企業(yè)信息化助力生活用紙生產(chǎn)過程精細(xì)化管理

王波 維達(dá)紙業(yè)（中國）有限公司

李友明 李繼庚 華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室

作為典型的流程工業(yè)，造紙工業(yè)具有耗能高和原材料消耗大等特點，面臨著巨大的節(jié)能減排壓力[1]。造紙工業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜，物料流、能量流和信息流耦合嚴(yán)重，且各個控制系統(tǒng)之間信息集成度低，生產(chǎn)過程透明化程度低，關(guān)鍵數(shù)據(jù)容易局限于某“信息孤島”中，無法實現(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，實現(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，企業(yè)正趨向集團(tuán)化發(fā)展，這也為集團(tuán)企業(yè)的生產(chǎn)管控帶來了新的挑戰(zhàn)。例如，在對能源進(jìn)行管理過程中，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，過往的節(jié)能數(shù)據(jù)缺乏時效性和針對性，集團(tuán)總部往往不能實時掌握下屬企業(yè)的能源利用狀況，導(dǎo)致集團(tuán)總部對于設(shè)置于不同區(qū)域的下屬企業(yè)能源系統(tǒng)的管控困難。如何實現(xiàn)生產(chǎn)過程精細(xì)化管理，是一個值得研究的問題。

對于造紙企業(yè)來說，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)資源計劃、制造計劃、財務(wù)、銷售、采購等方面的管理，后者負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程控制，二者之間不存在交互和聯(lián)系。而這也導(dǎo)致了企業(yè)管理層和過程控制層之間脫節(jié)的問題：首先，ERP管理系統(tǒng)不能對工廠的生產(chǎn)活動進(jìn)行有效及時控制操作，使生產(chǎn)過程沒有切實可行的作業(yè)計劃作為指導(dǎo)；其次，工廠控制系統(tǒng)的操作信息和數(shù)據(jù)不能及時、準(zhǔn)確、真實、直觀地反饋給管理系統(tǒng)，使企業(yè)管理層無法真實有效地把握生產(chǎn)實際情況，這些都使已經(jīng)普遍實施的ERP、DCS等系統(tǒng)的能力大打折扣，導(dǎo)致這些系統(tǒng)的潛能大部分被閑置[4-6]。

面向車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)管理層和過程控制層的中間信息橋梁，很好地解決了上述問題。MES為操作人員和管理人員提供計劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源（人、設(shè)備、物料、客戶需求等）的實時狀態(tài)，解決了工廠生產(chǎn)過程的黑匣子問題，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化和可控化。因此，MES為企業(yè)信息化過程中的生產(chǎn)過程精細(xì)化管理提供了基礎(chǔ)和必要條件。針對如何利用企業(yè)信息化系統(tǒng)、實現(xiàn)生活用紙生產(chǎn)過程精細(xì)化管理這一問題，本文以維達(dá)紙業(yè)（中國）有限公司（以下簡稱維達(dá)紙業(yè)）的MES運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)，對生活用紙生產(chǎn)過程中降本增效的案例展開研究。

1 數(shù)據(jù)波動分析

生產(chǎn)過程中，某些數(shù)據(jù)波動是正常現(xiàn)象，但對于穩(wěn)定生產(chǎn)的過程，如某些參數(shù)發(fā)生較大幅度的變化后，會導(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)過程。

圖1 能源供給車間鍋爐的蒸汽壓力變化

圖2 紙機(jī)蒸汽用量與鍋爐主蒸汽壓力波動曲線

對于生活用紙生產(chǎn)企業(yè)來說，在未發(fā)生轉(zhuǎn)產(chǎn)、開停機(jī)等狀態(tài)下，主蒸汽的用量通常在一個較小的范圍波動。以維達(dá)紙業(yè)某工廠為例，在生產(chǎn)過程中，鍋爐主蒸汽壓力通常在5%的幅度內(nèi)波動。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0.1MPa，但是在圖1 所示的1 周內(nèi)，其壓力波動幅度多次超過10%，最大壓力波動值為0.26MPa，波動幅度超過28%。

