造紙工業(yè)高級控制技術(shù)和先進(jìn)控制系統(tǒng)綜述

湯 偉 張 誠 馮 波 張逸成 王其林 王孟效

（1.陜西科技大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所，陜西西安，710021；2.仙鶴股份有限公司，浙江衢州，324022；3.陜西西微測控工程有限公司，陜西咸陽，712081）

造紙工業(yè)是在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位的基礎(chǔ)工業(yè)和原材料工業(yè)，具有資金規(guī)模化、技術(shù)集成化的特點(diǎn)[1]，并朝著節(jié)能、環(huán)保、綠色方向發(fā)展[2]。盡管從2010 年起我國紙和紙板的產(chǎn)量和消費(fèi)量位于世界首位[3]，然而造紙產(chǎn)業(yè)的利潤空間卻在逐步縮小，通過采用新工藝、新裝備和新技術(shù)來提高紙張抄造質(zhì)量和產(chǎn)量、獲取利潤空間是當(dāng)前我國造紙工業(yè)科技進(jìn)步的重要方向[4]。自動(dòng)化、信息化和智能化是促進(jìn)造紙工業(yè)增產(chǎn)、提質(zhì)、降耗、增效的有效手段，對推動(dòng)我國造紙工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級作用巨大[5]。

雖然關(guān)于自動(dòng)化、信息化和智能化技術(shù)在造紙工業(yè)中應(yīng)用方面的文獻(xiàn)數(shù)量龐大，但這方面的綜述性文獻(xiàn)并不多見。2000 年前后，出現(xiàn)了幾篇概括性比較全面的綜述[6-9]，之后的文獻(xiàn)主要聚焦于對造紙工業(yè)某一工段或某一方面的概述。主要原因應(yīng)該是隨著自動(dòng)化技術(shù)在造紙工業(yè)應(yīng)用的不斷深入，一篇文章不再可能做到全面綜述。筆者嘗試以過程控制理論及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展及行業(yè)應(yīng)用為主線，對造紙工業(yè)中廣泛采用的共性自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行概述?？紤]到制漿造紙生產(chǎn)過程信息化和智能化對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)在線檢測的全面性和準(zhǔn)確性的嚴(yán)格要求，筆者在對制漿造紙生產(chǎn)過程高級控制算法和控制系統(tǒng)進(jìn)行綜述的同時(shí)，還重點(diǎn)總結(jié)了實(shí)現(xiàn)造紙工業(yè)4.0 必不可少的一些間接測量技術(shù)、運(yùn)行狀態(tài)評估技術(shù)和紙品質(zhì)量檢測技術(shù)，旨在對實(shí)用化的造紙自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，為讀者閱讀提供方便。

1 制漿造紙過程高級控制算法

自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與生產(chǎn)過程自身的發(fā)展休戚相關(guān)，是一個(gè)從簡單形式到復(fù)雜形式、從局部自動(dòng)化到全局自動(dòng)化、從低級智能到高級智能的發(fā)展歷程。造紙工業(yè)也不例外，20世紀(jì)80～90年代，制漿造紙生產(chǎn)過程還處在對關(guān)鍵過程參數(shù)（如紙漿濃度、紙漿流量、紙張定量和水分等）的在線檢測和控制層面，目前已經(jīng)發(fā)展為對整條生產(chǎn)線、甚至整個(gè)工廠的全集成自動(dòng)化。一個(gè)新上的制漿造紙項(xiàng)目，離開集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）的生產(chǎn)線幾乎無法運(yùn)行。包含有過程控制系統(tǒng)（Process Control System，PCS）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manfacturing Execu‐tion System，MES）和企業(yè)資源管理系統(tǒng)（Enterprise Resource Planning，ERP）三層體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（Computer Integrated Process System，CIPS），在我國大型漿紙企業(yè)中也開始應(yīng)用。

應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中的控制算法可歸納為3 大類：PID（Proportional Integral Derivative）等簡單過程控制算法、預(yù)測控制等優(yōu)化控制算法和模糊控制等智能控制算法。

1.1 高級PID控制算法

誕生于20 世紀(jì)30 年代的PID 控制算法是歷史最久、生命力最強(qiáng)、應(yīng)用最廣的基本控制算法，過程工業(yè)中90%以上的控制回路具有PID 結(jié)構(gòu)[10]。盡管新的控制算法和控制策略層出不窮，但PID 依然以其獨(dú)特的魅力——比例反映現(xiàn)在、積分總結(jié)過去、微分預(yù)測將來而贏得制漿造紙工業(yè)等過程控制界的高度青睞。然而，直到今天，PID 的控制功能并沒有得到良好發(fā)揮，僅有20%的控制回路工作比較滿意[10]。因此，怎樣充分發(fā)揮PID 在PCS 級的調(diào)節(jié)功能依然是一個(gè)重要問題。

提高PID 的控制效果，一般可以通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)整定兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)[11]。在結(jié)構(gòu)方面，除了PID自身出現(xiàn)了許多改進(jìn)型結(jié)構(gòu)，如不完全微分PID、微分先行PID、積分分離PID、遇限消弱積分PID、帶死區(qū)的PID 等之外，還可以將PID 與前饋反饋控制、比值控制、選擇控制、分程控制、串級控制、均勻控制、雙重控制、時(shí)滯補(bǔ)償控制和解耦控制等控制策略相結(jié)合，構(gòu)成復(fù)雜控制系統(tǒng)，用于制漿造紙工業(yè)等流程工業(yè)的溫度、壓力、差壓、液位、流量、濃度和成分等過程量的準(zhǔn)確控制，這部分內(nèi)容占據(jù)回路控制的90%左右。在參數(shù)整定方面，除工程師已熟練掌握的經(jīng)驗(yàn)整定方法之外，許多控制系統(tǒng)還內(nèi)嵌有參數(shù)自整定功能。這些自整定方法，可分為基于模型的方法和基于規(guī)則的方法兩大類[12]。各種智能PID 都可歸于自整定PID的范疇。

