造紙企業(yè)生產信息平臺建設的實踐與思考

劉文波 李朝暉 歐先覺 柳 波 王世海 陸平平

（1.廣州造紙股份有限公司，廣東廣州，510281；2.示藝工軟科技有限公司，江蘇南京，211800；3.廣州博依特互聯(lián)網有限公司，廣東廣州，510670）

2015年以來，國家大力推動“中國制造2025”的戰(zhàn)略規(guī)劃實施[1-2]。造紙工業(yè)是資金與技術密集性的行業(yè)，智能制造作為各大紙企根本性地擺脫低效率、高能耗、高物耗、高成本局面的發(fā)展手段，逐步成為業(yè)界共識[3-4]。南方某造紙企業(yè)經過多年的發(fā)展，整體裝備水平站在了工業(yè)3.0的起點上。按照智能化工廠兩步走的發(fā)展思路，首先要實現(xiàn)全廠數據化運營[5]，筆者認為這一步的初級階段是實現(xiàn)生產信息化，即實現(xiàn)生產數據與信息在權限管理下快捷、充分、準確地在全廠共享，它是生產數字化和智能化的前提和基礎，可初步滿足公司造紙業(yè)務由傳統(tǒng)批量生產模式向BTO（面向訂單生產）、MC（大規(guī)模定制式生產）等新型生產模式轉變的需求。本文通過介紹某造紙企業(yè)生產信息平臺一期項目的建設情況，以期為讀者實現(xiàn)企業(yè)數字化管理提供一定的借鑒經驗。

1 生產信息系統(tǒng)項目的建設目標

某造紙企業(yè)生產信息平臺項目運營前的現(xiàn)狀是：造紙主業(yè)各職能部門的操作系統(tǒng)配備齊全，如主力紙機均下轄6大自動控制系統(tǒng)，即集散控制系統(tǒng)（DCS）、紙機控制系統(tǒng)（MCS）、質量控制系統(tǒng)（QCS）、紙病監(jiān)測系統(tǒng)（WIS）、運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)（CMS）、分發(fā)系統(tǒng)（DS），統(tǒng)稱過程控制系統(tǒng)（PCS），制漿、熱電環(huán)保與自備化工工段配有DCS系統(tǒng)，造紙生產板塊與生產管理部室通過制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、紙張斷紙監(jiān)視系統(tǒng)（WMS）進行生產計劃與倉儲的業(yè)務聯(lián)系，再由倉儲數據（含紙成品與原料）與企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）形成關聯(lián)，其余生產數據是電子報表形式，因此具有進行生產信息化改造的典型難點[6]。

（1）系統(tǒng)多，數據互通難

生產板塊內部各生產分廠的自動控制系統(tǒng)來自不同廠家，呈分散狀態(tài)，系統(tǒng)之間缺少接口互通，數據無法共享和聯(lián)動使用，不利于全廠調度指揮。

（2）數據分散，難以支撐管理需要

原材料、半成品和成品質量數據、生產消耗數據與生產運行數據這3大關鍵數據群沒有同步，分散在不同的系統(tǒng)中，部分數據使用Excel表格的方式存儲在業(yè)務人員電腦中，能源數據依賴于手工定時抄表，容易產生時間上的脫節(jié)現(xiàn)象，難以支撐管理需要。

（3）數據實踐難，企業(yè)難以實現(xiàn)數字化管理

缺少統(tǒng)一的數據應用平臺，業(yè)務人員疲于應付各種統(tǒng)計分析，難以系統(tǒng)性的構建企業(yè)的數據應用，也難以推行企業(yè)的數字化管理。

針對以上現(xiàn)狀，該造紙企業(yè)生產信息化的建設目標是：在自動化生產水平達到工業(yè)3.0的基礎上，建立起以生產數據平臺作為生產信息化理念的實施載體，按照造紙企業(yè)的實際需要構建數據信息平臺，方便業(yè)務人員應用，便捷迭代更新，集成全廠生產數據與信息，實現(xiàn)生產數據增值，為實現(xiàn)智能制造做好準備。

