1 引言
水泥行業(yè)是典型的高耗能行業(yè)，其能源消耗占全國能源消耗的7％。目前我國水泥行業(yè)大多實行的是粗放型的生產(chǎn)管理方式，生產(chǎn)經(jīng)營處于投入多、消耗高、效益低的粗放型狀態(tài)。雖然多數(shù)水泥企業(yè)都采用DCS控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對主要生產(chǎn)裝置的集中監(jiān)控，并沒有利用DCS建立實時信息管理平臺，給各級管理層實時了解廠級范圍實時的生產(chǎn)情況帶來了很大的不便，甚至會影響到各級管理層對生產(chǎn)過程的及時了解、分析、判斷和正確指揮。根據(jù)MES系統(tǒng)的設計原則，針對水泥廠連續(xù)型流程行業(yè)的特點，以先進的生產(chǎn)管理理念為指導，采用先進的生產(chǎn)計劃調(diào)度模型，實現(xiàn)了企業(yè)管理層與生產(chǎn)底層的集成，達到優(yōu)化生產(chǎn)、提高效益和市場競爭力的目的。
2 水泥生產(chǎn)的特點
2.1 水泥生產(chǎn)工藝簡介
水泥生產(chǎn)屬于典型的流程制造，生產(chǎn)中石灰石、粘土、鐵粉等物料連續(xù)地通過整個生產(chǎn)線，從總的工藝流程看，物料是依次通過生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨三個串聯(lián)階段，主要通過一些化學、物理化學變化實現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)，最終得到水泥產(chǎn)品。但在這單一的生產(chǎn)流程中，局部環(huán)節(jié)上又同時存在著物料流和能量流的循環(huán)、返流現(xiàn)象。主要生產(chǎn)流程如圖1所示，各工藝區(qū)域的具體功能如下：
1)生料制備
石灰質(zhì)原料、粘土質(zhì)原料與少量鐵質(zhì)校正原料經(jīng)破碎、烘干后，輸送到原料庫，然后按照一定的比例配合，進人生料磨進行粉磨，得到成分合適、質(zhì)量均勻、細度合適的生料粉。生料粉輸送至均化庫進行進一步均化，均化后輸送至生料庫。
2)熟料燒成
它是整個水泥生產(chǎn)的核心所在。生產(chǎn)過程中生料粉從生料庫被提升至預熱器，在通過多級預熱器的過程中與熱氣流進行熱交換，達到較高溫度后進人分解爐。在分解爐內(nèi)生料經(jīng)過預煅燒，進入回轉(zhuǎn)窯。在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)充分煅燒至部分熔融，得到以硅酸鈣為主要成分的水泥熟料，熟料再經(jīng)過破碎、冷卻，輸送至熟料庫。
3)水泥制備
熟料添加適量的石膏，有時還有一部分混合材料或外加劑，經(jīng)過配料后進入熟料磨進行粉磨，共同磨細制成水泥，最后輸送到水泥庫。
與此同時，在水泥生產(chǎn)過程中，依次穿插著各車間的生產(chǎn)調(diào)度、各職能部門的職能管理，乃至企業(yè)級的整體運營決策等行為。
圖1 新型干法水泥生產(chǎn)工藝流程
2.2 水泥生產(chǎn)和管理的特點
與其他流程工業(yè)相比，水泥行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)周期短(原料投料至水泥產(chǎn)出周期，以小時計)、批量大(中等規(guī)模以上的生產(chǎn)線日產(chǎn)量均在2500噸以上)，原材料中各種礦物成分的波動不可避免�？梢哉f，水泥企業(yè)既有流程工業(yè)的共性，又有自身的個性。
生產(chǎn)計劃方面：水泥企業(yè)主要是大批量生產(chǎn)，只有滿負荷運行，才能將成本降低；生產(chǎn)主要面向庫存，沒有作業(yè)單的概念，年度計劃更具有重要性；采用過程結(jié)構(gòu)和配方進行物料需求計劃，同時考慮生產(chǎn)能力。
調(diào)度管理方面：流程企業(yè)的產(chǎn)品，是以流水生產(chǎn)線方式組織、連續(xù)的生產(chǎn)方式，只存在連續(xù)的工藝流程，不存在與離散企業(yè)對應的嚴格的工藝路線。因此，在作業(yè)計劃調(diào)度方面，不需要也無法精確到工序級別，而是以整個流水生產(chǎn)線為單元進行調(diào)度。與離散工業(yè)的調(diào)度不同，水泥生產(chǎn)調(diào)度不僅要下達作業(yè)指令，而且要將作業(yè)指令轉(zhuǎn)化為各個機組及設備的操作指令和各種基礎(chǔ)自動化設備的控制參數(shù)。
生產(chǎn)過程與優(yōu)化方面：水泥生產(chǎn)是一個復雜的熱工過程，各種物質(zhì)含量的變化不但影響著水泥的質(zhì)量等級，同時也會影響到生料的易燒性，即對熟料燒成需要的時間、溫度有很大影響。因此原材料的配方、配比還要根據(jù)水泥廠的工藝水平和工藝要求不斷的進行優(yōu)化和調(diào)整。水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如何把適當?shù)�、相關(guān)的生產(chǎn)現(xiàn)場信息準確而快速的反饋給企業(yè)其他功能部門，是企業(yè)需要解決的難點。同時水泥生產(chǎn)參數(shù)的測量滯后且復雜，在熟料煅燒過程中，熟料的燒成情況、質(zhì)量的測量往往都是通過離線的方式進行，測量的精度和實時性由于受到多變量、多狀態(tài)的復合影響，常產(chǎn)生測量的不可重復性。