然而，當(dāng)今的PID 控制器已遠(yuǎn)不是70 年前的模樣，邏輯控制、功能模塊、選擇器、限幅器和順序器等都已融入PID 控制器中，許多尖端控制策略，如超馳控制、快速啟停策略等都能圍繞著傳統(tǒng)PID 控制展開設(shè)計(jì)，形成高級PID 控制器[13]。即使是被譽(yù)為20世紀(jì)80 年代“最有前途的高級過程控制算法”的模型預(yù)測控制（Model Predictive Control，MPC），其控制級也以PID 為基本功能模塊。同時(shí)，微處理器計(jì)算能力的提高也賦予了PID 參數(shù)自整定、增益調(diào)度和模型切換等功能，使其最終具有智能的特征。各種新型控制理論分支（如仿生智能優(yōu)化等）一旦誕生，便與PID 相結(jié)合，構(gòu)成一種新型PID 控制器，然后很快得以應(yīng)用[14]。

盡管控制理論界已經(jīng)推出了琳瑯滿目的高級過程控制算法，但怎樣將這些高級控制算法與PID 相結(jié)合，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際仍然是一個(gè)持續(xù)性的具有顯著經(jīng)濟(jì)效益的研究熱點(diǎn)。

1.2 優(yōu)化控制算法

20 世紀(jì)50 年代末，生產(chǎn)過程迅速向大型化、連續(xù)化的方向發(fā)展，工業(yè)過程的非線性、耦合性和時(shí)變性等特點(diǎn)十分突出，控制精度及產(chǎn)品性能指標(biāo)要求的提高使得PID 等簡單控制算法已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)要求，自動(dòng)控制面臨著嚴(yán)重挑戰(zhàn)[15]。但為適應(yīng)空間探索需要而發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論卻應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生，并在某些尖端技術(shù)領(lǐng)域取得驚人成就。它以狀態(tài)空間分析為基礎(chǔ)，主要內(nèi)容包括以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識，以極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以Kalman 濾波理論為核心的最佳估計(jì)等3 個(gè)部分[16]。建立在現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)上的現(xiàn)代控制技術(shù)，如極點(diǎn)配置、最優(yōu)估計(jì)和最優(yōu)控制、預(yù)測控制、過程辨識和自適應(yīng)控制、魯棒控制等，正在逐步應(yīng)用于制漿造紙等工業(yè)生產(chǎn)過程。

就制漿造紙過程自動(dòng)化而言，我國第一本系統(tǒng)性文獻(xiàn)是莫方燦等人[17]在1987 年編著的《紙頁定量水分的微型計(jì)算機(jī)控制》，該書系統(tǒng)介紹了紙張定量和水分的在線檢測、建模和解耦控制。華南理工大學(xué)的錢承茂等人[18]編著了國內(nèi)制漿造紙過程自動(dòng)化方面的第一本教材《制漿造紙過程測量與控制》。浙江大學(xué)和陜西科技大學(xué)做了大量的制漿造紙過程自動(dòng)化和集成優(yōu)化方面的科研和成果推廣工作，浙江大學(xué)的孫優(yōu)賢[19]和陜西科技大學(xué)的王孟效等人[20]分別出版了專著《造紙過程建模與控制》和《制漿造紙過程測控系統(tǒng)及工程》，在這兩部專著中對實(shí)用化的優(yōu)化控制技術(shù)給予了系統(tǒng)的總結(jié)和介紹。華南理工大學(xué)的劉煥彬等人[21]編著的“十一五”國家級規(guī)劃教材《制漿造紙過程自動(dòng)測量與控制(第二版)》是目前國內(nèi)使用最多的制漿造紙過程自動(dòng)化方面的高等教材。這些專著和教材，系統(tǒng)總結(jié)了我國制漿造紙過程自動(dòng)化科技工作者在制漿造紙及廢水處理方面關(guān)于建模、檢測、控制和優(yōu)化等的科研成果和推廣應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

由于制漿造紙過程工段多、流程長、工藝復(fù)雜，過程控制中出現(xiàn)的大時(shí)滯、強(qiáng)耦合、大慣性、時(shí)變非線性等控制難題在制漿造紙生產(chǎn)中屢見不鮮。可以說，制漿造紙過程自動(dòng)化是過程自動(dòng)化技術(shù)的“大熔爐”，各種過程控制和優(yōu)化理論都能在制漿造紙生產(chǎn)過程中找到“用武之地”。為使我國由制漿造紙大國向制漿造紙強(qiáng)國發(fā)展邁進(jìn)，2013 年由中國輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國造紙協(xié)會(huì)、中國造紙學(xué)會(huì)和中國輕工企業(yè)投資發(fā)展協(xié)會(huì)同造紙技術(shù)及裝備發(fā)達(dá)國家——芬蘭相關(guān)部門聯(lián)合編著了《造紙及其裝備科學(xué)技術(shù)叢書》一套，共30 卷，分“制漿系統(tǒng)”和“造紙系統(tǒng)”兩大部分，其中也穿插著制漿造紙生產(chǎn)過程建模、控制和優(yōu)化等方面的研究和應(yīng)用成果。

1.3 智能控制算法

20 世紀(jì)70 年代末，控制理論和其他學(xué)科分支相互交叉，相互滲透，向著縱深方向發(fā)展，從而開始形成了所謂的第三代控制理論，即大系統(tǒng)理論和智能控制理論[16]。大系統(tǒng)理論用控制和信息的觀點(diǎn)研究各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計(jì)中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論，它是控制理論在廣度上的拓展；智能控制則是在常規(guī)控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、實(shí)驗(yàn)心理學(xué)、生理學(xué)等其他科學(xué)中的新思想和新方法，對更廣闊的對象（過程）實(shí)現(xiàn)期望控制，研究和模擬人類智能活動(dòng)及其控制和信息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些仿人類智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，是控制理論在深度上的挖掘。智能控制其核心是如何設(shè)計(jì)和開發(fā)能夠模擬人類智能的機(jī)器，使控制系統(tǒng)達(dá)到更高的目標(biāo)[22]。

