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(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)主要生產(chǎn)裝置的集中監(jiān)控，并沒有利用DCS建立實(shí)時(shí)信息管理平臺(tái)，給各級(jí)管理層實(shí)時(shí)了解廠級(jí)范圍實(shí)時(shí)的生產(chǎn)情況帶來了很大的不便，甚至?xí)�影響到各�?jí)管理層對(duì)生產(chǎn)過程的及時(shí)了解、分析、判斷和正確指揮。根據(jù)MES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，針對(duì)水泥廠連續(xù)型流程行業(yè)的特點(diǎn)，以先進(jìn)的生產(chǎn)管理理念為指導(dǎo)，采用先進(jìn)的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)管理層與生產(chǎn)底層的集成，達(dá)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(diǎn)

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(gè)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(gè)串聯(lián)階段，主要通過一些化學(xué)、物理化學(xué)變化實(shí)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(shí)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(jìn)人生料磨進(jìn)行粉磨，得到成分合適、質(zhì)量均勻、細(xì)度合適的生料粉。生料粉輸送至均化庫進(jìn)行進(jìn)一步均化，均化后輸送至生料庫。

    2)熟料燒成

    它是整個(gè)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(yù)熱器，在通過多級(jí)預(yù)熱器的過程中與熱氣流進(jìn)行熱交換，達(dá)到較高溫度后進(jìn)人分解爐。在分解爐內(nèi)生料經(jīng)過預(yù)煅燒，進(jìn)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(shí)還有一部分混合材料或外加劑，經(jīng)過配料后進(jìn)入熟料磨進(jìn)行粉磨，共同磨細(xì)制成水泥，最后輸送到水泥庫。

    與此同時(shí)，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(jí)的整體運(yùn)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(diǎn)

    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(shí)計(jì))、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(dòng)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(gè)性。

    生產(chǎn)計(jì)劃方面：水泥企業(yè)主要是大批量生產(chǎn)，只有滿負(fù)荷運(yùn)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(jì)劃更具有重要性；采用過程結(jié)構(gòu)和配方進(jìn)行物料需求計(jì)劃，同時(shí)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(duì)應(yīng)的嚴(yán)格的工藝路線。因此，在作業(yè)計(jì)劃調(diào)度方面，不需要也無法精確到工序級(jí)別，而是以整個(gè)流水生產(chǎn)線為單元進(jìn)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(dá)作業(yè)指令，而且要將作業(yè)指令轉(zhuǎn)化為各個(gè)機(jī)組及設(shè)備的操作指令和各種基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)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(gè)復(fù)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(jí)，同時(shí)也會(huì)影響到生料的易燒性，即對(duì)熟料燒成需要的時(shí)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(jìn)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(dāng)?shù)�、相關(guān)的生產(chǎn)現(xiàn)場信息準(zhǔn)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(diǎn)。同時(shí)水泥生產(chǎn)參數(shù)的測量滯后且復(fù)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(jìn)行，測量的精度和實(shí)時(shí)性由于受到多變量、多狀態(tài)的復(fù)合影響，常產(chǎn)生測量的不可重復(fù)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(gè)工序的控制和監(jiān)視，基本解決了遠(yuǎn)程生產(chǎn)控制的問題，而且在某些工序上可以說完全實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)流程的自動(dòng)化管理。但由于沒有建立實(shí)時(shí)信息管理平臺(tái)，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(dāng)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(wù)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(shè)備數(shù)據(jù)在生產(chǎn)業(yè)務(wù)中就沒有一個(gè)統(tǒng)一的編碼機(jī)制，這樣會(huì)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(yàn)方面，質(zhì)檢中心與其他部門之間檢驗(yàn)請(qǐng)求以及檢驗(yàn)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(shí)傳遞給生產(chǎn)計(jì)劃部門。由于缺乏有效手段獲得物料數(shù)據(jù)，導(dǎo)致生產(chǎn)過程不穩(wěn)和資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，不利于生產(chǎn)優(yōu)化。

    生產(chǎn)調(diào)度不能及時(shí)掌握必要的信息。企業(yè)生產(chǎn)與調(diào)度之間尚未實(shí)現(xiàn)信息集成，無法及時(shí)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(gè)人經(jīng)驗(yàn)，目標(biāo)僅僅是保證安全生產(chǎn)和物料通暢，而浪費(fèi)的經(jīng)濟(jì)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(gè)意義上講，形成適合中國國情的水泥企業(yè)綜合自動(dòng)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(jì)90年代提出的概念。MES的主要作用一方面是執(zhí)行計(jì)劃層制定的生產(chǎn)計(jì)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(yùn)行數(shù)據(jù)、集成原料和產(chǎn)品的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、集成設(shè)備狀態(tài)信息，并將這些信息進(jìn)行合并、匯總、規(guī)范、分析等綜合處理。一方面為生產(chǎn)計(jì)劃與排產(chǎn)提供依據(jù)，另一方面也為ERP提供了及時(shí)、可靠、準(zhǔn)確的生產(chǎn)經(jīng)營參考信息，實(shí)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(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)以水泥熟料燒成及磨機(jī)車間(或分廠)的業(yè)務(wù)流程為基礎(chǔ)進(jìn)行展開。MES執(zhí)行由ERP制定的計(jì)劃，并根據(jù)實(shí)時(shí)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(jì)劃的實(shí)時(shí)完成情況準(zhǔn)確的反饋給ERP系統(tǒng)。MES的調(diào)度指令還能將生產(chǎn)目標(biāo)及生產(chǎn)規(guī)范自動(dòng)轉(zhuǎn)化為過程設(shè)定值，并通過PCS中的優(yōu)化軟件對(duì)應(yīng)到閥門、泵等控制設(shè)備的參數(shù)設(shè)置。同時(shí)，MES將從DCS采集來的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行對(duì)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(luò)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(jí)別網(wǎng)絡(luò)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(kuò)展性、現(xiàn)有資源的利用角度考慮，采用客戶機(jī)／服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)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(luò)協(xié)議。分廠(車間)及部門級(jí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(luò)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(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水泥企業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5 水泥生產(chǎn)管理系統(tǒng)的構(gòu)成