2 生產數據平臺的硬件架構

為了盡快完成生產數據平臺的建設，追趕行業(yè)生產信息化的步伐，本項目采用了將平臺內容拆分成若干子系統(tǒng)并行的建設方式（也是本項目的特色），項目一期生產數據系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)并行建設，暫未建設以PDM/PLM系統(tǒng)為概念的項目，但計劃后續(xù)子系統(tǒng)均以生產數據系統(tǒng)作為數據平臺集成和展示界面。該項目建設形式的優(yōu)點是多頭并進且進度較快，缺點是項目會額外增加新增系統(tǒng)之間的數據互聯(lián)工作。為此，一期項目通過OPC Server和SQL Server兩種方式在生產數據系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)進行數據交互，OPC Server主要是用于系統(tǒng)間傳遞實時數據，SQL Server將造紙機運行數據信息傳遞給能源管理系統(tǒng)。生產數據系統(tǒng)除作為主要支撐系統(tǒng)外，同時側重產量、質量和消耗物資的成本優(yōu)化控制，而能源管理系統(tǒng)側重能源成本優(yōu)化控制。

2.1 生產數據系統(tǒng)

生產數據系統(tǒng)的系統(tǒng)架構如圖1所示，分為數據采集層、數據存儲層、數據加工與建模及數據展示層。

圖1 生產數據系統(tǒng)網絡架構圖Fig.1 Network architecture of the production data system

（1）網絡配置

采用示藝工軟公司配套的數據采集站設備，采集并隔離PCS系統(tǒng)，防止病毒入侵，同時也避免采用網閘+數據采集站方式帶來的配置繁瑣和投資大的問題，實時數據庫和應用服務器配置在MES網內，通過IP映射，供辦公網和手機端遠程訪問，確保系統(tǒng)的網絡安全。

（2）平臺選擇

生產數據平臺在示藝工軟科技有限公司生產的實時應用系統(tǒng)基礎上構建，該系統(tǒng)是在國內多個行業(yè)實踐并驗證的成熟產品，具體包括實時數據庫系統(tǒng)、報警模塊、數據加工和建模、報表模塊等。

（3）數據采集

通過專用的數據采集站采集全廠的各PCS系統(tǒng)數據，目前已采集3臺造紙機、熱電和公用工程等數據，數據采集后存儲于實時數據庫。對于Excel數據，系統(tǒng)可通過復制加導入的方式將電子表格的數據采集到系統(tǒng)中，此類數據導入時存儲在SQL Server數據庫中，在通過配置轉化成實時數據，目前這2類數據合計采集約2萬點。

（4）數據存儲

實時數據庫將數據壓縮后用于長期存儲和分析使用。本系統(tǒng)在2017年12月投用以來，已存儲3年以上數據，存儲空間約140 GB，生產數據系統(tǒng)服務器不接云端。

（5）數據加工和建模

通過系統(tǒng)自帶的建模工具，構建全廠的生產數據模型，將數據轉變成管理的信息，數據建模的過程同時也是工廠將管理構建在數據平臺的過程，固化業(yè)務數字化管理的過程。建模抽取的數據存儲于SQL Server數據庫，供業(yè)務使用，系統(tǒng)可根據客戶需要自行快速開發(fā)和配置業(yè)務需求。

（6）數據展示

系統(tǒng)展示層適用于電腦、大屏和手機端，采用矢量繪圖，無極縮放、不變形、不失真；通過流程圖、趨勢圖、報表和企業(yè)微信等多種方式將數據推送給生產管理人員。

