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(yè)生產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)技術的新哲理。

CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）是基于CIM哲理而組成的系統(tǒng)，即它是通過計算機硬軟件，并綜合運用現(xiàn)代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術，將企業(yè)生產(chǎn)全部過程中有關的人、技術、經(jīng)營管理三要素及其信息流與物質流有機集成并優(yōu)化運行的復雜大系統(tǒng)。這一定義是針對離散型工業(yè)而言，其實以石化、化工、冶金、能源、造紙為代表的流程工業(yè)也在向CIMS方向發(fā)展。把CIMS概念擴展至流程工業(yè)，即形成了流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)CIPS（Computer Integrated Process System）概念，也可稱為流程工業(yè)計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS in process industry）。

流程工業(yè)集成自動化大致經(jīng)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(shù)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(yōu)化階段;（5）流程工業(yè)綜合自動化（CIPS）階段。集成化分散控制系統(tǒng)向信息管理系統(tǒng)及計算機網(wǎng)絡控制方向擴展，將過程控制和信息管理系統(tǒng)緊密結合起來，便構成了計算機集成過程系統(tǒng)（CIPS）。90年代開始將生產(chǎn)調度、計劃優(yōu)化、經(jīng)營管理與決策等引入計算機控制系統(tǒng)，使市場意識與優(yōu)化控制相結合，促使計算機控制系統(tǒng)走向更加完善的CIPS階段，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益與技術進步?？梢姡珻IPS是流程工業(yè)自動化發(fā)展的必然趨勢。

2、 制漿造紙工業(yè)生產(chǎn)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?shù)仍旒堅辖?jīng)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(jīng)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(jīng)過CEH三段連續(xù)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(guī)定濃度的紙漿，再與明礬等填料混合，經(jīng)調漿箱、除砂器、穩(wěn)漿箱和流漿箱上網(wǎng)，再經(jīng)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(yè)屬于少品種、大批量的連續(xù)型生產(chǎn)方式，另外，制漿造紙業(yè)是造成環(huán)境污染最嚴重的行業(yè)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(yè)的市場應變能力、適應激烈的市場競爭，保證生產(chǎn)過程的連續(xù)、穩(wěn)定、優(yōu)質和安全，還要在生產(chǎn)的過程中盡可能的減少污染、降低消耗、保護環(huán)境，這就需要將現(xiàn)代管理技術、生產(chǎn)技術、信息技術、自動化技術和系統(tǒng)工程技術有效地集成起來，也就是需要在流程工業(yè)CIPS理論的指導下，針對制漿造紙企業(yè)的生產(chǎn)特點，研究制漿造紙企業(yè)CIPS結構和實施方法。

3、 制漿造紙工業(yè)CIPS的三層體系結構

流程工業(yè)CIPS的體系結構

流程工業(yè)CIPS的理論和技術經(jīng)過多年的研究發(fā)展，特別是經(jīng)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(yè)CIPS自上而下從功能上被分為了經(jīng)營決策、企業(yè)管理、生產(chǎn)調度、過程監(jiān)控和過程控制5個層次，將管理過程和生產(chǎn)過程明顯分開。但在其網(wǎng)絡信息系統(tǒng)的設計和應用實踐中，如何處理既有生產(chǎn)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(yè)CIPS研究與開發(fā)過程中混亂和標準的難以統(tǒng)一。ERP\MES\PCS 3層結構將流程工業(yè)系統(tǒng)分為以財務分析/決策為核心的企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）和以優(yōu)化管理、以優(yōu)化運行為核心的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和設備綜合控制為核心的過程控制系統(tǒng)（PCS）。這一結構較好地解決了企業(yè)管理和生產(chǎn)中一些共性的問題，也為管理和控制鏈接中各企業(yè)的個性問題提供了解決方法。

3.2制漿造紙工業(yè)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(yè)中，形成制漿造紙工業(yè)CIPS的三層體系結構（如圖4）。

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(yè)的資金流為主，圍繞企業(yè)生產(chǎn)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(jīng)營決策。

2）MES 作為CIPS的中心環(huán)節(jié)，在整個CIPS中起到承上啟下的作用。MES控制對象以企業(yè)的物流為主，主要完成生產(chǎn)計劃的調度與統(tǒng)計、生產(chǎn)過程成本控制、產(chǎn)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(chǎn)數(shù)據(jù)采集與處理等工作。

3）PCS 聚焦于生產(chǎn)過程的設備，監(jiān)控生產(chǎn)設備的運行狀況，控制整個生產(chǎn)過程。一般包括基礎自動化系統(tǒng)和過程自動化系統(tǒng)。

4 、基于現(xiàn)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(jù)該廠提出的各項技術經(jīng)濟指標，以上述制漿造紙工業(yè)CIPS三層體系結構圖為基架，為該廠設計了一種基于Profibus現(xiàn)場總線的造紙廠CIPS方案。

4.1 造紙企業(yè)的網(wǎng)絡層次

綜合自動化是現(xiàn)代工業(yè)自動化的發(fā)展方向，在完整的企業(yè)網(wǎng)構架中，現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型應涉及從底層現(xiàn)場設備網(wǎng)絡到上層信息網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程。基于上述考慮，統(tǒng)一的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)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(zhí)行層（MES）、企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP）。