對于制漿造紙、石油化工、金屬冶煉等復(fù)雜工業(yè)過程，本身過程機(jī)理十分復(fù)雜，尚未被人們充分認(rèn)識，且常常受到眾多隨機(jī)因素的干擾和影響，因而難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，難以滿足閉環(huán)最優(yōu)控制的要求。目前已有的策略或過于復(fù)雜，難以實(shí)行在線控制；或過于粗糙、不能滿足高水平的控制要求。解決這類問題的重要途徑之一就是將人工智能、控制理論和運(yùn)籌學(xué)三者結(jié)合的智能控制用于生產(chǎn)過程實(shí)際[23]。

人工智能是讓機(jī)器獲得像人類一樣具有思考和推理機(jī)制的智能技術(shù)，這一概念最早出現(xiàn)在1956 年的達(dá)特茅斯會(huì)議上。一旦人類的一些思維活動(dòng)，如判斷、推理、證明、識別、感知、理解、設(shè)計(jì)、思考、規(guī)劃、學(xué)習(xí)和問題求解等通過這一技術(shù)賦能給機(jī)器，機(jī)器便能按照類似人的思維開展工作。人工智能所涉獵的許多內(nèi)容都可用于生產(chǎn)過程控制。1988 年英國資深學(xué)術(shù)出版社Pergamon（培格曼出版社）創(chuàng)立學(xué)術(shù) 期 刊《Engineering Application of Artificial Intelli‐gence》（即《人工智能的工程應(yīng)用》），標(biāo)志著人工智能開始進(jìn)入各個(gè)工程領(lǐng)域[24]。

當(dāng)前，智能控制最活躍的分支有4 個(gè)——專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和學(xué)習(xí)控制。它們可以單獨(dú)應(yīng)用，也可以與其他形式結(jié)合起來；可以用于基層控制，也可用于過程建模、操作優(yōu)化、故障檢測、計(jì)劃調(diào)度和經(jīng)營決策等不同層次。這4個(gè)分支在制漿造紙生產(chǎn)過程的各個(gè)工段都有應(yīng)用案例[25]。2019年在湖南岳陽召開的“2019 中國制漿造紙自動(dòng)化技術(shù)與智能制造研討會(huì)”標(biāo)志著我國制漿造紙工業(yè)在綠色制造的基礎(chǔ)上將進(jìn)入智能制造的發(fā)展階段。該會(huì)議出版了包含來自學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的130余篇學(xué)術(shù)論文的研討會(huì)論文集[26]。

近年來，仿生智能優(yōu)化算法也得到了迅猛發(fā)展。這類優(yōu)化算法的共同特點(diǎn)是：模仿生物進(jìn)化或趨向的方式進(jìn)行路徑選擇或優(yōu)化計(jì)算，從而獲得一個(gè)條件最優(yōu)的路徑或計(jì)算結(jié)果[27]。比較活躍的分支有：遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法、免疫算法、差分進(jìn)化等算法，它們在造紙工業(yè)中都得到了應(yīng)用[28-32]。應(yīng)用方法一般有兩類：一類是作為自整定PID 算法的參數(shù)自整定機(jī)構(gòu)，用來在線優(yōu)化PID 參數(shù)，從而改善PID 的控制效果；另一類是作為串級控制的外環(huán)控制器，在線調(diào)整內(nèi)環(huán)設(shè)定值，從而加快閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高控制精度。

2 關(guān)鍵參數(shù)的檢測及裝備運(yùn)行維護(hù)技術(shù)

造紙工業(yè)向工業(yè)4.0 方向發(fā)展，除了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化之外，還要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和管理的信息化，即實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和信息化的兩化融合[33]。利用信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷售等流程信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達(dá)到快速、有效、個(gè)人化的產(chǎn)品供應(yīng)。為此，需要在線獲取生產(chǎn)過程的全部信息，能夠?qū)ιa(chǎn)過程的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，對產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行在線檢測。對造紙工業(yè)而言，需要對尚不能在線檢測的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行軟測量、對關(guān)鍵造紙裝備的運(yùn)行故障進(jìn)行在線診斷、對成紙質(zhì)量進(jìn)行在線檢測[34]。以下是對這些研究進(jìn)展的概述。

2.1 關(guān)鍵參數(shù)的在線軟測量技術(shù)

軟測量技術(shù)也稱為軟儀表技術(shù)，它是利用一些易于在線檢測的過程變量（常稱為輔助變量或二次變量），依據(jù)其與難以直接測量的待測過程變量（常稱為主導(dǎo)變量）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系（常稱為軟測量模型），通過各種數(shù)學(xué)計(jì)算和估計(jì)方法進(jìn)行推理計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對待測過程變量（主導(dǎo)變量）的測量。其核心是表征輔助變量和主導(dǎo)變量之間數(shù)學(xué)關(guān)系的軟測量模型（如圖1所示）。因此，構(gòu)造軟儀表的本質(zhì)就是如何建立軟測量模型，即一個(gè)數(shù)學(xué)建模問題。相應(yīng)地，建立軟測量模型的過程也就是軟儀表的構(gòu)造過程。由于軟儀表可以像常規(guī)過程檢測儀表一樣為控制系統(tǒng)提供過程信息，因此軟測量技術(shù)已在過程控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，被譽(yù)為過程工業(yè)中最有發(fā)展前景的檢測技術(shù)之一[15]。

圖1 軟測量模型的輸入輸出示意圖

軟測量技術(shù)的理論基礎(chǔ)是推理控制，主要內(nèi)容包括以下3 個(gè)方面[35]：①根據(jù)某種最優(yōu)化原則，研究建立軟測量數(shù)學(xué)模型的方法，這是軟測量技術(shù)的核心；②模型實(shí)時(shí)運(yùn)算的工程實(shí)施技術(shù)，這是軟測量技術(shù)的關(guān)鍵，主要包括輔助變量的選擇、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理、軟測量模型結(jié)構(gòu)的選擇、模型參數(shù)的估計(jì)、軟測量模型的現(xiàn)場實(shí)施技術(shù)等；③模型自校正技術(shù)，這是因?yàn)榧词钩跏冀⒌能洔y量模型很精確，但由于過程工況與原料性質(zhì)等因素的不確定性變化，必須引入模型的更新校正功能，也稱軟測量模型的自學(xué)習(xí)，這是提高軟測量精度的有效方法，主要包括在線校正和離線校正兩種校正方式。

