面向水泥窑协同危废处置中心的MES系统设计及应用

王 肖，徐 圆

(上海电气集团中央研究院，上海 200070)

前 言

近年来，水泥窑协同处理技术成为国内外流行处理危险废物的主流技术之一，从危废处置技术角度分析，水泥窑具有高温、碱性以及完善的尾气处理系统等优点，较传统危废焚烧项目也具有投资少、处置量大等优势[1]。同时，水泥行业产能过剩，竞争白热化，水泥企业降低成本、绿色转型是大势所趋。自2013年以来，国家和地方在水泥窑协同处置废弃物这一领域给予高度重视，出台了一系列的政策支持水泥企业向绿色发展转型。

危废处置行业在生产管理等方面具有显著的行业属性，如需要针对处置物料进行全生命周期的监管，记录危废从产生、贮存、转移到处置的全过程等。在生产运营过程中，危废处置企业普遍面临管理品类众多、管理规范严格、管理流程标准以及专业人员缺失等现实问题，传统的完全依靠人力进行危废管理的状态已远远不能适应对危废全过程、全生命周期管理的法定要求，利用信息化、智能化手段实现精细化生产运营成为危废处置行业的必然趋势。

MES系统(Manufacturing Execution System：生产执行系统)在企业综合自动化三层架构中起到非常重要的承上启下作用，一方面起到生产计划和生产执行间的双向数据循环的作用；另一方面通过智能化数据分析工具，利用生产过程数据为企业实现提质降本增效。与ERP(Enterprise Resource Planning：企业资源计划系统)等其他信息化系统相比，MES系统具有强烈的行业相关性，虽然MES系统在石化、化工、电子等行业领域发展迅速，但其架构及功能无法直接应用于危废处置行业。市场上专门针对水泥窑协同处置等危废处置企业的MES系统非常稀少，大多数企业是在开发实施ERP系统的同时，通过功能扩展等方式来实现MES系统的部分功能，如物料管理、生产监控、安环管理等。这些功能在生产业务管理的全面性，特别在生产数据的挖掘方面，尚存在很大的缺失。

因此，本文将提出一种针对水泥窑协同危废处置企业的MES系统架构及功能设计，该系统在完成传统MES系统业务功能的同时，将针对水泥窑协同处置的生产工艺特点，充分利用DCS/PLC等采集的过程数据，实现配伍优化、设备预测性维护、能效优化等行业性重点功能，从而为企业精细化管理水平提升、生产节能减排等提供强大的IT软件工具。目前该系统已经设计开发完成，并正在溧阳市前锋环保科技有限公司的水泥窑协同处置中心进行部署和实施。

1 MES系统架构设计

1.1 设计思路

MES系统由于面向生产现场，与企业的计划模式、生产工艺、生产作业等息息相关，在功能设计时必须紧密关联企业生产特点，贴合用户需求；另外随着数据挖掘、人工智能等新技术的发展和应用，以往简单的数据统计及可视化越来越难以满足用户的高层次应用需求。下面将阐述一下本系统的总体设计思路及应用特点。

(1)遵从国家标准及行业规范：危废处置行业属于法律法规及行业规范高的行业，本系统在功能设计过程中严格遵从国家标准和行业规范，特别在质量管理、安环管理等功能模块中的质量标准、环境排放标准等控制点中，参照并遵从了《HJ 662-2013 水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》、《GB 30760-2014 水泥窑协同处置固体废物技术规范》、《GB 30485-2013 水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》等；

(2)符合水泥窑协同处置批次化生产特性：水泥窑协同处置工艺具有非常显著的批次化生产特点，即按照批次在水泥窑中进行投料及生产。这种生产特点在MES系统中主要反应在两方面，一是对生产配伍模块的设计，即为了实现处置过程工况的相对稳定，需要基于目前所有在库危废，通过用户设定的目标配伍条件以及初始待配伍危废的选择，进行配伍计算和相容性检查，使配伍指标符合热值、污染特性和相容性要求，最终生成批次投料清单。第二是在生产作业方面，需要以作业工单为核心，按照批次对生产作业过程中的物料移动和消耗过程进行跟踪和管理，和计划投料之间形成闭环的执行过程，为后续的物料平衡及成本计算打下基础。

(3)提升数据智能化应用水平：本系统在传统MES对人机料法环全面管理的同时，着重于利用数据挖掘、人工智能、智能决策等先进技术手段，针对水泥窑协同处置的多个工业场景，在底层生产过程实时数据采集的基础上，提炼模型和设计算法，解决生产实际中的设备、工艺、质量、能源等相关问题，在保证生产安全平稳运行的同时基于数据提升生产管理水平。

