有效的管理方法來(lái)降低生產(chǎn)過(guò)程能耗，如制定壓力限值標(biāo)準(zhǔn)，不斷降低超壓力或壓力不足的頻次和時(shí)間。經(jīng)過(guò)實(shí)踐跟蹤數(shù)據(jù)，將鍋爐主蒸汽壓力平均波動(dòng)幅度由10%降低至5%，實(shí)現(xiàn)蒸汽消耗下降1.2%。

2 生產(chǎn)過(guò)程故障診斷

在造紙生產(chǎn)過(guò)程中，存在一些

并不影響生產(chǎn)過(guò)程的故障，當(dāng)這些故障發(fā)生時(shí)，并不會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)生產(chǎn)控制系統(tǒng)也不會(huì)發(fā)出報(bào)警。但這些微小的故障往往會(huì)造成生產(chǎn)過(guò)程能耗的提高，同時(shí)，當(dāng)這些微小故障不斷累計(jì)并造成較大故障時(shí)，將會(huì)為企業(yè)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失。

如生活用紙生產(chǎn)過(guò)程中，紙機(jī)干燥部鼓風(fēng)機(jī)的電流是對(duì)排風(fēng)氣罩進(jìn)行監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)MES持續(xù)記錄風(fēng)機(jī)電流的變化，可以很容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行情況的異常。生產(chǎn)過(guò)程中某鼓風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)如圖3所示，該鼓風(fēng)機(jī)電流最高可達(dá)57～66 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出以往生產(chǎn)過(guò)程中的電流值。在生產(chǎn)的紙產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、蒸汽干燥數(shù)據(jù)無(wú)異常情況下，可以認(rèn)為風(fēng)管阻力增加，換熱器出現(xiàn)堵塞，這在衛(wèi)生紙生產(chǎn)過(guò)程中是常見(jiàn)的現(xiàn)象。在生產(chǎn)薄頁(yè)紙時(shí)，揚(yáng)克烘缸表面有實(shí)時(shí)霧化噴涂黏缸劑和剝離劑，且紙張?jiān)趧冸x烘缸起皺時(shí)產(chǎn)生的紙塵與濕汽、霧化的化學(xué)品極易黏附在排氣的風(fēng)管內(nèi)，并堵塞換熱器，增加風(fēng)阻，增加鼓風(fēng)機(jī)電流，額外增加了電能的消耗。與初始生產(chǎn)時(shí)的風(fēng)機(jī)電流41 A相比，當(dāng)風(fēng)機(jī)阻力較大時(shí)，經(jīng)過(guò)停機(jī)清理熱風(fēng)風(fēng)罩、熱風(fēng)管道、換熱器后，電流下降到44 A。根據(jù)圖3顯示數(shù)據(jù)觀察，風(fēng)機(jī)在41 A的電流穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)實(shí)時(shí)電流計(jì)算，此一項(xiàng)措施，每年可幫助企業(yè)節(jié)約10萬(wàn)元電費(fèi)。

通過(guò)MES數(shù)據(jù)平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，管理者可以根據(jù)干燥質(zhì)量要求，確定最合理的電流數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使鼓風(fēng)機(jī)在合理的電流范圍內(nèi)保持最佳的電能消耗水平。

3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)

在過(guò)往的生產(chǎn)過(guò)程中，由于缺少連接不同生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的中間信息平臺(tái)，導(dǎo)致不同生產(chǎn)線之間不能進(jìn)行過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)比，其結(jié)果是，在盤(pán)點(diǎn)和總結(jié)生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，雖然發(fā)現(xiàn)具有相同工藝、設(shè)備和生產(chǎn)計(jì)劃的不同生產(chǎn)線，其單位產(chǎn)品綜合能耗和物料消耗存在較大差別，也難以通過(guò)學(xué)習(xí)較優(yōu)生產(chǎn)線的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定設(shè)備或者工藝調(diào)優(yōu)的方案。這主要是由于生產(chǎn)過(guò)程中，不能實(shí)時(shí)將不同生產(chǎn)線的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行對(duì)比所致。