2.2 能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)架構如圖2所示。能源管理系統(tǒng)的數據采集對象為水電熱數據，全廠水與熱數據來自各生產分廠的DCS系統(tǒng)，由生產數據系統(tǒng)提供。全廠用電數據由209個電力儀表數據通過25個帶通信功能的多功能智能電表采集匯入能源管理系統(tǒng)。智能電表選用安科瑞AEM96，電表采用現(xiàn)場總線將電功率數據接入電房中的工業(yè)能源網關，工業(yè)能源網關通過以太網將數據實時發(fā)送到數據工作采集站。系統(tǒng)采用GE Proficy工業(yè)智能平臺，對接采用端設備SEK-6460用于工業(yè)控制領域的數據通信協(xié)議處理，通過內網主機配備的隔離RS485總線接口以豐富的8路千兆以太網接口，與生產數據系統(tǒng)、智能電表的標準接口協(xié)議OPC實現(xiàn)數據通信，能源管理系統(tǒng)的數據分析在阿里云上利用博依特能效云POI-CLOUD模塊實現(xiàn)。

圖2 能源管理系統(tǒng)網絡架構圖Fig.2 Network architecture of the energy management system

3 生產數據平臺軟件內容設計邏輯與功能模塊

關于造紙生產線產質耗分析軟件的設計難度與需要達到的分析顆粒度有很大關系，本項目的設計目標是將分析的顆粒度細化到每個卷取紙卷，這是滿足MC（大規(guī)模定制式生產）的根本基礎，也是由于該紙企已達到1臺機承擔多個紙種的實際業(yè)務需求，因而對比大部分同行的顆粒度為廠或機臺，本項目是通過1個目標和2個設計步驟來解決這個最具難點的設計目標的。

一個實現(xiàn)目標是指所有的生產運行數據、物料與能源消耗和質量結果均可按時間對應到所產出的每個卷取紙卷中。在這個目標基礎上，生產上所有的數據分析業(yè)務較容易實現(xiàn)，通過建立各類算法集成的數據模塊便可形成邏輯清晰內容齊全的全廠生產數據系統(tǒng)內容。

第一步，使系統(tǒng)自動產生識別每個卷取紙卷信息記錄。卷取紙卷信息記錄是系統(tǒng)設計開發(fā)人員創(chuàng)造的一個名詞，是指將卷取每個紙卷的信息（包括非正常狀態(tài)的卷取空轉）按時間順序編成記錄，內容包括起止時間、機臺號、卷取卷號、訂單批次號、紙種、車速、定量、幅寬、紙機狀態(tài)等。其意義在于，造紙流程以卷取部之前為流程型生產形態(tài)，卷取部之后為離散型生產形態(tài)，當抓住產生卷取紙卷的起止時間與卷取卷號的關系后，因為流程型生產信息以紙卷的起止時間為線索，離散型生產信息以卷取卷號為線索，卷取紙卷信息記錄將造紙部分的離散型和流程型生產在時間上就能統(tǒng)一起來，在生產信息上，卷取紙卷信息記錄處于信息中樞的位置見圖3。第二步，漿紙批次實現(xiàn)映射關系，由于制漿和造紙之間的生產是在2個不同的時空進行，它們之間的銜接關系不可直接按同一時間來進行計算處理，因而系統(tǒng)設計采用把制漿產品批次化的方式，尋求每個卷取紙卷使用批次化后的漿在時間和空間的對應關系（在3.4部分會更詳細地說明設計方法），從而完成制漿和造紙2大流程的物料和能源在時間與空間聯(lián)結到一起工作。設計的結果是，系統(tǒng)要滿足任意一個交付客戶的小紙卷，如圖3所示，使用者按箭頭方向可查到與之相關的生產過程中的任意維度數據。

圖3 從任意一個交付客戶的小紙卷到與之相關的生產全過程數據關聯(lián)圖Fig.3 Association graph of overall production data related to a random scroll delivered to clients

生產數據平臺一期的主要功能模塊包括生產實時監(jiān)控、生產運行統(tǒng)計與看板、物料與能源成本統(tǒng)計及自動劃分、進貨與成品質量數據管理4大模塊。

