中國造紙工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級路徑的探討與實踐
隨著第四次工業(yè)革命的到來,傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級 勢在必行。傳統(tǒng)造紙工業(yè)的未來將走向分化和聚合, 將加入到多個以客戶為中心的新型產(chǎn)業(yè)集群中。文化 用紙、生活用紙、包裝紙和特種紙等紙種的生產(chǎn)將拆 分到不同的產(chǎn)業(yè)集群中,與可直達客戶的產(chǎn)業(yè)鏈聚合 為新的業(yè)態(tài),更精準、更快速地滿足客戶需求。在新 的產(chǎn)業(yè)集群中,重塑的價值鏈將不再是造紙企業(yè)之間 的競爭,而是產(chǎn)業(yè)集群內(nèi)各方整合資源能力的競爭。 共享、共生和共創(chuàng)能力強的企業(yè)將是整合資源能力的 強者,將有機會引領產(chǎn)業(yè)集群為客戶提供更好的服 務,形成新的穩(wěn)定業(yè)態(tài)留存下來,高效發(fā)展。 造紙工業(yè)經(jīng)歷了從小規(guī)模制造,到電力驅(qū)動的大 規(guī)模、大批量的流水線模式生產(chǎn),再到現(xiàn)在的全自動化模式生產(chǎn)的發(fā)展,在原材料、能源、工藝、裝備等 生產(chǎn)要素的利用技術(shù)等方面已經(jīng)發(fā)展到比較成熟的階 段[1] 。近期,我國發(fā)布了 《關于深化新一代信息技術(shù) 與制造業(yè)融合發(fā)展的指導意見》[2] ,文件指出要加快 推進新一代信息技術(shù)和制造業(yè)融合發(fā)展,順應新一輪 科技革命和產(chǎn)業(yè)變革趨勢,以供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主 線,以智能制造為主攻方向,加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā) 展,加快制造業(yè)生產(chǎn)方式和企業(yè)形態(tài)根本性變革,提 升制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展水平。產(chǎn)業(yè)實 現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇是與新一代信息技術(shù)的融合, 進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型重構(gòu)。以5G網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)、云計算、 人工智能等為核心的新一代信息技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新和高 速發(fā)展,為制造業(yè)邁向萬物互聯(lián)、數(shù)據(jù)驅(qū)動、軟件定 義、平臺支撐、組織重構(gòu)新時代注入了新的活力[3] 。 新一代信息技術(shù)將助力造紙工業(yè)實現(xiàn)向數(shù)字化、信息 化、智能化轉(zhuǎn)型升級,以實現(xiàn)企業(yè)的提質(zhì)增效、精準 服務,打破產(chǎn)業(yè)鏈資源優(yōu)化配置空間和時間的約束, 增加新的價值鏈,加速形成新業(yè)態(tài)。 造紙企業(yè)轉(zhuǎn)型升級是制造業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的有機組成 部分,因此,企業(yè)在轉(zhuǎn)型升級過程中必將面臨戰(zhàn)略路 徑的選擇和自身組織能力的變革,以更好地順應產(chǎn)業(yè) 轉(zhuǎn)型升級大趨勢。在大變革的趨勢面前,任何不順應 行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的企業(yè)都將被無情淘汰。對于大型企 業(yè),特別是行業(yè)龍頭企業(yè),如何制定好轉(zhuǎn)型升級的分 階段戰(zhàn)略目標、選擇什么樣的技術(shù)路線、打造什么樣 的企業(yè)文化和如何重塑組織創(chuàng)新能力都將是企業(yè)融入 行業(yè)轉(zhuǎn)型升級面臨的挑戰(zhàn)。 本文介紹新一代智能化技術(shù)對造紙工業(yè)的價值所 在,推演造紙企業(yè)與新一代信息技術(shù)融合的路徑,探 討造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型迭代方向和造紙工業(yè)向智能化 轉(zhuǎn)型升級路徑。筆者根據(jù)多年來在造紙企業(yè)數(shù)字化、 網(wǎng)絡化、智能化方面的研究成果和在企業(yè)中的實踐案 例[4-16] ,用場景化方式與讀者探討造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn) 型升級路徑。 1 新一代信息技術(shù)對造紙工業(yè)的價值 造紙工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級,是建立在高度自動化 基礎之上的。以數(shù)學模型為推動力的自動化技術(shù)在促 進造紙工業(yè)大發(fā)展的同時,為造紙企業(yè)積累了大量的 生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和生產(chǎn)技術(shù)知識。但是,自動化技術(shù)并 不具備數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘的能力,也不具備對復雜 生產(chǎn)過程和市場需求的快速應變和優(yōu)化能力。以大數(shù) 據(jù)驅(qū)動和工業(yè)軟件定義的企業(yè)智能化技術(shù),可充分利 用和挖掘大數(shù)據(jù)的資源去進一步優(yōu)化企業(yè)的各類資源 配置,優(yōu)化生產(chǎn)過程,適應市場需求變化。實現(xiàn)企業(yè) 智能化有賴于新一代信息技術(shù),主要包括實現(xiàn)業(yè)務數(shù) 據(jù)化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)、實現(xiàn)解決數(shù)據(jù)超高速 率、超大容量以及超低時延的 5G 網(wǎng)絡技術(shù)以及實現(xiàn) 數(shù)據(jù)價值的大數(shù)據(jù)挖掘和工業(yè)軟件技術(shù)。 1. 1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù) 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實體經(jīng)濟數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型的關鍵 支撐。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的載體,也 是實現(xiàn)企業(yè)智能化的核心技術(shù)載體,是鏈接工業(yè)全系 統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈、支撐工業(yè)智能化發(fā)展的關 鍵基礎設施。圖1所示為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的基本技術(shù) 組成和體系架構(gòu)。 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)組成和體系架構(gòu)由圖1所 示自左至右的網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)、安全三大技術(shù)體系組成, 其中“網(wǎng)絡”是工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸交換和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展 的支撐基礎,“數(shù)據(jù)”是工業(yè)智能化的核心驅(qū)動,“安 全”是網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)在工業(yè)中應用的重要保障?;谌? 