(4)与上层ERP系统形成紧密集成：MES系统是对计划指导下的实际生产执行过程的管理，从系统集成的角度来看，MES系统和上层ERP系统之间是一个闭环的数据连接及反馈的过程。ERP系统负责制定长周期的生产方案、贮存方案等，MES系统接收计划指令并分解执行。当实际生产执行过程中，MES系统需要对比计划和实际之间的偏差，当偏差范围较大时，系统需要提醒相关生产及运营管理者，及时纠正偏差、优化生产运营。因此，水泥窑协同处置MES系统将与ERP系统的计划和仓储数据紧密关联，并实现生产方案执行预警、贮存方案执行预警等功能。

1.2 采用的软件开发技术

本系统采用前后端完全分离的技术方案，使用的关键软件开发技术包括微服务架构、.NET Core技术框架、CAP分布式事务解决方案及EntityFramework Core技术等。整体软件技术框架如图1所示：

(1)其中微服务架构为当前工业软件开发的先进技术手段。它的开发效率高，可以在不同模块中进行并行开发，减少模块间相互冲突，使得功能模块充分解耦；第二可维护性强，拓展性与灵活性大，通过不同模块的组合可以快速满足现场的定制化需求；第三系统架构的稳定性也较高，模块之间相互影响小，容错性高。

图1 MES系统软件技术架构Fig.1 MES system software technical structure

(2)NET Core是开源通用的技术框架，支持在Windows、Linux等系统的开发和部署，可以应用于硬件设备、云服务和嵌入式/物联网方案，具有出色的性能和低内存占用，内建的很多功能可以使应用程序更容易开发和维护，能够构建可靠的应用程序框架。

(3)CAP分布式事务解决方案具有事件总线的所有功能，并且提供更加简单的方式处理发布与订阅。具有消息持久化功能，当服务重启或宕机时，仍可以保证消息可靠性。该解决方案基于MIT协议开源，可以免费在私人或者商业项目中注入使用。

(4)EntityFramework Core技术的开发效率高，可以让开发人员节省数据库访问的代码时间，将更多精力放在业务逻辑层代码上。该技术提供变更跟踪、唯一性约束、惰性加载、查询事务等功能；并允许开发人员使用Linq语言，对数据库操作如同操作对象一样方便简捷。

1.3 总体功能架构

从系统功能架构上来看，本系统在逻辑层次上共分为三层架构，自下至上分别是生产数据采集层，生产执行层和企业应用集成层(图2)。下面将分别进行简要描述。

图2 MES系统总体功能架构Fig.2 MES system total functional framework

1.3.1 生产数据采集层

这一层次的主要目的是采集来自生产现场的各类实时数据，包括来自DCS/PLC的工艺运行数据；来自环境测量传感器的厂区环境、烟气排放，重金属逃逸等环保数据；来自设备检测传感器的振动、噪声等数据；以及来自第三方系统数据库的相关生产数据等。

生产数据采集层的主要目的是为上层提供完整准确的实时数据基础，这类数据通常存放3年以上的现场数据，存储媒介为实时数据库。

1.3.2 生产执行层

生产执行层共包括七个功能模块，分别针对水泥窑协同处置的生产管理、设备管理、计划排产等业务进行开发，可帮助处置企业针对生产执行过程中的“人机料法环”等生产要素进行全面规范化的科学管理；实现过程数据的全面采集和实时监控，并利用相关数据实现相关工业场景的智能化应用。

由于位于中间层位置，生产执行层还与设备控制层、运营管理层的相关系统实现全面无缝集成，打通生产计划和生产实绩之间的数据通道，实现计划与实绩间的动态反馈与实时预警。

1.3.3 企业应用集成层

企业内部往往存在很多已有的信息化系统，包括PLM系统、ERP系统、WMS系统、LIMS系统等，MES系统由于管理的业务范围和层次较广，通常与这些系统间都存在数据交互与流程贯通的集成，如MES系统在进行智能配伍时需要获取WMS系统的库存数据等。

这其中，MES系统和ERP系统的集成关系最为关键，MES系统一方面要从ERP系统获取生产计划、BOM(Bill of Material：物料清单)表等数据，另外一方面也会将生产批次、物料投料、辅料消耗等实际生产数据传递给ERP系统使用。

2 MES系统功能设计

2.1 态势监控

本模块的主要目的是通过和自动设备、控制系统及业务数据的集成，实现对生产过程状态的数据采集，并存储在系统后台的实时数据库中；通过图形组态和可视化技术进行数据多样化展示，从而直观方便地实现处置生产过程的透明化。如获得各预处理设备、处置流程的状态信息；查看当日已完成和未完成处置的危废数量；查询危废在每道工序上的执行详情等。

(1)模块会提供画布及危废领域的基本设备组态图元等，用户可以运用这些工具，通过简单的拖拽、连接等方式结合自身处置生产线的工艺路线进行具体工艺组态和流程图的绘制工作，包括固体废物的处置流程、半固体废物的处置流程以及液体废物的处置流程等。