3.1 生產實時監(jiān)控

傳統(tǒng)工廠的生產實時監(jiān)視構建在PCS基礎上，存在分享困難、數據單一等缺陷。生產實時監(jiān)控的主要功能是集成多數據源數據，通過軟件自帶的組態(tài)工具，構建一套適合管理和運營需求的實時監(jiān)控畫面，畫面不僅可以在電腦上查看，也會自動發(fā)布到手機APP端，支持移動便捷監(jiān)控生產，實現(xiàn)多種觀察途徑下的可視化程度一致。設計上實時監(jiān)控系統(tǒng)可以根據業(yè)務的發(fā)展由工藝人員自行組態(tài)，隨時升級修改，貼合實際需要又靈活及時。通常單一畫面可以整合工藝、質量、業(yè)務等數據，數據豐富實時，多種動畫顯示模式，直觀準確。涵蓋打漿、流送、濕部、干部、產量、熱電和其他輔助工段，每個工段均有一個系統(tǒng)總貌圖，將用各種方式收集的關鍵數據集中展示，如將質量數據和流程關鍵操作參數整合在一起，解決關于使用者出現(xiàn)數據查閱脫節(jié)的問題，圖4為某工段系統(tǒng)總貌圖范例。

圖4 生產數據系統(tǒng)中展示出的某工段PM9系統(tǒng)總貌圖Fig 4 Overall system review of one branch of the paper mill coming from production data system

3.2 生產運行統(tǒng)計與看板

生產數據平臺在卷取紙卷信息記錄的基礎上，通過數據建模，抽取生產的關鍵信息，如卷取紙卷的生產時間、質量、紙種；復卷后小卷的等級情況，已經生產的能耗物耗等數據，構建管理角度的生產運行統(tǒng)計和看板，使得數據自動后臺運行計算，服務于生產，構建多層次、多維度的數據統(tǒng)計和分析系統(tǒng)，典型場景圖如圖5所示。

圖5 各工段關鍵績效指標看板Fig.5 Bulletin board of the key performances of some workshop section

3.3 進貨與成品質量管理

質量數據以前是以電子表格方式存在，有長期保存和分享、分析困難的問題，生產數據平臺通過便捷的數據導入功能實現(xiàn)質量數據的集成和共享，如圖6所示。

圖6 某工段半成品質量數據查詢示例圖Fig.6 Example chart of inquired quality data of one workshop section

3.4 物料與能源成本管理

工廠作為生產單元，成本統(tǒng)計核算是必不可少的模塊，生產數據平臺投用前主要是通過人工核算成本，費時易出錯、時效性不強，通常按月核算。建設紙產品成本功能模塊需要結合2大子系統(tǒng)的工作。該功能模塊的建設有3大步驟：一是分類整理和匯總物流管理部的物料供應鏈數據與能源管理系統(tǒng)采集的能耗數據，得到紙產品各分項成本的消耗量；二是通過生產數據系統(tǒng)的卷取紙卷信息記錄，將造紙段的物料與能源消耗量按特定算法與每個卷取紙卷起止時間關聯(lián)起來，還需要用一定規(guī)則處理卷取處于空轉狀態(tài)的成本分配量，再通過漿紙批次映射關系，卷取紙卷信息記錄將制漿段的物料與能源消耗量關聯(lián)起來；三是數據建模自動運算出紙產品各分項成本的單耗，分析顆粒度達到班或天的水平。這樣有效支持成本核算，還能夠有效支撐班組的考核。以纖維原料為例，圖7為某工段纖維原料的流向圖，通過纖維原料的流向可以看出，存在漿線對紙機一供多、多供一和多供多的復雜場景。

