摘 要：針對制漿造紙工業生產流程特點，分析了制漿造紙工業對CIPS（流程工業計算機集成過程系統）的需求，介紹了制漿造紙工業的CIPS三層體系結構，并設計了基于Profibus現場總線的造紙廠CIPS方案。 關鍵詞：制漿造紙;CIPS;現場總線;Profibus 1 引言 　　1973年，美國的Joseph Harrington博士在《Computer Integrated Manufacturing》一書中提出了一種組織企業生產的理論——CIM，直譯為計算機集成制造。CIM是一種組織管理和運行企業生產技術的新哲理。 　　CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）是基于CIM哲理而組成的系統，即它是通過計算機硬軟件，并綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術，將企業生產全部過程中有關的人、技術、經營管理三要素及其信息流與物質流有機集成并優化運行的復雜大系統。這一定義是針對離散型工業而言，其實以石化、化工、冶金、能源、造紙為代表的流程工業也在向CIMS方向發展。把CIMS概念擴展至流程工業，即形成了流程工業綜合自動化系統CIPS（Computer Integrated Process System）概念，也可稱為流程工業計算機集成制造系統（CIMS in process industry）。 　　流程工業集成自動化大致經歷了以下五個階段：（1）早期的過程控制階段;（2）70年代以前的直接數字控制階段DDC（Direct Digit Control）;（3）70～80年代的集散控制階段DCS（Distributed Control System）;（4）80年代以后的DCS+優化階段;（5）流程工業綜合自動化（CIPS）階段。集成化分散控制系統向信息管理系統及計算機網絡控制方向擴展，將過程控制和信息管理系統緊密結合起來，便構成了計算機集成過程系統（CIPS）。90年代開始將生產調度、計劃優化、經營管理與決策等引入計算機控制系統，使市場意識與優化控制相結合，促使計算機控制系統走向更加完善的CIPS階段，產生更大的經濟效益與技術進步。可見，CIPS是流程工業自動化發展的必然趨勢。 2 制漿造紙工業生產流程特點及對CIPS的需求 　　制漿造紙全過程工藝流程（如圖1）可以描述為：麥草、蘆葦等造紙原料經干、濕法備料，同蒸煮液（黑液和白液）混合后被送往蒸煮部進行高溫蒸煮，通過蒸煮反應生成粗漿;粗漿經過洗滌和篩選，除去其中的黑液、渣質和粗大纖維，變成良漿，然后被送往漂白工段，經過CEH三段連續漂白變成紙漿;從洗篩漂車間過來的紙漿，與其它漿種按一定比例配合，并與填料、膠料和染料等添加物料混合，形成混合漿;混合漿被打入成漿池，被清水和白水稀釋成規定濃度的紙漿，再與明礬等填料混合，經調漿箱、除砂器、穩漿箱和流漿箱上網，再經壓榨、烘干、施膠、壓光和卷取變形成成品紙。 　　由此可見，制漿造紙工業屬于少品種、大批量的連續型生產方式，另外，制漿造紙業是造成環境污染最嚴重的行業之一，同時還是木材、化學品、水、電等原材料和能源的消耗大戶。因此，為了增強制漿造紙企業的市場應變能力、適應激烈的市場競爭，保證生產過程的連續、穩定、優質和安全，還要在生產的過程中盡可能的減少污染、降低消耗、保護環境，這就需要將現代管理技術、生產技術、信息技術、自動化技術和系統工程技術有效地集成起來，也就是需要在流程工業CIPS理論的指導下,針對制漿造紙企業的生產特點,研究制漿造紙企業CIPS結構和實施方法。 [align=center] 圖1 制漿造紙企業的典型工藝流程[/align] 3 制漿造紙工業CIPS的三層體系結構 　　流程工業CIPS的體系結構 　　流程工業CIPS的理論和技術經過多年的研究發展，特別是經過實際應用的考驗，已逐步趨向合理的體系結構。其層次結構的框架已由5層結構的Prudue模型（如圖2）為ERP\MES\PCS 3層結構（如圖3）。在Prudue模型中，流程工業CIPS自上而下從功能上被分為了經營決策、企業管理、生產調度、過程監控和過程控制5個層次，將管理過程和生產過程明顯分開。