(2)在流程图中，用户也可以根据需求在流程图的适当位置嵌入相关展示数据，主要包括设备运行数据、生产统计数据，批次质量数据和环境测量数据等。嵌入数据点可以预设阈值并具备实时报警功能。用户还可以自定义不同的虚拟测量点，该测量点的数值由多个真实测量点的数值计算而来。

(3)用户可以在此模块中订阅相关生产任务信息，如在日期选择下拉框中选择制定日期，可以实现生产任务信息的筛选，并以图表形式显示生产任务的统计信息等。

2.2 设备管理

水泥窑协同危废处置生产由预处理，投料，焚烧，尾气处理等过程组成，每个环节都存在众多运转设备，包含如SMP(破碎/混合/泵送)、柱塞泵、输送机、提升机等关键性设备，这些设备的平稳运行是保障生产安全经济运行的重要因素。设备模块的作用就是通过对设备资产的运行和维修管理等，针对危废企业生产设备进行数字化和科学化管理；并基于设备运行过程数据，利用数据挖掘、人工智能等技术手段针对关键设备实现预测性维修、报警阈值优化等功能。

(1)用户可在模块中建立数字化的设备管理对象，针对设备基础信息进行增删改查操作；另外，可以对设备对象上面的测量点进行配置和修改。对于需要进行维修操作的设备，可添加维修计划的内容、指定时间及其他信息；维修人员在收到指定的维修计划信息后，完成维修任务并添加处理对策/方式、维修过程等内容，最终完成设备维修过程的闭环式管理。

(2)全局设备效率指数OEE是衡量企业生产效率的重要标准，也是TPM实施的重要手法之一。本功能通过采集设备开停机和实时运行数据，为设备管理人员提供实时OEE分析指标计算功能，更好地辅助设备管理人员对关键设备的运行状态和效率进行一个整体直观的评价。

(3)在预处理环节，破碎机通过刀具的剪切、撕裂和挤压作用减小危废的物料尺寸。破碎过程中频繁的反转操作会对刀具造成磨损，影响危险废物的破碎，且更换刀具的成本费用很高。本系统采用了一种基于BP神经网络的相关性分析技术用于判断破碎机刀具的磨损程度，并采用遗传算法优化BP神经网络。通过数据训练得到BP神经网络后，选择平均影响值MIV作为相关性评价指标。运行时将破碎机的状态变量作为输入变量，破碎机刀具的磨损程度作为输出变量，确定输入变量对输出变量的正负相关性及影响大小，并根据筛选出的指标参数对破碎机刀具的磨损程度进行判断。

2.3 计划管理

对于危废处置企业而言，配伍工作是制定生产计划的牵引步骤，也是投料入窑生产前的关键业务环节。配伍是结合各拟处置物料热值、挥发分、硫氯含量、灰渣特性、包装等物理及化学性质，合理地对物料进行形态、热值、成分等均质化处理，以达到入窑焚烧成分稳定可控、均匀平衡燃烧的目的[2]。目前，大多数企业的配伍工作都是由专门技术人员依靠手动计算和行业经验来完成，而随着国内危险废物产量迅速增加，且来源复杂、种类繁多，手动配伍对配伍工程师的要求越来越高，其工作量日益繁重，同时配伍方案的准确度也难以保证。计划管理模块将针对水泥窑协同处置企业设计开发一种先进的智能配伍算法，根据配伍结果制定生产日计划，指导生产执行的优化有序开展。

(1)本系统的智能配伍算法包含设置配伍目标，危废物分区及排序、配伍队列生成、相容性判断等步骤，遵循以托盘为配伍基本单元，以满足废物相容性为前提，以配伍平均热值靠近目标热值为主要条件，以污染元素不超过最大目标范围为副要条件的配伍方式。最终实现配伍结果的安全，稳定可控和计算便捷等。

(2)计划人员在得到配伍结果后，会根据生产工艺约束，设备约束，人员约束等进行生产日计划的排程。在生产日计划和生产任务部署等页面，计划人员可查看生产日计划详情，并以甘特图等方式显示各个工艺处置流程的起止时间及消耗时间等。

(3)系统还内置生产BOM表，在确定计划主物料投入量后，可根据BOM表计算辅料、耗材等消耗定额。

2.4 质量管理

质量管理的模块的主要目的是根据企业质量管理策略，针对质量控制与质量实施建立水泥窑协同处置生产的质量规范体系，监控质量检测数据并及时处理质量隐患问题[3]。对于入窑生料和水泥熟料重金属含量限值、可浸出重金属含量限值、检测方法及检测频次等质量管理内容，严格遵从《GB 30485-2013 水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》等。