圖7 某工段纖維原料流向圖Fig.7 Chart of fibers flow of one workshop section

纖維原料消耗模型的算法邏輯為：

①依據漿線，將每一條漿線分成粗漿段和成漿段；

②粗漿段包括入、出、存，通過平衡計算，保證所有量的平衡計算，粗漿段的入與纖維原料投料關聯(lián)；

③成漿段包括入、出、存，通過平衡計算，保證所有量平衡計算；

④粗漿和成漿以班頻次，通過粗漿和成漿的產量比（得率），確保粗漿和成漿消耗折算數據一致；

⑤數據建模得到每個母卷消耗的不同漿量；

⑥依據時間序列，按卷取紙卷消耗的成漿得到成漿消耗量，再推算出粗漿消耗量；

⑦最終得到母卷與纖維原料的關聯(lián)關系，完成漿紙的映射關系，如圖8所示。

圖8 漿紙批次實現(xiàn)映射關系Fig.8 Mapping relationship between pulp and paper

通過上述算法實現(xiàn)投加纖維在每類紙種分配量，使纖維消耗完整匹配每類紙種，投料和消耗分配結果示例如圖9所示，而制漿化工和能源消耗分攤原理需借助漿批次同步進行。本項目開發(fā)的纖維原料成本數學模型，考慮到生產實際情況的復雜性，支持數據特殊情況下的調整（如清罐、停機檢修、事故等），數據可回滾和再計算，考慮到針對期末盤庫后的消耗量以及過程中有勘誤工作后，可以進行二次分配，大大減輕統(tǒng)計員的工作量。未來的工作是該數據可上傳ERP系統(tǒng)，大大滿足企業(yè)運營管理消耗即時管理的需求。

圖9 利用漿紙批次映射關系實現(xiàn)纖維原料分配到紙種的結果Fig.9 Results of every paper grade’s fiber distribution quantities by using mapping relationship between pulp and paper

能源管理系統(tǒng)通過實現(xiàn)全廠電耗與熱耗的收集與計算，形成全廠、各工段等多維度的能源流向圖與能源看板，如圖10所示，并結合生產數據系統(tǒng)的相關參數計算能源單耗。

圖10 能耗看板示例圖Fig.10 Example chart of energy consumption bulletin board

本項目的一期工作完成后，產質耗3大類數據的同步即產生強大的協(xié)同效應，極大地增強各職能部門的業(yè)務聯(lián)絡快捷性，為下一步向數字化工廠邁進奠定堅實基礎。

4 思考與展望

4.1 一般認為，全新生產線易從設計和施工上一站式布署生產信息化的設計工作[7-8]，但在我國，已有的漿紙生產線存量更大，本項目提供了一種解決仍處于工業(yè)自動化水平的生產線如何進行生產信息化初級改造工作的案例，是在投資有限的情況下向智能化工廠進軍的第一步工作，即數據集成與簡單功能化的工作。在完成第一步后，建議利用與造紙工業(yè)數據功能模塊商共建等形式，來進一步提升生產信息化與工廠數據化的水平。

4.2 本項目軟件內容的設計方法借鑒同行案例[9]，起步做法仍采用以MES系統(tǒng)為功能擴展的形式進行，所說的卷取紙卷生產信息條即是在MES系統(tǒng)上擴展得到。這么做是源于MES系統(tǒng)有其特殊的地位，一是MES系統(tǒng)一直以來都起到ERP與PCS系統(tǒng)的中間信息橋梁作用[2]，二是MES系統(tǒng)在離散型業(yè)務處理功能上很強，其數據業(yè)務領域處于生產線的終端，易于起到對全生產線的數據分類歸集的梳理作用。

4.3 中大型紙企的生產信息化建設必須著眼頂層設計，統(tǒng)一領導，自上而下，建設節(jié)奏最好是一氣呵成地使數據覆蓋面達到全廠范圍，這對項目效果最有利，否則出現(xiàn)類似新增系統(tǒng)將完未完的狀態(tài)，會為全廠產生新的信息斷層，徒增全廠各方對生產信息化工作的詬病。相對而言，生產數字化建設階段，全廠可以實施智能設備替代傳統(tǒng)設備、智能物流代替?zhèn)鹘y(tǒng)物流、逐個開發(fā)數字功能模塊化等分步工作。

4.4 生產信息化建設工作不僅是技術性工作，更具有濃厚的管理性工作。真正有作用的生產信息化建設項目會導致企業(yè)管理架構發(fā)生主動或被動的調整，而為了發(fā)揮生產信息化項目的效果，還需要高層管理人員不斷促使公司的各級決策者自覺形成以數據作為客觀因素的分析與預測主要手段的習慣，才能不斷提升數據平臺與人的交互工作的緊密度。

致謝：本項目得到示藝工軟科技有限公司、廣州博伊特互聯(lián)網有限公司大力支持，在此表示衷心感謝。