大體系,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重點構(gòu)建三大優(yōu)化閉環(huán),如圖1 所示,面向機器設備運行和生產(chǎn)過程優(yōu)化的閉環(huán)①, 面向生產(chǎn)運營決策優(yōu)化的閉環(huán)②,以及面向企業(yè)協(xié) 同、用戶交互與產(chǎn)品服務優(yōu)化的全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈 的閉環(huán)③,并進一步形成智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡化協(xié)同、 個性化定制、服務化延伸等四大應用模式。工業(yè)互聯(lián) 網(wǎng)平臺基本的邏輯和本質(zhì)是“數(shù)據(jù)+模型=服務”[17] 。 圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的基本技術(shù)組成和體系架構(gòu)[17] ·2· 造紙工業(yè)智能化 《中國造紙》2020 年第 39 卷 第 8 期 1. 1. 1 造紙產(chǎn)業(yè)鏈中存在的價值缺失 造紙產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋了供應商、造紙企業(yè)、銷售商和 消費者等多方面?,F(xiàn)在造紙產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)中存在哪些 主要問題及其價值缺失? (1) 造紙企業(yè)存在自身“信息孤島”和數(shù)據(jù)冗 余,難以發(fā)揮全廠自動化系統(tǒng)的功能作用。為了提高 生產(chǎn)效率,許多大型造紙企業(yè)搭建了各種全廠自動化 系統(tǒng)工業(yè)軟件,例如企業(yè)資源管理系統(tǒng) (Enterprise Resource Planning, ERP)、 能 源 管 理 系 統(tǒng) (Energy Management System,EMS)、制造執(zhí)行系統(tǒng) (manu? facturing Execution System,MES) 等。但是在運行中 并沒有將這些子系統(tǒng)進行集成,各子系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)需 要各自多次錄入,因而增加了信息維護工作量和出錯 機會,每個子系統(tǒng)都是一座“信息孤島”。這些子系 統(tǒng)的功能雖然不同,但使用的數(shù)據(jù)往往存在交叉重 疊。然而由于每個子系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式不統(tǒng) 一,造成各子系統(tǒng)之間不可調(diào)用,存在數(shù)據(jù)的冗余。隨 著造紙生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的沉淀基數(shù)的增加,上述問題對系 統(tǒng)的維護、運行效率都存在很大的影響[18-20] 。造紙企業(yè) 通過打破“信息孤島”,將能充分發(fā)揮生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的資 源價值。 (2) 造紙企業(yè)不適應消費者對紙品多樣化和定制 化的需求。隨著消費水平的提高和消費觀念的變化, 消費者不再滿足于紙產(chǎn)品是否充足,提出了紙產(chǎn)品的 多功能化,例如濕紙巾、餐巾紙、廚房用紙、包裝紙 等;提出了紙產(chǎn)品樣式的多樣化的新要求,例如小包 紙、卷紙、抽紙、印花紙、香味紙等。但是由于造紙 企業(yè)的生產(chǎn)線是基本固定的,只能通過不斷增加每條 生產(chǎn)線的長度和復雜度去適應消費者的需求,這樣不 僅增加了生產(chǎn)的復雜度,而且提高了生產(chǎn)成本。同時 隨著產(chǎn)品定制化的快速發(fā)展,增加生產(chǎn)線長度和復雜 度的方式并不能跟上定制化產(chǎn)品更新的速度。如何利 用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、及時了解當前消費者的心理、最 大程度地提高生產(chǎn)線的靈活性、縮短產(chǎn)品更新周期、 提高效益是企業(yè)必須解決的新問題。 (3) 銷售商難以適應市場的新變化。銷售商依據(jù) 往年的銷售量制定進貨計劃,因此進貨較為固定。市 場的實際情況是由于消費方式的不同,例如網(wǎng)購、網(wǎng) 絡帶貨等方式的出現(xiàn),不同產(chǎn)品的銷售量會有大幅波 動,使供應鏈調(diào)度的難度增大。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 挖掘消費者與銷售量之間的更深層次關系,提前預測 銷售量和進貨計劃,可以提高供應鏈調(diào)度速度和效益。 (4) 造紙企業(yè)自身很難解決設備的運維問題。生 產(chǎn)過程中存在頻繁的非計劃停機,大部分屬于設備故 障。為了保障設備運維,工廠不得不花費巨大的人力 成本。另外,自身運維的時滯性也降低了造紙生產(chǎn)過 程的效率。因此,對于設備供應商而言,提供服務型 制造,保障客戶設備正常運維,既能為造紙廠帶來提 高生產(chǎn)過程效率而產(chǎn)生的價值,又能為設備供應商帶 來服務型制造的新價值。 1. 1. 2 應用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力造紙產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)造 價值 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為打通整條產(chǎn)業(yè)鏈上下游的信息 提供了平臺,能夠幫助解決上述問題。通過工業(yè)互聯(lián) 網(wǎng)平臺把設備、生產(chǎn)線、產(chǎn)品和供應商與客戶緊密地 連接融合起來??梢詭椭圃鞓I(yè)拉長產(chǎn)業(yè)鏈,形成跨 設備、跨系統(tǒng)、跨廠區(qū)、跨地區(qū)的互聯(lián)互通,從而提 高效率,推動整個制造過程和制造服務體系智能化, 實現(xiàn)制造業(yè)和服務業(yè)之間的跨越發(fā)展。通過構(gòu)建工業(yè) 互聯(lián)網(wǎng)平臺,使制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈中各種要素資 源能夠高效共享,創(chuàng)造新的價值。迄今,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)能為造紙工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和智能化提供如下主要 功能: (1) 構(gòu)建精準、實時、高效的數(shù)據(jù)采集互聯(lián)體 系,建立統(tǒng)一的面向工業(yè)大數(shù)據(jù)存儲、集成、訪問、 分析、管理的開發(fā)環(huán)境和應用環(huán)境。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺 的這種功能解決了如何采集造紙產(chǎn)業(yè)鏈中各環(huán)節(jié)的海 量數(shù)據(jù),把來自機器設備、業(yè)務系統(tǒng)、產(chǎn)品模型、生 產(chǎn)過程及運行環(huán)境中的海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚到平臺上, 實現(xiàn)物理世界隱性數(shù)據(jù)的顯性化,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時 性、完整性、準確性和共享性,為解決“信息孤島” 和實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化、信息化和智能化提供工業(yè)大數(shù)據(jù) 基礎。工業(yè)大數(shù)據(jù)不僅是企業(yè)智能化的基礎,而且在 工業(yè)大數(shù)據(jù)中隱藏著許多可創(chuàng)造價值的資源。 (2) 構(gòu)建和支撐包括工業(yè)技術(shù)、工業(yè)經(jīng)驗和知識 的模型化、軟件化、復用化的通用和專用的工業(yè)模型 和工業(yè)軟件。