通過(guò)MES對(duì)所有生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。這種對(duì)比方式改變了以往生產(chǎn)過(guò)程中只能對(duì)比階段性過(guò)程參數(shù)的粗放管理模式，通過(guò)精細(xì)化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中所存在的差異，通過(guò)不斷對(duì)比不同設(shè)備和生產(chǎn)線的參數(shù)差異，確定設(shè)備運(yùn)行參數(shù)調(diào)優(yōu)的方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程最優(yōu)化，減少生產(chǎn)線之間的差異。

以某車(chē)間4臺(tái)相同型號(hào)的紙機(jī)為例，在生產(chǎn)車(chē)間經(jīng)常遇到因烘缸電機(jī)扭矩過(guò)高而不能提高紙機(jī)的運(yùn)行速度，使產(chǎn)能得不到提高，同時(shí)還增加了電機(jī)的電耗。通過(guò)將相同生產(chǎn)計(jì)劃下，各紙機(jī)主要傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行電能消耗進(jìn)行對(duì)標(biāo)，發(fā)現(xiàn)該紙機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中不需要打開(kāi)真空吸水箱。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，關(guān)閉了該紙機(jī)的真空吸水箱，通過(guò)對(duì)比吸水箱關(guān)閉前后數(shù)據(jù)參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)（如表1所示），關(guān)閉紙機(jī)真空吸水箱后，毛布與真空面板的摩擦阻力下降，烘缸扭矩?cái)?shù)據(jù)下降，紙機(jī)其他數(shù)據(jù)變化較小，生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量未見(jiàn)波動(dòng)，但卻降低了紙機(jī)傳動(dòng)能耗。通過(guò)橫向比較4臺(tái)紙機(jī)傳動(dòng)部功率數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)整后4臺(tái)紙機(jī)中的4#紙機(jī)的傳動(dòng)能耗最低，其能耗值從162 kW降低到142 kW，年節(jié)約電耗成本14.9萬(wàn)元左右。

4 MES輔助的生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)測(cè)

由于生活用紙生產(chǎn)過(guò)程中，存

在大量的無(wú)法直接監(jiān)測(cè)的設(shè)備，這些設(shè)備往往需要操作人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巡查或在生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)異常時(shí)，才能發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，這不僅耗費(fèi)了大量人力，同時(shí)對(duì)于一些不能通過(guò)設(shè)備巡查發(fā)現(xiàn)細(xì)小的運(yùn)行狀態(tài)問(wèn)題，或者設(shè)備處在合理但非最佳運(yùn)行狀態(tài)等情況，不能實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)。這也造成了生產(chǎn)過(guò)程的能耗、物耗以及生產(chǎn)成本的升高。MES可以通過(guò)數(shù)據(jù)協(xié)同的方式，通過(guò)對(duì)其他相關(guān)度較高的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些不能直接監(jiān)測(cè)設(shè)備的有效管理。

以造紙廠常用的空氣壓縮機(jī)為例。由于常見(jiàn)的空氣壓縮機(jī)沒(méi)有直接反應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)參數(shù)，過(guò)往的生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)法通過(guò)DCS系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行有效監(jiān)控。在MES中，對(duì)空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以通過(guò)關(guān)聯(lián)分析空氣壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)排氣壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)壓力數(shù)據(jù)的波動(dòng)進(jìn)行觀察和分析，評(píng)估空氣壓縮機(jī)的使用效能。圖4所示為MES中1天內(nèi)的某臺(tái)空氣壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)排氣壓力數(shù)據(jù)，該空氣壓縮機(jī)的平均排氣壓力基本在0.69～0.73 MPa之間波動(dòng)，最高為0.75 MPa，且1天內(nèi)超過(guò)50%的時(shí)間內(nèi)排氣壓力低于0.73 MPa。通過(guò)對(duì)比生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)，這一時(shí)段內(nèi)其他關(guān)聯(lián)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)均處在穩(wěn)定的運(yùn)行范圍，生產(chǎn)狀態(tài)穩(wěn)定。因此對(duì)于這一生產(chǎn)狀態(tài)下，排氣壓力高于0.73 MPa的時(shí)段，至少還可以將空氣壓縮機(jī)的排氣壓力向下調(diào)整0.02 MPa，且不會(huì)影響車(chē)間的機(jī)器運(yùn)行。通過(guò)MES設(shè)備關(guān)聯(lián)參數(shù)監(jiān)測(cè)，對(duì)相關(guān)空氣壓縮機(jī)的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如表2所示。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，參數(shù)調(diào)整后，工廠各生產(chǎn)車(chē)間的生產(chǎn)狀態(tài)均未發(fā)生改變，而同一狀態(tài)下，由于空氣壓縮機(jī)排氣壓力降低，每天可減少電耗2751 kWh，全年可節(jié)省用電成本約50萬(wàn)元。

