造紙工業(yè)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的集成化信息平臺(tái)技術(shù)

高致富 張 鋒 周 信

(陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021)

經(jīng)濟(jì)全球化使企業(yè)面臨的市場競爭更加殘酷，節(jié)能降耗與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等新政策的出臺(tái)使生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模與生產(chǎn)工藝不斷調(diào)整。這就要求企業(yè)的自動(dòng)化方案具有更好的可擴(kuò)展性和兼容性，方便處理復(fù)雜系統(tǒng)的故障，采用合理的成本，使自動(dòng)化產(chǎn)品具有更長的生命周期。目前，已有部分自動(dòng)化公司開發(fā)出工業(yè)過程自動(dòng)化控制的集成化信息平臺(tái)，使企業(yè)生產(chǎn)成本降低，市場競爭中的優(yōu)越性得到提高。另一方面，企業(yè)利用DCS、總線、PLC、智能傳感器與執(zhí)行器等技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場過程的控制與網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，獲得豐富的生產(chǎn)信息，幫助生產(chǎn)管理人員有效地進(jìn)行過程控制、質(zhì)量與設(shè)備監(jiān)測、故障診斷等［1］。

本課題以新一代自動(dòng)化和信息系統(tǒng)平臺(tái)——MetsoDNA CR系統(tǒng)為代表，結(jié)合應(yīng)用案例，介紹這一系統(tǒng)的用戶互動(dòng)功能、自動(dòng)工藝控制功能、安全的生命周期功能以及系統(tǒng)的硬件架構(gòu)［2］，期望能為我國工業(yè)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的集成化發(fā)展提供一定的參考。

1 功能簡介

1.1 用戶互動(dòng)功能

用戶互動(dòng)功能通過為用戶提供各種高效、直觀的操作、報(bào)告和分析工具 (包括 DNAuse、DNAhelp、DNAreport、DNAtracer和 My Community)，幫助用戶方便訪問到相同信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間從生產(chǎn)現(xiàn)場到辦公室、從手持終端到大屏幕等各種形式的不間斷溝通。用戶互動(dòng)功能為工藝流程提供了實(shí)際的窗口，使用戶可查看并參與生產(chǎn)工藝過程。用戶互動(dòng)功能可以從基本操作擴(kuò)展到大量信息的管理，為用戶提供有針對性的信息，從而支持生產(chǎn)、維護(hù)和其他重要任務(wù)，提高企業(yè)績效。簡易的DNAuse工具有助于正確決策，迅速地解決問題。所有簡單操作諸如畫面導(dǎo)航、鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖放等，所選擇的相關(guān)信息的桌面窗口都可以很容易地進(jìn)行排列、調(diào)整大小、平移，以及儲(chǔ)存所選定的畫面或整個(gè)桌面布局。

1.2 自動(dòng)工藝控制功能

自動(dòng)工藝控制功能可以為過程、設(shè)備、傳動(dòng)、質(zhì)量控制和設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測等環(huán)節(jié)的所有控制和優(yōu)化提供最佳的方案。高效的ACN控制節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品家族為各種控制提供了可靠的控制平臺(tái)和外部連接，支持分布式、集中式方案及到第三方系統(tǒng)的各種連接。眾多的現(xiàn)場接口和第三方接口可以將第三方系統(tǒng)中任何需要的部分移植到MetsoDNA CR中。這些控制節(jié)點(diǎn)支持新的ACN I/O及主要的現(xiàn)場總線 (如PROFIBUS、FF和AS-i)和標(biāo)準(zhǔn)鏈接 (如OPC、以太網(wǎng)和串行鏈接)，確保與第三方系統(tǒng)連接良好。利用一致而綜合全面的信息服務(wù)，創(chuàng)建一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算方案。甚至可以把這種方案集成到企業(yè)級(jí)的應(yīng)用中，如工廠的ERP系統(tǒng)、CMMS及LIMS系統(tǒng)。

