智能革新
——生活用紙4.0的應(yīng)用

謝承俊 福伊特造紙(中國)有限公司

當(dāng)前，智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)是不可阻擋的趨勢。同樣在造紙行業(yè)內(nèi)，推動工業(yè)4.0的發(fā)展也已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)的共識。

1 造紙4.0

將工業(yè)的發(fā)展歷程和造紙行業(yè)的技術(shù)發(fā)展歷程放在一起觀察會發(fā)現(xiàn)，每一次工業(yè)革命對造紙行業(yè)都會有極大的促進(jìn)。第一次工業(yè)革命期間，1798年第一臺長網(wǎng)紙機(jī)被發(fā)明；第二次工業(yè)革命期間，1872年現(xiàn)代造紙機(jī)的成形、壓榨、干燥部雛形出現(xiàn)，這個模塊也一直被延續(xù)使用至今；第三次工業(yè)革命開始后，1975年在造紙?jiān)O(shè)備領(lǐng)域的第一套DCS 系統(tǒng)得到應(yīng)用，標(biāo)志著造紙行業(yè)進(jìn)入了3.0的時代；第四次工業(yè)革命將跟前面三次工業(yè)革命有很大的不同，第四次工業(yè)革命將不僅僅只是一個簡單的產(chǎn)品、系統(tǒng)的應(yīng)用。在工業(yè)4.0的發(fā)展過程中，將會綜合運(yùn)用到大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、5G通訊等等各式各樣的新技術(shù)，是所有這些新技術(shù)的綜合體現(xiàn)。有人預(yù)估真正實(shí)現(xiàn)第四次工業(yè)革命，可能大約會持續(xù)30～40年的時間。

圖1 工業(yè)革命和造紙技術(shù)發(fā)展歷程

在以上這些新技術(shù)當(dāng)中，最核心、最根本的就是數(shù)據(jù)。只有先進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集，才能進(jìn)行相關(guān)的分析及應(yīng)用。其實(shí)在當(dāng)今的造紙企業(yè)當(dāng)中，已經(jīng)產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)。例如，某大型集團(tuán)的IT系統(tǒng)每天產(chǎn)生將近2,500萬條數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析并利用，將會成為企業(yè)非常核心的競爭力。

然而到目前，大部分企業(yè)的數(shù)據(jù)并沒有得到很好的利用。就像石油一樣，石油是非常重要的戰(zhàn)略資源，但是我們不能直接使用原油，必須經(jīng)過提煉加工，生產(chǎn)日常使用的汽油、柴油以及各種化工產(chǎn)品。同樣對數(shù)據(jù)的利用也是如此，必須要經(jīng)過提煉。數(shù)據(jù)的應(yīng)用，首先要把數(shù)據(jù)收集存儲起來，做結(jié)構(gòu)化存儲。然后在不同的數(shù)據(jù)孤島之間架起一座座橋梁，使數(shù)據(jù)能夠產(chǎn)生協(xié)同運(yùn)用的可能性。其次，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化來對生產(chǎn)運(yùn)營做相關(guān)的指導(dǎo)。再往后可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)“自動駕駛”的功能，由系統(tǒng)自動對生產(chǎn)運(yùn)營、維護(hù)保養(yǎng)、管理流程進(jìn)行優(yōu)化。

推動工業(yè)4.0、造紙4.0的發(fā)展，最終是想實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。那么如何來實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生呢？首先是收集工廠所有的相關(guān)數(shù)據(jù)、信息，包括資產(chǎn)的數(shù)據(jù)、軟件的數(shù)據(jù)，以及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。當(dāng)把所有的數(shù)據(jù)綜合起來，在數(shù)字云里面，用數(shù)據(jù)搭建虛擬工廠，數(shù)據(jù)搭建的虛擬工廠其實(shí)是對實(shí)體工廠的數(shù)字映射。

