1     引言
　　效率是一个用来描述现代社会中企业运作水平的关键词。通过不断的革新和提高效率来增强企业的竞争能力和带领团队不断的发展才是生存之道。在这轮工艺设备和人类行动结合在一起的竞争中，自动化是关键。把人类智慧和智能系统结合起来，是创造高效生产的关键元素。

　　图 1  从上个世纪九十年代起，美卓的自动化系统就已经实现了四个主要领域的整合：过程控制、纸机本体控制、质量控制和传动控制。

　　即使是现在，许多造纸厂的自动化结构都是由大量的“历史碎片”组成的相互隔绝的孤岛系统。它们不能为高效竞争提供一个好的竞争平台。相比之下，采用统一整合的自动化系统可以增加过程的透明度和实现操作效率的最大化。系统的整合和发展可以分为纵向和横向两个方向。纵向整合的目的是为了简化同一工序的系统结构，从而消除功能性的重叠和减少分层。横向的整合将在已有的老系统中增加新的子
　　进程控制。采用这种双向整合的结构，减少了工厂使用的自动化系统数量。对生产工艺来说则是增加了透明度，此外还节约流动成本和固定成本。
　　图1所示的图例使用的是统一的美卓自动化平台。早在上个世纪八十年代晚期，美卓 DNA 平台就已经实现了 DCS 和质量检测控制系统 ( QCS ) 的纵向整合。几年后控制工程网版权所有，又实现了纸机本体控制系统 ( MCS ) 和传动控制系统的整合，使得它们的用户界面和信息管理功能完全统一在同一个平台上，从而加强了美卓 DNA 控制系统的完整性和统一性。
　　整合为最终用户提供了几个结构上的优势：
　　● 系统结构变得更简单，在不同的系统之间不需要额外的通讯。
　　● 只需要一个工程系统。
　　● 因为使用的是统一的平台，所以控制室内的操作站可以减少；而不需要再像以前那样，对不同领域的
　　控制配置不同的操作站。
　　● 减少备件的数量。
　　● 所有的数据在任何一个地方都可以获取，不再有获得数据的限制。
　　统一的平台、最新的应用软件及改进了的使用性能有机的结合在一起，使得用户可以熟练主动的实现操作，从而提高了运行的效率。
　　2     运行效率
　　众所周知，效率可以识别出抄造过程和能源方面的浪费，这些浪费都会降低公司的利润。运行效率还和改善质量、提高产量的新工艺设计有关。因此，除了从现有的设备中压榨出最大的效率之外，还需要通过不断的观察、分析、改造和进图 2 在造纸机上CONTROL ENGINEERING China版权所有，可以通过提高车速和增加生产时间来提高产量。行必需的运行测试，才能实现效率的最大化。
　　所有的造纸工艺都有发展和改革潜力。没有哪个造纸机可以做到365全速生产出可销售的纸品（见图 2）。

　　图 2     在造纸机上CONTROL ENGINEERING China版权所有，可以通过提高车速和增加生产时间来提高产量。

　　用相同的，甚至是更少的成本来实现产能的增加，自然会带来生产力和效率方面的提高。此外在销售价格没有恶化的设想下，这还意味着增加利润。此外，运行效率也会对公司提出新的需求。这就意味着需要有能力、有知识和有意愿寻找出降低成本增加产量的新方法来进行日常操作。因此，公司需要工具来实现降低成本和能耗，并生产出更多可销售的产品。
　　熟练的员工使用一流的自动化功能可以获得良好的运行效率。自动化扮演的角色可以分为两类：
　　1.  使用自动化稳定生产过程，从而把员工从日常性和重复性的工作中解放出来。通过下面的例子来讨论这两类功能。
　　2.  支持操作员做出快速的决定。
　　2.1    通过提高稳定性和精确性来提高运行效率
　　对提高稳定性和精确性做出主要贡献的是自动化功能。自动化是由精确频繁的测量和快速精密的执行机构组成的闭环回路控制。所有的控制的共同点都是控制工作机构向着提高效率的方向发展。更好的控制是将控制值控制在最小的可接受范围内，且改善稳定性。实现设定值的转换就是实现效率的增长（见图 3）。