1.3 安全的生命周期功能

能夠適應(yīng)未來的需要是決定自動(dòng)化投資的一個(gè)決定性因素，安全的生命周期功能確保企業(yè)的自動(dòng)化投資在將來也是安全的。工業(yè)級(jí)的安全性能是專為苛刻的實(shí)時(shí)生產(chǎn)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，分層的安全方法為應(yīng)對各種威脅提供安全的保障。這一功能提供了MetsoDNA CR平臺(tái)的維護(hù)方法和工具，實(shí)現(xiàn)了各種現(xiàn)場總線、現(xiàn)場設(shè)備壽命周期的管理以及網(wǎng)絡(luò)文檔的管理，為各種硬件元件提供了維修支持?，F(xiàn)有系統(tǒng)的升級(jí)方式和兼容性是建立一個(gè)強(qiáng)大壽命周期管理的關(guān)鍵因素。軟件安全的生命周期概念指從原有的和目前的系統(tǒng)向未來的系統(tǒng)逐步升級(jí)的經(jīng)濟(jì)途徑，適應(yīng)未來的變化，延長產(chǎn)品的生命，有助于在整個(gè)工廠壽命周期使平臺(tái)的性能最大化。以MetsoDNA CR工廠資產(chǎn)管理為例，軟件安全的生命周期實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)和工藝設(shè)備的狀況監(jiān)視，為泵、管線和控制回路等各種工廠資產(chǎn)提供積極主動(dòng)的維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)視工具，預(yù)防不穩(wěn)定性或累積的性能下降，幫助企業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)獲得更好的壽命周期。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件

MetsoDNA CR系統(tǒng)提供了直觀的用戶互動(dòng)、高可靠性的自動(dòng)工藝控制和安全的生命周期管理功能，其實(shí)現(xiàn)需要與之對應(yīng)的硬件架構(gòu)，具體的硬件架構(gòu)如圖1所示。

2.1 服務(wù)器節(jié)點(diǎn)

服務(wù)器節(jié)點(diǎn)分布于系統(tǒng)架構(gòu)的各層，包括ACN PO工業(yè)級(jí)工作站、ACN AS工業(yè)級(jí)服務(wù)器、工作站、服務(wù)器、現(xiàn)場面板式PC、筆記本電腦、工業(yè)用筆記本電腦、網(wǎng)絡(luò)掌上電腦Nokia N810 Internet Tablet、監(jiān)視器和鍵盤、KVM延長器、打印機(jī)等。

2.2 ACN控制節(jié)點(diǎn)

ACN過程控制節(jié)點(diǎn)有各種基本和高級(jí)控制，為快速的邏輯和各種計(jì)算提供了可靠的平臺(tái)，共有三種類型 (見表1)。連同ACN I/O及現(xiàn)場總線方案，具有低至20 ms的控制周期及良好擴(kuò)展性。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

圖1 硬件架構(gòu)

表1 三類ACN控制節(jié)點(diǎn)

圖2 模塊化組件的可擴(kuò)展性

MetsoDNA CR系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用ACN交換機(jī)建立起來的冗余環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交換以太網(wǎng)，設(shè)備支持簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議 (Simple Network Monitoring Protocol-SNMP)。具體包括辦公室網(wǎng)絡(luò)、工程設(shè)計(jì)和信息服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)、冗余過程網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組件、遠(yuǎn)程連接組件、無線網(wǎng)絡(luò)組件等。

2.4 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)

MetsoDNA CR系統(tǒng)支持ACN I/O現(xiàn)場總線、PROFIBUS DP/PA、執(zhí)行器-傳感器接口總線 (AS)及Foundation現(xiàn)場總線HSE/H1等方案。

2.5 電源

MetsoDNA CR系統(tǒng)中采用3類電源，分別是400VAC(+6， －10%)，47～63 Hz;120/230VAC(+6， －10%)，47～63 Hz;24 VDC(18～32 VDC)。系統(tǒng)配有備用電源單元，典型的供電時(shí)間為30 min，PC節(jié)點(diǎn)的UPS為可選項(xiàng)。

除此以外，MetsoDNA CR的硬件在物理尺寸及質(zhì)量、功耗、防護(hù)等級(jí)、抗腐蝕等級(jí)、電磁兼容性、環(huán)境要求都有明確的設(shè)計(jì)規(guī)范。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 同一平臺(tái)

MetsoDNA CR系統(tǒng)可以在同一平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)過程控制、傳動(dòng)控制、機(jī)械設(shè)備控制、產(chǎn)品質(zhì)量控制與優(yōu)化、安全管理等涉及企業(yè)生產(chǎn)的各方面控制功能。在制漿、造紙和能源領(lǐng)域工藝不斷調(diào)整、改進(jìn)的同時(shí)，企業(yè)及經(jīng)營企業(yè)的組織機(jī)構(gòu)都在不斷變化。Metso-DNA CR系統(tǒng)通過同一平臺(tái)的設(shè)計(jì)，具有可擴(kuò)展性，將自動(dòng)化和信息平臺(tái)從單一的控制器發(fā)展成為企業(yè)級(jí)的系統(tǒng)。

