1 造纸工业CIPS的三层结构体系

　　1.1 概述

　　CIM技术是基于管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术的一门综合型技术，是一种组织、管理和运行现代制造类企业的理念，而CIMS(Computer Integrated Manufacturing System，计算机集成制造系统)ail是CIM利用计算机集成技术的具体实现，它是信息时代的一种新型生产制造模式。CIMS最早是针对离散型制造业的，而离散型制造业的生产特点点与流程型制造业、混合型制造业有很大的不同，于是出现了从CIMS演变而来的针对流程型制造企业的CIPS(Computer Integrated Process System，计算机集成过程系统)，成为最适合造纸业这类流程性企业的生产过程自动控制及信息管理系统。如表1简单比较了CIMS与CIPS的区别。

　　表1 CIMS与CIPS的比较

　　造纸企业CIPS分为三层结构，即ERP(Enterprise Resource Planning)企业资源管理系统、MES(Manufacturing Execution Systems)制造执行系统、PCS(Process Control System)过程控制系统，简称为计划层/执行层/控制层或管理层/生产层/控制层，如图1。三层结构在功能划分上虽有重叠，但各有侧重。PCS层注重设备监控(如采用现场总线技术则设备故障诊断信息更丰富)，是以产品(如纸辊)的质量、数量和满足工艺要求为目标、以设备综合管理控制为核心的技术；MES层强调计划的执行，注重设备管理，是以生产综合指标为目标的生产过程优化控制、生产运行优化操作与优化管理的技术；ERP层强调企业的计划性，注重生产计划、调度、成本、物流等方面，是以财务分析/决策为核心的整体资源优化的技术。数据的应用上也与此类似。造纸企业只有通过这种互相交联的PCS、MES及ERP三大系统组成的综合自动化体系结构，在控制技术、计算技术和优化技术的推进下实现三大系统的综合集成，才能真正完成信息的综合应用，实现管控体化。一个完整的、能够引导企业保持长期的业务利益和价值的信自、系统，必须是ERP、MES和PCS二者协同作用的整合。当然在实际信息化建设中，不同性质的企业，对这三层的重点井非一致，就造纸企业而言，由于最下层的过程控制方面已经有了成熟的自控技术，所以一般以实施MES或ERP为中心。

　　图1 CIPS的三层体系结构

　　1.2 造纸企业PCS层的建设

　　对于最基层的PCS层，是对生产的工艺过程进行有效、高精度、高水平的自动控制，以确保产品的质量、成本、交货期，使之在市场有很强的竞争力。其主要完成对制浆造纸生产上艺过程的控制，包括过程检测、软测量、仪表控制、电气控制和执行机构(包括各种信号转换、驱动控制设备)。由干从制桨造纸过程到碱回收过程的生产都是连续的，因此强调生产过程的整体性；又由于造纸的整个生产过程伴随着恶劣的生产条件，并且设备中祸合复杂，所以对PCS层的故障诊断技术也提出了更高的要求；而且为了实现一些造纸过程中比较难测量但又比较重要的参数的软测量，比如黑液波美度在线软测量，对PCS层的数据采集分析也提出了更高的要求。由于许多造纸企业很早就已经采用DCS等自控技术，这一层的技术应用比较成熟，现在许多造纸企业所欠缺的是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁——MES层。

　　1.3 造纸企业MES层的建设

　　尽管不像ERP那样为公众所熟知，MES同样是制造业信息化，特别是造纸企业这类流程工业自动化的核心技术。MESA国际联合会对MES的定义是：“MES能通过信息的传递对从生产命令下发到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工{一中有实时事件发生时，MES能及时对这些事件做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行约束和处理。”(如图2)MES在企业计划管理和车间生产控制之间架起了一座信息沟通和管理的桥梁，其主要功能是负责生产管理和调度执行，主要目的是用来解决整体优化中生产计划与生产过程的脱节问题——这一问题长期以来不仅直接影响造纸企业的生产效率，而且成为制约其实现企业内部信息集成和企业之间供应链优化的瓶颈。在集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能的基础上，MES为控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源，提供了一个统一平台，对提高企业生产效率、提高产品质量、降低消耗具有重要的作用。