　　图 3     有效的改进了设备的闭环控制，更好的控制使得被控值更稳定、更接近目标值，从而实现设定值的转换。

　　在控制区域内，整合后的自动化提供了绝好的新机会。首先，把检测、执行器和控制整合到相同的系统中，可以消除数据的延迟，减少数据的过滤，并且解除数据传递的限制。这三点正是提高使用多套系统进行控制的运行效率的瓶颈。通过整合控制工程网版权所有，所有的过程信息和检测都可以在各个控制领域中同步使用，从而使整合所有的控制成为可能。这样可以优化对工艺操作点的瞬间变化的适应性，例如纸种更换。
　　虽然现在的造纸生产线上仍有许多的控制器是采用传统的单输入，单输出控制 ( SISO ) 。但美卓已经越来越多的对单回路控制进行了优化的。最优化的典型就是建立一个过程模型，并估计一个价值函数作用于当前的控制点或者从某一点过渡到另一点。该价值函数特别是它的参数化法会根据纸种，车速，原料和使用的能源变化而呈现不同。
　　参见生产率的基本定义（见图2），我们自动化对生产性能的贡献为以下几点：
　　1.  最小化损失区
　　2.  最小化闲置时间区
　　3.  挖掘车速潜力
　　损失区的最小化取决于减少断纸。在这种情况下，纸张质量控制的作用最大。在造纸机上CONTROL ENGINEERING China版权所有，定量、水分、厚度和光学参数是最普遍的检测和控制参数。
　　美卓率先在1998年将湿部测量整合到成纸（扫描架）检测及控制中，并将美卓的 Metso IQ MD 控制投入市场。这种多输入-多输出  ( MIMO ) 的控制模式经过不断加强，在2005年美卓公司又取得了一个工业上的第一，整合了自动换纸种功能。使用了美卓的 Metso IQ 自动换纸种 MD 控制，操作人员第一次在自动模式下实现了纸种的更换。在两个不同纸种之间，实现了可重复的平稳更换。该轨迹被记录下来，并可用于下次跟换 。
　　闲置时间区的最小化取决于减少断纸和缩短断纸恢复时间。在这次竞赛中，所有的断纸的恢复功能都扮演了重要的角色。最小化的工作应从查找断纸的原因开始。这需要生产上有特殊的功能，用于诊断，快速的现场趋势和四个控制域的全部信息采集 ( DCS, QCS, MCS 和传动控制 ) 。这包括了先进的在线操作帮助功能，如 DNA 纸机帮助。使用美卓的过程和质量视觉产品，通过纸页运行性能检测摄像头来获取清晰
　　影像，用于进行更进一步的分析。因为这些事件通常都很复杂，这时我们可以通过在用户界面调出“时间机器功能”，对发生的生产中断进行回放分析。
　　提高效率的第三点是挖掘车速潜力。除了先进的预估控制之外，整合传动控制也同样有着重要的作用。在上个世纪九十年代末期，美卓在  DNA  平台整合了传动控制，并投入市场。它不仅仅是为了替换过时的、分级依赖和服务密集的传动控制，而且还为生产提供了一个统一整合的平台，加强了于纸机本体控制、质量控制和工艺过程整合。自从这个产品发布以来，现在约有一百台纸机、纸板机、卫生纸机以及浆板机的传动都采用了美卓 DNA 控制。采用先进的控制，通过减少工艺的可变性来提高生产车速。最近的使用效果和最新的发展状况在本书的另外一篇文章中向大家做详细的介绍。
　　2.2    通过自动化功能的支持、可以提高操作人员做出决策的速度，从而提高运行效率
　　就此而论，控制及其他的自动化功能都对提高运行效率做出了贡献。然而，把决策者和其他人员正确的联系在一起可以将效率最大化。参见生产率的基本定义（见图2），我们把自动化对生产性能的改善特性归纳为：
　　1.  预防非计划停机
　　2.  成本管理功能化
　　3.  可靠的生产流水线
　　非计划停机往往是因为发生了无法预料的或者是意外的事件。意外事件往往是由于遗漏部分信息，或者获得了不正确的信息，导致错误的行动。换句话说，在采取行动的时候，操作团队不具备足够的知识。如今，知识管理的功能集成在自动化里，作为必不可少的角色出现。知识管理功能集成在过程和回路描述中、工艺过程帮助、纸机设备帮助和日记功能中，这些都包括在用户界面中。
　　在整合后的自动化，可以获得所有的数据，并对所有的数据做出概括和分类、这样有助于追溯事故的根源和提炼信息。可以简化操作和提高操作速度，换而言之就是提高了效率。在碎片性的系统中，从技术上是可以实现相同的测量，但是数据却是相互隔离的。这就意味着在相同的位置上会存在重复的功能和信息（=在多个屏幕上显示），由于不可能按要求对所有的数据进行概括和分类，这样导致一些其他的限
　　制。其结果就是导致无法快速的做出决定。例如在生产需要干预时，如断纸，或是在日常操作进行性能开发时，如识别瓶颈问题（见图 4）。
　　长期以来，我们不会关注生产线控制室里的操作成本。对操作员来说，主要的任务就是跟踪和保持工艺的稳定性。这种操作方式会导致“安全操作”，即“放入足够多的东西”，这样可以很容易地改进稳定性，如添加更多的化学品、使用更多昂贵的原材料以及纸页的过干燥等等。现在的自动化将更多的决定权赋予了操作者，这就需要我们增强控制室里的成本意识。美卓近期提供的纸机中都会包括一些纸机的成本监控和应用。能效监测应用包括了对各种成本，如原材料、化学品等能耗的计算及在人机界面显示的功能。另外，该应用还包括了成本计算的测量值显示，成本意识，用于生产某个纸种的各项成本的最佳目标值，当测量值超出目标值上限时还会及时的发出报警，并对各项成本进行分级描述（见图 5）。
　　最后但不是最少的，自动化对稳定生产性能和运行成本做出了实质性的贡献。这意味着自动化可以及时准确的保证生产线以订单为基础、根据用户量身定制生产、并按照计划及时发货。取消了生产线的缓冲，无需使用中间存储，生产线只需要简单的按照计划做出响应，安排生产计划，分配的维修时间。这样，生产和生产线需要有更多的可预测性。最近在自动化中使用的新的资产管理功能可以加强预测性。这些重要的步骤属于纵向整合区，将在下一部分进行讨论。