通過MES調(diào)取對應(yīng)時段紙機(jī)蒸汽用量與鍋爐主蒸汽壓力波動曲線進(jìn)行對比（如圖2所示）可以發(fā)現(xiàn)，紙機(jī)蒸汽瞬時流量的波動幅度與鍋爐主蒸汽壓力的波動幅度曲線鏡像相關(guān)。其中，蒸汽壓力波動幅度平均為10%，最大為28%；蒸汽消耗量波動幅度平均也達(dá)到10%，最大達(dá)到28%。由此可見，蒸汽壓力輸送不穩(wěn)定導(dǎo)致生產(chǎn)的不穩(wěn)定，只能通過紙張過干燥來彌補(bǔ)壓力偏低時的影響，導(dǎo)致蒸汽浪費(fèi)。

通過MES的數(shù)據(jù)對比，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降低生產(chǎn)過程能耗，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間。經(jīng)過實際跟蹤數(shù)據(jù)，將鍋爐主蒸汽壓力平均波動幅度由10%降低至5%，實現(xiàn)蒸汽消耗下降1.2%。

2 生產(chǎn)過程故障診斷

在造紙生產(chǎn)過程中，存在一些并不影響生產(chǎn)過程的故障，當(dāng)這些故障發(fā)生時，并不會影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時生產(chǎn)控制系統(tǒng)也不會發(fā)出報警。但這些微小的故障往往會造成生產(chǎn)過程能耗的提高，同時，當(dāng)這些微小故障不斷累積并造成較大故障時，將會為企業(yè)帶來較大經(jīng)濟(jì)損失。如生活用紙生產(chǎn)過程中，紙機(jī)干燥部鼓風(fēng)機(jī)的電流是對排風(fēng)氣罩進(jìn)行監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)。通過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)過程中某鼓風(fēng)機(jī)實時電流數(shù)據(jù)如圖3所示，該鼓風(fēng)機(jī)電流最高可達(dá)57～66A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以往生產(chǎn)過程中的電流值。在生產(chǎn)的紙產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、蒸汽干燥數(shù)據(jù)無異常情況下，可以判斷風(fēng)管阻力增加，換熱器出現(xiàn)堵塞，這在衛(wèi)生紙生產(chǎn)過程中是常見的問題。在生產(chǎn)衛(wèi)生紙時，揚(yáng)克烘缸表面有實時霧化噴涂黏缸劑和剝離劑，且紙張在剝離烘缸起皺時，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)時的風(fēng)機(jī)電流41A相比，當(dāng)風(fēng)機(jī)阻力較大時，經(jīng)過停機(jī)清理熱風(fēng)風(fēng)罩、熱風(fēng)管道、換熱器后，電流下降到44A。根據(jù)圖3顯示數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)在41A的電流穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)實時電流計算，此一項措施，每年可幫助企業(yè)節(jié)約10萬元電費(fèi)。

圖3 鼓風(fēng)機(jī)實時電流數(shù)據(jù)

通過MES數(shù)據(jù)平臺的實時數(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)行實時監(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)對標(biāo)

在以往的生產(chǎn)過程中，由于缺少連接不同生產(chǎn)線生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的中間信息平臺，導(dǎo)致不同生產(chǎn)線之間不能進(jìn)行過程實時數(shù)據(jù)的對比，其結(jié)果是，在盤點和總結(jié)生產(chǎn)狀態(tài)時，雖然發(fā)現(xiàn)具有相同工藝、設(shè)備和生產(chǎn)計劃的不同生產(chǎn)線，其單位產(chǎn)品綜合能耗和物料消耗存在較大差別，但也難以通過學(xué)習(xí)較優(yōu)生產(chǎn)線的生產(chǎn)經(jīng)驗來制定設(shè)備或者工藝調(diào)優(yōu)的方案。這主要是由于生產(chǎn)過程中，不能實時將不同生產(chǎn)線的過程參數(shù)進(jìn)行對比所致。通過MES對所有生產(chǎn)過程進(jìn)行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，從而實現(xiàn)對各種設(shè)備的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。這種對比方式改變了以往生產(chǎn)過程中只能對比階段性過程參數(shù)的粗放管理模式，通過精細(xì)化的實時數(shù)據(jù)對比，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中所存在的差異，通過不斷對比不同設(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)而實現(xiàn)生產(chǎn)過程最優(yōu)化，減少生產(chǎn)線之間的差異。