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的這種功能可把已知的 工業(yè)技術(shù)、知識、經(jīng)驗和方法以數(shù)字化模型的形式沉 淀到平臺上,形成各種軟件化的模型 (機理模型、數(shù) 據(jù)分析模型、大數(shù)據(jù)模型等),造紙企業(yè)基于這些數(shù) 字化模型對上述采集和存儲的各種工業(yè)數(shù)據(jù)進行分 析、挖掘、展現(xiàn),實現(xiàn)“數(shù)據(jù)-信息-知識-決策”的迭 代,以數(shù)據(jù)的有序自動流動,解決復雜制造系統(tǒng)面臨 的各種不確定性。最終把正確的數(shù)據(jù)、以正確的方 式、在正確的時間傳遞給正確的人和生產(chǎn)過程裝備, 實現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)過程和企業(yè)管理,提高企業(yè)的各種效 益,創(chuàng)造更多的價值。 (3) 實現(xiàn)造紙產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期的協(xié)同管理和優(yōu) ·3· China Pulp & Paper Vol. 39,No. 8,2020 造紙工業(yè)智能化 化,包括協(xié)同研發(fā)設計、生產(chǎn)管理和優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量 檢測、企業(yè)運營決策、設備預測性維護,優(yōu)化資源配 置效率,形成資源富集、多方參與、合作共贏、協(xié)同 演進的制造業(yè)生態(tài)。 1. 2 5G網(wǎng)絡技術(shù) 實現(xiàn)造紙產(chǎn)業(yè)鏈中各環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通是通過部署 和應用現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)等 通信技術(shù),使企業(yè)具備將人、機、物等有機聯(lián)通的環(huán) 境。互聯(lián)互通成熟度的提升是從設備間,到車間、到 工廠以及企業(yè)上下游直至整條產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)之間的互聯(lián) 互通,體現(xiàn)了對系統(tǒng)集成、協(xié)同制造等的支撐。企業(yè) 網(wǎng)絡基礎和通信環(huán)境建設是企業(yè)智能化的重要基礎設 施,是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的三大組成系統(tǒng)之一。我國在 5G 網(wǎng)絡技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化方面都走在世界 前列,為我國制造業(yè)數(shù)字化、信息化和智能化提供了 良好的通信基礎和環(huán)境。 1. 2. 1 當前制造業(yè)網(wǎng)絡通信技術(shù)環(huán)境的短板 當前制造業(yè) (包括造紙行業(yè)) 的網(wǎng)絡通信技術(shù)的 短板主要表現(xiàn)在 4G 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并不能做到對上億級 別的數(shù)據(jù)進行采集、存儲和實時處理,也無法做到大 量數(shù)學模型、智能算法同時實時計算,存在時滯問 題[21-22] 。造紙企業(yè)生產(chǎn)過程,隨著產(chǎn)品定制化的發(fā)展, 生產(chǎn)過程調(diào)度的復雜性成指數(shù)性上漲,造紙生產(chǎn)過程 各環(huán)節(jié)的通信和決策時間隨著生產(chǎn)智能化程度的加深 要求更短,解決方案需要更快更優(yōu)。當前 4G 互聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)通信技術(shù)的容量 (帶寬) 和速度短板,使制造業(yè) 的數(shù)據(jù)和信息通信速度、計算和決策速度、優(yōu)化和控 制速度都不能與智能制造的要求相匹配,不能靈活配 合完成高難度的生產(chǎn)調(diào)度活動。 1. 2. 2 5G網(wǎng)絡技術(shù)的應用為造紙智能化升級提供了 網(wǎng)絡通信基礎 5G 網(wǎng)絡技術(shù)的商用化,為上述問題提供了解決 方案,可實現(xiàn)“人與人,人與物,物與物”之間實時 的萬物移動互聯(lián)。因為 5G 技術(shù)具有超高速率、超大 容量以及超低時延的優(yōu)勢,5G 技術(shù)能夠為造紙智能 升級提供以下幫助: (1) 突破物聯(lián)網(wǎng)的成本門檻 應用具有高速率、高可靠性、低時延的 5G 通信 技術(shù)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng) (Internet of Thing,IoT),造紙企業(yè) 不再需要復雜的線纜進行數(shù)據(jù)和信息的傳輸,實現(xiàn) “人與人,人與物,物與物”之間以及各環(huán)節(jié)各系統(tǒng) 之間數(shù)據(jù)和信息的直接無線傳輸、無線控制。另外, 高可靠性的 5G 物聯(lián)網(wǎng)傳輸既節(jié)省了購買和維護線纜 成本,又極大減少了由線纜引起的安全隱患。 隨著線纜的消失,利用高可靠性網(wǎng)絡的連續(xù)覆 蓋,許多設備可以裝上輪子 (或其他裝置) 在工廠里 移動,按需到達各個地點,為造紙過程靈活調(diào)整設備 位置、靈活分配任務的柔性生產(chǎn)線創(chuàng)造了條件。 (2) 實現(xiàn)實時快速準確的信息傳送 實時快速準確的信息傳送,為實現(xiàn)智能制造中的 “軟件定義制造”“定制制造”等新的生產(chǎn)方式打下了 可靠的通信基礎。例如,實時快速準確的信息傳送, 為實現(xiàn)生產(chǎn)過程各種數(shù)據(jù)采取和存儲、分析和挖掘, 為實現(xiàn)“數(shù)據(jù)-信息-知識-決策”的迭代,實現(xiàn)以數(shù)據(jù) 的有序自動流動和閉環(huán)解決復雜制造系統(tǒng)面臨的各種 不確定性奠定了堅實的網(wǎng)絡通信基礎。 另外,5G網(wǎng)絡帶來IoT,使萬物互聯(lián)、萬物信息 交互,使得造紙企業(yè)的設備維運實現(xiàn)突破工廠邊界。 隨著更多設備、更多部件被連入 5G 網(wǎng)絡,設備和零 部件的運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)可實時送到供應商,通過供應商進行 專業(yè)的故障預測,大大減少企業(yè)故障發(fā)生次數(shù)。即使 發(fā)生了故障,設備供應商可通過 5G 網(wǎng)絡第一時間獲 取故障信息,利用虛擬現(xiàn)實技術(shù) (Virtual Reality, VR) 等指導工廠實時處理,越來越多的問題可通過 在線方式解決。降低了供應商的人工成本,同時也減 少了企業(yè)設備的運維成本和縮短了設備的維修時間。 1. 3 工業(yè)大數(shù)據(jù)與人工智能建模技術(shù) 企業(yè)智能制造的基本驅(qū)動力是工業(yè)大數(shù)據(jù),而工 業(yè)大數(shù)據(jù)的價值應用是要通過模型和工業(yè)軟件 (工業(yè) 大數(shù)據(jù)+模型) 去實現(xiàn)的,因此,工業(yè)大數(shù)據(jù)和建模 與工業(yè)軟件技術(shù)是智能制造的關鍵技術(shù)。工業(yè)大數(shù)據(jù) 主要作用是打通物理世界和信息世界,再通過建模和 工業(yè)軟件等人工智能技術(shù)在智能化設計、智能化生 產(chǎn)、網(wǎng)絡化協(xié)同制造、智能化服務、個性化定制等產(chǎn) 品全生命周期過程中發(fā)揮作用。在智能化設計中,通 過大數(shù)據(jù)+模型技術(shù)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析,實現(xiàn)自動化設 計和數(shù)字化仿真優(yōu)化;在智能化生產(chǎn)過程中,工業(yè)大 數(shù)據(jù)+模型技術(shù)可以實現(xiàn)在生產(chǎn)制造中人機智能交 互、制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)監(jiān)測 等,提高生產(chǎn)故障預測準確率,綜合優(yōu)化生產(chǎn)效率; 在網(wǎng)絡化協(xié)同制造中,工業(yè)大數(shù)據(jù)+模型技術(shù)可以實 現(xiàn)智能管理的應用,如產(chǎn)品全生命周期管理、客戶關 系管理、供應鏈管理、產(chǎn)供銷一體等,達到過程協(xié)同 與透明化;在智能化服務中,工業(yè)大數(shù)據(jù)+模型技術(shù) 通過工業(yè)大數(shù)據(jù)的全流程建模,對數(shù)據(jù)源進行集成貫 通,可以支撐以個性化定制為代表的典型智能制造模 式。