面向水泥窯協同危廢處置中心的MES系統設計及應用

王 肖，徐 圓

(上海電氣集團中央研究院，上海 200070)

前 言

近年來，水泥窯協同處理技術成為國內外流行處理危險廢物的主流技術之一，從危廢處置技術角度分析，水泥窯具有高溫、堿性以及完善的尾氣處理系統等優點，較傳統危廢焚燒項目也具有投資少、處置量大等優勢[1]。同時，水泥行業產能過剩，競爭白熱化，水泥企業降低成本、綠色轉型是大勢所趨。自2013年以來，國家和地方在水泥窯協同處置廢棄物這一領域給予高度重視，出臺了一系列的政策支持水泥企業向綠色發展轉型。

危廢處置行業在生產管理等方面具有顯著的行業屬性，如需要針對處置物料進行全生命周期的監管，記錄危廢從產生、貯存、轉移到處置的全過程等。在生產運營過程中，危廢處置企業普遍面臨管理品類眾多、管理規范嚴格、管理流程標準以及專業人員缺失等現實問題，傳統的完全依靠人力進行危廢管理的狀態已遠遠不能適應對危廢全過程、全生命周期管理的法定要求，利用信息化、智能化手段實現精細化生產運營成為危廢處置行業的必然趨勢。

MES系統(Manufacturing Execution System：生產執行系統)在企業綜合自動化三層架構中起到非常重要的承上啟下作用，一方面起到生產計劃和生產執行間的雙向數據循環的作用；另一方面通過智能化數據分析工具，利用生產過程數據為企業實現提質降本增效。與ERP(Enterprise Resource Planning：企業資源計劃系統)等其他信息化系統相比，MES系統具有強烈的行業相關性，雖然MES系統在石化、化工、電子等行業領域發展迅速，但其架構及功能無法直接應用于危廢處置行業。市場上專門針對水泥窯協同處置等危廢處置企業的MES系統非常稀少，大多數企業是在開發實施ERP系統的同時，通過功能擴展等方式來實現MES系統的部分功能，如物料管理、生產監控、安環管理等。這些功能在生產業務管理的全面性，特別在生產數據的挖掘方面，尚存在很大的缺失。

因此，本文將提出一種針對水泥窯協同危廢處置企業的MES系統架構及功能設計，該系統在完成傳統MES系統業務功能的同時，將針對水泥窯協同處置的生產工藝特點，充分利用DCS/PLC等采集的過程數據，實現配伍優化、設備預測性維護、能效優化等行業性重點功能，從而為企業精細化管理水平提升、生產節能減排等提供強大的IT軟件工具。目前該系統已經設計開發完成，并正在溧陽市前鋒環?？萍加邢薰镜乃喔G協同處置中心進行部署和實施。

1 MES系統架構設計

1.1 設計思路

MES系統由于面向生產現場，與企業的計劃模式、生產工藝、生產作業等息息相關，在功能設計時必須緊密關聯企業生產特點，貼合用戶需求；另外隨著數據挖掘、人工智能等新技術的發展和應用，以往簡單的數據統計及可視化越來越難以滿足用戶的高層次應用需求。下面將闡述一下本系統的總體設計思路及應用特點。

(1)遵從國家標準及行業規范：危廢處置行業屬于法律法規及行業規范高的行業，本系統在功能設計過程中嚴格遵從國家標準和行業規范，特別在質量管理、安環管理等功能模塊中的質量標準、環境排放標準等控制點中，參照并遵從了《HJ 662-2013 水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》、《GB 30760-2014 水泥窯協同處置固體廢物技術規范》、《GB 30485-2013 水泥窯協同處置固體廢物污染控制標準》等；