以某車間4臺相同型號的衛(wèi)生紙機(jī)為例，在生產(chǎn)車間經(jīng)常遇到因烘缸電機(jī)扭矩過高而不能提高紙機(jī)的運(yùn)行速度，使產(chǎn)能得不到提高，同時還增加了電機(jī)的電耗。通過將相同生產(chǎn)計劃下，各紙機(jī)主要傳動點的電能消耗進(jìn)行對標(biāo)，發(fā)現(xiàn)該紙機(jī)在生產(chǎn)過程中不需要打開真空吸水箱。因此，在實際生產(chǎn)過程中，關(guān)閉了該紙機(jī)的真空吸水箱，通過對比吸水箱關(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，毛毯與真空面板的摩擦阻力下降，烘缸扭矩數(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)量未見波動，但卻降低了紙機(jī)傳動能耗。通過橫向比較4臺紙機(jī)傳動部電耗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)整后4臺紙機(jī)中的4#紙機(jī)的傳動能耗最低，其能耗值從162kW·h降低到141kW·h，年節(jié)約用電成本14.9萬元左右。

表1 紙機(jī)真空吸水箱關(guān)閉前后參數(shù)對比

4 MES輔助的生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)測

由于生活用紙生產(chǎn)過程中，存在大量的無法直接監(jiān)測的設(shè)備，這些設(shè)備往往需要操作人員通過現(xiàn)場巡查或在生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常時，才能發(fā)現(xiàn)存在的問題，這不僅耗費(fèi)了大量人力，同時對于一些不能通過設(shè)備巡查發(fā)現(xiàn)的細(xì)小運(yùn)行狀態(tài)問題，或者設(shè)備處在合理但非最佳運(yùn)行狀態(tài)等情況，不能實現(xiàn)有效監(jiān)測。也造成了生產(chǎn)過程的能耗、物耗以及生產(chǎn)成本的升高。MES可以通過數(shù)據(jù)協(xié)同的方式，通過對其他相關(guān)度較高的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而實現(xiàn)對這些不能直接監(jiān)測設(shè)備的有效管理。

以造紙廠常用的空氣壓縮機(jī)為例。由于常見的空氣壓縮機(jī)沒有直接反映運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)參數(shù)，以往的生產(chǎn)過程中，無法通過DCS系統(tǒng)對其進(jìn)行有效監(jiān)控。在MES中，對空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測可以通過關(guān)聯(lián)分析空氣壓縮機(jī)的實時排氣壓力來實現(xiàn)，通過對壓力數(shù)據(jù)的波動進(jìn)行觀察和分析，評估空氣壓縮機(jī)的使用效能。圖4所示為MES中1天內(nèi)的某臺空氣壓縮機(jī)的實時排氣壓力數(shù)據(jù)，該空氣壓縮機(jī)的平均排氣壓力基本在0.69～0.73MPa之間波動，最高為0.75MPa，且1天內(nèi)超過50%的時間內(nèi)排氣壓力低于0.73MPa。通過對比生產(chǎn)過程參數(shù)，這一時段內(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。因此對于這一生產(chǎn)狀態(tài)下，排氣壓力高于0.73MPa的時段，至少還可以將空氣壓縮機(jī)的排氣壓力向下調(diào)整0.02MPa，且不會影響車間的機(jī)器運(yùn)行。通過MES設(shè)備關(guān)聯(lián)參數(shù)監(jiān)測，對相關(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)實際生產(chǎn)驗證，參數(shù)調(diào)整后，工廠各生產(chǎn)車間的生產(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2751kWh，全年可節(jié)省用電成本約50萬元。

對于空氣壓縮機(jī)這類非關(guān)鍵生產(chǎn)配套設(shè)備，MES解決了以往的生產(chǎn)信息系統(tǒng)無法對其連續(xù)生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行展現(xiàn)的問題。

圖4 空氣壓縮機(jī)的實時排氣壓力

表2 空氣壓縮機(jī)加載壓力設(shè)置參數(shù)調(diào)整前后對比 MPa

5 結(jié)論

本文總結(jié)了以制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Exertion System,MES）為代表的企業(yè)信息化系統(tǒng)輔助生活用紙生產(chǎn)過程精細(xì)化管理的相關(guān)案例。MES在精細(xì)化管理過程中，具備生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)波動分析、生產(chǎn)過程故障診斷、生產(chǎn)數(shù)據(jù)對標(biāo)以及生產(chǎn)設(shè)備檢測等主要功能，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的調(diào)優(yōu)和精細(xì)化控制，從而挖掘以往生產(chǎn)過程中所忽略或無法實現(xiàn)的節(jié)能降耗空間。