工業(yè)大數(shù)據(jù)的上述應用是要通過工業(yè)軟件去實 現(xiàn)的[23] 。 ·4· 造紙工業(yè)智能化 《中國造紙》2020 年第 39 卷 第 8 期 工業(yè)軟件是指為提高工業(yè)研發(fā)設計、業(yè)務管理、 生產(chǎn)調(diào)度和過程控制水平的相關軟件與系統(tǒng)。工業(yè)軟 件承載著工業(yè)大數(shù)據(jù)采集和處理的任務,又是工業(yè)大 數(shù)據(jù)的重要產(chǎn)生來源。工業(yè)軟件支撐實現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù) 的系統(tǒng)集成和信息貫通,實現(xiàn)工廠從底層到上層的信 息貫通,推動工廠內(nèi)“信息孤島”聚合為“信息大 陸”。工業(yè)軟件承擔著對各類工業(yè)數(shù)據(jù)進行采集、集 成、分析和應用的重要功能,是工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)體系 中負責優(yōu)化、仿真、呈現(xiàn)、決策等關鍵職能的主要組 成部分。工業(yè)軟件中用到的許多模型,常常要應用大 數(shù)據(jù)人工智能建模方法去完成。 1. 3. 1 我國造紙行業(yè)大數(shù)據(jù)和工業(yè)軟件技術(shù)的基礎 十分薄弱 我國造紙行業(yè)大數(shù)據(jù)和工業(yè)軟件技術(shù)的基礎薄弱 主要表現(xiàn)在:①生產(chǎn)過程變量和設備參數(shù)的感知能力 低,工業(yè)大數(shù)據(jù)的采集范圍窄,不少過程變量和設備 參數(shù)還沒有合適的傳感器去測量,或者還沒有經(jīng)過合 適的數(shù)字化處理,不能成為有用的數(shù)據(jù)。②現(xiàn)有的數(shù) 據(jù)資源還沒有認真地開發(fā)利用。③從“物化知識”轉(zhuǎn) 型到“軟件知識”的工作還未真正開展。在傳統(tǒng)的工 業(yè)生產(chǎn)中,長期積累的工業(yè)技術(shù)/知識和經(jīng)驗 (knowhow) 等是通過物化 (書本、圖紙和人體介質(zhì)) 承載 和表達的,用物傳人、人傳人的方式傳遞應用,稱為 “物化知識”?!拔锘R”受到時間和空間的巨大限 制,難以適應智能制造的要求。因此實現(xiàn)智能制造的 核心轉(zhuǎn)型工作之一是要把“物化知識”轉(zhuǎn)型升級為 “軟件知識”,把“物化知識”數(shù)字化和軟件化,用軟 件作為知識的最佳載體和傳遞手段。 隨著造紙企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)越來越復雜,人們應對復 雜系統(tǒng)的駕馭能力將成為制約技術(shù)進步和生產(chǎn)發(fā)展的 瓶頸。雖然造紙過程自動化程度高,生產(chǎn)過程中設備 和過程的操作運維等還高度依賴個人,企業(yè)所關心的 訂單滿足率、及時率、產(chǎn)能浪費、原材料庫存等關鍵 指標,還是按照個人的經(jīng)驗進行排產(chǎn)和調(diào)度,而個人 的知識經(jīng)驗還處于“物化知識”階段,導致工作量 大,易出錯,需要花大量時間對人員進行培訓。如果 把物化知識轉(zhuǎn)化為軟件知識,成為工業(yè)軟件加入到工 業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中,實現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化,將能自動地完成上 述任務,開拓存在造紙過程中的優(yōu)化和效益空間。 1. 3. 2 大數(shù)據(jù)和工業(yè)軟件技術(shù)助力造紙企業(yè)智能化 升級 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心功能是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)優(yōu) 化閉環(huán)去實現(xiàn)企業(yè)智能化。數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán)的構(gòu)成主要 包含感知控制、數(shù)字模型、決策優(yōu)化三個基本層次, 以及自下而上的信息流和自上而下的決策流,如圖2 所示[17] 。 數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán)的數(shù)據(jù)功能包含數(shù)據(jù)集成與管理、 數(shù)據(jù)模型和工業(yè)模型構(gòu)建、信息交互三類功能。其 中,數(shù)據(jù)模型和工業(yè)模型構(gòu)建是綜合利用大數(shù)據(jù)、人 工智能等數(shù)據(jù)方法和各類工業(yè)經(jīng)驗知識,對過程行為 特征和因果關系進行抽象化描述,形成各類工業(yè)軟 件。數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán)中的決策優(yōu)化層聚焦數(shù)據(jù)挖掘分析 與價值轉(zhuǎn)化,形成工業(yè)數(shù)字化應用核心功能,主要包 括分析、描述、診斷、預測、指導及應用開發(fā)。自下 而上的信息流和自上而下的決策流形成了工業(yè)數(shù)字化 應用的優(yōu)化閉環(huán),以數(shù)據(jù)分析決策為核心,實現(xiàn)面向 不同工業(yè)場景的智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡化協(xié)同、個性化定 制和服務化延伸等智能應用解決方案。 構(gòu)建了如圖2所示的造紙企業(yè)數(shù)據(jù)和工業(yè)軟件為 核心的數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán),將為造紙企業(yè)智能化升級,提 供如下功能: (1) 實現(xiàn)機器設備運行和生產(chǎn)過程的閉環(huán)優(yōu)化控 制,挖掘數(shù)據(jù)價值,達到生產(chǎn)過程的精準化、高效 化,大幅度降低對人力的需求,提高生產(chǎn)過程中安全 性和穩(wěn)定性,提高生產(chǎn)效率。 (2) 實現(xiàn)面向生產(chǎn)運營決策優(yōu)化閉環(huán)和面向企業(yè) 協(xié)同、用戶交互與產(chǎn)品服務優(yōu)化的全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值 鏈的決策閉環(huán)優(yōu)化,通過精準預測市場需求、個性化 定制和服務化延伸等智能化技術(shù),由標準化生產(chǎn)向柔 圖2 數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán) ·5· China Pulp & Paper Vol. 39,No. 8,2020 造紙工業(yè)智能化 性化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。 (3) 實現(xiàn)生產(chǎn)過程全面監(jiān)控,嚴格把控產(chǎn)品質(zhì) 量。智能檢測設備可以覆蓋產(chǎn)品檢測的全過程,大幅 度降低生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的次品率,對于已出現(xiàn)的產(chǎn)品 問題相關數(shù)據(jù)信息進行收集并分析,利用已有的數(shù)據(jù) 庫信息對殘次品進行統(tǒng)一批量化處理,有效保證產(chǎn)品 的質(zhì)量。 