造紙工業過程自動控制系統的集成化信息平臺技術

高致富 張 鋒 周 信

(陜西科技大學輕工與能源學院，陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室，陜西西安，710021)

經濟全球化使企業面臨的市場競爭更加殘酷，節能降耗與產業結構調整等新政策的出臺使生產企業的生產規模與生產工藝不斷調整。這就要求企業的自動化方案具有更好的可擴展性和兼容性，方便處理復雜系統的故障，采用合理的成本，使自動化產品具有更長的生命周期。目前，已有部分自動化公司開發出工業過程自動化控制的集成化信息平臺，使企業生產成本降低，市場競爭中的優越性得到提高。另一方面，企業利用DCS、總線、PLC、智能傳感器與執行器等技術方案實現對生產現場過程的控制與網絡化監控，獲得豐富的生產信息，幫助生產管理人員有效地進行過程控制、質量與設備監測、故障診斷等［1］。

本課題以新一代自動化和信息系統平臺——MetsoDNA CR系統為代表，結合應用案例，介紹這一系統的用戶互動功能、自動工藝控制功能、安全的生命周期功能以及系統的硬件架構［2］，期望能為我國工業過程自動控制系統的集成化發展提供一定的參考。

1 功能簡介

1.1 用戶互動功能

用戶互動功能通過為用戶提供各種高效、直觀的操作、報告和分析工具 (包括 DNAuse、DNAhelp、DNAreport、DNAtracer和 My Community)，幫助用戶方便訪問到相同信息，實現系統間從生產現場到辦公室、從手持終端到大屏幕等各種形式的不間斷溝通。用戶互動功能為工藝流程提供了實際的窗口，使用戶可查看并參與生產工藝過程。用戶互動功能可以從基本操作擴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、維護和其他重要任務，提高企業績效。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航、鼠標點擊和拖放等，所選擇的相關信息的桌面窗口都可以很容易地進行排列、調整大小、平移，以及儲存所選定的畫面或整個桌面布局。

1.2 自動工藝控制功能

自動工藝控制功能可以為過程、設備、傳動、質量控制和設備運行狀況監測等環節的所有控制和優化提供最佳的方案。高效的ACN控制節點產品家族為各種控制提供了可靠的控制平臺和外部連接，支持分布式、集中式方案及到第三方系統的各種連接。眾多的現場接口和第三方接口可以將第三方系統中任何需要的部分移植到MetsoDNA CR中。這些控制節點支持新的ACN I/O及主要的現場總線 (如PROFIBUS、FF和AS-i)和標準鏈接 (如OPC、以太網和串行鏈接)，確保與第三方系統連接良好。利用一致而綜合全面的信息服務，創建一個統一的數據存儲和計算方案。甚至可以把這種方案集成到企業級的應用中，如工廠的ERP系統、CMMS及LIMS系統。

1.3 安全的生命周期功能

能夠適應未來的需要是決定自動化投資的一個決定性因素，安全的生命周期功能確保企業的自動化投資在將來也是安全的。工業級的安全性能是專為苛刻的實時生產環境而設計的，分層的安全方法為應對各種威脅提供安全的保障。這一功能提供了MetsoDNA CR平臺的維護方法和工具，實現了各種現場總線、現場設備壽命周期的管理以及網絡文檔的管理，為各種硬件元件提供了維修支持。現有系統的升級方式和兼容性是建立一個強大壽命周期管理的關鍵因素。軟件安全的生命周期概念指從原有的和目前的系統向未來的系統逐步升級的經濟途徑，適應未來的變化，延長產品的生命，有助于在整個工廠壽命周期使平臺的性能最大化。以MetsoDNA CR工廠資產管理為例，軟件安全的生命周期實現了現場設備、自動化系統和工藝設備的狀況監視，為泵、管線和控制回路等各種工廠資產提供積極主動的維護和狀態監視工具，預防不穩定性或累積的性能下降，幫助企業的自動化系統獲得更好的壽命周期。