（1）企業(yè)資源規(guī)劃層： 該層又稱為信息層。它是實現(xiàn)企業(yè)信息集成和管、控一體化的重要組成部分。它的網(wǎng)絡節(jié)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(shù)據(jù)庫等。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡環(huán)境下構建一個安全的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）制造執(zhí)行層：由擔任監(jiān)控任務的工作站、PC 機、或控制器作為網(wǎng)絡節(jié)點構成的局域網(wǎng)段。負責從現(xiàn)場設備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設計和下載。這一層處于以太網(wǎng)中，其關鍵技術是實現(xiàn)現(xiàn)場總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉換，保證數(shù)據(jù)包的正確解釋和傳輸。制造執(zhí)行層除了上述功能外，還為實現(xiàn)先進控制和遠程操作優(yōu)化提供支撐環(huán)境。例如實時數(shù)據(jù)庫，工藝流程監(jiān)控、先進控制以及設備管理等。

（3）過程控制層：現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互聯(lián)的實時控制通信網(wǎng)絡，又稱之為工廠的底層網(wǎng)絡 Infranet，遵循 ISO 的 OSI 開放互聯(lián)參考模型的全部或部分協(xié)議。這一層可能包含有基金會現(xiàn)場總線 FF 的 HI 網(wǎng)段，或 HART， Profibus， LonWorks 等網(wǎng)段，同種通信協(xié)議的網(wǎng)段可采用網(wǎng)橋、中繼器連接，各不同通信協(xié)議的網(wǎng)段之間則采用網(wǎng)關相連，或直接在操作站的計算機內交換信息。

以現(xiàn)場總線為基礎的過程控制層計算機網(wǎng)絡是企業(yè)信息集成的物質基礎和運行環(huán)境，是實現(xiàn)資源共享和作業(yè)分布處理的工具與工作環(huán)境。它的設計與實施直接影響整個CIPS系統(tǒng)的性能與功能。

4.2 基于Profibus現(xiàn)場總線的過程控制層

該部分以Profibus現(xiàn)場總線為網(wǎng)絡平臺，以SIMATIC PCS7自動化系統(tǒng)為控制平臺，將企業(yè)所有過程高效率地、全范圍地集成到完整的企業(yè)環(huán)境中來，主要包括過程監(jiān)控、先進控制、過程優(yōu)化等。此外，質量、儲運、公用工程、環(huán)境監(jiān)控等也是過程級控制管理的重要組成部分。具體實現(xiàn)為：

分散過程控制裝置 主要由S7-400 PLC自動化系統(tǒng)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(tǒng)部件通過網(wǎng)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(yè)以太網(wǎng)相連， 采用了世界通用的數(shù)據(jù)/接口標準，包括OPC、OCX、ODBC以及WEB訪問函數(shù)，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(chǎn)線進行監(jiān)視和操作控制， WinCC人機界面軟件是各操作站操作控制和監(jiān)控的基礎，可以保證數(shù)據(jù)的可靠性，它能使PC成為高效能的監(jiān)控系統(tǒng)，其集成數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以優(yōu)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(tǒng)）是由工程師根據(jù)上述制漿造紙工藝流程和各條生產(chǎn)線過程控制要求，為PCS7的操作員站、自動化系統(tǒng)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(tǒng)的SIMATIC RI45 Desktop工業(yè)PC，增加了OS控制系統(tǒng)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(yè)以太網(wǎng)的組態(tài)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(shù)據(jù)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(tài);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(shù)據(jù)，使預先配置好的數(shù)據(jù)可以自動重復使用。

通訊系統(tǒng) SIMATIC PCS7的通訊系統(tǒng)包括系統(tǒng)總線和現(xiàn)場總線。系統(tǒng)總線是系統(tǒng)的主干，用來連接過程控制系統(tǒng)（自動化系統(tǒng)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(tǒng)總線以工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus或MPI為基礎;現(xiàn)場總線用于連接自動化系統(tǒng)和分布式I/O以及智能現(xiàn)場設備，使它們之間的數(shù)據(jù)以最小的安裝工作進行傳輸。

工廠過程分析系統(tǒng)可以通過工業(yè)標準接口OPC獲取數(shù)據(jù)。當WinCC服務器出現(xiàn)故障時，OPC通訊方式會自動切換，從而避免數(shù)據(jù)丟失。用ISDN專線連接自動化系統(tǒng)則能夠進行遠程診斷和遠程組態(tài)，確保工廠的穩(wěn)定生產(chǎn)。

5 、結束語

作為典型的流程工業(yè)，制漿造紙工業(yè)在整個國民經(jīng)濟中具有重要的地位和作用，實現(xiàn)制漿造紙工業(yè)的綜合自動化，在提高它的經(jīng)濟效益的同時降低它對環(huán)境的污染，對國家和社會具有重要意義。在制漿造紙工業(yè)CIPS中采用現(xiàn)場總線作為底層通信網(wǎng)絡，所節(jié)省的設備、材料、施工、維護等費用達40%以上?，F(xiàn)場總線采用數(shù)字傳輸技術，數(shù)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(xù)方式，節(jié)省了電纜用量60%以上。

我國制漿造紙工業(yè)CIPS的研究起步較晚，而國外一些研究成果和企業(yè)成功的CIPS模式尚不適合我大多數(shù)制漿造紙企業(yè)的實際情況，加之流程工業(yè)與離散制造工業(yè)代表著兩種不同的生產(chǎn)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(yè)企業(yè)數(shù)量多，規(guī)模小，產(chǎn)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(yè)的CIPS，具有重要的意思。

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