對于制漿造紙生產(chǎn)過程，軟測量技術(shù)也得到了較多應(yīng)用，并且為造紙工業(yè)帶來了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。如打漿度的在線軟測量和磨漿機(jī)恒打漿度控制[36]，利用能夠準(zhǔn)確測量的紙漿濃度、紙漿流量、磨漿機(jī)電功率等二次變量參數(shù)，通過軟測量技術(shù)在線獲得磨后漿的打漿度，軟測量精度與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)值之間的誤差可控制在0.5OSR，可完全滿足恒打漿度在線控制的要求。近年來，在國產(chǎn)中高速衛(wèi)生紙生產(chǎn)線上得到了推廣應(yīng)用[37]。再如，生活用紙定量的在線軟測量問題。盡管定量為50 g/m2以上的紙張定量檢測已經(jīng)比較準(zhǔn)確，可以滿足大閉環(huán)在線控制的要求，但對于定量在15 g/m2以下、車速在800 m/min 以上的生活用紙紙機(jī)，定量在線掃描檢測是一個(gè)難題。但通過定量在線軟測量技術(shù)以及絕干漿量控制策略，低定量紙張的定量在線檢測及控制問題也得到了很好的解決[37]。針對堿回收蒸發(fā)工段的濃縮黑液濃度高、常規(guī)黑液波美度檢測儀檢測精度過低的問題，文獻(xiàn)[38]給出了一種機(jī)理建模加最小二乘法參數(shù)估計(jì)相結(jié)合的軟測量方法，提高了黑液波美度的檢測精度，并降低了在線檢測成本。文獻(xiàn)[39]采用兩步神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的方式解決了草漿洗滌過程中殘堿和黑液波美度的在線測量問題。文獻(xiàn)[40]解決了置換蒸煮過程中蒸煮漿料的卡伯值在線軟測量問題，為置換蒸煮終點(diǎn)（常規(guī)用H因子或P因子）的確定增加了一個(gè)寶貴的參考參數(shù)。

2.2 關(guān)鍵造紙裝備的故障診斷技術(shù)

故障診斷技術(shù)發(fā)展于20 世紀(jì)中葉，是對生產(chǎn)裝備或過程異常狀態(tài)的自動(dòng)檢測、識別、預(yù)警、修復(fù)等的各種技術(shù)的總稱，是現(xiàn)代控制理論、可靠性理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊理論、信號處理、模式識別、人工智能等多學(xué)科融合的一門綜合性技術(shù)。國際故障診斷專家、德國P.M.Frank 教授將故障診斷方法總結(jié)為3 大類：基于知識的方法、基于解析模型的方法和基于信號處理的方法[41]。故障診斷、故障預(yù)警和故障修復(fù)是智能制造必備的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)。

近年來，我國造紙工業(yè)正朝著大型化、連續(xù)化、復(fù)雜化、高速化方向發(fā)展，關(guān)鍵造紙裝備和重要部件在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀態(tài)下，容易產(chǎn)生一系列不穩(wěn)定不安全因素。為保證制漿造紙生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行、減少設(shè)備事故、降低企業(yè)損失，在線監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出故障預(yù)警變得越來越重要[42]。

對于造紙裝備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，常用的監(jiān)測技術(shù)有3種：振動(dòng)分析技術(shù)、油液分析技術(shù)和紅外熱成像技術(shù)。振動(dòng)分析技術(shù)通過采集包含造紙?jiān)O(shè)備故障信息的振動(dòng)信號，借助時(shí)域或頻域、或者二者相結(jié)合的方法進(jìn)行故障診斷，這一方法對幾乎所有的造紙機(jī)械設(shè)備都適用，如對紙機(jī)壓榨部的故障診斷[43]、對盤磨機(jī)的故障診斷[44]、對軟壓光輥的故障診斷[45]、對大直徑烘缸軸承及壓榨部軸承的故障診斷[46-48]等。油液分析技術(shù)通過分析所用潤滑油的性能變化以及油液中磨損顆粒的信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期造紙機(jī)械磨損情況，從而對故障進(jìn)行預(yù)測，提前做到預(yù)防維護(hù)，具有快速、高效的優(yōu)點(diǎn)，在紙機(jī)的干燥部、壓光部等設(shè)備中應(yīng)用較多，能夠防止軸承磨損損壞，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行[49]。紅外熱成像技術(shù)利用紅外成像測溫儀，監(jiān)測設(shè)備實(shí)際溫度的變化，從而進(jìn)行故障分析，因?qū)儆诜墙佑|式測量，具有安全、方便的優(yōu)點(diǎn)，可以用來診斷難以用傳感器直接測量的機(jī)械設(shè)備的故障，如文獻(xiàn)[50]利用紅外熱成像技術(shù)對旋渦氣泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和故障診斷。

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，多種智能診斷技術(shù)也隨之形成，并逐漸由對單體造紙裝備的故障診斷發(fā)展到對某一工段甚至整條生產(chǎn)線的故障診斷、故障預(yù)警和故障智能修復(fù)，形成以專家系統(tǒng)、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心技術(shù)的智能故障診斷系統(tǒng)[51-53]。先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、振動(dòng)信號處理技術(shù)與故障診斷系統(tǒng)的結(jié)合，使智能診斷系統(tǒng)正朝著基于規(guī)則、混合模型、專家知識、機(jī)器學(xué)習(xí)、混合智能診斷等方向發(fā)展。Ebersbach 等人[54]開發(fā)出了監(jiān)控設(shè)備振動(dòng)信息的專家系統(tǒng)。Marichal 等人[55]將振動(dòng)譜與智能技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了軸承故障智能檢測系統(tǒng)。Liu 等人[56]使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和特征融合方法對設(shè)備結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行了診斷研究。Karen 等人[57]從實(shí)際造紙工業(yè)過程中收集在線振動(dòng)數(shù)據(jù)，確定造成紙機(jī)運(yùn)行和紙張質(zhì)量的潛在變量，并構(gòu)建多變量控制圖以進(jìn)行更有效的監(jiān)督和控制。ABB 公司研發(fā)的在線智能診斷系統(tǒng)SDS (Smart Diag‐nostic System)，在鎮(zhèn)江某造紙企業(yè)生產(chǎn)線得到應(yīng)用[58]。