3.2 高可靠性

MetsoDNA CR系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)組件，先進(jìn)的備件理念，冗余而穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而保障了系統(tǒng)良好的可靠性。對以太網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUS DP和 FF HSE、過程控制和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、供電 (備份電池)、報(bào)警處理和歷史數(shù)據(jù)庫、容錯(cuò)及緩沖的歷史數(shù)據(jù)收集、用戶互動(dòng)節(jié)點(diǎn)、硬盤、I/O總線等內(nèi)容進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)。分層的安全方法保障了各級(jí)的安全性，方案包含所有元件的組態(tài)、強(qiáng)化及補(bǔ)丁，所有基于微軟Windows的節(jié)點(diǎn)均帶防病毒軟件保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)遵循安全的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，包含MetsoDNA CR系統(tǒng)和辦公室網(wǎng)絡(luò)之間防火墻與可選的隔離區(qū)。安全連接方案通過安全通道進(jìn)行訪問，如密碼和用戶識(shí)別。

3.3 規(guī)模靈活

MetsoDNA CR系統(tǒng)可滿足從基本控制到先進(jìn)控制的各種需求，通過模塊化組件適應(yīng)從最小到最大的不同方案，易于擴(kuò)展 (見圖2)。基本的控制包括可靠測量、報(bào)警檢測、PID、電機(jī)及閥門控制、組啟動(dòng)、順序控制等。當(dāng)基本控制不能滿足應(yīng)用時(shí)，可以在同一平臺(tái)中使用先進(jìn)控制。這些控制可以通過先進(jìn)復(fù)雜的工具和技術(shù)來實(shí)施，如模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Java程序及多變量控制等。

3.4 開放的標(biāo)準(zhǔn)通信

MetsoDNA CR系統(tǒng)是一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò)，可包含各種接口，與過程計(jì)算機(jī)、PLC和其他外部系統(tǒng)相兼容。通過標(biāo)準(zhǔn)鏈接，這些接口可與第三方系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良好連接，如OPC、以太網(wǎng)和串行鏈接。此外，它們也可支持各種不同硬件平臺(tái)的外部接口協(xié)議，與Metso早期的自動(dòng)化系統(tǒng) Damatic、Damatic XD和Damatic XDi實(shí)現(xiàn)全面互連。

3.5 信息服務(wù)

信息服務(wù)是基于以服務(wù)為導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)，所有的客戶工具都可以利用存儲(chǔ)的信息，這意味著對信息的分析不像以前傳統(tǒng)的客戶端服務(wù)器機(jī)構(gòu)受到限制。DNA-data提供了Web服務(wù)的界面，使用戶可以對存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并生成各種報(bào)表。同樣DNAdata Web服務(wù)界面也可以被外部通過DNAdata企業(yè)方案來使用而無需特定客戶端的工具或驅(qū)動(dòng)。DNAsiteHub企業(yè)應(yīng)用集成方案給信息服務(wù)增加了可靠的消息功能，DNAdata作為它的一個(gè)數(shù)據(jù)源，使得MetsoDNA CR系統(tǒng)與企業(yè)系統(tǒng)無縫集成在一起成為可能，如企業(yè)的資源規(guī)劃和計(jì)算機(jī)維護(hù)管理系統(tǒng)。DNAsapAdapter是一個(gè)集成方案，它可以使得MetsoDNA CR系統(tǒng)和SAP之間直接進(jìn)行信息交流，如將維護(hù)信息從DNA-diary直接轉(zhuǎn)移到SAP系統(tǒng)中，作為進(jìn)一步處理故障的通知。總的來說，系統(tǒng)信息服務(wù)將各種過程接口、計(jì)算及數(shù)據(jù)庫合并到一個(gè)統(tǒng)一的方案中，將各種測量值、設(shè)定值、控制器輸出、設(shè)備狀況、質(zhì)量數(shù)據(jù)、橫幅分布、報(bào)警、操作等儲(chǔ)存到歷史數(shù)據(jù)庫中，以滿足各類用戶對信息的合理查詢、操作等互動(dòng)。