但在其網絡信息系統的設計和應用實踐中，如何處理既有生產性質又有管理性質的信息，是一個較大的問題，造成了流程工業CIPS研究與開發過程中混亂和標準的難以統一。ERP\MES\PCS 3層結構將流程工業系統分為以財務分析/決策為核心的企業資源管理系統（ERP）和以優化管理、以優化運行為核心的生產執行系統（MES）和設備綜合控制為核心的過程控制系統（PCS）。這一結構較好地解決了企業管理和生產中一些共性的問題，也為管理和控制鏈接中各企業的個性問題提供了解決方法。 　　3.2　制漿造紙工業CIPS的三層體系結構 　　將ERP/MES/PCS三層結構圖運用與制漿造紙工業中，形成制漿造紙工業CIPS的三層體系結構（如圖4）。 [align=center] 圖4 制漿造紙CIPS的三層體系結構[/align] 　　三層結構在功能劃分上雖仍有重疊，但各有側重： 　　1）ERP 控制的對象以企業的資金流為主，圍繞企業生產而進行的管理工作，包括供應、銷售、庫房、財務、人力、設備、綜合計劃及經營決策。 　　2）MES 作為CIPS的中心環節，在整個CIPS中起到承上啟下的作用。MES控制對象以企業的物流為主，主要完成生產計劃的調度與統計、生產過程成本控制、產品質量控制與管理、物料流控制與管理、設備安全控制與管理、生產數據采集與處理等工作。 　　3）PCS 聚焦于生產過程的設備，監控生產設備的運行狀況，控制整個生產過程。一般包括基礎自動化系統和過程自動化系統。 4 基于現場總線的造紙廠CIPS方案 　　本課題組與國內某大型造紙廠合作,根據該廠提出的各項技術經濟指標,以上述制漿造紙工業CIPS三層體系結構圖為基架,為該廠設計了一種基于Profibus現場總線的造紙廠CIPS方案。 　　4.1 造紙企業的網絡層次 　　綜合自動化是現代工業自動化的發展方向，在完整的企業網構架中，現場總線控制網絡模型應涉及從底層現場設備網絡到上層信息網絡數據傳輸過程。基于上述考慮，統一的現場總線控制網絡模型應具有三層結構（如圖5）所示，從底層向上依次為：過程控制層（PCS）、制造執行層（MES）、企業資源規劃層（ERP）。 [align=center] 圖5 基于Profibus現場總線的CIPS結構[/align] 　　（1）企業資源規劃層: 該層又稱為信息層。它是實現企業信息集成和管、控一體化的重要組成部分。它的網絡節點主要有高性能計算機、工作站、PC 機等，包括各類管理、計算用客戶機、服務器、數據庫等。其主要目的是在分布式網絡環境下構建一個安全的遠程監控系統。 　　（2）制造執行層：由擔任監控任務的工作站、PC 機、或控制器作為網絡節點構成的局域網段。負責從現場設備中獲取數據，完成各種控制、運行參數的監測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態的設計和下載。這一層處于以太網中，其關鍵技術是實現現場總線協議與以太網協議的轉換，保證數據包的正確解釋和傳輸。制造執行層除了上述功能外，還為實現先進控制和遠程操作優化提供支撐環境。例如實時數據庫，工藝流程監控、先進控制以及設備管理等。 　　（3）過程控制層：現場總線是將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互聯的實時控制通信網絡，又稱之為工廠的底層網絡 Infranet，遵循 ISO 的 OSI 開放互聯參考模型的全部或部分協議。這一層可能包含有基金會現場總線 FF 的 HI 網段，或 HART, Profibus, LonWorks 等網段，同種通信協議的網段可采用網橋、中繼器連接，各不同通信協議的網段之間則采用網關相連，或直接在操作站的計算機內交換信息。 　　以現場總線為基礎的過程控制層計算機網絡是企業信息集成的物質基礎和運行環境，是實現資源共享和作業分布處理的工具與工作環境。它的設計與實施直接影響整個CIPS系統的性能與功能。 　　4.2 基于Profibus現場總線的過程控制層 　　該部分以Profibus現場總線為網絡平臺（如圖5），以SIMATIC PCS7自動化系統為控制平臺，將企業所有過程高效率地、全范圍地集成到完整的企業環境中來，主要包括過程監控、先進控制、過程優化等。