(2)符合水泥窯協同處置批次化生產特性：水泥窯協同處置工藝具有非常顯著的批次化生產特點，即按照批次在水泥窯中進行投料及生產。這種生產特點在MES系統中主要反應在兩方面，一是對生產配伍模塊的設計，即為了實現處置過程工況的相對穩定，需要基于目前所有在庫危廢，通過用戶設定的目標配伍條件以及初始待配伍危廢的選擇，進行配伍計算和相容性檢查，使配伍指標符合熱值、污染特性和相容性要求，最終生成批次投料清單。第二是在生產作業方面，需要以作業工單為核心，按照批次對生產作業過程中的物料移動和消耗過程進行跟蹤和管理，和計劃投料之間形成閉環的執行過程，為后續的物料平衡及成本計算打下基礎。

(3)提升數據智能化應用水平：本系統在傳統MES對人機料法環全面管理的同時，著重于利用數據挖掘、人工智能、智能決策等先進技術手段，針對水泥窯協同處置的多個工業場景，在底層生產過程實時數據采集的基礎上，提煉模型和設計算法，解決生產實際中的設備、工藝、質量、能源等相關問題，在保證生產安全平穩運行的同時基于數據提升生產管理水平。

(4)與上層ERP系統形成緊密集成：MES系統是對計劃指導下的實際生產執行過程的管理，從系統集成的角度來看，MES系統和上層ERP系統之間是一個閉環的數據連接及反饋的過程。ERP系統負責制定長周期的生產方案、貯存方案等，MES系統接收計劃指令并分解執行。當實際生產執行過程中，MES系統需要對比計劃和實際之間的偏差，當偏差范圍較大時，系統需要提醒相關生產及運營管理者，及時糾正偏差、優化生產運營。因此，水泥窯協同處置MES系統將與ERP系統的計劃和倉儲數據緊密關聯，并實現生產方案執行預警、貯存方案執行預警等功能。

1.2 采用的軟件開發技術

本系統采用前后端完全分離的技術方案，使用的關鍵軟件開發技術包括微服務架構、.NET Core技術框架、CAP分布式事務解決方案及EntityFramework Core技術等。整體軟件技術框架如圖1所示：

(1)其中微服務架構為當前工業軟件開發的先進技術手段。它的開發效率高，可以在不同模塊中進行并行開發，減少模塊間相互沖突，使得功能模塊充分解耦；第二可維護性強，拓展性與靈活性大，通過不同模塊的組合可以快速滿足現場的定制化需求；第三系統架構的穩定性也較高，模塊之間相互影響小，容錯性高。

圖1 MES系統軟件技術架構Fig.1 MES system software technical structure

(2)NET Core是開源通用的技術框架，支持在Windows、Linux等系統的開發和部署，可以應用于硬件設備、云服務和嵌入式/物聯網方案，具有出色的性能和低內存占用，內建的很多功能可以使應用程序更容易開發和維護，能夠構建可靠的應用程序框架。

(3)CAP分布式事務解決方案具有事件總線的所有功能，并且提供更加簡單的方式處理發布與訂閱。具有消息持久化功能，當服務重啟或宕機時，仍可以保證消息可靠性。該解決方案基于MIT協議開源，可以免費在私人或者商業項目中注入使用。

(4)EntityFramework Core技術的開發效率高，可以讓開發人員節省數據庫訪問的代碼時間，將更多精力放在業務邏輯層代碼上。該技術提供變更跟蹤、唯一性約束、惰性加載、查詢事務等功能；并允許開發人員使用Linq語言，對數據庫操作如同操作對象一樣方便簡捷。

1.3 總體功能架構

從系統功能架構上來看，本系統在邏輯層次上共分為三層架構，自下至上分別是生產數據采集層，生產執行層和企業應用集成層(圖2)。下面將分別進行簡要描述。

圖2 MES系統總體功能架構Fig.2 MES system total functional framework

1.3.1 生產數據采集層

這一層次的主要目的是采集來自生產現場的各類實時數據，包括來自DCS/PLC的工藝運行數據；來自環境測量傳感器的廠區環境、煙氣排放，重金屬逃逸等環保數據；來自設備檢測傳感器的振動、噪聲等數據；以及來自第三方系統數據庫的相關生產數據等。

