智能革新
——生活用纸4.0的应用

谢承俊 福伊特造纸(中国)有限公司

当前，智能制造、工业互联网和数字化转型已经是不可阻挡的趋势。同样在造纸行业内，推动工业4.0的发展也已经是行业内的共识。

1 造纸4.0

将工业的发展历程和造纸行业的技术发展历程放在一起观察会发现，每一次工业革命对造纸行业都会有极大的促进。第一次工业革命期间，1798年第一台长网纸机被发明；第二次工业革命期间，1872年现代造纸机的成形、压榨、干燥部雏形出现，这个模块也一直被延续使用至今；第三次工业革命开始后，1975年在造纸设备领域的第一套DCS 系统得到应用，标志着造纸行业进入了3.0的时代；第四次工业革命将跟前面三次工业革命有很大的不同，第四次工业革命将不仅仅只是一个简单的产品、系统的应用。在工业4.0的发展过程中，将会综合运用到大数据、云技术、人工智能、虚拟现实、5G通讯等等各式各样的新技术，是所有这些新技术的综合体现。有人预估真正实现第四次工业革命，可能大约会持续30～40年的时间。

图1 工业革命和造纸技术发展历程

在以上这些新技术当中，最核心、最根本的就是数据。只有先进行基础数据的收集，才能进行相关的分析及应用。其实在当今的造纸企业当中，已经产生了大量的数据。例如，某大型集团的IT系统每天产生将近2,500万条数据。对这些数据进行收集、分析并利用，将会成为企业非常核心的竞争力。

然而到目前，大部分企业的数据并没有得到很好的利用。就像石油一样，石油是非常重要的战略资源，但是我们不能直接使用原油，必须经过提炼加工，生产日常使用的汽油、柴油以及各种化工产品。同样对数据的利用也是如此，必须要经过提炼。数据的应用，首先要把数据收集存储起来，做结构化存储。然后在不同的数据孤岛之间架起一座座桥梁，使数据能够产生协同运用的可能性。其次，实现数据的可视化来对生产运营做相关的指导。再往后可以对这些数据进行分析，并对生产过程进行优化，最终实现“自动驾驶”的功能，由系统自动对生产运营、维护保养、管理流程进行优化。

推动工业4.0、造纸4.0的发展，最终是想实现数字孪生。那么如何来实现数字孪生呢？首先是收集工厂所有的相关数据、信息，包括资产的数据、软件的数据，以及设备运转实时产生的数据。当把所有的数据综合起来，在数字云里面，用数据搭建虚拟工厂，数据搭建的虚拟工厂其实是对实体工厂的数字映射。

例如，企业如果要做设备的改造，通常要计算投资回报率。在当前计算投资回报率时，主要是利用厂商提供的技术指标，或者设备供应商的技术经验来进行大概的计算。而如果实现了数据孪生，搭建完成虚拟工厂，在虚拟工厂里面就可能进行非常精确的计算。设备改造以后，对企业的生产运营的影响，投资回报情况等有直观的呈现。同时还可以从虚拟工厂里面发现很多企业平时没有注意到的问题。

再例如，企业如果做新品的开发。目前可能是生产、研发、质量管理人员、供应商一起，对产品配方和工艺经过多次的讨论，再进行一系列的试验生产。在以后的虚拟工厂里面，可以测试各种各样的数据和配方。从中挑选最优的配方在实体工厂进行实际生产。同样可以用虚拟纸机，做预测性维护，优化工艺流程，优化管理等等。总体来说，通过虚拟工厂可以实现很多意想不到的功能。

当然，要实现工业4.0也不是一蹴而就的。福伊特提供的策略是循序渐进，逐步投资，使工厂每一份投资，都能得到相应的收益，从而促使工厂不断的朝着造纸4.0、工业4.0方向前进。

比如说，企业可以首先对某些产品装智能模块，或者可视化。其次，通过这个产品跟工业互联网连接，生产工作人员将能随时随地对设备进行访问。然后，将不同的智能产品连接起来，形成系统，系统就可能实现一些复杂的功能。最后，将不同的系统有机结合，形成覆盖整个工厂的智能系统，从而实现工业4.0。

目前，国内很多卫生纸机都是安装在中小型企业，装有DCS 以及QCS 这类基本的自动化、信息化管理系统的纸机数量较少。从这个角度来看行业内还有很多企业达不到工业3.0的标准，不适合去直接发展工业4.0。所以推动工业4.0还要结合工厂的实际，进行慎重的考虑。

2 OnEfficiency工艺优化模块

对造纸企业来说，推动造纸4.0的发展，其实就是想解决企业关注的需求痛点。造纸企业面临着各种各样的痛点，比如效率、成本、品质，以及安全性。造纸企业希望用更先进的方式，先进的科学生产力解决他们这些痛点，并创造效益。

图2展示的是福伊特针对生活用纸工艺部分的智能化解决方案。该技术会应用到大数据以及支持机器学习的工具，实现高级的回路控制，并通过高级的回路控制实现目前的控制水平所实现不了的一些功能，比如说松厚度的控制。

图2 福伊特公司生活用纸智能化解决方案示意图

2.1 流程控制原理

造纸流程是一个很复杂的过程，原材料、设备器材、人员等因素在生产过程中都会发生不同程度的变化，这些变量的输入就导致了造纸的流程也处于不稳定中。流程的波动最终反映出来的就是品质的波动。当处于波峰的时候，可能就意味着资源浪费，而当处于波谷的时候，可能意味着产品质量的降低，甚至断纸的发生。