2.3 紙病在線檢測技術(shù)

制漿造紙企業(yè)的目標(biāo)產(chǎn)品是成品紙張，紙張的品質(zhì)直接決定著企業(yè)的效益。紙病是指紙張?jiān)诔爝^程中出現(xiàn)的臟斑、孔洞、褶皺、劃痕、塵埃和裂口等表面瑕疵，對紙張尤其是特種紙張的品質(zhì)影響很大，一般可利用機(jī)器視覺技術(shù)來進(jìn)行在線檢測[59]。這一技術(shù)起源于20 世紀(jì)70 年代，其核心內(nèi)容就是通過機(jī)器視覺在線發(fā)現(xiàn)紙張表面瑕疵的類型和位置，實(shí)質(zhì)就是數(shù)字圖像處理，一般包括圖像采集、圖像預(yù)處理、紙病識別和紙病后期處理等4個(gè)步驟[60]。經(jīng)過30多年的發(fā)展，紙病檢測速度和檢測精度在不斷提高，檢測種類也由簡單單一紙病檢測發(fā)展到多種復(fù)雜紙病同時(shí)檢測。當(dāng)前，對紙病檢測技術(shù)的研究聚焦在系統(tǒng)架構(gòu)、識別算法和光源優(yōu)化等3個(gè)方面。

紙病在線檢測系統(tǒng)架構(gòu)變化的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力源于紙機(jī)車速的提高和幅寬的加大。早期的紙病檢測系統(tǒng)是基于“CCD 相機(jī)+采集卡+PC 機(jī)”模式[61]，這種模式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、通信方便；缺點(diǎn)是上位機(jī)集中式數(shù)據(jù)處理方式導(dǎo)致計(jì)算量大，難以適用于高速寬幅紙機(jī)。為了提高數(shù)據(jù)處理速度，“CCD 相機(jī)+FPGA+PC機(jī)”模式逐漸被推出，并迅速得到應(yīng)用[62]。在這種模式下，F(xiàn)PGA 取代圖像采集卡，不但能承擔(dān)圖像采集卡的全部功能，而且還肩負(fù)紙張圖像預(yù)處理和紙病粗判的任務(wù)，將初步確定有紙病的圖像片段和位置發(fā)送給上位機(jī)，由上位機(jī)完成紙病類型的進(jìn)一步識別，沒有紙病的圖像區(qū)域直接在FPGA 內(nèi)被遺棄掉[63]。這種架構(gòu)模式采用了分散式數(shù)據(jù)處理方式，并充分利用了FPGA 并行運(yùn)算的快速性，大大提高了紙病檢測的速度。隨著DSP等高速信號處理器件的廣泛應(yīng)用，“CCD相機(jī)+DSP+PC 機(jī)”模式、“CCD 相機(jī)+FPGA+DSP+顯示器”模式的紙病檢測系統(tǒng)架構(gòu)也陸續(xù)出現(xiàn)[64]。

紙病識別算法是紙病檢測技術(shù)的核心，它是建立在紙病檢測軟硬件平臺上的紙張圖像處理算法，包括紙張圖像預(yù)處理算法、紙病特征提取算法和紙病辨識算法等3個(gè)類別。其中，圖像預(yù)處理算法用來提高紙張圖像的對比度，突出邊緣細(xì)節(jié)，提取疑似紙病區(qū)域圖像，為后續(xù)分析處理做準(zhǔn)備，可分為圖像增強(qiáng)算法和圖像分割算法；紙病特征提取算法的主要功能是從圖像增強(qiáng)分割處理后的圖像中提取能夠表征紙病圖像特征的有用信息，如灰度特征、形態(tài)特征、紋理特征等，為計(jì)算機(jī)進(jìn)行紙病最終識別做準(zhǔn)備；紙病辨識算法是通過圖像的灰度特征和幾何特征來最終確定紙病的種類。紙病識別算法的每個(gè)類別都有大量的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)[65-69]，具體算法分類詳見表1（詳見文獻(xiàn)[59]）。從表1可以看出，圖像預(yù)處理算法是紙病檢測的關(guān)鍵算法，決定著紙病識別的精度和后續(xù)辨識速度。其中，圖像增強(qiáng)是對已獲取的圖像進(jìn)行加工處理，在減少噪聲的同時(shí)增強(qiáng)邊緣信息和結(jié)構(gòu)信息，以便在后續(xù)的特征分析中對其更好地分析和理解；圖像分割是依據(jù)紙張圖像的灰度、顏色、紋理和邊緣等特征，把含有疑似紙病的圖像區(qū)域分離出來，為后續(xù)紙病特征提取和紙病辨識打基礎(chǔ)。

理論上來講，圖像處理中的各種算法都可以用于紙病檢測，但實(shí)際上是否可用，取決于算法的在線識別速度和精度。當(dāng)前，有配置紙病檢測系統(tǒng)需求的紙機(jī)車速已高達(dá)1000 m/min 以上，幅寬6000 mm 以上，最小紙病要求0.3 mm2以下。而大量的文獻(xiàn)研究都是基于靜態(tài)面陣圖片的，而不是通過CCD 相機(jī)在線拍攝的圖像，若用于在線紙病識別，算法的實(shí)用性有待實(shí)際檢驗(yàn)[70-71]。因此，實(shí)用化的紙病識別算法是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)[72]。

紙病檢測另一個(gè)研究熱點(diǎn)是照射光源的優(yōu)化問題，對紙病圖像的分辨率和算法的復(fù)雜度有直接影響。光源種類、光源結(jié)構(gòu)、光色和亮度、光照方式等均與照明效果密切相關(guān)，卻又難以建立精確數(shù)學(xué)模型，當(dāng)前文獻(xiàn)也比較少見。王崢等人[73]提出了基于菌群算法的紙病檢測系統(tǒng)光源優(yōu)化控制方案，利用菌群算法對光源系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，并根據(jù)尋優(yōu)結(jié)果對光源系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。馮波等人[74]將光源優(yōu)化分解成橫向和縱向兩個(gè)方向，分別提出了基于漫反射及近場均勻照明原理和頻閃成像原理的LED 驅(qū)動(dòng)電源優(yōu)化方案，明顯提高了圖像灰度均勻度。

