计算机集成制造CIM在制浆造纸工业生产中的应用

1、 引言

1973年，美国的Joseph Harrington博士在《Computer Integrated Manufacturing》一书中提出了一种组织企业生产的理论——CIM，直译为计算机集成制造。CIM是一种组织管理和运行企业生产技术的新哲理。

CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）是基于CIM哲理而组成的系统，即它是通过计算机硬软件，并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息流与物质流有机集成并优化运行的复杂大系统。这一定义是针对离散型工业而言，其实以石化、化工、冶金、能源、造纸为代表的流程工业也在向CIMS方向发展。把CIMS概念扩展至流程工业，即形成了流程工业综合自动化系统CIPS（Computer Integrated Process System）概念，也可称为流程工业计算机集成制造系统（CIMS in process industry）。

流程工业集成自动化大致经历了以下五个阶段：（1）早期的过程控制阶段;（2）70年代以前的直接数字控制阶段DDC（Direct Digit Control）;（3）70～80年代的集散控制阶段DCS（Distributed Control System）;（4）80年代以后的DCS+优化阶段;（5）流程工业综合自动化（CIPS）阶段。集成化分散控制系统向信息管理系统及计算机网络控制方向扩展，将过程控制和信息管理系统紧密结合起来，便构成了计算机集成过程系统（CIPS）。90年代开始将生产调度、计划优化、经营管理与决策等引入计算机控制系统，使市场意识与优化控制相结合，促使计算机控制系统走向更加完善的CIPS阶段，产生更大的经济效益与技术进步。可见，CIPS是流程工业自动化发展的必然趋势。

2、 制浆造纸工业生产流程特点及对CIPS的需求

制浆造纸全过程工艺流程（如图1）可以描述为：麦草、芦苇等造纸原料经干、湿法备料，同蒸煮液（黑液和白液）混合后被送往蒸煮部进行高温蒸煮，通过蒸煮反应生成粗浆;粗浆经过洗涤和筛选，除去其中的黑液、渣质和粗大纤维，变成良浆，然后被送往漂白工段，经过CEH三段连续漂白变成纸浆;从洗筛漂车间过来的纸浆，与其它浆种按一定比例配合，并与填料、胶料和染料等添加物料混合，形成混合浆;混合浆被打入成浆池，被清水和白水稀释成规定浓度的纸浆，再与明矾等填料混合，经调浆箱、除砂器、稳浆箱和流浆箱上网，再经压榨、烘干、施胶、压光和卷取变形成成品纸.

由此可见，制浆造纸工业属于少品种、大批量的连续型生产方式，另外，制浆造纸业是造成环境污染最严重的行业之一，同时还是木材、化学品、水、电等原材料和能源的消耗大户。因此，为了增强制浆造纸企业的市场应变能力、适应激烈的市场竞争，保证生产过程的连续、稳定、优质和安全，还要在生产的过程中尽可能的减少污染、降低消耗、保护环境，这就需要将现代管理技术、生产技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术有效地集成起来，也就是需要在流程工业CIPS理论的指导下，针对制浆造纸企业的生产特点，研究制浆造纸企业CIPS结构和实施方法。

3、 制浆造纸工业CIPS的三层体系结构

流程工业CIPS的体系结构

流程工业CIPS的理论和技术经过多年的研究发展，特别是经过实际应用的考验，已逐步趋向合理的体系结构。其层次结构的框架已由5层结构的Prudue模型（如图2）为ERP\MES\PCS 3层结构（如图3）。在Prudue模型中，流程工业CIPS自上而下从功能上被分为了经营决策、企业管理、生产调度、过程监控和过程控制5个层次，将管理过程和生产过程明显分开。但在其网络信息系统的设计和应用实践中，如何处理既有生产性质又有管理性质的信息，是一个较大的问题，造成了流程工业CIPS研究与开发过程中混乱和标准的难以统一。ERP\MES\PCS 3层结构将流程工业系统分为以财务分析/决策为核心的企业资源管理系统（ERP）和以优化管理、以优化运行为核心的生产执行系统（MES）和设备综合控制为核心的过程控制系统（PCS）。这一结构较好地解决了企业管理和生产中一些共性的问题，也为管理和控制链接中各企业的个性问题提供了解决方法。

3.2制浆造纸工业CIPS的三层体系结构

将ERP/MES/PCS三层结构图运用与制浆造纸工业中，形成制浆造纸工业CIPS的三层体系结构（如图4）。

三层结构在功能划分上虽仍有重叠，但各有侧重：

1）ERP 控制的对象以企业的资金流为主，围绕企业生产而进行的管理工作，包括供应、销售、库房、财务、人力、设备、综合计划及经营决策。

2）MES 作为CIPS的中心环节，在整个CIPS中起到承上启下的作用。MES控制对象以企业的物流为主，主要完成生产计划的调度与统计、生产过程成本控制、产品质量控制与管理、物料流控制与管理、设备安全控制与管理、生产数据采集与处理等工作。

3）PCS 聚焦于生产过程的设备，监控生产设备的运行状况，控制整个生产过程。一般包括基础自动化系统和过程自动化系统。

4 、基于现场总线的造纸厂CIPS方案

本课题组与国内某大型造纸厂合作，根据该厂提出的各项技术经济指标，以上述制浆造纸工业CIPS三层体系结构图为基架，为该厂设计了一种基于Profibus现场总线的造纸厂CIPS方案。