　　图2 ISA-95定义的标准MES解决方案

　　具体来说，MES层是以实现生产综合指标的三优即优化运行、优化控制、优化管理为目标的，具有承上启下、下情上传、运筹调度的中枢作用的系统，实现生产调度、物料跟踪、生产过程资源配置管理、质量管理、流程模拟以及生产过程系统数据的采集、模型计算及过程优化等功能，亦即基础数据处理平台。许多造纸企业都拥有了底层的生产控制系统，更有不少企业实施了ERP系统，但是在管理层和控制层之间仍缺乏联系，MES正好能填补这一空白，以实现管控一体化。MES是一整套及时传递与生产相关的信息，并使从接收订单到完成成品的一系列生产活动得以优化的系统。MES是以软件为基础，以网络环境下的实时数据库和历史数据库作为支撑，采用客户机/服务器体系结构和面向对象的设计方法，实现产品全生命周期的信息管理，达到上面计划层和下面控制层之间的信息集线器的作用。

　　但是很多造纸企业并未意识到MES层的重要作用，往往肯投巨资进行PCS或者ERP的建设，却忽略了MES层。但是根据MES在国外造纸企业应用的实际情况，使用MES所带来的效益是相当可观的，一般可减少5%-10%生产周期时间，降低5%左右的生产成本，提高5%-10%的纸品质量，并能显著减少数据输入时间。对于造纸企业这类面向过程工业的ERP，脱离MES将无法根据市场需求取组织、管理和优化生产，要使企业信息技术网络的投资迅速取得回报，从MES如手是一种明智的选择。在欧美地区的发达国家中，MES应用比较广泛且成功，但是在国内真正成功应用MES系统的企业还不多。

　　目前国内外有许多著名的MES软件产品，如：Sicmcns的SIMATIC  IT Framcwork、Rockwell Automation的RSBizWare, Wonderware的InTrack等，他们基本上代表了国内外在MES技术上的最高水平，但是这些软件产品也并不是适合所有行业的，而且MES这种应用干工厂的动态的IT解决方案，经常因产品、流程以及新老产品的产出比例发生变化而不断的改变如图3。所以对于规模不同、生产的主要纸品不同的造纸企业应该以满足使用且投资比较经济为出发点，即以能提高产品的质量，尽快地占领市场，为企业创造效益为准则，而不应该简单地选择大或者功能全的软件。

　　图3 基于Simatic IT的MES解决方案

　　1.4 造纸企业ERP的建设

　　CIPS的最高层ERP层主要由决策计划、经营管理、生产调度系统组成，这些系统在计算机网络系统、数据库系统的支持下，集成经营决策层所需要的信息。决策信息主要来自三个方面，即上级政策及指令、市场信息(包括木材麦草等原材料、成品纸的价格及市场供需情况等)、生产动态信息和企业生产/经营综合信白、等。在提供较为完备的集成决策信息的基础上，通过辅助决策支持系统，给决策者提供决策支持，即对企业重大经营战略、规划、计划指令进行决策分析，提出方案供决策者选择。在决策支持系统的支持下，形成企业的经营决策，包括企业的中长期发展决策、企业年度生产/经营决策和企业超短期决策。从而达到加强企业基础数据管理，改进企业管理的信息服务，提高企业的管理水平，加速原料、成品的储运周转，加快资金的流动，从而提高企业的劳动生产率和综合经济效益。该层设立的数据库为关系数据库，采用Client/Server模式。

　　根据造纸行业的特点，对ERP系统要做一定的调整。造纸企业生产和流程的复杂性决定了其对ERP个性化需求的表现更为突出。ERP系统要能有效地实现造纸行业的原料采购、库存管理、条码管理、订单排产、生产管理、质量管理、销售管理、发运管理、客户投诉管理、成本核算及财务分析并支持造纸行业特有的分销业务的管理。而且造纸企业ERP的重点一般是物流管理，所以对于原材料、成品质量以及质量的可追溯性有非常强的管理要求，往往需要从产成品到半成品、原料供应商等进行追踪，则ERP系统必须可以有效辅助企业追踪质量责仟，提供强大的质量管理、跟踪功能，能够让企业从成品向原料方向的反查。总之，对于造纸企业，要判断一个ERP系统在建成后是否有效，只要看通过企业信息化改造，是否能在降成本、提质量、增效益上产生了显著的效应。