3 制漿造紙過程高級控制系統(tǒng)

無論是前述制漿造紙生產(chǎn)過程高級控制算法，還是軟測量、故障診斷及紙病檢測技術(shù)，都需要固化于制漿造紙生產(chǎn)過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中才能發(fā)揮作用。自1961 年美國首次成功地采用計(jì)算機(jī)對制漿造紙生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制之后，各類控制系統(tǒng)便紛紛推出，并應(yīng)用于造紙工業(yè)[20-21]。

3.1 制漿造紙過程基本控制系統(tǒng)

對于一條現(xiàn)代化的制漿造紙生產(chǎn)線，相配套的與生產(chǎn)過程控制和監(jiān)督相關(guān)的自動(dòng)化系統(tǒng)有3大類：生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)（含DCS、Drives、QCS、MCS、WMS、WIS、CMS、SIS）、生產(chǎn)及安全監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）、生產(chǎn)優(yōu)化和資源管理系統(tǒng)（含MES、ERP）[9,75]。其中，第一大類是大多數(shù)生產(chǎn)線普遍選配的系統(tǒng)，CCTV 已經(jīng)成為新建企業(yè)的必選系統(tǒng)，MES和ERP 當(dāng)前開始逐步推開。這些系統(tǒng)的基本功能見表2。

從表2 中可以看出，DCS 和Drivers 是每臺紙機(jī)必備的基礎(chǔ)性控制系統(tǒng)，只是不同的紙機(jī)，其控制系統(tǒng)的規(guī)模不盡相同。對于生活用紙以外的紙種，一般都會(huì)配置QCS。生活用紙因定量很低，采用放射源傳感器難以進(jìn)行準(zhǔn)確測量，因此一般不配置QCS，但可以采用軟測量的方式進(jìn)行紙張定量的在線測量[37]。在CIPS 框架下，表2 中的1～8 號子系統(tǒng)通常也稱為過程控制系統(tǒng)（Process Control System，PCS），與MES、ERP 一起構(gòu)成CIPS。作為CIPS 的基礎(chǔ)自動(dòng)化層，其主要內(nèi)容包括先進(jìn)控制技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)、軟測量技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)處理技術(shù)、DCS、多總線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)、基于高速以太網(wǎng)和無線技術(shù)的現(xiàn)場控制設(shè)備、傳感器技術(shù)等[34]。3～7號子系統(tǒng)為選配系統(tǒng)，它們的一些功能可規(guī)劃到DCS中去。

表1 紙病識別算法分類一覽表

表2 制漿造紙生產(chǎn)過程基本控制系統(tǒng)一覽表

3.2 計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)

流程工業(yè)計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS）是集過程控制、生產(chǎn)優(yōu)化、資源管理于一體的綜合自動(dòng)化、信息化、智能化控制系統(tǒng)，與離散事件工業(yè)的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）相對應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0 和中國制造2025 的系統(tǒng)框架基礎(chǔ)[5]。

表3 為制漿造紙生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)對比分析。從表3中關(guān)于制漿造紙過程所采用的自動(dòng)化系統(tǒng)的對比，結(jié)合我國制漿造紙企業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)狀，可以分析得出[33-34]：我國造紙工業(yè)基本尚未走完工業(yè)3.0 的路程，約占我國造紙工業(yè)的70%左右，中小企業(yè)處于工業(yè)2.0～3.0 之間水平，大型制漿造紙企業(yè)雖然裝備了三層結(jié)構(gòu)的全廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，但功能發(fā)揮有待提高。同時(shí)，利用工業(yè)3.0實(shí)現(xiàn)造紙工業(yè)信息化，是發(fā)展智能造紙工業(yè)的基礎(chǔ)，是造紙工業(yè)4.0的基石。

具有PCS、MES、ERP 三層結(jié)構(gòu)的綜合自動(dòng)化信息化系統(tǒng)是一個(gè)完整的工業(yè)3.0系統(tǒng)，具備了邁入工業(yè)4.0 門檻的基礎(chǔ)條件。而工業(yè)4.0 是工業(yè)3.0 的技術(shù)升級，通過先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、信息融合技術(shù)，把PCS、MES、ERP之間的關(guān)系建立起來，從而提高生產(chǎn)效率，降低運(yùn)營成本。因此，開發(fā)基于工業(yè)4.0的造紙工業(yè)智能自動(dòng)化系統(tǒng)是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)和造紙工業(yè)的未來發(fā)展方向[75]。

在工業(yè)3.0 向工業(yè)4.0 升級的過程中，MES 將起到承上啟下的作用。在這個(gè)轉(zhuǎn)變過程中，要充分發(fā)揮MES 的作用，把PCS 和ERP 兩個(gè)系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，從而構(gòu)建智能工廠，利用智能原料，生產(chǎn)出智能產(chǎn)品。工廠智能化包含設(shè)備智能化、生產(chǎn)智能化、能源管理智能化和供應(yīng)鏈管理智能化等4 個(gè)方面的內(nèi)容。而智能化技術(shù)由生產(chǎn)操作、生產(chǎn)管理、管理決策等3 個(gè)層面組成，通過互聯(lián)網(wǎng)（CPS 系統(tǒng)或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）將全部業(yè)務(wù)流程連接起來，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化管理，繼而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠全部生產(chǎn)流程和業(yè)務(wù)運(yùn)作的決策優(yōu)化和智能化。圖2 是造紙工業(yè)從工業(yè)3.0 過渡到工業(yè)4.0 的技術(shù)框架和實(shí)現(xiàn)途徑示意圖。圖2 中，SCM（Supply Chain Management） 為 供 應(yīng) 鏈 管 理，CRM（Customer Relationship Management） 為客戶關(guān)系管理，QMS（Quality Management System）為質(zhì)量管理系統(tǒng)，PLM（Products Life-cycle Management）為產(chǎn)品生命周期管理。