2 系統結構與硬件

MetsoDNA CR系統提供了直觀的用戶互動、高可靠性的自動工藝控制和安全的生命周期管理功能，其實現需要與之對應的硬件架構，具體的硬件架構如圖1所示。

2.1 服務器節點

服務器節點分布于系統架構的各層，包括ACN PO工業級工作站、ACN AS工業級服務器、工作站、服務器、現場面板式PC、筆記本電腦、工業用筆記本電腦、網絡掌上電腦Nokia N810 Internet Tablet、監視器和鍵盤、KVM延長器、打印機等。

2.2 ACN控制節點

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

2.3 系統網絡

圖1 硬件架構

表1 三類ACN控制節點

圖2 模塊化組件的可擴展性

MetsoDNA CR系統網絡采用ACN交換機建立起來的冗余環網拓撲結構或星型拓撲結構的交換以太網，設備支持簡單網絡管理協議 (Simple Network Monitoring Protocol-SNMP)。具體包括辦公室網絡、工程設計和信息服務器網絡、冗余過程網絡、以太網網絡組件、遠程連接組件、無線網絡組件等。

2.4 現場總線網絡

MetsoDNA CR系統支持ACN I/O現場總線、PROFIBUS DP/PA、執行器-傳感器接口總線 (AS)及Foundation現場總線HSE/H1等方案。

2.5 電源

MetsoDNA CR系統中采用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)。系統配有備用電源單元，典型的供電時間為30 min，PC節點的UPS為可選項。

除此以外，MetsoDNA CR的硬件在物理尺寸及質量、功耗、防護等級、抗腐蝕等級、電磁兼容性、環境要求都有明確的設計規范。

3 系統特點

3.1 同一平臺

MetsoDNA CR系統可以在同一平臺下實現過程控制、傳動控制、機械設備控制、產品質量控制與優化、安全管理等涉及企業生產的各方面控制功能。在制漿、造紙和能源領域工藝不斷調整、改進的同時，企業及經營企業的組織機構都在不斷變化。Metso-DNA CR系統通過同一平臺的設計，具有可擴展性，將自動化和信息平臺從單一的控制器發展成為企業級的系統。

3.2 高可靠性

MetsoDNA CR系統采用工業級組件，先進的備件理念，冗余而穩定的網絡結構，從而保障了系統良好的可靠性。對以太網絡、PROFIBUS DP和 FF HSE、過程控制和網關節點、供電 (備份電池)、報警處理和歷史數據庫、容錯及緩沖的歷史數據收集、用戶互動節點、硬盤、I/O總線等內容進行了冗余設計。分層的安全方法保障了各級的安全性，方案包含所有元件的組態、強化及補丁，所有基于微軟Windows的節點均帶防病毒軟件保護。網絡設計遵循安全的網絡結構設計原則，包含MetsoDNA CR系統和辦公室網絡之間防火墻與可選的隔離區。安全連接方案通過安全通道進行訪問，如密碼和用戶識別。

3.3 規模靈活

MetsoDNA CR系統可滿足從基本控制到先進控制的各種需求，通過模塊化組件適應從最小到最大的不同方案，易于擴展 (見圖2)。基本的控制包括可靠測量、報警檢測、PID、電機及閥門控制、組啟動、順序控制等。當基本控制不能滿足應用時，可以在同一平臺中使用先進控制。這些控制可以通過先進復雜的工具和技術來實施，如模糊邏輯、神經網絡、Java程序及多變量控制等。

3.4 開放的標準通信

MetsoDNA CR系統是一個開放的網絡，可包含各種接口，與過程計算機、PLC和其他外部系統相兼容。通過標準鏈接，這些接口可與第三方系統實現良好連接，如OPC、以太網和串行鏈接。此外，它們也可支持各種不同硬件平臺的外部接口協議，與Metso早期的自動化系統 Damatic、Damatic XD和Damatic XDi實現全面互連。

