面向危险废弃物处置中心的MES系统架构设计

王 玥，杨 程，孔 超，蒋金明

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074）

0 引言

近年来，随着改革开放和科学发展的深入推进，中国工业整体进入到一个工业化与信息化相融合的全新阶段，部分行业与企业甚至已经迈入网络化与智能化的崭新时代。与此同时，人类赖以生存的生态环境正面临着前所未有的巨大压力，对生态环境及人类健康造成极大危害的危险废弃物的产量极具增加。因此，大规模危险废弃物处置中心应运而生。针对危险废弃物的特殊危害性，中国环境管理部门提出“从产生至处置”全生命周期的监管理念，危险废弃物处置中心作为危险废弃物的最终处理单元，其运行管理水平至关重要。与此同时，由于危险废弃物处理流程的复杂性与危险性，其管理难度大，运营风险高。所以将危险废弃物处理中心管理和控制纳入信息化、系统化、规范化的轨道尤为重要[1]。

美国先进制造研究机构（AMR）提出了三层企业集成模型[2]：企业资源计划（ERP）、生产执行（MES）和过程控制（PCS）。随后该模型被广泛用于各类行业企业，逐步成为标准的信息化体系，MES位于企业上层企业资源计划（ERP）和底层工业控制（PCS）之间，担负着承上启下的作用，直接支持生产运营，为企业的实时、智能化管理提供支撑[3]。本文将信息化集成模型引入危险废弃物处置企业，针对企业的特殊性，提出了面向危险废弃物处置中心的MES系统架构设计方案。

以青岛海湾集团固体废物综合处置利用中心为例，该中心为面向青岛及其周边的区域性危险废弃物中心，主要处理单元为焚烧车间（33000t/a）、物化车间（10000t/a）、固化车间（30000t/a）、安全填埋场及配套污水处理设施；存储单元为有机废物暂存库、无机废物暂存库、甲乙类废物暂存库等；同时配套中心化验室、消防泵房等公共配套单元。

图1 MES系统总体功能架构Fig.1 The structure chart of MES

首先给出了面向危险废弃物处置中心的MES系统的总体架构，随后按照模块化的分解思路分别从调度管理、运行管理、化验室信息管理详细阐述了MES的功能描述。

1 总体架构

本系统以高速数据传输网络为核心，构建面向危险废弃物处置中心的信息融合平台，充分利用全厂生产运行信息，建立数据驱动的生产调度模块、运行管理模块及效能评价模块。系统网络架构示意图如图1所示。

危险废弃物处置中心MES基于SOA架构，将11个功能模块从逻辑上划分为3个层面的应用：

第一层的基础应用层包括了3个子系统，分别是工厂基础信息管理、实时数据库、实验室信息管理系统。这一层面的应用是所有MES其他子系统的信息基础，所有的基础数据和实时数据都来自于这个层面的子系统。该层面使用OPC（OLE for Process Control）接口技术，面向DCS及PLC等过程控制系统采集全厂生产及公共单元的实时过程数据，OPC服务器一方面负责与过程控制系统的通信；另一方面将获取的数据通过标准的OPC接口供MES实时数据库调用；同时利用数据接口对接实验室信息管理系统（laboratory Information Management System，ILMS），采集废物进场及处置过程中的分析化验数据，作为生产调度的重要依据。

第二层是执行层应用，主要是实时数据库应用、操作管理、物料平衡／物料移动、公用工程、生产调度指挥和生产统计等应用。该层利用底层基础信息数据，利用数据建模技术与数据分析技术，充分挖掘数据价值，实现MES的功能需求。

第三层的应用是表现层应用，包括生产信息运行平台和ERP接口两个功能模块。生产信息运行平台主要是指提供危险废弃物处置中心生产相关信息查询和分析功能的最终用户应用，主要用于综合报告并发布其它各子系统的信息，全面体现生产运行的状况，实现数据的可视化与平台化；ERP接口则为MES与ERP数据集成提供灵活的工具，向ERP系统提供企业管理相关数据，构建一体化的企业信息化系统。

2 功能描述

2.1 调度管理

本系统的调度管理模块通过提供详细的调度安排，将危险废弃物处置中心的计划与装置生产紧密联系起来，再通过调度与消耗品供应及处置合同的集成，科学合理的计划，并通过计划与实际的对比来分析，研究提供处置中心绩效的办法。调度管理模块覆盖产废调度、运输调度及生产调度全过程。

依托于物联网，通过工况设备、RFID卡、红外感应器、智能地磅等信息传感设备和硬件设施把企业内所有部件串联在一起，实现企业智能化的危险废物出入库、危险废物定位、危险废物跟踪、危险废物称重、危险废物实时监控、危险废物处置管理。