文獻(xiàn)[58]圍繞第四次工業(yè)革命的核心特點(diǎn)、智能工業(yè)的基本含義和組成框架、實(shí)現(xiàn)漿紙企業(yè)智能化所需的關(guān)鍵共性技術(shù)、如何構(gòu)建智能漿紙企業(yè)等問題展開了深入細(xì)致的探討，并建議我國傳統(tǒng)造紙工業(yè)在向智能化轉(zhuǎn)型時(shí)應(yīng)該順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展趨勢，以信息化與工業(yè)化深度融合為主線，先易后難，逐步實(shí)現(xiàn)智能化，要著力研發(fā)從現(xiàn)有MES 升級為智能MES的關(guān)鍵技術(shù)。

3.3 西門子410 Smart系統(tǒng)舉例

近30 年來，多種控制系統(tǒng)在我國造紙工業(yè)都有應(yīng)用。國外系統(tǒng)主要有西門子公司以S7-400系列PLC為核心控制器的PCS7系統(tǒng)、ABB 公司以AC 系列PLC為核心控制器的AC-800 系統(tǒng)、AB 公司的Process Logix 系統(tǒng)、霍尼韋爾公司的TDC3000 系統(tǒng)，以及日本OMRON 和三菱公司以PLC 為核心控制器的DCS 系統(tǒng)。國內(nèi)用于電力和石化過程控制的DCS 系統(tǒng)，如上海新華的XDPS-400 系統(tǒng)、北京和利時(shí)的MACS 系統(tǒng)，以及浙大中控的JX-300 系統(tǒng)，也在我國制漿造紙過程自動(dòng)化領(lǐng)域占有一定的市場份額。但相比之下，西門子的S7-300/400/1200 系列PLC 占有的市場份額最大。

表3 制漿造紙生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)對比分析一覽表

圖2 造紙工業(yè)從工業(yè)3.0過渡到工業(yè)4.0的技術(shù)框架和實(shí)現(xiàn)途徑示意圖

圖3 是以西門子410 Smart PLC 為核心控制器構(gòu)成的制漿造紙生產(chǎn)過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)采用有自愈能力的雙環(huán)網(wǎng)雙冗余服務(wù)器架構(gòu)，下層為服務(wù)器和410 PLC 之間的控制系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)，上層為服務(wù)器和OS 客戶機(jī)之間的終端總線環(huán)網(wǎng)。冗余服務(wù)器起到承上啟下的作用，工程師站對整個(gè)項(xiàng)目的PLC、服務(wù)器和客戶機(jī)組態(tài)進(jìn)行下載和管理，使整個(gè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)統(tǒng)一、時(shí)鐘一致，能為以后建造智能工廠提供準(zhǔn)確一致的數(shù)據(jù)。Web 服務(wù)器主要用于發(fā)布一些諸如產(chǎn)量、能耗等生產(chǎn)運(yùn)營狀況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，便于公司高層隨時(shí)隨地了解公司的運(yùn)行情況，及時(shí)做出決策?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程診斷軟件允許在世界任何一個(gè)可以上網(wǎng)的地方，查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)和畫面，監(jiān)控現(xiàn)場運(yùn)行情況，下載和診斷故障情況，可極大地縮短維修時(shí)間，減少客戶停機(jī)費(fèi)用，提高服務(wù)質(zhì)量。Profinet 總線采用基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的開放式工業(yè)自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，可以自由地組成線型、星型、環(huán)型等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，底層模塊級可以構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。Profibus 總線用于智能MCC，可節(jié)約大量的MCC 線纜。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一目了然，維護(hù)簡單，上傳的數(shù)據(jù)豐富，可為以后實(shí)現(xiàn)智能工廠提供數(shù)據(jù)支撐。

4 造紙工業(yè)自動(dòng)化、信息化和智能化的未來發(fā)展

在工業(yè)4.0和“中國制造2025”深入推進(jìn)的過程中，造紙工業(yè)也將以工業(yè)4.0 為發(fā)展目標(biāo)，圍繞PCS、MES 和ERP 開展技術(shù)研發(fā)和成果推廣應(yīng)用工作，用3個(gè)10年完成從制漿造紙大國向制漿造紙強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變[33]。當(dāng)前研究熱點(diǎn)及未來發(fā)展方向可歸納如下。

（1）先進(jìn)控制算法有效應(yīng)用于制漿造紙全過程已成為當(dāng)前的主要任務(wù)

盡管先進(jìn)控制技術(shù)在造紙工業(yè)中應(yīng)用的文獻(xiàn)很多，但實(shí)際應(yīng)用效果并不理想。原因之一就是難以獲取相對準(zhǔn)確的生產(chǎn)過程數(shù)學(xué)模型。所以制漿造紙企業(yè)絕大多數(shù)控制回路采用的依然是PID 系列控制器，只是部分關(guān)鍵控制回路的PID 參數(shù)整定引入了先進(jìn)控制技術(shù)。先進(jìn)過程控制（Advanced Process Control，APC）就是指在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，基于過程數(shù)學(xué)模型，借助充分計(jì)算能力，為企業(yè)獲得最大利潤而實(shí)施的運(yùn)行和控制技術(shù)策略。成功實(shí)施APC，可使制漿造紙生產(chǎn)過程運(yùn)行于最佳工況，實(shí)現(xiàn)“卡邊生產(chǎn)”，增大利潤空間。因此，將先進(jìn)控制算法有效地應(yīng)用于制漿造紙全過程已經(jīng)成為我國造紙工業(yè)當(dāng)前的主要任務(wù)。人工智能（AI）與自動(dòng)控制相結(jié)合的智能控制是一個(gè)研究熱點(diǎn)。

（2）過程優(yōu)化將得到迅速發(fā)展，為制漿造紙企業(yè)帶來更多效益

圖3 基于西門子410 Smart的制漿造紙生產(chǎn)過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