綜上所述可知,造紙企業(yè)智能化升級就是應用工 業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G 網(wǎng)絡通信、大數(shù)據(jù)、工業(yè)軟件和人工 智能等新一代信息技術(shù)與造紙工業(yè)技術(shù)深度融合,實 現(xiàn)生產(chǎn)高效協(xié)同、資源優(yōu)化配置,解決整個制造產(chǎn)業(yè) 鏈中人、設備等各個環(huán)節(jié)之間存在的各種協(xié)作優(yōu)化問 題,實現(xiàn)效率最大化。 2 造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型路徑的思考 2. 1 造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型應遵循的原則 我國大多數(shù)造紙企業(yè)仍處于基礎自動化階段,傳 統(tǒng)自動化系統(tǒng)解決方案仍占主流。針對造紙企業(yè)智能 制造提供整體解決方案的業(yè)務尚處于發(fā)展初期。隨著 我國智能制造的推進,整體解決方案的市場規(guī)模將加 速增長,經(jīng)過市場驗證的解決方案成熟度將進一步提 升。因此,我國造紙行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級,要遵循 “做好規(guī)劃,抓住重點;跨界集成,協(xié)同創(chuàng)新;分類 指導,先易后難;效益導向,穩(wěn)妥實施”的原則。 (1) 做好規(guī)劃,抓住重點。行業(yè)要組織力量,做 好規(guī)劃,著力研發(fā)面向造紙行業(yè)智能制造的關鍵共性 技術(shù)。例如,適用于造紙行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,造 紙行業(yè)的各種工業(yè)軟件和 APP,造紙行業(yè)的智能裝 置等。 (2) 跨界集成,協(xié)同創(chuàng)新。在技術(shù)研發(fā)和應用推 廣過程中,應該走跨界集成、協(xié)同創(chuàng)新之路,要主動 與相關行業(yè)合作,閉門自守將會落后。行業(yè)要支持既 懂互聯(lián)網(wǎng)又懂造紙工業(yè)生產(chǎn)的高端技術(shù)研發(fā)和服務公 司的發(fā)展。 (3) 分類指導,先易后難。根據(jù)我國造紙工業(yè)技 術(shù)水平差異,在轉(zhuǎn)型過程中要先易后難,逐步實現(xiàn)。 首先,要釆取有效措施提高企業(yè)自動化水平和裝備水 平,走完工業(yè)3. 0的路程。其次,在基礎較好的造紙 企業(yè),要主動融入工業(yè)智能化技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈,主動 推廣應用新技術(shù)。企業(yè)要積極參與“企業(yè)上云”,提 高企業(yè)數(shù)字化、信息化、精細化和優(yōu)化管理水平手 段,在此基礎上逐步提高智能化水平。 (4) 效益導向,穩(wěn)妥實施。實現(xiàn)企業(yè)智能化是一 個漸進過程。而且是在原有自動化水平的基礎上完善 和發(fā)展的,要一步一個腳印,以效益為導向,穩(wěn)妥 實施。 以智能制造為代表的第四次工業(yè)革命,是一次技 術(shù)突破和企業(yè)重構(gòu)。同時,它也是一種技術(shù)思維方式 的轉(zhuǎn)變:要用大系統(tǒng)的思維方法去思考問題;要用跨 界集成、協(xié)同創(chuàng)新的互聯(lián)網(wǎng)思路去尋找解決問題的方 法;要用閉環(huán)優(yōu)化與智能化的技術(shù)手段去提高效益, 實現(xiàn)預期目標。 2. 2 造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型分兩步走 造紙企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型分為兩步走,先走初級階 段,再走高級階段。初級階段是指實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化網(wǎng) 絡化,提高數(shù)據(jù)化運營能力;高級階段是指真正實現(xiàn) 智能化工廠。 在初級階段,造紙企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡化,不斷 提升企業(yè)數(shù)據(jù)化運營能力為核心,根據(jù)企業(yè)自身發(fā)展 模式和發(fā)展戰(zhàn)略,以解決企業(yè)當前的業(yè)務痛點為切入 點,逐步實現(xiàn)覆蓋生產(chǎn)全過程和連接產(chǎn)業(yè)鏈上下游的 數(shù)字化網(wǎng)絡化,在此基礎上形成適應自身需求和特點 的數(shù)據(jù)化運營優(yōu)勢,達到提高企業(yè)運營效率的目標。 在高級階段,造紙企業(yè)以不斷提升生產(chǎn)過程閉環(huán) 優(yōu)化和智能化為目標。通過企業(yè)在實現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡化 過程中沉淀下來的工業(yè)大數(shù)據(jù)和企業(yè)自身的工業(yè)技術(shù) 知識,采用基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的建模方法, 搭建企業(yè)工業(yè)軟件和智能化微平臺,進而構(gòu)建企業(yè)工 業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,實現(xiàn)如圖 1和圖 2所示的面向設備運 行和生產(chǎn)過程的閉環(huán)優(yōu)化,面向生產(chǎn)運營決策的閉環(huán) 優(yōu)化,以及面向企業(yè)協(xié)同、用戶交互與產(chǎn)品服務優(yōu)化 的全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的閉環(huán)優(yōu)化,進一步形成智能 化生產(chǎn)、網(wǎng)絡化協(xié)同、個性化定制、服務化延伸等四 大應用模式,以達到優(yōu)化企業(yè)資源配置,提高產(chǎn)品質(zhì) 量,降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率的目標。技術(shù)核心 是如何應用“工業(yè)大數(shù)據(jù)+模型 (工業(yè)軟件) +應用” 技術(shù)去實現(xiàn)上述的三個“閉環(huán)優(yōu)化”。 2. 2. 1 初級階段:逐步實現(xiàn)和完善企業(yè)數(shù)據(jù)化運營 數(shù)據(jù)化運營是通過對企業(yè)大數(shù)據(jù)的采集處理、分 析挖掘,為企業(yè) (數(shù)據(jù)使用者) 提供科學、準確和專 業(yè)的數(shù)據(jù)解決和應用方案,利用企業(yè)大數(shù)據(jù)通過企業(yè) 內(nèi)、企業(yè)間的協(xié)同和各種資源的共享與集成優(yōu)化,重 塑企業(yè)在造紙工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中的價值鏈,以提高企業(yè)的 效益。在造紙企業(yè)實現(xiàn)了數(shù)字化網(wǎng)絡化后,將有效地 解決數(shù)據(jù)的采集和“連接”問題,通過網(wǎng)絡將相關的 人、流程和事物的行為用數(shù)字化數(shù)據(jù)形式相互連接起 來,收集到海量數(shù)據(jù),為實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)化運營打下堅 實的基礎。 ·6· 造紙工業(yè)智能化 《中國造紙》2020 年第 39 卷 第 8 期 造紙企業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺具有如下幾個基本功能: (1) 具有數(shù)據(jù)采集與管理功能,主要包括數(shù)據(jù)在 線采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲以及運算功能。包括傳 感器、檢測裝置、現(xiàn)場總線通信、異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成、 邊緣計算、互聯(lián)網(wǎng)、云 (存儲+計算)、工業(yè)安全等 基礎設施的構(gòu)建和集成應用。 (2) 具有業(yè)務數(shù)據(jù)數(shù)字化功能,將造紙生產(chǎn)過程 的所有信息,包括人、機、料、環(huán)、測的數(shù)據(jù)數(shù)字 化。