3 水泥生產(chǎn)管理系統(tǒng)的需求分析
目前多數(shù)水泥廠都采用了DCS控制系統(tǒng)，用于各個工序的控制和監(jiān)視，基本解決了遠程生產(chǎn)控制的問題，而且在某些工序上可以說完全實現(xiàn)了生產(chǎn)流程的自動化管理。但由于沒有建立實時信息管理平臺，站在全廠的角度分析、管理生產(chǎn)過程就產(chǎn)生了很大的局限性。從生產(chǎn)所需資源分析，水泥廠當前存在的問題集中表現(xiàn)在：
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的命名或編碼不一致，各業(yè)務部門都是根據(jù)自己的需求自己定義基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。比如設備數(shù)據(jù)在生產(chǎn)業(yè)務中就沒有一個統(tǒng)一的編碼機制，這樣會形成一定的“信息孤島”，給信息集成和資產(chǎn)核查帶來很大的問題。
質(zhì)量檢驗方面，質(zhì)檢中心與其他部門之間檢驗請求以及檢驗結(jié)果的發(fā)布都是通過電話通知和紙質(zhì)傳遞的形式，信息的反饋有一定的滯后性。缺乏物料流數(shù)據(jù)的有效集成、監(jiān)測和利用。庫存和原料信息不能及時傳遞給生產(chǎn)計劃部門。由于缺乏有效手段獲得物料數(shù)據(jù)，導致生產(chǎn)過程不穩(wěn)和資源浪費嚴重等問題，不利于生產(chǎn)優(yōu)化。
生產(chǎn)調(diào)度不能及時掌握必要的信息。企業(yè)生產(chǎn)與調(diào)度之間尚未實現(xiàn)信息集成，無法及時控制生產(chǎn)全過程的物料平衡、熱平衡、能耗分析以及成本跟蹤、指揮和決策仍憑借個人經(jīng)驗，目標僅僅是保證安全生產(chǎn)和物料通暢，而浪費的經(jīng)濟效益是十分驚人的。
如何有效地解決這些問題，要靠水泥廠信息系統(tǒng)所能夠提供的信息高度集成和深度挖掘。從這個意義上講，形成適合中國國情的水泥企業(yè)綜合自動化整體解決方案，是我國廣大水泥企業(yè)的迫切需求。
4 基于MES的水泥行業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
4.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)
制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES：Manufacture Execute System)是美國管理界于20世紀90年代提出的概念。MES的主要作用一方面是執(zhí)行計劃層制定的生產(chǎn)計劃、調(diào)度指令，并與質(zhì)量管理系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)構(gòu)成質(zhì)量的閉環(huán)控制；另一方面MES采集生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)、集成原料和產(chǎn)品的存儲數(shù)據(jù)、集成設備狀態(tài)信息，并將這些信息進行合并、匯總、規(guī)范、分析等綜合處理。一方面為生產(chǎn)計劃與排產(chǎn)提供依據(jù)，另一方面也為ERP提供了及時、可靠、準確的生產(chǎn)經(jīng)營參考信息，實現(xiàn)了信息的全面共享，從而使企業(yè)的管理者可以根據(jù)這些及時、準確的數(shù)據(jù)進行決策。
4.2 集成化遞階生產(chǎn)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
具體到水泥企業(yè)背景，MES的研究重點以水泥熟料燒成及磨機車間(或分廠)的業(yè)務流程為基礎(chǔ)進行展開。MES執(zhí)行由ERP制定的計劃，并根據(jù)實時生產(chǎn)信息調(diào)整生產(chǎn)作出調(diào)度，并將有關(guān)資源利用、庫存情況及生產(chǎn)計劃的實時完成情況準確的反饋給ERP系統(tǒng)。MES的調(diào)度指令還能將生產(chǎn)目標及生產(chǎn)規(guī)范自動轉(zhuǎn)化為過程設定值，并通過PCS中的優(yōu)化軟件對應到閥門、泵等控制設備的參數(shù)設置。同時，MES將從DCS采集來的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與質(zhì)量指標進行對比和分析，可以提供閉環(huán)的質(zhì)量控制。水泥企業(yè)MES的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。