工艺优化模块的原理包括三个方面：显示、稳定、优化。在工艺优化阶段，首先就是要把造纸流程的波动做可视化呈现。呈现出来以后，操作人员就可以对相应的流程进行控制，使生产过程更加稳定。最后再进行优化，将控制指标优化至所需要的数值。

图3 工艺优化模块的原理示意图

2.2 传统QCS系统的局限性

目前生活用纸行业中应用的QCS系统通常只能检测产品定量、水分，但其他一些重要物理性能，例如松厚度，只能采取下卷取样测量的方式。这种检测方式一方面工作效率较低，另一方面存在测量的盲区，可能会出现当松厚度不达标时，生产人员不能及时得到相应的信息。

图4 常规的松厚度检测点以及松厚度变化的真实情况对比

从图4可以看到，第二个到第四个测量点通过测量结果来看，松厚度指标都是在标准范围之内，但是这之间产品的松厚度有较大的波动，间断性的测量并不能对整个生产过程做到全面的质量监控。

因此如果有一种方式能够显示实时的松厚度，就可以实时进行调整，保持品质的稳定。并且在未来，也可以将这一部分的控制置于闭环控制当中。

2.3 虚拟传感器

要想实现这样的功能，就需要引入“虚拟传感器”的概念。虚拟传感器有别于物理传感器，是用大数据、机器学习的方式组建的一个算法，也就是一个数据模型。通过这个数学模型，我们可以实时计算出此时的物性指标。

首先，需要收集纸机正常、稳定运转3个月以上的实际数据，挑选大约80%左右的数据来进行虚拟传感器的搭建工作，剩下的20%来做测试。并用测试结果跟质量管理测量的数据进行比对，提高虚拟传感器的准确性。

图5 虚拟传感器示意图

在搭建虚拟传感器的过程当中，纸机生产的工艺流程、工艺参数可能会有相应的变化。搭建好的虚拟传感器需要在纸机的实际环境里运转2～3个月。通过虚拟传感器自我学习的功能不断地校准，从而更贴合该纸机的生产状况。最终可以用虚拟传感器做可视化，指导企业的生产，提前调整。

从事造纸行业的专业技术人员通常对哪些参数的调整对松厚度有影响会有经验判断，但是并不能准确判断各个因素之间相关性具体是多少。虚拟传感器的搭建就是找出所有影响因素的参数，选择影响最大的20～30种写入模型中。在这个模型中，不仅仅只是反馈对松厚度单个参数的影响、调整，产生的其他一系列影响都会反馈在模型中。单一的参数调整以后，对整个系统的影响要做到平衡。

图6是福伊特在实验室的测试案例，在该测试中选取了约3,300个数据点。经过数据分析和运算，数据最终的相关性可以达到0.94。通常如果预测值跟实际值的相关性在0.9左右，就已经具备了闭环控制的基础。

2.4 OnEfficiency控制系统供货范围和实例

在生活用纸行业应用OnEfficiency控制系统对工厂有一定的硬件要求。首先必须具有DCS、QCS、MCS这些基本的自动化控制系统。此外，还需要有相对完整的实验室测试指标为预测指标做比对。

图7所示是OnEfficiency控制系统在欧洲的测试案例。主要生产的产品是卫生纸，定量是16g/m2，年产能3.5万t。

通过OnEfficiency控制系统优化，松厚度等指标保持在标准范围之内，定量能降低0.15g/m2，每年减少纤维用量达到3,500t，如果按照4,800元/t的浆价计算，每年可以节约费用168万元。

图7 OnEfficiency控制系统松厚度虚拟传感器监测数据

客户的反馈也非常正面，因为能够随时对产品的质量进行掌控，操作人员也能随时对产品物理性质做出相应的调整。

除了松厚度的控制，针对生活用纸，福伊特还有大量其他的模块可供选择，比如说：工业物联网平台、脱水控制、成本控制、状态监测、维保管理等。这些模块，包含了从工艺流程到设备维保，到智能化服务、数据实时应用等各方面。例如，福伊特公司现在研发的最新断纸预测模块，可以通过云计算预测什么时候，什么部位会产生断纸，给生产人员提前的警示，然后做出相应的调整，来提升运行效率。

所有这些模块，既可以单独安装，也可以组合安装。既可以装在本地的服务器，也可以装在福伊特公司的云端服务器。安装的模块越多实现的功能就会越强大。当这些模块的功能逐渐覆盖整个工厂，就会逐步实现造纸4.0——引入数字孪生的愿景。

3 SpeedChange T 新式换卷技术

针对尚未安装QCS系统的纸机，福伊特公司也有一些传统自动化的产品可以帮助厂家提升其效率。比如说Speed Change T新式自动换卷技术，该套设备具有安全性好、效率高、投资少的优点，能够显著提升纸机效率。

传统生活用纸的换卷系统，都是采用手动方式，缺点很多，例如：需打断进行换卷，然后再引纸；引纸效率取决于员工技能水平；有安全隐患等。

图8 人工换卷

SpeedChange T采用全幅自动吹气换卷，无需打断，可以显著提升纸机效率，并减少辊底损纸。同时，对员工的安全也是一种保护。

图9 SpeedChange T 新式换卷技术

正常的人工换卷时间大概是在25s左右，用新换卷技术，大概只有4s。人工换卷的成功率通常是90%，采用这种新型的换卷技术，成功率可以提高到97%。以运行车速是1,850m/min，成品定量17g/m2的纸机为例，采用新的换卷技术，每年收益大概是15万欧元，约合人民币120万～130万元，收益非常明显。