　　一个制浆造纸企业，其规模大小、复杂程度差别很大，对于大型企业甚至有相隔几公里的分厂，其本身就是非常复杂的流程企业。以太网是当今信息、网络领域应用最为广泛的局域网。流程企业控制领域需要一种高速价廉、实时性强、开放性好、可靠性高的网络。工业以太网络中，现场设备与交换机端口采用全双工通信线路，交换机内部实现了多对端口之间的并行交换，这样，彻底摆脱了CSMA/CD的限制，提高了信息、传递的确定性和实时性。交换式以太网具有传输带宽高、网络容量大、组网方便等优点，同时，还支持虚拟网络，从而降低组网成本并提高网络灵活性。以太网电缆由早期的粗铜轴电缆发展到现在的双绞线电缆和光缆，大大提高了网络的传输速度和抗千扰的能力，同时成本也大大降低了。造纸企业的数据库是对整个造纸过程的生产工艺参数、报警、报表的及时采集记录、存储，并为服务器处理工作站的数据存储、查询、统计和分析提供依据。还应具备特殊数据系统管理、数据备份、数据迁移、安全管制等功能。国内纸厂的监控系统基木上都在WINDOWS 2000上运行，即采用CLIENT/SERVER(C/S)下运行模式，通常为SQL2000数据库软件。数据库在监控系统中扮演“服务器”的角色。作为监控系统的重要组成部分一一数据库要为小同的应用系统服务，可能工作在不同的网络平台上，数据格式多种多样，要方便地进行数据转换，要定期对海样的各类数据进行纠错处理，保证数据完整性并及时传导到别的数据库中保存。只有建立基于WEB方式的工业控制自动化数据库系统的强大的技术能力，才能使广域网络监控系统具有强大的生命力。实际上，造纸企业广域网络的远程监控，利用互联网(INTER NET)技术就非常简化了。总公司级和所有厂站级监控都是用以太网(ETHERNET)组成的局域网(LAN)，都遵循TCP/IP通信协议。基于TCP/IP协议的以太网贯穿于公司系统各职能管理部门到每个厂站级的各个层次、数以万件的现场设备，可极快地直接通信、实现企业控制、管理信急的无缝集成。

　　2 造纸企业CIPS计算机网络的建设

　　2.1 CIPS计算机网络

　　对于造纸企业CIPS网络，可以分为生产控制层、基于环型的生产过程运行优化层和基千标准办公以太网的生产管理层。如图4所示。

　　图4 基于Protibus现场总线的CIPS计算机网络

　　最底层的生产控制层对应着C1PS体系中的PCS层，它是基干Profibus的现场总线网络控制机构。通过DP/PA-Link将传感器送来的模拟信号如温度、压力或流量等转换成数字信号送给PLC，把运算得到的控制量转换成合适的电信号送给执行机构，从IfIJ实现重要参数的控制。此外，还可以将各种必要的数据以网络变量的形式送给现场监控计算机，存入实时数据库，这些实时数据为软测量、高级控制、过程在线优化、生产调度和计划等提供了充分的信息。

　　中层的生产过程运行优化层对应着CIPS体系中的MES层，它是由基于工业以太网的监控计算机、冗余监控计算机、软测量计算机及故障诊断计算机等组成并融合了PDM、PDP等数据库管理技术。

　　位于整个网络顶层的是基于标准办公以太网的生产管理层，它对应着CIYS体系中的ERY层，采用TCP/IP协议。远程主机可通过Internet网访问CIPS网络，也可通过拨号上网来访问。

　　2.2 CIPS计算机网络的特点

　　(1)网络规模应当能覆盖整个企业，一般应是异构的、异种机型和异种操作系统的网络。考虑到CTPS既面向控制又面向管理，因此，CIPS网络的底层应是现场总线网络，上层采用以太网。

　　(2)网络应能支持企业内部的各种活动，即包括生产、管理和控制。网络应能支持不同类型网络服务，采用不同的通信协议和不同的通信平台。

　　(3)网络涉及的机型不同，控制方面要求用PLC和工控机，数据存储和处理要求其它小型机或者高性能微机，因此，网络可能涉及多种类型的计算机和操作系统。

　　(4)网络实时性要求。除了支持一般的文件传输、虚拟终端、电子邮件等服务，还应当能与现场控制设备交换数据和指令。实时性要求差异很大，如办公自动化对实时性要求不高，但数据量很大；控制方面虽然数据量小，但要求响应速度较高。

　　(5)网络的可扩展性。CIPS属于企业行为，而企业本身常常处于发展和变化之中，因此，CIPS网络应具有相当的灵活性、可扩展性和开放性。

　　3 结束语

　　有关资料表明，根据原有条件的不同，在制浆造纸厂应用CIPS系统的投资回报期约为2年，产量可增加1%-15%，质量提高5%-25%，成本减少1%-10% ,污染负荷减少0%-50%。近年来，为实现企业综合自动化而提出的ERP/MES/PCS三层结构体系是当今世界自动化技术的发展趋势，CIPS技术可以帮助企业实现综合信息管理，降低原材料与能量消耗，降低成本，提高产品产量与质量，增强企业的市场竞争能力，从而令面提高经济效益。

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