此外，質量、儲運、公用工程、環境監控等也是過程級控制管理的重要組成部分。具體實現為： 　　分散過程控制裝置 主要由S7-400 PLC自動化系統和分布式I/O組成，它不但可以完成復雜的控制任務，而且還可以作為一個系統部件通過網絡與操作員站OS和工程站ES相連接。分布式I/O模塊插入ET200M分布式I/O站內，通過Profibus-DP連接到中央單元。 　　操作員站（OS） 操作員站通過通信處理器與工廠級的工業以太網相連， 采用了世界通用的數據/接口標準，包括OPC、OCX、ODBC以及WEB訪問函數，即使是非常特殊的需求，PCS7中也能滿足。操作員通過上位機的Wincc對各個車間生產線進行監視和操作控制， WinCC人機界面軟件是各操作站操作控制和監控的基礎，可以保證數據的可靠性，它能使PC成為高效能的監控系統，其集成數據管理系統可以優化控制回路,并在調試過程中解決問題。 　　工程師站（ES） 工程師站（也稱為工程師系統）是由工程師根據上述制漿造紙工藝流程和各條生產線過程控制要求，為PCS7的操作員站、自動化系統以及分布式I/O提供全廠范圍的編程。它包括一個帶有Windows NT Workstation操作系統的SIMATIC RI45 Desktop工業PC，增加了OS控制系統軟件、OS工程軟件、S7/PMC、工程師工具集、“基本塊”庫和“技術塊”庫，用于Profibus或工業以太網的組態軟件，以及帶有驅動軟件的匹配接口模塊和與終端總線連接的接口。其通用的數據庫和相互兼容的工具在很大程度上防止了多重導入和可能的錯誤;使用工藝分級配置，工廠可以按照功能的不同進行組態;用戶只需處理所選擇的與過程任務一致的對象;使用來自CAE工具的工藝數據，使預先配置好的數據可以自動重復使用。 　　通訊系統 SIMATIC PCS7的通訊系統包括系統總線和現場總線。系統總線是系統的主干，用來連接過程控制系統（自動化系統AS、工程師站ES、操作員站OS）的所有部件，使它們之間能彼此通信。系統總線以工業以太網、Profibus或MPI為基礎;現場總線用于連接自動化系統和分布式I/O以及智能現場設備，使它們之間的數據以最小的安裝工作進行傳輸。 　　工廠過程分析系統可以通過工業標準接口OPC獲取數據。當WinCC服務器出現故障時,OPC通訊方式會自動切換,從而避免數據丟失。用ISDN專線連接自動化系統則能夠進行遠程診斷和遠程組態,確保工廠的穩定生產。 5 結束語 　　作為典型的流程工業，制漿造紙工業在整個國民經濟中具有重要的地位和作用，實現制漿造紙工業的綜合自動化，在提高它的經濟效益的同時降低它對環境的污染，對國家和社會具有重要意義。在制漿造紙工業CIPS中采用現場總線作為底層通信網絡，所節省的設備、材料、施工、維護等費用達40%以上。現場總線采用數字傳輸技術,數字信號抗干擾能力強,精度高,無需采用抗干擾和提高精度的措施,而且,由于采用通信總線的連續方式,節省了電纜用量60%以上。 　　我國制漿造紙工業CIPS的研究起步較晚，而國外一些研究成果和企業成功的CIPS模式尚不適合我大多數制漿造紙企業的實際情況，加之流程工業與離散制造工業代表著兩種不同的生產方式，這就決定了CIPS必定會有著一些與CIMS截然不同的特點，因此，針對我國制漿造紙工業企業數量多，規模小，產品品種少，技術含量低，污染嚴重的特點，研究一種適合我制漿造紙工業的CIPS，具有重要的意思。 參考文獻 　　[1]王孟效，孫瑜等.制漿造紙過程測控系統及工程[M].北京：化學工業出版社，2003，8 　　[2]劉鐵銘，熊剛等，現代制漿造紙工業的CIMS應用研究[J]，工業儀表與自動化裝置，2000（3）：3～6 　　[3]王凌,王雄.流程工業CIMS體系結構和生產執行系統[J]. 計算機工程與應用，2003（10）：16～18 　　[4]柴天佑,金以慧等.基于三層結構的流程工業現代集成制造系統[J].控制工程，2002，9（3）：3 　　[5]胡南江,王孟效等.基于造紙企業CIPS體系的研究[J].中國紙業，2005，26（12）：35～38 　　[6] 西門子公司全廠自動控制的新標準-SIMATIC PCS7. 中國造紙.，2001年第5期: 69