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第三章 软件定义企业新模式

第二节 智能造纸规划与生产管理系统研究

武汉理工大学 谭祖胜
 

前言

        造纸术是中国古代的“四大发明”之一,为人类社会的发展做出了不可磨灭的贡献。在人类社会发展的历史长河中,各种纸类产品不断攀升的需求和原材料短缺及环境污染的矛盾一直存在。随着国际社会对环境污染防治日趋重视,这个矛盾更加突出,正影响和制约着造纸业的发展。
        制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基。根据“中国制造2025”和结构性改革精神,以先进的设备和技术,研究智能造纸规划与生产管理系统,通过仿真、虚拟与实体工厂智能管理有机融合技术,既能实现前期能源、环保、消防和生产评估,以评价生产率、经济效益、节能、降耗、污染防治、消防安全等指标的保障程度,为造纸厂的规划、设计、建设提供指导,又能在造纸厂投产后的培训与生产过程中实现智能化管理,是造纸业健康发展的必然。

1 智能管理系统结构

        基于现代通信与信息技术、计算机网络技术、人工智能和专家系统等技术,开发智能造纸规划与生产管理系统,能够综合利用现场状态监测系统所获得的各种信息和数据,对车间生产线各机械设备的运行状态、健康状况、能耗指标、产品指标、排放指标等进行分析和评估,为机械设备操作决策、维护保养计划和生产计划制定提供依据。
        智能造纸规划与生产管理系统应具有感知、记忆与思维、学习与自适应、以及行为决策等能力,根据流程资源管理,实现对车间及设备、系统进行评估、诊断、预测和决策等功能。
        以自学习型神经网络为核心的中央智能控制站,能够基于现场状态监测获得的信息和数据,实现车间生产线自动运行,并通过对运行各项指标进行综合分析和评估,提供决策依据,实现自动决策,对异常状况发出声光报警。中央智能控制站能够分配和控制就地控制终端、职能部门终端、网络远程控制终端、无线手持控制终端和无线虚拟现实(VR)终端的权限。智能管理系统结构如图1所示,其中,虚线框内为智能自动生产循环。
        中央智能控制站、就地控制终端和职能部门控制终端是造纸厂生产线必需具备的基本功能,在中央智能控制站将控制模式切换到就地控制模式和职能部门控制终端模式时,可以按权限由人工现场控制设备或在职能部门实施控制,但监测显示和报警信息仍然在中央智能控制站同步实现。如图2所示。

智能管理系统结构

图1 智能管理系统结构

 造纸厂智能控制方案

图2 造纸厂智能控制方案

        中央智能控制站通过信息管理模块实现造纸厂现场与网络远程控制终端、无线手持控制终端和无线VR终端的交互式管理功能,并可以与办公自动化系统(OA)和企业资源管理系统(ERP)实现交互式管理功能。
        现场数据采集层主要负责现场温度、压力、流量、液位、阀门位置、设备状态、烟、雾、火焰、可燃气体、有毒有害物质等工艺、过程参数的采集。