(1)质量标准功能可以让用户自定义配置水泥质量检测的指标项，以及检测指标判定的合格的范围等。配置内容主要包括指标区间，指标值及单位等。

(2)系统以生产批次为单位，通过人工录入或实验室检测系统集成等方式，能够对水泥质量检测结果进行记录和查看；

(3)通过获取批次投料的成分数据，以及该批次的水泥质量数据，通过相关性算法分析，可以得到两者之间的相关性大小关系。在长时间数据积累的情况下，可以提醒生产和质量相关人员优化生产投料，并追溯质量事故的发生原因等。

2.5 能耗管理

水泥窑协同处置过程中的处置设备会引起大量耗能，例如变频泵输送混合后的危险废物等。如果设备运行能够根据实际生产符合，全面准确地采集能耗数据及动态分析能耗状况，辅助制定并不断优化节能方案，控制耗能设备的最佳运行状态，那么将有效地降低处置过程的能源消耗，达到精细化管理的目标。

(1)本模块将全面监控水、电、油、气等各种能耗数据，针对设备以及处置过程的用能和用料情况进行统计分析，并提供图形组件化的分析结果。

(2)另外，考虑到危废处置行业中破碎混合泵送系统等的巨大能耗，能耗管理模块还通过获取目标设备的特性曲线及均方根误差值，选择某时间段内的历史数据数据及特性曲线，通过粒子群算法等分析得到拟合曲线上的最优值点。在满足危废处置行业负载需求的前提下，获得能耗设备的最佳工况点，实现整个危废处置系统的节能控制。

2.6 生产管理

生产管理模块的主要目的是承接生产计划的输出结果，对车间作业层的生产任务和生产结果进行管理，即对批次生产作业的物料移动和消耗过程进行跟踪和管理。生产作业的全过程物料跟踪既是危废处置行业规范的要求，也是全厂物料平衡和班次成本核算的重要基础。另外，生产实绩的数据在汇总统计后将提供给运营管理层(ERP层)进行计划和实绩之间的比较，从而指导生产计划的优化和完善。生产管理模块的主要功能点包括生产任务管理，安环管理和生产报表等。

(1)车间层的生产管理系统以生产任务单为核心单据，将采购、领料、入库、费用分摊等环节打通，实现了生产过程和进度的跟踪和控制，并实现生产成本的自动核算，在车间作业管理中占据核心地位。水泥窑协同处置是一个典型的批次生产过程，生产任务单和上层生产计划模块的配伍单号有着一一对应的关系，生产任务管理主要包括对批次生产的领料管理、投料管理(包括主物料，辅料，耗材等)以及作业统计等。

(2)安全和环境管理是危废处置生产的一个重要业务管理领域，安环管理提供的主要功能点包括：安全公告；烟气排放指标分析；环境检测指标分析等。其中烟气排放和环境指标将通过测点的传感器数据进行监测和管理，内容包括每日监测数据，平均值，指标范围，超标次数，合格率等。

在烟气排放颗粒度浓度，排气筒粉尘等监测指标方面，严格遵从《HJ 662-2013 水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》等。

(3)生产报表主要对生产执行过程中的重要报表进行图表方式的统计和生成。这部分内容往往需要根据现场用户的个性化需求进行定制处理，主要内容包括车间报表，生产日/月报；辅料消耗报表等。

2.7 系统管理

系统管理模块主要实现管理员对用户信息的添加、修改以及权限管理；完成设备通信协议配置，实现与实时数据库的连通；查看和管理系统配置的所有测量点详情；并集中管理系统各个微服务以及监控微服务的运行状态等。

3 结 语

MES系统对于企业精细化生产和优化运营起着不可或缺的关键性作用，它在企业经营计划层和设备控制层搭起一座双向数据流通的桥梁，并对车间层面的人机料法环等生产要素进行全面管控。近几年来，MES系统逐渐呈现智能化和集成化的发展趋势，特别在智能化方面，以往MES系统中单纯的数据采集与展示工作越来越难以满足企业应用需求，生产管理者希望通过MES系统挖掘数据价值，优化生产过程。

本文针对水泥窑协同危废处置企业提出一种先进的MES系统设计思路。该系统紧密贴合水泥窑协同处置的工艺过程和生产特点，采用前后端分离及微服务架构的先进软件开发思想，实现生产状态跟踪、设备管理、能耗管理、质量管理、安环管理等业务管理功能。并在实时采集的工艺/设备等数据基础上，开发了智能配伍、破碎机道具磨损判定等智能化功能，为处置企业的精细化生产和运营；节能减排等提供强大的信息化工具。

信息化系统随着企业生产工艺的优化，管理水平的提升，也在不断进行发展。本文提出的MES系统在如何实现生产物料的自动平衡；基于生产数据自动进行成本核算；以及在不同负载工况下的工艺参数自动调节等方面，仍然存在很多的提升空间。