3.5 信息服務

信息服務是基于以服務為導向的結構，所有的客戶工具都可以利用存儲的信息，這意味著對信息的分析不像以前傳統的客戶端服務器機構受到限制。DNA-data提供了Web服務的界面，使用戶可以對存儲的數據進行分析并生成各種報表。同樣DNAdata Web服務界面也可以被外部通過DNAdata企業方案來使用而無需特定客戶端的工具或驅動。DNAsiteHub企業應用集成方案給信息服務增加了可靠的消息功能，DNAdata作為它的一個數據源，使得MetsoDNA CR系統與企業系統無縫集成在一起成為可能，如企業的資源規劃和計算機維護管理系統。DNAsapAdapter是一個集成方案，它可以使得MetsoDNA CR系統和SAP之間直接進行信息交流，如將維護信息從DNA-diary直接轉移到SAP系統中，作為進一步處理故障的通知。總的來說，系統信息服務將各種過程接口、計算及數據庫合并到一個統一的方案中，將各種測量值、設定值、控制器輸出、設備狀況、質量數據、橫幅分布、報警、操作等儲存到歷史數據庫中，以滿足各類用戶對信息的合理查詢、操作等互動。

4 應用案例

Metsa-Botnia集團總排放監測和報告解決方案

Oy Metsa-Botnia Ab是生產優質漂白漿的林業公司，其制漿廠分布在芬蘭和烏拉圭。嚴格的環保政策限制與調整期的縮短，要求集團的廢氣排放控制系統需要更快的響應。手動數據控制已無法滿足當今的要求，需要選用集團總排放系統。Metso為其提供的方案集成所有制漿廠的工藝控制系統，在整個集團范圍內實施統一的在線排放監測和報告，對排放進行實時甚至是主動管理和預測。在“我的社區”網站門戶用戶界面，除了制漿廠數據顯示和報告，還包括DNAentry工具，用于手動輸入限制值、校準功能系數等信息。DNAtracer用于排放歷史數據分析。點擊顯示屏上的平均值，即可顯示詳細的歷史趨勢圖。無需安裝其他軟件，可由網頁瀏覽器進行管理，所有員工均可使用。系統在每座制漿廠均配備獨立的數據采集服務器，用于采集并處理本廠排放數據，各廠服務器又與主服務器連接，所有服務器由MetsoDNA CR Info平臺進行管理。這種結構使任何制漿廠均能查看其他制漿廠運營數據并進行比較，出現問題時能夠迅速響應，并與其他制漿廠同類情況進行比較，利于各制漿廠之間的溝通。一致的自動計算和報告程序改善了報告工作，提高了速度，排除了手動輸入中的人為失誤。所有制漿廠均連接中央報告系統，向上級報告生產中出現的所有排放情況［3］。

這種排放監控和報告設備還廣泛應用于其他大型燃燒工廠以及廢品焚燒和混合焚燒工廠。應用系統可集成在MetsoDNA CR系統自動化平臺中，也可用作獨立解決方案。

5 結語

為了滿足制漿、造紙、制造和能源企業始終存在生產工藝、規模、組織機構不斷變化的需要，MetsoDNA CR系統支持多種形式的用戶操作，在同一平臺中涵蓋了過程控制、工藝控制、設備控制、質量控制、傳動控制及設備運行狀態監控功能，系統的開放性使其具有更好的兼容性，易于改造升級，從而使系統具有理想的生命周期。在各領域的應用情況證明了MetsoDNA CR系統可以滿足企業未來自動控制方案的新要求。與此同時，該系統還可以幫助造紙企業降低生產成本，提高企業在市場的競爭力。因此，在造紙工業生產過程中自動控制系統的集成化信息平臺將是工業自動化發展的必然趨勢。

［1］ Metso to integrate the equipment status analysis technology to the metsoDNA CR automation system platform［J］．China Pulp ＆ Paper，2009，28(7):75．美卓將設備狀態分析技術整合于MetsoDNA CR自動化系統平臺［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