2 智能生产管理子系统

        智能生产管理子系统是智能造纸规划与生产管理系统的核心系统,对制浆和造纸生产线实施智能监控,在植物纤维经疏解、浸渍、磨浆、漂洗、分段循环水处理等处理过程中,维护设备性能,优化工艺参数,合理配比添加剂,在解决消防安全、环保、节能、降耗等问题的前提下,保证产品质量和企业效益。智能生产管理子系统应在造纸厂规划初步方案确定以后即投入研究,便于及时用于规划评估。
        2.1 就地控制站和就地控制终端
        就地控制站主要包括备料催化车间控制站、洗选漂车间控制站、打浆抄纸车间控制站和污水处理场控制站等。数据采集模块和控制器模块均安装在就地控制站,电缆分别与传感器和执行机构连接,并通过工业控制器及网络与中央智能控制站进行通讯。
        就地控制终端安装在就地控制站,分为手动控制、自动控制和半自动控制三种模式,在中央智能控制站进行设置。在就地控制终端设置紧急越控按钮。
        备料催化车间控制站主要管理功能包括备料工序设备的启停、调速、联锁保护,催化工序设备的升温曲线、蒸煮压力、催化剂等添加剂配比量、循环液残余浓度、PH值,以及车间温度、烟雾、火焰探测等数据监测和控制。
        洗选漂车间控制站主要的管理功能包括进浆浓度、压差、排渣量、废液槽液位、用水量、温度、压力、漂白剂等添加剂配比、PH值、硬度、时间,以及设备的启停、冲洗、联锁和车间温度、烟雾、火焰探测等数据监测和控制。
        打浆抄纸车间控制站主要的管理功能包括进浆浓度、浆流量、浆压力、烘缸供气、长网纸机传动、抄纸质量、成纸定量、断纸、卷纸、裁切、选别、包装以及设备启停、联锁和车间温度、烟雾、火焰探测等数据监测和控制。
        污水处理场控制站主要的管理功能包括曝气池进水量、事故应急池浮渣泵进水量、曝气池和鼓风机房溶解氧、中和池和污水泵房pH值、添加剂残留、冷却塔和曝气池温度、泥泵房回流污泥量、剩余污泥量、污泥絮凝剂量、压缩空气压力,以及车间温度、烟雾、火焰探测等数据监测和控制。
        控制和管理采用动态规划法,以动态工艺要求为约束,以安全、环保、节能、成本和产量为目标,进行控制策略优化,使各个参数均在最佳范围。
        2.2 过程控制系统
        过程控制系统由若干个独立的DCS控制站组成,每个控制站均由冗余主控制器、冗余I/O单元、冗余通讯网络构成。冗余控制器和I/O模块间采用实时热冗余专用总线通讯方式,可采用标准的Modbus总线方式或工业以太网总线方式。
        冗余主控制器的主要功能包括逻辑运算、复杂控制运算、报警、模拟量计算、单点故障系统崩溃防护等。
        冗余I/O卡件承担采集现场数据并进行处理的任务,具有可扩展、可伸缩的I/O机架式级联框架,具备模块化在线插拔I/O卡件结构,预处理及自诊断,稳定抗强电磁干扰、高频振动、浪涌等电气特性,拥有标准的数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出模块等。
        冗余的数据高速通讯网络在任何时候都可同时工作,连接到数据通讯系统上的任一系统或设备发生故障,都不会导致通讯系统瘫痪或影响其它联网系统和设备的正常运行。
        2.3 中央智能控制站
        中央智能控制站对市场需求、原材料供应、生产设备和管理系统的运行状况实时监视、维护和管理,对仓储管理、生产工序等实时进行监视、控制和管理,包括数据库的定义和修改、专家诊断规则定义和自学习及自适应完善、报警事件定义和自我修正、历史数据编辑和备份、历史及未来趋势数据分类定义、图形编辑、通道管理、辅助决策、设备计划维护、设备视情维护等功能。
        中央智能控制站的基本任务和功能包括各控制站和终端权限分配、无线和本地信息通讯管理、监视系统内每一个模拟量和数字量、调整过程设定值和偏差、显示并确认报警、建立趋势画面并获得趋势信息、显示运行维护操作指导和决策建议、控制方式(自动、半自动、手动)选择、控制执行装置、自动备用设备投入、指标超限预警、指标超限自动停止运行、数据热备份、数据存储、打印报表等。
        2.4 职能部门控制终端、远程控制终端、手持控制终端和VR控制终端
        职能部门控制终端根据造纸厂管理机构的需要进行配置,比如在总经理办公室、分管副总经理办公室、技术部门、生产部门、质量管理部门等办公室安装,设置操作人员与控制系统的人机接口,根据不同权限配置显示和控制功能,供操作人员进行操作。
        远程控制终端、手持控制终端和VR控制终端根据造纸厂所选择的网络、通信服务提供商配置的相应办公软件和本系统研究开发的客户端系统,与中央智能控制站按协议进行通讯,实施监视、控制和管理。