例如，企業(yè)如果要做設(shè)備的改造，通常要計(jì)算投資回報(bào)率。在當(dāng)前計(jì)算投資回報(bào)率時，主要是利用廠商提供的技術(shù)指標(biāo)，或者設(shè)備供應(yīng)商的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行大概的計(jì)算。而如果實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)孿生，搭建完成虛擬工廠，在虛擬工廠里面就可能進(jìn)行非常精確的計(jì)算。設(shè)備改造以后，對企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營的影響，投資回報(bào)情況等有直觀的呈現(xiàn)。同時還可以從虛擬工廠里面發(fā)現(xiàn)很多企業(yè)平時沒有注意到的問題。

再例如，企業(yè)如果做新品的開發(fā)。目前可能是生產(chǎn)、研發(fā)、質(zhì)量管理人員、供應(yīng)商一起，對產(chǎn)品配方和工藝經(jīng)過多次的討論，再進(jìn)行一系列的試驗(yàn)生產(chǎn)。在以后的虛擬工廠里面，可以測試各種各樣的數(shù)據(jù)和配方。從中挑選最優(yōu)的配方在實(shí)體工廠進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。同樣可以用虛擬紙機(jī)，做預(yù)測性維護(hù)，優(yōu)化工藝流程，優(yōu)化管理等等?？傮w來說，通過虛擬工廠可以實(shí)現(xiàn)很多意想不到的功能。

當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0也不是一蹴而就的。福伊特提供的策略是循序漸進(jìn)，逐步投資，使工廠每一份投資，都能得到相應(yīng)的收益，從而促使工廠不斷的朝著造紙4.0、工業(yè)4.0方向前進(jìn)。

比如說，企業(yè)可以首先對某些產(chǎn)品裝智能模塊，或者可視化。其次，通過這個產(chǎn)品跟工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接，生產(chǎn)工作人員將能隨時隨地對設(shè)備進(jìn)行訪問。然后，將不同的智能產(chǎn)品連接起來，形成系統(tǒng)，系統(tǒng)就可能實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的功能。最后，將不同的系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，形成覆蓋整個工廠的智能系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0。

目前，國內(nèi)很多衛(wèi)生紙機(jī)都是安裝在中小型企業(yè)，裝有DCS 以及QCS 這類基本的自動化、信息化管理系統(tǒng)的紙機(jī)數(shù)量較少。從這個角度來看行業(yè)內(nèi)還有很多企業(yè)達(dá)不到工業(yè)3.0的標(biāo)準(zhǔn)，不適合去直接發(fā)展工業(yè)4.0。所以推動工業(yè)4.0還要結(jié)合工廠的實(shí)際，進(jìn)行慎重的考慮。

2 OnEfficiency工藝優(yōu)化模塊

對造紙企業(yè)來說，推動造紙4.0的發(fā)展，其實(shí)就是想解決企業(yè)關(guān)注的需求痛點(diǎn)。造紙企業(yè)面臨著各種各樣的痛點(diǎn)，比如效率、成本、品質(zhì)，以及安全性。造紙企業(yè)希望用更先進(jìn)的方式，先進(jìn)的科學(xué)生產(chǎn)力解決他們這些痛點(diǎn)，并創(chuàng)造效益。

圖2展示的是福伊特針對生活用紙工藝部分的智能化解決方案。該技術(shù)會應(yīng)用到大數(shù)據(jù)以及支持機(jī)器學(xué)習(xí)的工具，實(shí)現(xiàn)高級的回路控制，并通過高級的回路控制實(shí)現(xiàn)目前的控制水平所實(shí)現(xiàn)不了的一些功能，比如說松厚度的控制。

圖2 福伊特公司生活用紙智能化解決方案示意圖

2.1 流程控制原理

造紙流程是一個很復(fù)雜的過程，原材料、設(shè)備器材、人員等因素在生產(chǎn)過程中都會發(fā)生不同程度的變化，這些變量的輸入就導(dǎo)致了造紙的流程也處于不穩(wěn)定中。流程的波動最終反映出來的就是品質(zhì)的波動。當(dāng)處于波峰的時候，可能就意味著資源浪費(fèi)，而當(dāng)處于波谷的時候，可能意味著產(chǎn)品質(zhì)量的降低，甚至斷紙的發(fā)生。