生產數據采集層的主要目的是為上層提供完整準確的實時數據基礎，這類數據通常存放3年以上的現場數據，存儲媒介為實時數據庫。

1.3.2 生產執行層

生產執行層共包括七個功能模塊，分別針對水泥窯協同處置的生產管理、設備管理、計劃排產等業務進行開發，可幫助處置企業針對生產執行過程中的“人機料法環”等生產要素進行全面規范化的科學管理；實現過程數據的全面采集和實時監控，并利用相關數據實現相關工業場景的智能化應用。

由于位于中間層位置，生產執行層還與設備控制層、運營管理層的相關系統實現全面無縫集成，打通生產計劃和生產實績之間的數據通道，實現計劃與實績間的動態反饋與實時預警。

1.3.3 企業應用集成層

企業內部往往存在很多已有的信息化系統，包括PLM系統、ERP系統、WMS系統、LIMS系統等，MES系統由于管理的業務范圍和層次較廣，通常與這些系統間都存在數據交互與流程貫通的集成，如MES系統在進行智能配伍時需要獲取WMS系統的庫存數據等。

這其中，MES系統和ERP系統的集成關系最為關鍵，MES系統一方面要從ERP系統獲取生產計劃、BOM(Bill of Material：物料清單)表等數據，另外一方面也會將生產批次、物料投料、輔料消耗等實際生產數據傳遞給ERP系統使用。

2 MES系統功能設計

2.1 態勢監控

本模塊的主要目的是通過和自動設備、控制系統及業務數據的集成，實現對生產過程狀態的數據采集，并存儲在系統后臺的實時數據庫中；通過圖形組態和可視化技術進行數據多樣化展示，從而直觀方便地實現處置生產過程的透明化。如獲得各預處理設備、處置流程的狀態信息；查看當日已完成和未完成處置的危廢數量；查詢危廢在每道工序上的執行詳情等。

(1)模塊會提供畫布及危廢領域的基本設備組態圖元等，用戶可以運用這些工具，通過簡單的拖拽、連接等方式結合自身處置生產線的工藝路線進行具體工藝組態和流程圖的繪制工作，包括固體廢物的處置流程、半固體廢物的處置流程以及液體廢物的處置流程等。

(2)在流程圖中，用戶也可以根據需求在流程圖的適當位置嵌入相關展示數據，主要包括設備運行數據、生產統計數據，批次質量數據和環境測量數據等。嵌入數據點可以預設閾值并具備實時報警功能。用戶還可以自定義不同的虛擬測量點，該測量點的數值由多個真實測量點的數值計算而來。

(3)用戶可以在此模塊中訂閱相關生產任務信息，如在日期選擇下拉框中選擇制定日期，可以實現生產任務信息的篩選，并以圖表形式顯示生產任務的統計信息等。

2.2 設備管理

水泥窯協同危廢處置生產由預處理，投料，焚燒，尾氣處理等過程組成，每個環節都存在眾多運轉設備，包含如SMP(破碎/混合/泵送)、柱塞泵、輸送機、提升機等關鍵性設備，這些設備的平穩運行是保障生產安全經濟運行的重要因素。設備模塊的作用就是通過對設備資產的運行和維修管理等，針對危廢企業生產設備進行數字化和科學化管理；并基于設備運行過程數據，利用數據挖掘、人工智能等技術手段針對關鍵設備實現預測性維修、報警閾值優化等功能。

(1)用戶可在模塊中建立數字化的設備管理對象，針對設備基礎信息進行增刪改查操作；另外，可以對設備對象上面的測量點進行配置和修改。對于需要進行維修操作的設備，可添加維修計劃的內容、指定時間及其他信息；維修人員在收到指定的維修計劃信息后，完成維修任務并添加處理對策/方式、維修過程等內容，最終完成設備維修過程的閉環式管理。

(2)全局設備效率指數OEE是衡量企業生產效率的重要標準，也是TPM實施的重要手法之一。本功能通過采集設備開停機和實時運行數據，為設備管理人員提供實時OEE分析指標計算功能，更好地輔助設備管理人員對關鍵設備的運行狀態和效率進行一個整體直觀的評價。