4.3 生產(chǎn)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡支撐架構(gòu)
根據(jù)水泥企業(yè)數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)傳輸速度及數(shù)據(jù)處理量的要求，通常狀況下，企業(yè)級別網(wǎng)絡主干線采用光纖介質(zhì)，以保證系統(tǒng)的傳輸速度和安全性。從系統(tǒng)的可靠性、可擴展性、現(xiàn)有資源的利用角度考慮，采用客戶機／服務器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
從技術(shù)成熟性和使用普遍性考慮，采用TCP／IP和NetBEUI網(wǎng)絡協(xié)議。分廠(車間)及部門級網(wǎng)絡應用可采用普通雙絞線為通訊介質(zhì)，協(xié)議仍然采用TCP／IP和NetBEUI協(xié)議。底層控制網(wǎng)絡采用專用的現(xiàn)場總線通訊電纜，協(xié)議則根據(jù)需要可選擇Profibus或FF協(xié)議。結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有的硬件資源為企業(yè)設計的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 水泥企業(yè)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)
5 水泥生產(chǎn)管理系統(tǒng)的構(gòu)成
針對企業(yè)的實際情況，即大部分需要人工參與、各部門形成信息孤島，造成信息傳遞不及時、不準確因而形成了企業(yè)內(nèi)部各層之間的信息斷層。
本系統(tǒng)以集成系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，來設計生產(chǎn)管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)由圍繞以數(shù)據(jù)庫為中心的六大子系統(tǒng)組成如圖4所示：
圖4 集成系統(tǒng)模型
1)生產(chǎn)計劃管理
以上層ERP系統(tǒng)所下發(fā)的生產(chǎn)計劃為核心，結(jié)合倉儲管理系統(tǒng)的信息，科學、合理地分解為不同車間與工段的月、日生產(chǎn)計劃，并為實現(xiàn)整個企業(yè)運營的全局優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
2)物料管理
實現(xiàn)物料跟蹤、配合生產(chǎn)計劃進行物資發(fā)放(原料礦石、設備維護工具、配件)和半成品(生料、熟料)、成品(水泥)的入庫，實現(xiàn)庫存狀況的查詢與統(tǒng)計分析、調(diào)撥以及物資的日常管理工作，并采用適當?shù)乃惴ɑ蚍绞竭M行損益管理。
3)質(zhì)量管理
以生、熟料化驗管理為核心，立足PCS提供的現(xiàn)場實時信息，結(jié)合設備子系統(tǒng)確定的設備狀態(tài)及工藝狀態(tài)后，對PCS控制系統(tǒng)的生、熟料配料、均化，以及熟料煅燒提出指導建議，最終達到穩(wěn)定水泥生產(chǎn)質(zhì)量的目的。
4)成本管理
根據(jù)采集上來的數(shù)據(jù)或錄入的數(shù)據(jù)進行成本的計算，同時進行成本的動態(tài)發(fā)布和監(jiān)控，使成本控制發(fā)生在生產(chǎn)過程中，而不是在生產(chǎn)的完成后，以達到降低成本的目的；與企業(yè)資源管理中靜態(tài)的資產(chǎn)管理相連接，對生產(chǎn)過程的中間庫存和中間產(chǎn)品動態(tài)信息進行管理，提供成本和物流控制與管理的信息支持。
5)設備管理
指導企業(yè)維護設備的工作以保證生產(chǎn)順利進行，并產(chǎn)生階段性、周期性和預防性的維護計劃，也提供對緊急問題的響應(報警)；保留過去所發(fā)生的事件和問題的歷史記錄有助于處理可能要出現(xiàn)的問題。
6)生產(chǎn)調(diào)度管理
生產(chǎn)調(diào)度的任務主要是按照生產(chǎn)計劃及設備的運行狀態(tài)組織生產(chǎn)。收集各個工段的生產(chǎn)、設備、能耗、產(chǎn)品質(zhì)量等情況以便調(diào)度隨時掌握生產(chǎn)情況，指揮并協(xié)調(diào)生產(chǎn)。
通過此系統(tǒng)，可以充分利用車間的各種生產(chǎn)資源、生產(chǎn)方法和豐富的實時現(xiàn)場信息，實現(xiàn)全流程優(yōu)化調(diào)度，保證綜合能耗最小�？梢耘c上層管理平臺和下層控制模塊連通實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫連接與共享。
6 生產(chǎn)管理系統(tǒng)與其它管理系統(tǒng)之間的信息集成
