1 引言
水泥行業是典型的高耗能行業，其能源消耗占全國能源消耗的7％。目前我國水泥行業大多實行的是粗放型的生產管理方式，生產經營處于投入多、消耗高、效益低的粗放型狀態。雖然多數水泥企業都采用DCS控制系統，實現了對主要生產裝置的集中監控，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情況帶來了很大的不便，甚至會影響到各級管理層對生產過程的及時了解、分析、判斷和正確指揮。根據MES系統的設計原則，針對水泥廠連續型流程行業的特點，以先進的生產管理理念為指導，采用先進的生產計劃調度模型，實現了企業管理層與生產底層的集成，達到優化生產、提高效益和市場競爭力的目的。
2 水泥生產的特點
2.1 水泥生產工藝簡介
水泥生產屬于典型的流程制造，生產中石灰石、粘土、鐵粉等物料連續地通過整個生產線，從總的工藝流程看，物料是依次通過生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨三個串聯階段，主要通過一些化學、物理化學變化實現產品的生產，最終得到水泥產品。但在這單一的生產流程中，局部環節上又同時存在著物料流和能量流的循環、返流現象。主要生產流程如圖1所示，各工藝區域的具體功能如下：
1)生料制備
石灰質原料、粘土質原料與少量鐵質校正原料經破碎、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
它是整個水泥生產的核心所在。生產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。在分解爐內生料經過預煅燒，進入回轉窯。在回轉窯內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，在水泥生產過程中，依次穿插著各車間的生產調度、各職能部門的職能管理，乃至企業級的整體運營決策等行為。
圖1 新型干法水泥生產工藝流程
2.2 水泥生產和管理的特點
與其他流程工業相比，水泥行業產品生產周期短(原料投料至水泥產出周期，以小時計)、批量大(中等規模以上的生產線日產量均在2500噸以上)，原材料中各種礦物成分的波動不可避免。可以說，水泥企業既有流程工業的共性，又有自身的個性。
生產計劃方面：水泥企業主要是大批量生產，只有滿負荷運行，才能將成本降低；生產主要面向庫存，沒有作業單的概念，年度計劃更具有重要性；采用過程結構和配方進行物料需求計劃，同時考慮生產能力。
調度管理方面：流程企業的產品，是以流水生產線方式組織、連續的生產方式，只存在連續的工藝流程，不存在與離散企業對應的嚴格的工藝路線。因此，在作業計劃調度方面，不需要也無法精確到工序級別，而是以整個流水生產線為單元進行調度。與離散工業的調度不同，水泥生產調度不僅要下達作業指令，而且要將作業指令轉化為各個機組及設備的操作指令和各種基礎自動化設備的控制參數。
生產過程與優化方面：水泥生產是一個復雜的熱工過程，各種物質含量的變化不但影響著水泥的質量等級，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、配比還要根據水泥廠的工藝水平和工藝要求不斷的進行優化和調整。水泥生產過程中產生大量的數據，如何把適當的、相關的生產現場信息準確而快速的反饋給企業其他功能部門，是企業需要解決的難點。同時水泥生產參數的測量滯后且復雜，在熟料煅燒過程中，熟料的燒成情況、質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、多狀態的復合影響，常產生測量的不可重復性。
3 水泥生產管理系統的需求分析
目前多數水泥廠都采用了DCS控制系統，用于各個工序的控制和監視，基本解決了遠程生產控制的問題，而且在某些工序上可以說完全實現了生產流程的自動化管理。但由于沒有建立實時信息管理平臺，站在全廠的角度分析、管理生產過程就產生了很大的局限性。從生產所需資源分析，水泥廠當前存在的問題集中表現在：
基礎數據的命名或編碼不一致，各業務部門都是根據自己的需求自己定義基礎數據。比如設備數據在生產業務中就沒有一個統一的編碼機制，這樣會形成一定的“信息孤島”，給信息集成和資產核查帶來很大的問題。
質量檢驗方面，質檢中心與其他部門之間檢驗請求以及檢驗結果的發布都是通過電話通知和紙質傳遞的形式，信息的反饋有一定的滯后性。缺乏物料流數據的有效集成、監測和利用。庫存和原料信息不能及時傳遞給生產計劃部門。由于缺乏有效手段獲得物料數據，導致生產過程不穩和資源浪費嚴重等問題，不利于生產優化。
生產調度不能及時掌握必要的信息。企業生產與調度之間尚未實現信息集成，無法及時控制生產全過程的物料平衡、熱平衡、能耗分析以及成本跟蹤、指揮和決策仍憑借個人經驗，目標僅僅是保證安全生產和物料通暢，而浪費的經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綜合自動化整體解決方案，是我國廣大水泥企業的迫切需求。