　　图 4    简易的浏览功能，使用点击和拖放即可做出快速的操作，是提高操作效率的关键。

　　3     纵向一体化
　　纵向整合为生产提供了一个更简易更透明的工作社区。在这可平台上，主要的决策者是操作员，生产经理和专家，他们可以在各自的领域里，通过这个社区平台进行更好的交流和对生产过程的控制。对于操作者来说，主要是提供有足够信息显示的操作画面和令人满意的诊断特性。对于其他人来说，最重要的就是改善远程访问功能，以“随时随地的使用”为原则，通过IT网路结构，实现对数据的访问和专家的支持，如使用因特网，移动电话和掌上电脑。
　　四个主要的控制领域 ( DCS, QCS, MCS 和传动控制 ) 的整合，为用户提供了一个定制和优化卓越的平台。操作效率还可以进一步的通过自动化平台附加的资产管理和状态监测功能得到改善。即：
　　● 现场设备状况监测
　　● 自动化资产管理
　　● 纸机状态监测
　　● 工艺状态监测

　　图 5     关键性能指数 ( KPI’s )，通过能源效率显示画面监测到成本的分布和生产线的成本来源。

　　资产管理功能实现了以操作者为导向的维护行动。它显示出设备的状态，搜集了诊断的数据，在缺陷出现的时候及时跟踪，避免了故障的发生。对需要进行维护的设备，为了不增加额外的停机时间，合理的制定出下一次停机的维护工作时间表，使这些预先响应的工作成为可能。另外，预见性状态监测节约了成本，降低了可能发生的不可预测的设备和系统故障，从而确保了安全生产。
　　自从2010年，又是工业上的一个第一，美卓提供了十几套基于 MetsoDNA 的纸机状态的监测系统。第一台全面供货的纸机纸机状态监测系统于2012年1月开始运转（见图 6）。
　　纸机状态监测可以对纸机从湿部到完成部的各种脉冲和振动进行分析。这些振动和脉冲问题的解决往往会提高纸张的质量更高和改善纸机的运行性能。此外维护请求链接到计算机维护管理系统（CMMS）也非常简单。通过日志、笔记和注释功能，可以将维护的问题和它们的解决方案共享到系统中，变成所有人都可以看到的信息。也可以激活工作订单，一旦维护工作完成，一个“工作完成”的注释就会加到日记中，并且反馈给操作者。

　　4     横向一体化
　　在横向也进行了整合。将一个个独立的小PLC系统整合到一个系统中。最新的一个成果就是把复卷机控制整合到纸机自动化平台中（见图  7）。
　　复卷机控制整合到美卓DNA系统后，安全地和功能化的对复卷机的控制进行优化。现在可以通过常用的配方控制来实现复卷机的纸种配方。随着工艺控制的扩展，整合的结果改善了生产线的管理，特别是在发生断纸的时候控制工程网版权所有，因为复卷机控制和它碎浆控制整合到了一个系统中。另外，整合后，系统的专家远程访问功能可以对更多的设备进行分析和诊断操作，如通过同一个IT网路远程访问端口，可以自动设定、改变或优化压纸辊的压区负荷。
　　5     结论
　　竞争迫使造纸厂和箱板纸厂不断的改进他们的运营方式，持续提高效率是唯一的生存之道。在这个竞赛中，自动化的整合起到了关键的作用。通过系统的整合，实现生产的透明化和所有数据的共享，从而为提高操作效率做出贡献。

　　图 7     从2011年开始www.cechina.cn，复卷机控制整合到美卓DNA系统中。

　　在提高运行效率的不断要求下，未来之路将是把优化作为日常工作，而自动化将始终作为生产线和专家的联系纽带，通过IT网络，利用一切可能的通讯方式，增强专家和现场的联系。信息的管理和预见性的控制将为最小化成本所采用，而生产技能的提高则很可能要依靠“时间机器”和生产仿真器。