(3)在預處理環節，破碎機通過刀具的剪切、撕裂和擠壓作用減小危廢的物料尺寸。破碎過程中頻繁的反轉操作會對刀具造成磨損，影響危險廢物的破碎，且更換刀具的成本費用很高。本系統采用了一種基于BP神經網絡的相關性分析技術用于判斷破碎機刀具的磨損程度，并采用遺傳算法優化BP神經網絡。通過數據訓練得到BP神經網絡后，選擇平均影響值MIV作為相關性評價指標。運行時將破碎機的狀態變量作為輸入變量，破碎機刀具的磨損程度作為輸出變量，確定輸入變量對輸出變量的正負相關性及影響大小，并根據篩選出的指標參數對破碎機刀具的磨損程度進行判斷。

2.3 計劃管理

對于危廢處置企業而言，配伍工作是制定生產計劃的牽引步驟，也是投料入窯生產前的關鍵業務環節。配伍是結合各擬處置物料熱值、揮發分、硫氯含量、灰渣特性、包裝等物理及化學性質，合理地對物料進行形態、熱值、成分等均質化處理，以達到入窯焚燒成分穩定可控、均勻平衡燃燒的目的[2]。目前，大多數企業的配伍工作都是由專門技術人員依靠手動計算和行業經驗來完成，而隨著國內危險廢物產量迅速增加，且來源復雜、種類繁多，手動配伍對配伍工程師的要求越來越高，其工作量日益繁重，同時配伍方案的準確度也難以保證。計劃管理模塊將針對水泥窯協同處置企業設計開發一種先進的智能配伍算法，根據配伍結果制定生產日計劃，指導生產執行的優化有序開展。

(1)本系統的智能配伍算法包含設置配伍目標，危廢物分區及排序、配伍隊列生成、相容性判斷等步驟，遵循以托盤為配伍基本單元，以滿足廢物相容性為前提，以配伍平均熱值靠近目標熱值為主要條件，以污染元素不超過最大目標范圍為副要條件的配伍方式。最終實現配伍結果的安全，穩定可控和計算便捷等。

(2)計劃人員在得到配伍結果后，會根據生產工藝約束，設備約束，人員約束等進行生產日計劃的排程。在生產日計劃和生產任務部署等頁面，計劃人員可查看生產日計劃詳情，并以甘特圖等方式顯示各個工藝處置流程的起止時間及消耗時間等。

(3)系統還內置生產BOM表，在確定計劃主物料投入量后，可根據BOM表計算輔料、耗材等消耗定額。

2.4 質量管理

質量管理的模塊的主要目的是根據企業質量管理策略，針對質量控制與質量實施建立水泥窯協同處置生產的質量規范體系，監控質量檢測數據并及時處理質量隱患問題[3]。對于入窯生料和水泥熟料重金屬含量限值、可浸出重金屬含量限值、檢測方法及檢測頻次等質量管理內容，嚴格遵從《GB 30485-2013 水泥窯協同處置固體廢物污染控制標準》等。

(1)質量標準功能可以讓用戶自定義配置水泥質量檢測的指標項，以及檢測指標判定的合格的范圍等。配置內容主要包括指標區間，指標值及單位等。

(2)系統以生產批次為單位，通過人工錄入或實驗室檢測系統集成等方式，能夠對水泥質量檢測結果進行記錄和查看；

(3)通過獲取批次投料的成分數據，以及該批次的水泥質量數據，通過相關性算法分析，可以得到兩者之間的相關性大小關系。在長時間數據積累的情況下，可以提醒生產和質量相關人員優化生產投料，并追溯質量事故的發生原因等。

2.5 能耗管理

水泥窯協同處置過程中的處置設備會引起大量耗能，例如變頻泵輸送混合后的危險廢物等。如果設備運行能夠根據實際生產符合，全面準確地采集能耗數據及動態分析能耗狀況，輔助制定并不斷優化節能方案，控制耗能設備的最佳運行狀態，那么將有效地降低處置過程的能源消耗，達到精細化管理的目標。