例如,對于物料數(shù)據(jù),除了在線測量錄入外,還 需建立物化性質(zhì)預測模型以及物料估算模型,實現(xiàn)物 料的數(shù)據(jù)化。利用爬蟲技術(shù),建立數(shù)據(jù)抓取模型,實 現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境關鍵參數(shù) (例如溫度、濕度等) 的實時采 集;對無法檢測的質(zhì)檢數(shù)據(jù)建立軟測量裝置,實現(xiàn)所 有質(zhì)檢數(shù)據(jù)的實時采集與數(shù)字化。 (3) 具有數(shù)據(jù)的在線化功能。對采集的數(shù)據(jù)按 照統(tǒng)一的標簽進行標記,建立數(shù)據(jù)采集以及管理的 統(tǒng)一規(guī)則,然后利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),挖掘數(shù)據(jù)之間 的關聯(lián)關系,建立關聯(lián)規(guī)則,根據(jù)關聯(lián)規(guī)則進行分 類存儲,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合與協(xié)同,便于在線按需快 速調(diào)用。 (4) 具有數(shù)據(jù)的業(yè)務化功能。根據(jù)企業(yè)的需求, 把累積大數(shù)據(jù)業(yè)務化。把包括安全生產(chǎn)、穩(wěn)定質(zhì)量、 提高效率和縮短交貨周期等場景的各類數(shù)據(jù),利用數(shù) 據(jù)挖掘技術(shù),挖掘沉淀在數(shù)據(jù)中包含的更深層次的信 息,從而開展新業(yè)務。 2. 2. 2 高級階段:逐步實現(xiàn)企業(yè)智能化 如上所述 (圖 1~圖 2),工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是實現(xiàn) 企業(yè)智能化的核心技術(shù)載體,企業(yè)在實現(xiàn)數(shù)據(jù)化運營 過程中,通過不斷積累大數(shù)據(jù)、建立和完善工業(yè)軟件 和三個優(yōu)化閉環(huán)功能,開發(fā)造紙行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平 臺和具有企業(yè)自身特色的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺, 逐步迭 代完善,實現(xiàn)企業(yè)智能化。 圖 3 所示是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺關鍵技術(shù)體系[17] 。技 術(shù)體系由數(shù)據(jù)采集技術(shù)、PaaS 通用功能技術(shù)、軟件 開發(fā)工具技術(shù)、微服務技術(shù)、建模與應用技術(shù)和信息 安全技術(shù)等6項技術(shù)集成。 其中,工業(yè)微服務是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的核心,核 心的要素組件是基于微服務架構(gòu)的數(shù)字化模型 (工業(yè) 軟件)。數(shù)字化模型將大量工業(yè)技術(shù)原理知識、基礎 工藝、實踐經(jīng)驗等規(guī)則化、軟件化、模塊化,并封裝 為可重復使用的組件。同時,面向特定工業(yè)應用場 景,對海量工業(yè)數(shù)據(jù)進行深度分析和挖掘,能夠快速 建立可復用、可固化的智能應用模型。另外,在工業(yè) 技術(shù)、知識、經(jīng)驗和方法以模型的形式沉淀為數(shù)字化 模型后,海量數(shù)據(jù)加載到數(shù)字化模型中,進行反復迭 代、學習、分析、計算等大數(shù)據(jù)挖掘,可以回答生產(chǎn) 過程 4 個基本問題:首先是描述 (Descriptive) 發(fā)生 了什么?其次是診斷 (Diagnostic) 為什么會發(fā)生? 再次是預測 (Predictive) 下一步會發(fā)生什么?最后是 決策 (Decision) 該怎么辦?由此,驅(qū)動過程閉環(huán)優(yōu) 圖3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺關鍵技術(shù)體系 ·7· China Pulp & Paper Vol. 39,No. 8,2020 造紙工業(yè)智能化 化和智能化。 例如,開發(fā)造紙工業(yè)生產(chǎn)工藝流程模擬系統(tǒng),通 過數(shù)字化還原整個生產(chǎn)過程,實現(xiàn)產(chǎn)品或生產(chǎn)線的在 線設計,縮短產(chǎn)品的更新周期。又如,構(gòu)建造紙生產(chǎn) 過程工藝優(yōu)化模型,利用數(shù)字鏡像模型模擬運行優(yōu)化 結(jié)果,將優(yōu)化后的參數(shù)傳傳輸給實際生產(chǎn)系統(tǒng),然后 利用過程控制技術(shù),調(diào)整生產(chǎn)過程,實現(xiàn)過程閉環(huán)優(yōu) 化控制。再如,開發(fā)智能調(diào)度優(yōu)化模型,實現(xiàn)柔性化 新型人機交互,工業(yè)大數(shù)據(jù),以成本和能耗最低為目 標,建立生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度模型,利用模型結(jié)果在線修改 排產(chǎn)計劃,并利用集散控制系統(tǒng) (Distributed Control System,DCS)、可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller,PLC) 等控制技術(shù),實現(xiàn)用優(yōu)化后 結(jié)果閉環(huán)優(yōu)化運行調(diào)度。另外,可實現(xiàn)供應鏈優(yōu)化: 基于造紙企業(yè)數(shù)據(jù)運營能力,構(gòu)建產(chǎn)業(yè)上下游優(yōu)化協(xié) 同生產(chǎn),實現(xiàn)生產(chǎn)決策數(shù)字化協(xié)同優(yōu)化,實現(xiàn)生產(chǎn)制 造企業(yè)設備云端服務,最終實現(xiàn)企業(yè)運營及生產(chǎn)能力 上云協(xié)同。實現(xiàn)智能物流體系的構(gòu)建,保證資源的精 確共享,保證了訂單的準時交貨,降低生產(chǎn)成本。還 有,可重構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈,重新整合造紙工業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈,形 成新的產(chǎn)業(yè)集群。在不同的產(chǎn)業(yè)集群中,各個產(chǎn)業(yè)鏈 元素的價值鏈更加透明,相同產(chǎn)業(yè)鏈元素更加集中, 使產(chǎn)業(yè)鏈分工變得高度有效,相互精準地對接,形成 一個智能化的經(jīng)濟體。 3 在維達紙業(yè)的實踐案例 近幾年來,廣州博依特智能信息科技有限公司 (以下簡稱博依特公司) 與華南理工大學合作,在維 達紙業(yè)進行了企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的探索與實踐。維達紙 業(yè)基本實現(xiàn)了工廠數(shù)據(jù)化運營部分智能化運營,成為 我國造紙智能化轉(zhuǎn)型走在前沿的大型造紙企業(yè)。下面 以在維達紙業(yè)的實踐為案例,介紹數(shù)據(jù)化運營以及智 能化運營在造紙企業(yè)的應用以及給企業(yè)帶來的具體 價值。 3. 1 博依特公司工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營平臺 (POICLOUD 3.5) 簡介 博依特公司研發(fā)的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營平臺 (POI-CLOUD 3.5) 是為解決企業(yè)運營過程中的復雜 異構(gòu)系統(tǒng) (非線性、大滯后、多變量) 的問題,其數(shù) 據(jù)化運營能力涵蓋了造紙企業(yè)的點-線-面,如圖 4 所示。 工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營平臺的核心技術(shù)是數(shù)據(jù)化運 營平臺微服務系統(tǒng)。