基于现有危险废物动态管理数据，建立“全透明”智慧监管的体系与机制，对涉及危险废物重点场所安装视频监控系统并实时联网，实现对危险废物的贮存、称重、出厂、处置等关键节点、关键行为数据的全程自动化采集，最终实现对危险废物处置全生命周期的智能跟踪管理。

用GPS、云视频、人工智能等技术实现危险废物贮存仓库可视化、装卸货可视化、处置利用可视化。对传统纸质联单进行全面升级，让危险废物转移处置过程完全透明化。方便管理者随时了解每笔危险废物贮存、处理、利用情况，提高管理效率。

采用模拟及线性规划等优化方法完成生产调度。模拟用于预测在给定生产条件下，处置中心的预期绩效，与生产过程的实际绩效相比较，需要影响生产绩效的关键因素及瓶颈因素，从而进行针对性地改进，形成持续改进的管理闭环；线性规划用于在各种生产条件下，生成满足设备约束、原料约束及人员约束的最优化生产调度，该方式可以在考虑约束的条件下，充分发挥生产要素的内在潜力，提供处置中心的运行效率。

2.2 运行管理

本系统的运行管理通过采集厂区各个环节的过程数据，实现生产信息管理、设备管理、能源管理及环保管理等主要功能。

1）生产信息管理

运行管理模块通过采集危险废弃物处置中心内各装置的过程数据，包括DCS／PLC；建立工厂实时数据库，存储工厂实时、历史信息，如：生产装置过程参数，事件信息等；建立包含全厂装置、储罐、管线、物料及仪表等要素的工厂参考模型；通过工厂数据模型工具，建立全厂物料平衡模型；完成危险废弃物处置中心厂级全局性的生产过程监控。

2）设备管理

运行管理模块对重大关键运行设备的生产运行参数和状态进行实时监控，提供在线实时报警功能，并记录设备的运行情况和时间，进行预防性维护，为设备故障分析和设备维护管理提供数据支撑。通过重大关键设备（如焚烧炉、余热锅炉、急冷塔、脱酸塔、大型风机、水泵等）的预制建模，建立关键设备的数学模型及设备台账，实现保养周期规划，运行绩效评价，故障报警诊断等设备管理功能。

3）能源管理

能源管理模块实时监测危险废弃物处置中心的电、水、煤气、蒸汽等关键能源网络运行情况；实现能源介质的实时精细计量，从系统的角度实施能源介质的平衡调度；给出基于能源介质平衡的能源管理方案，依据处置中心能源介质管网的结构特点与能源耗损、产出特点，解决能源介质的生产、回收、消耗的平衡问题，提高能源的综合利用效率，防止发生不必要的放散。控制能源成本，提高能源管理的效果和水平。

4）环保管理

由于危险废弃物处置中心作为环保产业的终端企业，其环保类信息的管理极为重要，其不仅需要达到政府环保部门的监管要求，同时也是企业社会责任的重要体现。

危险废弃物处置中心的主要污染物为：焚烧系统的烟气(CO、SO2、NOx、HCI、HF、CO2、O2等)，全厂污水（PH、COD、氨氮等）。MES系统的环保管理模块数据报表的方式实时监测某个采样点或某个分析项目的污染物排放值，图形监测以线状图的方式监测污染物排放值，这两种方式可以相互切换监测。当某一分析项目的排放值超过标准值，将会以红色闪烁报警。统计分析是对某个采样点或某个分析项目的历史数据进行分析，以统计各种分析项目的超标情况。

2.3 实验室信息管理

由于危险废物处置中心所处理各类废物种类繁多，理化特性差异较大，所以进场物料需要严格检验，明确各类成分，为后续配伍处置提供依据，同时辨识危险源，确保生产过程的安全、有效。同时，实验室检验过程中需使用各类化学药剂，该类药剂均具有一定危险性，故需要严格管理，防范风险。

实验室信息管理主要包含：文档管理、物料管理、药品管理、设备管理、检测管理、统计报表模块。其主要功能是对实验室全过程管理，做到文档的标准化与规范化，并共享到企业内各部门；对化验室使用的物料和药品进行管理预警，辨识风险源，严格管理各类有毒有害药品，从根本上杜绝安全隐患；对化验室中的各类设备进行登记入册，对关键性检验设备建立管理模型，实现保养规划及故障诊断等管理功能；对检测过程的规范化与流程化梳理，提高化验流程的可追溯性；对管理过程中的各类数据进行统计分析，形成各类可视化报表。

3 结语

本系统依托危险废物经营中心的业务特性进行分析，结合固废经营方面的政策法规和环保部门的管理要求，针对性地提炼出面向危险废弃物处置中心的MES系统架构设计理念，形成一套完整的固废经营处置企业内部经营管理系统的全流程解决方案。通过MES系统，实现业务流程的规范化、精细化管理，通过信息化手段打通各项业务的数据流，以控制经营成本、提高管理水平，提升企业竞争力。