在水泥生產(chǎn)過程中，各項生產(chǎn)業(yè)務過程之間是不可分割的整體，必須統(tǒng)籌考慮、組織和安排。通過對各過程產(chǎn)生信息的采集、傳遞、加工和處理，實現(xiàn)企業(yè)整體生產(chǎn)經(jīng)營效果的最優(yōu)化。在面向MES的生產(chǎn)管理系統(tǒng)上層，主要包括供應鏈管理、銷售和服務管理、產(chǎn)品設計＼過程工程等，下層是底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)，包括DCS、PLC。生產(chǎn)管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相連，實現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息集成和數(shù)據(jù)交換，其各子系統(tǒng)與其它管理系統(tǒng)之間的信息集成關(guān)系如圖5所示：
圖5 生產(chǎn)管理系統(tǒng)與其它管理系統(tǒng)問的信息集成
1)生產(chǎn)管理系統(tǒng)接受其它企業(yè)管理系統(tǒng)的信息
(1)供應鏈管理通過外來物料的采購和供應時間控制著生產(chǎn)計劃的制定和某些任務在企業(yè)中的生產(chǎn)活動時間；
(2)銷售和客戶服務管理提供的產(chǎn)品配置和報價，為實際生產(chǎn)訂單信息提供基本的參考依據(jù)；
(3)生產(chǎn)工藝管理提供實際生產(chǎn)的工藝文件和各種配方及操作參數(shù)；
(4)從控制模塊傳來的實際生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)被生產(chǎn)管理系統(tǒng)用于實際生產(chǎn)性能評估和操作條件的判斷；
(5)生產(chǎn)管理系統(tǒng)在運行調(diào)度優(yōu)化計算時，需要設備等資源信息和工藝信息的支持，同時需要控制層反饋信息的支持等。
2)生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供給其它企業(yè)管理系統(tǒng)的信息
(1)生產(chǎn)管理系統(tǒng)向上層SCM等提交設備運轉(zhuǎn)情況、生產(chǎn)能力、材料消耗、質(zhì)檢結(jié)果、中間倉儲情況和產(chǎn)量信息等涉及生產(chǎn)運行的數(shù)據(jù)；
(2)向底層控制系統(tǒng)發(fā)布生產(chǎn)指令控制及有關(guān)的生產(chǎn)線運行的各種參數(shù)等；
(3)生產(chǎn)工藝管理可以通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)的產(chǎn)品產(chǎn)出和質(zhì)量數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。
總之，生產(chǎn)管理系統(tǒng)與其它企業(yè)管理系統(tǒng)實現(xiàn)信息集成，可以充分利用各種信息資源，優(yōu)化調(diào)度合理配置資源。
7 系統(tǒng)運行畫面
系統(tǒng)的具體部署可以根據(jù)企業(yè)實際情況進行。
對于大型應用，可以將應用層和數(shù)據(jù)庫分別部署在不同的服務器上，它們之間通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡連接起來；對于小型應用，可以將應用層和數(shù)據(jù)庫部署在同一臺服務器上。
客戶端可以使用Windows 2000或Windows XP操作系統(tǒng)，它們在我國已經(jīng)普及，穩(wěn)定性、安全性等性能基本上能滿足用戶的要求。而服務器出于性能和安全性的考慮需要使用Windows 2000或Windows Server 2003操作系統(tǒng)。
系統(tǒng)開發(fā)工作完成以后，需要進行各種測試。此外，還需要創(chuàng)建Windows標準安裝程序，編寫用戶手冊，才可以交付用戶使用。在用戶使用過程中，會根據(jù)實際應用情況對軟件提出修改或增加功能的要求，因此，還需要對其進行維護。
按照系統(tǒng)部署要求進行安裝后，客戶端運行時的窗口如圖6所示：
圖6 水泥生產(chǎn)管理運行界面
8 結(jié)束語
首先介紹了水泥生產(chǎn)管理的特點，其次對水泥生產(chǎn)管理進行了需求分析，在此對基于MES的水泥生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行了體系結(jié)構(gòu)設計，最后論述了水泥生產(chǎn)管理系統(tǒng)的構(gòu)成以及與其它管理系統(tǒng)間。
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本文標題：基于MES/ERP的水泥生產(chǎn)管理系統(tǒng)研究
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