圖5所示是博依特公司新一代智 能制造數(shù)據(jù)化運營平臺微服務系統(tǒng)架構(gòu)及其特點。 博依特公司自主研發(fā)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)微服務架構(gòu) 下的基礎材料行業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營解決方案”被國家 工信部評為 2019 年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)試點示范項目,已在 全國造紙、陶瓷、水泥等行業(yè)推廣應用。 3. 2 數(shù)據(jù)化運營平臺在維達紙業(yè)的應用 在博依特公司POI-CLOUD3. 5的基礎上,博依特 公司與維達紙業(yè)共同開發(fā)了適用于維達紙業(yè)的數(shù)據(jù)化 運營平臺。維達紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺集成了在線數(shù)據(jù) 采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、軟測量模型以及數(shù)據(jù)實 時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)化運營系統(tǒng),實現(xiàn)了生產(chǎn)過 程的數(shù)據(jù)化運營和部分過程的智能化。 在維達紙業(yè)運行的博依特公司工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運 營平臺 (POI-CLOUD 3. 5) 的主要功能如圖6所示。 圖7所示為維達紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺現(xiàn)場技術(shù)路 圖4 數(shù)據(jù)化運營能力涵蓋了造紙企業(yè)的點-線-面 ·8· 造紙工業(yè)智能化 《中國造紙》2020 年第 39 卷 第 8 期 圖5 博依特公司新一代智能制造數(shù)據(jù)化運營平臺微服務系統(tǒng)架構(gòu)及其特點 圖6 數(shù)據(jù)化運營平臺(POI-CLOUD 3.5)的主要功能 圖7 維達紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺現(xiàn)場技術(shù)路線 ·9· China Pulp & Paper Vol. 39,No. 8,2020 造紙工業(yè)智能化 線。維達紙業(yè)企業(yè)端的數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)采集服務器和邊 緣計算設備等組成的復雜異構(gòu)存量集成系統(tǒng) (POID1.0) 采集和處理后,通過數(shù)據(jù)通道 (POI-DC3.0) 送至生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營平臺,經(jīng)平臺內(nèi)各類模型軟件的 分析和優(yōu)化計算后的信息送工業(yè)交互 (POI-II2. 0) 和管理信息系統(tǒng)應用和顯示。 為了集中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線采集,在生產(chǎn)過程中, 對能夠?qū)崿F(xiàn)在線測量的生產(chǎn)過程的關鍵參數(shù)增加了傳 感器以及智能電表等數(shù)據(jù)采集裝置。為了沉淀生產(chǎn)過 程數(shù)據(jù),利用阿里云平臺對采集的數(shù)據(jù)進行實時處理 和存儲。然后利用這些沉淀的過程參數(shù),對于不能實 現(xiàn)在線測量的生產(chǎn)過程關鍵參數(shù)建立軟測量模型。在 平臺中開發(fā)了能源管理系統(tǒng)和設備管理系統(tǒng),建立了 能源在線管理、設備狀態(tài)監(jiān)視、物聯(lián)管理、設備效率 監(jiān)測、產(chǎn)品質(zhì)量管理、生產(chǎn)信息管理等子模塊。利用 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及可視化技術(shù),在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)上實現(xiàn) 了生產(chǎn)過程的能耗、生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)的實時可視監(jiān)測。 并且,通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進行分 析,找到生產(chǎn)過程的節(jié)能潛力,為生產(chǎn)過程的節(jié)能和 運行優(yōu)化提供參考。 3. 3 維達紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺的應用效果 數(shù)據(jù)化運營及智能化運營平臺在維達紙業(yè)的多年 應用,給企業(yè)帶來如下明顯的效果和價值。 (1) 能耗智能預測 維達紙業(yè)利用數(shù)據(jù)化運營平臺采集的用電數(shù)據(jù), 通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),分析了其生產(chǎn)過程的用電特征, 同時基于智能混合算法建立了造紙過程能耗預測模 型。預測模型的預測趨勢和實際基本一致,預測模型 的精準度在97%以上。圖8為能耗預測模型在維達紙 業(yè)從 2018年 10月 7日到 2018年 10月 8日的預測結(jié)果 與實際應用的能耗曲線。 能耗智能預測,使企業(yè)能科學合理地采購和應用 能源。該平臺應用后,每條生產(chǎn)線每年節(jié)能約40萬元。 (2) 智能用電設備調(diào)度 維達紙業(yè)利用數(shù)據(jù)化運營平臺讀取的實時數(shù)據(jù), 應用平臺內(nèi)基于智能優(yōu)化算法建立的多目標用電調(diào)度 模型,根據(jù)模型計算的調(diào)度信息實時控制生產(chǎn)過程設 備的運行。該模型解決了生產(chǎn)工段間歇性用電設備在 滿足生產(chǎn)需求的前提下,智能 (自主) 地實現(xiàn)錯峰用 電,解決了降低成本的問題。該模型已用于維達紙業(yè) (浙江) 有限公司的 2 條生產(chǎn)線上,每條生產(chǎn)線一年 可節(jié)約大約10萬元的用電成本。圖9為設備用電智能 調(diào)度結(jié)果示意圖。 (3) 紙幅干燥過程運行優(yōu)化節(jié)能 紙幅干燥過程是造紙過程蒸汽能耗最大的過程, 優(yōu)化節(jié)能的潛力大。在維達紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺中配 圖8 能耗智能預測 圖9 設備用電智能調(diào)度 ·10· 造紙工業(yè)智能化 《中國造紙》2020 年第 39 卷 第 8 期 有基于機理+數(shù)據(jù)驅(qū)動方法建立的干燥部運行優(yōu)化模 型,其中有基于智能方法建立的軟測量模型,用于解 決紙幅干燥過程中關鍵過程參數(shù)無法直接測量的問 題,包括烘缸表面溫度、橫幅溫度、橫幅濕度、氣罩 排風溫度和濕度等。利用機理+數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法建立 的干燥部運行優(yōu)化模型,可智能地解決紙幅存在的過 干燥和干燥不足的問題,解決紙幅干燥過程在線實時 運行優(yōu)化問題,從而既保證了紙幅的質(zhì)量指標又降低 了干燥部蒸汽和電的耗用量,節(jié)約了成本。實踐應用 證明,平臺的干燥部智能優(yōu)化能力可為維達紙業(yè)節(jié)約 9%的噸紙汽耗。圖10為維達紙業(yè)的紙幅干燥過程運 行優(yōu)化節(jié)能結(jié)果示意圖。 (4) 紙張物理性能指標的實時預測 紙張物理性能指標關系到紙張的合格率。但許多 的紙張物理性能指標無法在線測量,或者要采用破壞 性的取樣離線測量,既影響紙張的成品率,又難以實 時快速的測量。在維達紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺中配有基 于大數(shù)據(jù)和智能算法建立的紙張物理性能指標 (包括 松厚度、抗張強度和柔軟度等) 的軟測量模型。