工藝優(yōu)化模塊的原理包括三個方面：顯示、穩(wěn)定、優(yōu)化。在工藝優(yōu)化階段，首先就是要把造紙流程的波動做可視化呈現(xiàn)。呈現(xiàn)出來以后，操作人員就可以對相應(yīng)的流程進(jìn)行控制，使生產(chǎn)過程更加穩(wěn)定。最后再進(jìn)行優(yōu)化，將控制指標(biāo)優(yōu)化至所需要的數(shù)值。

圖3 工藝優(yōu)化模塊的原理示意圖

2.2 傳統(tǒng)QCS系統(tǒng)的局限性

目前生活用紙行業(yè)中應(yīng)用的QCS系統(tǒng)通常只能檢測產(chǎn)品定量、水分，但其他一些重要物理性能，例如松厚度，只能采取下卷取樣測量的方式。這種檢測方式一方面工作效率較低，另一方面存在測量的盲區(qū)，可能會出現(xiàn)當(dāng)松厚度不達(dá)標(biāo)時，生產(chǎn)人員不能及時得到相應(yīng)的信息。

圖4 常規(guī)的松厚度檢測點(diǎn)以及松厚度變化的真實(shí)情況對比

從圖4可以看到，第二個到第四個測量點(diǎn)通過測量結(jié)果來看，松厚度指標(biāo)都是在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，但是這之間產(chǎn)品的松厚度有較大的波動，間斷性的測量并不能對整個生產(chǎn)過程做到全面的質(zhì)量監(jiān)控。

因此如果有一種方式能夠顯示實(shí)時的松厚度，就可以實(shí)時進(jìn)行調(diào)整，保持品質(zhì)的穩(wěn)定。并且在未來，也可以將這一部分的控制置于閉環(huán)控制當(dāng)中。

2.3 虛擬傳感器

要想實(shí)現(xiàn)這樣的功能，就需要引入“虛擬傳感器”的概念。虛擬傳感器有別于物理傳感器，是用大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)的方式組建的一個算法，也就是一個數(shù)據(jù)模型。通過這個數(shù)學(xué)模型，我們可以實(shí)時計(jì)算出此時的物性指標(biāo)。

首先，需要收集紙機(jī)正常、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)3個月以上的實(shí)際數(shù)據(jù)，挑選大約80%左右的數(shù)據(jù)來進(jìn)行虛擬傳感器的搭建工作，剩下的20%來做測試。并用測試結(jié)果跟質(zhì)量管理測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，提高虛擬傳感器的準(zhǔn)確性。

圖5 虛擬傳感器示意圖

在搭建虛擬傳感器的過程當(dāng)中，紙機(jī)生產(chǎn)的工藝流程、工藝參數(shù)可能會有相應(yīng)的變化。搭建好的虛擬傳感器需要在紙機(jī)的實(shí)際環(huán)境里運(yùn)轉(zhuǎn)2～3個月。通過虛擬傳感器自我學(xué)習(xí)的功能不斷地校準(zhǔn)，從而更貼合該紙機(jī)的生產(chǎn)狀況。最終可以用虛擬傳感器做可視化，指導(dǎo)企業(yè)的生產(chǎn)，提前調(diào)整。

從事造紙行業(yè)的專業(yè)技術(shù)人員通常對哪些參數(shù)的調(diào)整對松厚度有影響會有經(jīng)驗(yàn)判斷，但是并不能準(zhǔn)確判斷各個因素之間相關(guān)性具體是多少。虛擬傳感器的搭建就是找出所有影響因素的參數(shù)，選擇影響最大的20～30種寫入模型中。在這個模型中，不僅僅只是反饋對松厚度單個參數(shù)的影響、調(diào)整，產(chǎn)生的其他一系列影響都會反饋在模型中。單一的參數(shù)調(diào)整以后，對整個系統(tǒng)的影響要做到平衡。