3 能源、环保、消防管理子系统

        3.1 能源管理系统
        能源管理系统数据来源于中央智能控制站,数据输出接口设置为单向,并使用防火墙加以保护,防止误操作引起车间生产线发生电气故障或事故。
        能源管理系统能够实现能源计量及指标统计分析、能源自动调配、能源调配建议、闲置设备低耗待机、闲置设备停机建议提醒、工艺路线耗能分析和节能建议、数据热备份、数据存储、打印报表等功能。
        3.2 环保管理系统
        环保管理系统数据来源于中央智能控制站,用于数据监测和分析的硬件设施和软件需向环境管理主管机关报批,或采用主管机关批准的相应专业设施和软件。用于环保监测和计量的仪器、仪表等应按规定的期限进行检定。
        环保管理系统能实现各项环保指标的监视和计量、环保指标统计分析、指标超限预警、指标超限自动停止生产线、工艺路线指标趋势分析和建议、数据热备份、数据存储、打印报表等功能。
        3.3 消防管理系统
        制浆和造纸的原料、过程产品及产品等,均处于高火险等级,消防管理系统数据来源于中央智能控制站,用于数据监测、分析和消防的硬件设施和软件需向消防管理主管机关报批,或采用主管机关批准的相应专业设施和软件。
        消防管理系统能够实现各项消防指标的监视和分析、指标超限预警及事故预测、指标超限自动停止生产线并实施局部灭火或车间灭火、车间消防指标趋势分析和建议、数据热备份、数据存储、打印报表等功能。

4 基于仿真与虚拟现实技术的规划评估及生产培训系统

        仿真和虚拟工厂模块按照实体工厂及其相应生产管理系统、能源管理系统、环保管理系统、消防管理系统等的规划进行设计,能够在实体工厂规划和设计初级阶段,最迟在造纸厂投入建设前,通过与设计参数相同或相似的模拟预期数据定义,运行假设试验方案,对不同的生产、能源、环保和消防方案进行分析、评估,及时发现问题,以便在造纸厂规划设计的早期阶段制定改进措施,做出可靠决策。
        在设计过程中,通过仿真和虚拟模拟运行,可以了解拟装备造纸厂的各种设备、各套系统的特征和性能,及时调整设备和系统的设计与制造。
        造纸厂建设完毕后,可以通过仿真和虚拟模块对管理人员和车间操作人员在与实体工厂相同的背景下进行演示、培训和演练,对人员实施技能评估与考核,既避免了误操作带来的危险,又不需要投入实体原材料及相应的动能,且可以反复实施培训。
        仿真和虚拟模块可以在不中断现有生产系统运行的前提下运行试验和假设方案,进行分析、评估不同的生产计划,追求利益最大化;还可以在不拆机的情况下,实施故障诊断和虚拟维修、维护,制定设备和系统的计划维护方案和视情维护方案,用以完善中央智能控制站的专家诊断规则定义。
        仿真和虚拟工厂模块集成在中央智能控制站,基于仿真与虚拟现实技术,仿真和虚拟工厂模块可以独立运行,也可以将仿真和虚拟工厂与实体工厂并网,实现同步管理。
        通过中央智能控制站功能选择转换,建立虚拟工厂与实体工厂之间实时通信,可以实现虚拟设备对实体设备的实时响应,以增强虚拟操作的真实感和可信度。虚拟现实系统实时接收真实系统的数据,保持视景中虚拟设备的状态与其模拟的相应设备状态一致。

5 结论

        根据中国制造2025规划,工厂智能建设与转型升级是发展的必然。智能造纸规划与生产管理系统及其硬件和软件的研究、开发与设计,能够为造纸厂的规划评估与设计改进提供分析和评价机制;为造纸厂的生产管理与培训,以及伴随生产的能源、环保和消防安全管理与培训提供全时、全方位的智能工具和手段。通过智能造纸规划与生产管理系统中神经网络的不断学习与自适应,其行为决策能力将持续得到提高,使管理更有效。该系统的研究成果,可以为其它产品制造业智能规划与生产管理系统的研究提供参考。