該軟 測量模型能夠在線直接測量出紙張的物理性指標,解 決了許多物理指標檢測需破壞性采樣且離線檢測、測 試周期長、結(jié)果反饋滯后、檢測樣品人為因素影響、 不具有代表性等問題,從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量的實時監(jiān) 測,為產(chǎn)品質(zhì)量的在線運行優(yōu)化提供實時快速的數(shù)據(jù) 依據(jù)。平臺中建立的紙張物理指標軟測量模型的精準 度均在 95% 以上,達到了當前軟測量方法達到的精 準度要求。圖 11 為紙張抗張強度的軟測量實時預測 結(jié)果示意圖。 (5) 智能優(yōu)化排產(chǎn) 在維達紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺中配有基于多目標混 合優(yōu)化算法建立的排產(chǎn)優(yōu)化模型。該優(yōu)化模型能夠幫 助維達紙業(yè)在緊急銷售訂單進來時,平臺系統(tǒng)可提供 緊急插單管理功能,根據(jù)緊急銷售訂單重排生產(chǎn)計劃 和排產(chǎn)結(jié)果,平臺可給出最合適生產(chǎn)的紙機的選擇和 插單時間的選擇。一旦插單選擇明確,平臺系統(tǒng)會根 據(jù)排產(chǎn)優(yōu)化模型算出的插單結(jié)果,給出最新的排程建 議。圖12為智能排產(chǎn)結(jié)果示意圖。與人工排產(chǎn)相比, 排產(chǎn)優(yōu)化模型時間縮短6.8%,成本降低4.2%。 圖10 紙幅干燥過程運行優(yōu)化節(jié)能結(jié)果 圖11 紙張抗張強度實時預測結(jié)果 ·11· China Pulp & Paper Vol. 39,No. 8,2020 造紙工業(yè)智能化 維達紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺已在公司的廣東、浙 江、湖北等 8 個生產(chǎn)基地的 80 余條生產(chǎn)線上應用上 線,通過數(shù)據(jù)分析挖掘出 88 項潛力點,累計增效 2400余萬元。投入產(chǎn)出回報約 1~1.5年。 4 結(jié) 論 4. 1 造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級是造紙產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重 要組成部分,是造紙產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和發(fā)展的必經(jīng)之路。隨 著造紙業(yè)生產(chǎn)過程和市場變化復雜性的提高和不確定 性的增加,傳統(tǒng)的以數(shù)學模型驅(qū)動的自動化技術(shù)已難 以滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求。伴隨著以 5G 網(wǎng)絡、工業(yè)互 聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)人工智能為代表的新一代信息技術(shù)的 快速發(fā)展,造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級成為可能。 4. 2 造紙工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型大體可以分為兩個實施階段, 第一個階段(初級階段)是實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)化運營,核心 是要實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡化及工業(yè)數(shù)據(jù)的價值化;第二 個階段(高級階段)是實現(xiàn)企業(yè)智能化生產(chǎn),核心是要 實現(xiàn)企業(yè)的“三個閉環(huán)優(yōu)化”,即面向設備運行和生產(chǎn) 過程的閉環(huán)優(yōu)化,面向生產(chǎn)運營決策的閉環(huán)優(yōu)化,以及 面向企業(yè)協(xié)同、用戶交互與產(chǎn)品服務優(yōu)化的全產(chǎn)業(yè)鏈、 全價值鏈的閉環(huán)優(yōu)化,實現(xiàn)裝備智能化、生產(chǎn)過程智能 化、供應鏈智能化以及生產(chǎn)鏈的智能重組以及自主決 策。每個企業(yè)智能化的未來目標雖然不盡相同,但是每 個企業(yè)都應根據(jù)自己的未來發(fā)展規(guī)劃,盡早進行布局, 可以從企業(yè)最關心的基礎痛點問題入手,比如先用數(shù)據(jù) 化手段解決操作人員的效率提升、產(chǎn)品配方優(yōu)化和節(jié)能 等問題,企業(yè)管理步入正規(guī)化后,引入數(shù)據(jù)化運營系 統(tǒng),在此基礎上逐步實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。 4. 3 維達紙業(yè)的應用實踐證明,被國家工信部評為 2019 年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)試點示范項目的廣州博依特智能 信息科技有限公司研發(fā)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)微服務架構(gòu)下 的基礎材料行業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營解決方案”具有明顯 的應用推廣價值,為造紙工業(yè)數(shù)據(jù)數(shù)字化網(wǎng)絡化,打 通企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)單元之間以及上下游各個企業(yè)間的信 息壁壘,實現(xiàn)工廠內(nèi)部的協(xié)作提供了技術(shù)支持,為大 量造紙工業(yè)的生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)的采集、實時處理以及存 儲提供了技術(shù)支持。研發(fā)了許多適用于造紙行業(yè)大數(shù) 據(jù)應用模型、優(yōu)化模型和工業(yè)軟件,構(gòu)建了造紙企業(yè) 數(shù)據(jù)化運營平臺,為企業(yè)處理和分析工業(yè)大數(shù)據(jù)提供 了技術(shù)支持,取得了較好的效果。 4. 4 企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級是第四次工業(yè)革命的重 要內(nèi)容,既是一次技術(shù)突破和企業(yè)重構(gòu),又是一種技 術(shù)思維方式的轉(zhuǎn)變,要用大系統(tǒng)的思維方法去思考問 題,要用跨界集成、協(xié)同創(chuàng)新的數(shù)據(jù)互聯(lián)思路去尋找 解決問題的方法,要用閉環(huán)優(yōu)化的技術(shù)手段去提高企 業(yè)效益,實現(xiàn)預期目標。因此,造紙工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型 升級的實現(xiàn)必然是一個較漫長的過程,每個企業(yè)都需 根據(jù)自身業(yè)務需要, 遵循“做好規(guī)劃,抓住重點; 跨界集成,協(xié)同創(chuàng)新;分類指導,先易后難;效益導 向,穩(wěn)妥實施”的原則,早日做出相應的努力,才能 早日實現(xiàn)企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型。 參 考 文 獻 [1] China Paper Association,China Technical Association of Paper Industry. 圖12 智能排產(chǎn)結(jié)果示意圖 ·12· 造紙工業(yè)智能化 《中國造紙》2020 年第 39 卷 第 8 期 White paper on sustainable development of China's paper industry[R]. 2019. http://www. chinappi. org/reps/20190226104141217819. html. 中國造紙協(xié)會,中國造紙學會. 中國造紙工業(yè)可持續(xù)發(fā)展白皮書[R]. 2019. http://www. chinappi. org/reps/20190226104141217819. html. 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