對(duì)于像空氣壓縮機(jī)這類(lèi)非關(guān)鍵生產(chǎn)配套設(shè)備，MES解決了過(guò)往的生產(chǎn)信息系統(tǒng)無(wú)法對(duì)其連續(xù)生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行展現(xiàn)的問(wèn)題。

5 結(jié) 論

本文總結(jié)了以制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）為代表的企業(yè)信息化系統(tǒng)輔助生活用紙生產(chǎn)過(guò)程的精細(xì)化管理的相關(guān)案例。通過(guò)MES在精細(xì)化管理過(guò)程中，用于生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)波動(dòng)分析、生產(chǎn)過(guò)程故障診斷、生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)以及生產(chǎn)設(shè)備檢測(cè)等主要功能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)優(yōu)和精細(xì)化控制，從而挖掘以往生產(chǎn)過(guò)程中所忽略或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的節(jié)能降耗空間。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Man Yi， Han Yulin， Li Jigeng， et al. Review of Energy Consumption Research for Papermaking Industry Based on Life Cycle Analysis[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering， 2018（8）： 17.

[2] Man Yi， Hong Mengna， Li Jigeng， et al. Paper mills integrated gasification combined cycle process with high energy efficiency for cleaner production[J]. Journal of Cleaner Production， 2017， 156： 244.

[3] Liu Huanbin， Li Jigeng. Reflect on Industry 4.0 and How to Build the Smart Paper-enterprise[J]. Paper Science & Technology， 2016， 35（3）： 1.

劉煥彬， 李繼庚. 工業(yè) 4.0 及構(gòu)建智能造紙企業(yè)的思考[J]. 造紙科學(xué)與技術(shù)， 2016， 35（3）： 1.

[4] LI Minghui， WANG Mengxiao， HU Nanjiang. Application of MES in Papermaking Industry[J]. Transactions of China Pulp and Paper， 2006， 21（4）： 94.

李明輝， 王孟效， 胡南江. MES在造紙工業(yè)中的應(yīng)用方案[J]. 中國(guó)造紙學(xué)報(bào)， 2006， 21（4）： 94.

[5] TANG Wei， SUN Zhenyu， FANG Hui， et al. A Survey on the Progress of Thermodynamic Control System of Paper Machine Dryer Section[J]. China Pulp & Paper， 2017， 36（2）： 59.

湯 偉， 孫振宇， 方 輝， 等. 紙機(jī)干燥部勢(shì)力控制系統(tǒng)發(fā)展綜述[J]. 中國(guó)造紙. 2017， 36（2）： 59.

[6] XU Xiaowei， XU Zhixian， YAN Laipeng. Smart Paper-making Mill-Paper Industry Informatization Management Platform[J]. China Pulp & Paper， 2018， 37（4）： 61.

徐小偉， 許智賢， 鄢來(lái)朋. 智慧造紙工廠——造紙工業(yè)信息化管理平臺(tái)[J]. 中國(guó)造紙， 2018， 37（4）： 61. CPP

（責(zé)任編輯：常 青）