造紙工業(yè)是典型的連續(xù)性流程工業(yè)，其特點(diǎn)之一是上游裝置的部分產(chǎn)品是下游裝置的原料，生產(chǎn)過程存在裝置間的物流分配、物料平衡和能量平衡等一系列問題。因此，通過過程優(yōu)化可獲得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。為了能將優(yōu)化控制成功地應(yīng)用于制漿造紙生產(chǎn)過程，這就要求在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，要同時(shí)充分考慮控制方案的實(shí)施問題。工藝、裝備、自動(dòng)化三位一體已經(jīng)成為造紙工業(yè)對行業(yè)人才的基本要求。過程優(yōu)化通常包含穩(wěn)態(tài)優(yōu)化、離線優(yōu)化和在線優(yōu)化。隨著通信速度的提升和通信能力的增強(qiáng)，在線優(yōu)化將成為主流。對紙機(jī)干燥部進(jìn)行能耗優(yōu)化、對碎漿過程進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化、對大功率裝備進(jìn)行運(yùn)行電耗優(yōu)化等，都可為制漿造紙企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）故障診斷、故障預(yù)警和故障修復(fù)將受到制漿造紙企業(yè)的高度關(guān)注

當(dāng)前，制漿造紙企業(yè)正向著高車速、大幅寬、高產(chǎn)能方向發(fā)展。因此，生產(chǎn)線的平穩(wěn)運(yùn)行非常重要，一次故障停機(jī)會(huì)帶來以萬元人民幣為單位的經(jīng)濟(jì)損失。造紙工業(yè)在由工業(yè)3.0 向4.0 推進(jìn)的過程中，強(qiáng)大的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算能力也為故障診斷創(chuàng)造了便利條件。當(dāng)前，就造紙工業(yè)而言，故障診斷面臨的問題是：①故障的正確檢測率低，“狼來了”現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；②故障的漏報(bào)率高，經(jīng)常未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障；③故障誤報(bào)現(xiàn)象也經(jīng)常出現(xiàn)，需要通過技術(shù)進(jìn)步來著力降低故障誤報(bào)率。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，我國出口的制漿造紙過程自動(dòng)化系統(tǒng)以及我國企業(yè)家在境外投資的制漿造紙生產(chǎn)線將越來越多，遠(yuǎn)程故障診斷、預(yù)警及智能修復(fù)將成為必須。利用CPS系統(tǒng)及數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線的運(yùn)行故障實(shí)時(shí)診斷、預(yù)警，甚至智能修復(fù)是造紙工業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

（4）傳統(tǒng)的造紙工業(yè)DCS、FCS 仍然需要向國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)方向邁進(jìn)

DCS和FCS原本是設(shè)計(jì)理念非常科學(xué)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，它們是由若干臺微處理器或微機(jī)分別承擔(dān)部分任務(wù)，并通過高速數(shù)據(jù)通道把各個(gè)分散點(diǎn)的信息集中起來，進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制和優(yōu)化。然而，各DCS/FCS供應(yīng)商為了商業(yè)目的，不同的自動(dòng)化系統(tǒng)之間的信息通信常常存在障礙。盡管OPC技術(shù)有效破除了不同自動(dòng)化系統(tǒng)之間的“自動(dòng)化孤島”，但對自動(dòng)化工程集成商的專業(yè)素養(yǎng)要求還是比較高。因此，具有國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)依然是我國制漿造紙企業(yè)的期盼，仍然需要向國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)方向邁進(jìn)。

（5）造紙工業(yè)4.0 的系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)建及功能規(guī)劃是業(yè)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)

盡管我國部分大型制漿造紙企業(yè)已經(jīng)配置了基于PCS、MES、ERP 三層架構(gòu)的CIPS 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實(shí)際運(yùn)行效果并不理想。如何構(gòu)建智能制漿造紙企業(yè)依然是我國制漿造紙學(xué)術(shù)界和企業(yè)界合作探討的重要問題。劉煥彬等人[33]就智能造紙企業(yè)的構(gòu)建問題做了非常深入細(xì)致的探討和思考，對我國造紙工業(yè)4.0 的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及功能規(guī)劃設(shè)置了基調(diào)，提出了許多合理化的建議，起到了非常好的“拋磚引玉”的作用，但實(shí)質(zhì)性工作仍需要一步一個(gè)腳印地向前推進(jìn)。符合我國國情的造紙工業(yè)4.0的系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)建及功能規(guī)劃問題必將成為業(yè)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

5 結(jié) 語

本文以過程控制理論及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展及行業(yè)應(yīng)用為主線，對在造紙工業(yè)中廣泛采用的共性自動(dòng)化技術(shù)，如制漿造紙過程高級PID 控制算法、優(yōu)化控制算法、智能控制算法進(jìn)行了評述；對實(shí)現(xiàn)造紙工業(yè)4.0 必不可少的關(guān)鍵參數(shù)在線檢測及裝備運(yùn)行維護(hù)技術(shù)，如在線軟測量技術(shù)、故障診斷技術(shù)、紙病在線檢測技術(shù)的研究應(yīng)用狀況進(jìn)行了總結(jié)；對制漿造紙工業(yè)采用的基本自動(dòng)化控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS）的基本功能和體系架構(gòu)進(jìn)行了概述，并以西門子410 Smart 系統(tǒng)為例，給出了實(shí)用化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)建示范。并討論了我國造紙工業(yè)自動(dòng)化、信息化和智能化的未來發(fā)展方向。

由于制漿造紙生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)多且復(fù)雜，過程控制理論又博大精深，難以在一篇文章中對制漿造紙生產(chǎn)過程自動(dòng)化做以全面概述。盡管筆者盡力做了大篇幅的陳述，但仍屬一家之言，限于筆者學(xué)識，偏頗之處一定很多。然而，對我國造紙工業(yè)而言，堅(jiān)持信息化與工業(yè)化深度融合的技術(shù)路線，大力發(fā)揚(yáng)產(chǎn)學(xué)研合作，致力于節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)和智能控制技術(shù)的研發(fā)和成果推廣，逐步推進(jìn)制漿造紙企業(yè)向綠色化、智能化方向發(fā)展，將是我國造紙工業(yè)的時(shí)代主旋律。