4 應(yīng)用案例

Metsa-Botnia集團(tuán)總排放監(jiān)測和報(bào)告解決方案

Oy Metsa-Botnia Ab是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)漂白漿的林業(yè)公司，其制漿廠分布在芬蘭和烏拉圭。嚴(yán)格的環(huán)保政策限制與調(diào)整期的縮短，要求集團(tuán)的廢氣排放控制系統(tǒng)需要更快的響應(yīng)。手動(dòng)數(shù)據(jù)控制已無法滿足當(dāng)今的要求，需要選用集團(tuán)總排放系統(tǒng)。Metso為其提供的方案集成所有制漿廠的工藝控制系統(tǒng)，在整個(gè)集團(tuán)范圍內(nèi)實(shí)施統(tǒng)一的在線排放監(jiān)測和報(bào)告，對排放進(jìn)行實(shí)時(shí)甚至是主動(dòng)管理和預(yù)測。在“我的社區(qū)”網(wǎng)站門戶用戶界面，除了制漿廠數(shù)據(jù)顯示和報(bào)告，還包括DNAentry工具，用于手動(dòng)輸入限制值、校準(zhǔn)功能系數(shù)等信息。DNAtracer用于排放歷史數(shù)據(jù)分析。點(diǎn)擊顯示屏上的平均值，即可顯示詳細(xì)的歷史趨勢圖。無需安裝其他軟件，可由網(wǎng)頁瀏覽器進(jìn)行管理，所有員工均可使用。系統(tǒng)在每座制漿廠均配備獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，用于采集并處理本廠排放數(shù)據(jù)，各廠服務(wù)器又與主服務(wù)器連接，所有服務(wù)器由MetsoDNA CR Info平臺(tái)進(jìn)行管理。這種結(jié)構(gòu)使任何制漿廠均能查看其他制漿廠運(yùn)營數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較，出現(xiàn)問題時(shí)能夠迅速響應(yīng)，并與其他制漿廠同類情況進(jìn)行比較，利于各制漿廠之間的溝通。一致的自動(dòng)計(jì)算和報(bào)告程序改善了報(bào)告工作，提高了速度，排除了手動(dòng)輸入中的人為失誤。所有制漿廠均連接中央報(bào)告系統(tǒng)，向上級(jí)報(bào)告生產(chǎn)中出現(xiàn)的所有排放情況［3］。

這種排放監(jiān)控和報(bào)告設(shè)備還廣泛應(yīng)用于其他大型燃燒工廠以及廢品焚燒和混合焚燒工廠。應(yīng)用系統(tǒng)可集成在MetsoDNA CR系統(tǒng)自動(dòng)化平臺(tái)中，也可用作獨(dú)立解決方案。

5 結(jié)語

為了滿足制漿、造紙、制造和能源企業(yè)始終存在生產(chǎn)工藝、規(guī)模、組織機(jī)構(gòu)不斷變化的需要，MetsoDNA CR系統(tǒng)支持多種形式的用戶操作，在同一平臺(tái)中涵蓋了過程控制、工藝控制、設(shè)備控制、質(zhì)量控制、傳動(dòng)控制及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控功能，系統(tǒng)的開放性使其具有更好的兼容性，易于改造升級(jí)，從而使系統(tǒng)具有理想的生命周期。在各領(lǐng)域的應(yīng)用情況證明了MetsoDNA CR系統(tǒng)可以滿足企業(yè)未來自動(dòng)控制方案的新要求。與此同時(shí)，該系統(tǒng)還可以幫助造紙企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)在市場的競爭力。因此，在造紙工業(yè)生產(chǎn)過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的集成化信息平臺(tái)將是工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢。

［1］ Metso to integrate the equipment status analysis technology to the metsoDNA CR automation system platform［J］．China Pulp ＆ Paper，2009，28(7):75．美卓將設(shè)備狀態(tài)分析技術(shù)整合于MetsoDNA CR自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)［J］．中國造紙，2009，28(7):75．

［2］ Jaakko Oksanen．MetsoDNA CR Life cycle approach［J］．Metso Automation，2010(3):1．

［3］ Jaakko Oksanen．A new generation of MetsoDNA CR lead to better performance［J］．Fiber ＆ Paper，2006(9):66．Jaakko Oksanen．新一代的MetsoDNA CR帶來更好的績效［J］．卓越制漿造紙，2006(9):66． CPP