(1)本模塊將全面監控水、電、油、氣等各種能耗數據，針對設備以及處置過程的用能和用料情況進行統計分析，并提供圖形組件化的分析結果。

(2)另外，考慮到危廢處置行業中破碎混合泵送系統等的巨大能耗，能耗管理模塊還通過獲取目標設備的特性曲線及均方根誤差值，選擇某時間段內的歷史數據數據及特性曲線，通過粒子群算法等分析得到擬合曲線上的最優值點。在滿足危廢處置行業負載需求的前提下，獲得能耗設備的最佳工況點，實現整個危廢處置系統的節能控制。

2.6 生產管理

生產管理模塊的主要目的是承接生產計劃的輸出結果，對車間作業層的生產任務和生產結果進行管理，即對批次生產作業的物料移動和消耗過程進行跟蹤和管理。生產作業的全過程物料跟蹤既是危廢處置行業規范的要求，也是全廠物料平衡和班次成本核算的重要基礎。另外，生產實績的數據在匯總統計后將提供給運營管理層(ERP層)進行計劃和實績之間的比較，從而指導生產計劃的優化和完善。生產管理模塊的主要功能點包括生產任務管理，安環管理和生產報表等。

(1)車間層的生產管理系統以生產任務單為核心單據，將采購、領料、入庫、費用分攤等環節打通，實現了生產過程和進度的跟蹤和控制，并實現生產成本的自動核算，在車間作業管理中占據核心地位。水泥窯協同處置是一個典型的批次生產過程，生產任務單和上層生產計劃模塊的配伍單號有著一一對應的關系，生產任務管理主要包括對批次生產的領料管理、投料管理(包括主物料，輔料，耗材等)以及作業統計等。

(2)安全和環境管理是危廢處置生產的一個重要業務管理領域，安環管理提供的主要功能點包括：安全公告；煙氣排放指標分析；環境檢測指標分析等。其中煙氣排放和環境指標將通過測點的傳感器數據進行監測和管理，內容包括每日監測數據，平均值，指標范圍，超標次數，合格率等。

在煙氣排放顆粒度濃度，排氣筒粉塵等監測指標方面，嚴格遵從《HJ 662-2013 水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》等。

(3)生產報表主要對生產執行過程中的重要報表進行圖表方式的統計和生成。這部分內容往往需要根據現場用戶的個性化需求進行定制處理，主要內容包括車間報表，生產日/月報；輔料消耗報表等。

2.7 系統管理

系統管理模塊主要實現管理員對用戶信息的添加、修改以及權限管理；完成設備通信協議配置，實現與實時數據庫的連通；查看和管理系統配置的所有測量點詳情；并集中管理系統各個微服務以及監控微服務的運行狀態等。

3 結 語

MES系統對于企業精細化生產和優化運營起著不可或缺的關鍵性作用，它在企業經營計劃層和設備控制層搭起一座雙向數據流通的橋梁，并對車間層面的人機料法環等生產要素進行全面管控。近幾年來，MES系統逐漸呈現智能化和集成化的發展趨勢，特別在智能化方面，以往MES系統中單純的數據采集與展示工作越來越難以滿足企業應用需求，生產管理者希望通過MES系統挖掘數據價值，優化生產過程。

本文針對水泥窯協同危廢處置企業提出一種先進的MES系統設計思路。該系統緊密貼合水泥窯協同處置的工藝過程和生產特點，采用前后端分離及微服務架構的先進軟件開發思想，實現生產狀態跟蹤、設備管理、能耗管理、質量管理、安環管理等業務管理功能。并在實時采集的工藝/設備等數據基礎上，開發了智能配伍、破碎機道具磨損判定等智能化功能，為處置企業的精細化生產和運營；節能減排等提供強大的信息化工具。

信息化系統隨著企業生產工藝的優化，管理水平的提升，也在不斷進行發展。本文提出的MES系統在如何實現生產物料的自動平衡；基于生產數據自動進行成本核算；以及在不同負載工況下的工藝參數自動調節等方面，仍然存在很多的提升空間。