4.1 造纸企业的网络层次

综合自动化是现代工业自动化的发展方向，在完整的企业网构架中，现场总线控制网络模型应涉及从底层现场设备网络到上层信息网络数据传输过程。基于上述考虑，统一的现场总线控制网络模型应具有三层结构（如图5）所示，从底层向上依次为：过程控制层（PCS）、制造执行层（MES）、企业资源规划层（ERP）。

（1）企业资源规划层： 该层又称为信息层。它是实现企业信息集成和管、控一体化的重要组成部分。它的网络节点主要有高性能计算机、工作站、PC 机等，包括各类管理、计算用客户机、服务器、数据库等。其主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。

（2）制造执行层：由担任监控任务的工作站、PC 机、或控制器作为网络节点构成的局域网段。负责从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下载。这一层处于以太网中，其关键技术是实现现场总线协议与以太网协议的转换，保证数据包的正确解释和传输。制造执行层除了上述功能外，还为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境。例如实时数据库，工艺流程监控、先进控制以及设备管理等。

（3）过程控制层：现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互联的实时控制通信网络，又称之为工厂的底层网络 Infranet，遵循 ISO 的 OSI 开放互联参考模型的全部或部分协议。这一层可能包含有基金会现场总线 FF 的 HI 网段，或 HART， Profibus， LonWorks 等网段，同种通信协议的网段可采用网桥、中继器连接，各不同通信协议的网段之间则采用网关相连，或直接在操作站的计算机内交换信息。

以现场总线为基础的过程控制层计算机网络是企业信息集成的物质基础和运行环境，是实现资源共享和作业分布处理的工具与工作环境。它的设计与实施直接影响整个CIPS系统的性能与功能。

4.2 基于Profibus现场总线的过程控制层

该部分以Profibus现场总线为网络平台，以SIMATIC PCS7自动化系统为控制平台，将企业所有过程高效率地、全范围地集成到完整的企业环境中来，主要包括过程监控、先进控制、过程优化等。此外，质量、储运、公用工程、环境监控等也是过程级控制管理的重要组成部分。具体实现为：

分散过程控制装置 主要由S7-400 PLC自动化系统和分布式I/O组成，它不但可以完成复杂的控制任务，而且还可以作为一个系统部件通过网络与操作员站OS和工程站ES相连接。分布式I/O模块插入ET200M分布式I/O站内，通过Profibus-DP连接到中央单元。

操作员站（OS） 操作员站通过通信处理器与工厂级的工业以太网相连， 采用了世界通用的数据/接口标准，包括OPC、OCX、ODBC以及WEB访问函数，即使是非常特殊的需求，PCS7中也能满足。操作员通过上位机的Wincc对各个车间生产线进行监视和操作控制， WinCC人机界面软件是各操作站操作控制和监控的基础，可以保证数据的可靠性，它能使PC成为高效能的监控系统，其集成数据管理系统可以优化控制回路，并在调试过程中解决问题。

工程师站（ES） 工程师站（也称为工程师系统）是由工程师根据上述制浆造纸工艺流程和各条生产线过程控制要求，为PCS7的操作员站、自动化系统以及分布式I/O提供全厂范围的编程。它包括一个带有Windows NT Workstation操作系统的SIMATIC RI45 Desktop工业PC，增加了OS控制系统软件、OS工程软件、S7/PMC、工程师工具集、“基本块”库和“技术块”库，用于Profibus或工业以太网的组态软件，以及带有驱动软件的匹配接口模块和与终端总线连接的接口。其通用的数据库和相互兼容的工具在很大程度上防止了多重导入和可能的错误;使用工艺分级配置，工厂可以按照功能的不同进行组态;用户只需处理所选择的与过程任务一致的对象;使用来自CAE工具的工艺数据，使预先配置好的数据可以自动重复使用。

通讯系统 SIMATIC PCS7的通讯系统包括系统总线和现场总线。系统总线是系统的主干，用来连接过程控制系统（自动化系统AS、工程师站ES、操作员站OS）的所有部件，使它们之间能彼此通信。系统总线以工业以太网、Profibus或MPI为基础;现场总线用于连接自动化系统和分布式I/O以及智能现场设备，使它们之间的数据以最小的安装工作进行传输。

工厂过程分析系统可以通过工业标准接口OPC获取数据。当WinCC服务器出现故障时，OPC通讯方式会自动切换，从而避免数据丢失。用ISDN专线连接自动化系统则能够进行远程诊断和远程组态，确保工厂的稳定生产。

5 、结束语

作为典型的流程工业，制浆造纸工业在整个国民经济中具有重要的地位和作用，实现制浆造纸工业的综合自动化，在提高它的经济效益的同时降低它对环境的污染，对国家和社会具有重要意义。在制浆造纸工业CIPS中采用现场总线作为底层通信网络，所节省的设备、材料、施工、维护等费用达40%以上。现场总线采用数字传输技术，数字信号抗干扰能力强，精度高，无需采用抗干扰和提高精度的措施，而且，由于采用通信总线的连续方式，节省了电缆用量60%以上。

我国制浆造纸工业CIPS的研究起步较晚，而国外一些研究成果和企业成功的CIPS模式尚不适合我大多数制浆造纸企业的实际情况，加之流程工业与离散制造工业代表着两种不同的生产方式，这就决定了CIPS必定会有着一些与CIMS截然不同的特点，因此，针对我国制浆造纸工业企业数量多，规模小，产品品种少，技术含量低，污染严重的特点，研究一种适合我制浆造纸工业的CIPS，具有重要的意思。

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