    針對(duì)企業(yè)的實(shí)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(shí)、不準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(jì)劃管理

    以上層ERP系統(tǒng)所下發(fā)的生產(chǎn)計(jì)劃為核心，結(jié)合倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)的信息，科學(xué)、合理地分解為不同車間與工段的月、日生產(chǎn)計(jì)劃，并為實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)運(yùn)營的全局優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

    2)物料管理

    實(shí)現(xiàn)物料跟蹤、配合生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行物資發(fā)放(原料礦石、設(shè)備維護(hù)工具、配件)和半成品(生料、熟料)、成品(水泥)的入庫，實(shí)現(xiàn)庫存狀況的查詢與統(tǒng)計(jì)分析、調(diào)撥以及物資的日常管理工作，并采用適當(dāng)?shù)乃惴ɑ蚍绞竭M(jìn)行損益管理。

    3)質(zhì)量管理

    以生、熟料化驗(yàn)管理為核心，立足PCS提供的現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息，結(jié)合設(shè)備子系統(tǒng)確定的設(shè)備狀態(tài)及工藝狀態(tài)后，對(duì)PCS控制系統(tǒng)的生、熟料配料、均化，以及熟料煅燒提出指導(dǎo)建議，最終達(dá)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(jìn)行成本的計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行成本的動(dòng)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(dá)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(duì)生產(chǎn)過程的中間庫存和中間產(chǎn)品動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行管理，提供成本和物流控制與管理的信息支持。

    5)設(shè)備管理

    指導(dǎo)企業(yè)維護(hù)設(shè)備的工作以保證生產(chǎn)順利進(jìn)行，并產(chǎn)生階段性、周期性和預(yù)防性的維護(hù)計(jì)劃，也提供對(duì)緊急問題的響應(yīng)(報(bào)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(wù)主要是按照生產(chǎn)計(jì)劃及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)組織生產(chǎn)。收集各個(gè)工段的生產(chǎn)、設(shè)備、能耗、產(chǎn)品質(zhì)量等情況以便調(diào)度隨時(shí)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(shí)時(shí)現(xiàn)場信息，實(shí)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(tái)和下層控制模塊連通實(shí)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(xiàng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)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(duì)各過程產(chǎn)生信息的采集、傳遞、加工和處理，實(shí)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(yīng)鏈管理、銷售和服務(wù)管理、產(chǎn)品設(shè)計(jì)＼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(shí)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(yīng)鏈管理通過外來物料的采購和供應(yīng)時(shí)間控制著生產(chǎn)計(jì)劃的制定和某些任務(wù)在企業(yè)中的生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)間；

    (2)銷售和客戶服務(wù)管理提供的產(chǎn)品配置和報(bào)價(jià)，為實(shí)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(shí)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(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)被生產(chǎn)管理系統(tǒng)用于實(shí)際生產(chǎn)性能評(píng)估和操作條件的判斷；

    (5)生產(chǎn)管理系統(tǒng)在運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化計(jì)算時(shí)，需要設(shè)備等資源信息和工藝信息的支持，同時(shí)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(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況、生產(chǎn)能力、材料消耗、質(zhì)檢結(jié)果、中間倉儲(chǔ)情況和產(chǎn)量信息等涉及生產(chǎn)運(yùn)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(yùn)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(jìn)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(shí)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(yùn)行畫面

    系統(tǒng)的具體部署可以根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況進(jìn)行。

    對(duì)于大型應(yīng)用，可以將應(yīng)用層和數(shù)據(jù)庫分別部署在不同的服務(wù)器上，它們之間通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接起來；對(duì)于小型應(yīng)用，可以將應(yīng)用層和數(shù)據(jù)庫部署在同一臺(tái)服務(wù)器上。

    客戶端可以使用Windows 2000或Windows XP操作系統(tǒng)，它們?cè)谖覈�已�?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(wù)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(jìn)行各種測試。此外，還需要?jiǎng)?chuàng)建Windows標(biāo)準(zhǔn)安裝程序，編寫用戶手冊(cè)，才可以交付用戶使用。在用戶使用過程中，會(huì)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)軟件提出修改或增加功能的要求，因此，還需要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。

    按照系統(tǒng)部署要求進(jìn)行安裝后，客戶端運(yùn)行時(shí)的窗口如圖6所示：

圖6 水泥生產(chǎn)管理運(yùn)行界面

8 結(jié)束語

    首先介紹了水泥生產(chǎn)管理的特點(diǎn)，其次對(duì)水泥生產(chǎn)管理進(jìn)行了需求分析，在此對(duì)基于MES的水泥生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行了體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(biāo)題：基于MES/ERP的水泥生產(chǎn)管理系統(tǒng)研究

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