圖6是福伊特在實(shí)驗(yàn)室的測試案例，在該測試中選取了約3,300個數(shù)據(jù)點(diǎn)。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和運(yùn)算，數(shù)據(jù)最終的相關(guān)性可以達(dá)到0.94。通常如果預(yù)測值跟實(shí)際值的相關(guān)性在0.9左右，就已經(jīng)具備了閉環(huán)控制的基礎(chǔ)。

2.4 OnEfficiency控制系統(tǒng)供貨范圍和實(shí)例

在生活用紙行業(yè)應(yīng)用OnEfficiency控制系統(tǒng)對工廠有一定的硬件要求。首先必須具有DCS、QCS、MCS這些基本的自動化控制系統(tǒng)。此外，還需要有相對完整的實(shí)驗(yàn)室測試指標(biāo)為預(yù)測指標(biāo)做比對。

圖7所示是OnEfficiency控制系統(tǒng)在歐洲的測試案例。主要生產(chǎn)的產(chǎn)品是衛(wèi)生紙，定量是16g/m2，年產(chǎn)能3.5萬t。

通過OnEfficiency控制系統(tǒng)優(yōu)化，松厚度等指標(biāo)保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，定量能降低0.15g/m2，每年減少纖維用量達(dá)到3,500t，如果按照4,800元/t的漿價(jià)計(jì)算，每年可以節(jié)約費(fèi)用168萬元。

圖7 OnEfficiency控制系統(tǒng)松厚度虛擬傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)

客戶的反饋也非常正面，因?yàn)槟軌螂S時對產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行掌控，操作人員也能隨時對產(chǎn)品物理性質(zhì)做出相應(yīng)的調(diào)整。

除了松厚度的控制，針對生活用紙，福伊特還有大量其他的模塊可供選擇，比如說：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺、脫水控制、成本控制、狀態(tài)監(jiān)測、維保管理等。這些模塊，包含了從工藝流程到設(shè)備維保，到智能化服務(wù)、數(shù)據(jù)實(shí)時應(yīng)用等各方面。例如，福伊特公司現(xiàn)在研發(fā)的最新斷紙預(yù)測模塊，可以通過云計(jì)算預(yù)測什么時候，什么部位會產(chǎn)生斷紙，給生產(chǎn)人員提前的警示，然后做出相應(yīng)的調(diào)整，來提升運(yùn)行效率。

所有這些模塊，既可以單獨(dú)安裝，也可以組合安裝。既可以裝在本地的服務(wù)器，也可以裝在福伊特公司的云端服務(wù)器。安裝的模塊越多實(shí)現(xiàn)的功能就會越強(qiáng)大。當(dāng)這些模塊的功能逐漸覆蓋整個工廠，就會逐步實(shí)現(xiàn)造紙4.0——引入數(shù)字孿生的愿景。

3 SpeedChange T 新式換卷技術(shù)

針對尚未安裝QCS系統(tǒng)的紙機(jī)，福伊特公司也有一些傳統(tǒng)自動化的產(chǎn)品可以幫助廠家提升其效率。比如說Speed Change T新式自動換卷技術(shù)，該套設(shè)備具有安全性好、效率高、投資少的優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著提升紙機(jī)效率。

傳統(tǒng)生活用紙的換卷系統(tǒng)，都是采用手動方式，缺點(diǎn)很多，例如：需打斷進(jìn)行換卷，然后再引紙；引紙效率取決于員工技能水平；有安全隱患等。

圖8 人工換卷

SpeedChange T采用全幅自動吹氣換卷，無需打斷，可以顯著提升紙機(jī)效率，并減少輥底損紙。同時，對員工的安全也是一種保護(hù)。

圖9 SpeedChange T 新式換卷技術(shù)

正常的人工換卷時間大概是在25s左右，用新?lián)Q卷技術(shù)，大概只有4s。人工換卷的成功率通常是90%，采用這種新型的換卷技術(shù)，成功率可以提高到97%。以運(yùn)行車速是1,850m/min，成品定量17g/m2的紙機(jī)為例，采用新的換卷技術(shù)，每年收益大概是15萬歐元，約合人民幣120萬～130萬元，收益非常明顯。