4 基于MES的水泥行業生產管理系統體系結構
4.1 制造執行系統(MES)
制造執行系統(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行計劃層制定的生產計劃、調度指令，并與質量管理系統、DCS系統構成質量的閉環控制；另一方面MES采集生產運行數據、集成原料和產品的存儲數據、集成設備狀態信息，并將這些信息進行合并、匯總、規范、分析等綜合處理。一方面為生產計劃與排產提供依據，另一方面也為ERP提供了及時、可靠、準確的生產經營參考信息，實現了信息的全面共享，從而使企業的管理者可以根據這些及時、準確的數據進行決策。
4.2 集成化遞階生產管理系統結構
具體到水泥企業背景，MES的研究重點以水泥熟料燒成及磨機車間(或分廠)的業務流程為基礎進行展開。MES執行由ERP制定的計劃，并根據實時生產信息調整生產作出調度，并將有關資源利用、庫存情況及生產計劃的實時完成情況準確的反饋給ERP系統。MES的調度指令還能將生產目標及生產規范自動轉化為過程設定值，并通過PCS中的優化軟件對應到閥門、泵等控制設備的參數設置。同時，MES將從DCS采集來的生產數據與質量指標進行對比和分析，可以提供閉環的質量控制。水泥企業MES的體系結構如圖2所示。
4.3 生產管理系統的網絡支撐架構
根據水泥企業數據處理速度和數據傳輸速度及數據處理量的要求，通常狀況下，企業級別網絡主干線采用光纖介質，以保證系統的傳輸速度和安全性。從系統的可靠性、可擴展性、現有資源的利用角度考慮，采用客戶機／服務器網絡結構。
從技術成熟性和使用普遍性考慮，采用TCP／IP和NetBEUI網絡協議。分廠(車間)及部門級網絡應用可采用普通雙絞線為通訊介質，協議仍然采用TCP／IP和NetBEUI協議。底層控制網絡采用專用的現場總線通訊電纜，協議則根據需要可選擇Profibus或FF協議。結合企業現有的硬件資源為企業設計的網絡拓撲結構如圖3所示。
圖3 水泥企業網絡拓撲結構
5 水泥生產管理系統的構成
針對企業的實際情況，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內部各層之間的信息斷層。
本系統以集成系統模型為基礎，來設計生產管理系統。此系統由圍繞以數據庫為中心的六大子系統組成如圖4所示：
圖4 集成系統模型
1)生產計劃管理
以上層ERP系統所下發的生產計劃為核心，結合倉儲管理系統的信息，科學、合理地分解為不同車間與工段的月、日生產計劃，并為實現整個企業運營的全局優化奠定基礎。
2)物料管理
實現物料跟蹤、配合生產計劃進行物資發放(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，實現庫存狀況的查詢與統計分析、調撥以及物資的日常管理工作，并采用適當的算法或方式進行損益管理。
3)質量管理
以生、熟料化驗管理為核心，立足PCS提供的現場實時信息，結合設備子系統確定的設備狀態及工藝狀態后，對PCS控制系統的生、熟料配料、均化，以及熟料煅燒提出指導建議，最終達到穩定水泥生產質量的目的。
4)成本管理
根據采集上來的數據或錄入的數據進行成本的計算，同時進行成本的動態發布和監控，使成本控制發生在生產過程中，而不是在生產的完成后，以達到降低成本的目的；與企業資源管理中靜態的資產管理相連接，對生產過程的中間庫存和中間產品動態信息進行管理，提供成本和物流控制與管理的信息支持。
5)設備管理
指導企業維護設備的工作以保證生產順利進行，并產生階段性、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)；保留過去所發生的事件和問題的歷史記錄有助于處理可能要出現的問題。
6)生產調度管理
生產調度的任務主要是按照生產計劃及設備的運行狀態組織生產。收集各個工段的生產、設備、能耗、產品質量等情況以便調度隨時掌握生產情況，指揮并協調生產。
通過此系統，可以充分利用車間的各種生產資源、生產方法和豐富的實時現場信息，實現全流程優化調度，保證綜合能耗最小。可以與上層管理平臺和下層控制模塊連通實現數據的無縫連接與共享。
6 生產管理系統與其它管理系統之間的信息集成
在水泥生產過程中，各項生產業務過程之間是不可分割的整體，必須統籌考慮、組織和安排。通過對各過程產生信息的采集、傳遞、加工和處理，實現企業整體生產經營效果的最優化。在面向MES的生產管理系統上層，主要包括供應鏈管理、銷售和服務管理、產品設計＼過程工程等，下層是底層生產控制系統，包括DCS、PLC。生產管理系統與其他系統相連，實現系統之間的信息集成和數據交換，其各子系統與其它管理系統之間的信息集成關系如圖5所示：
圖5 生產管理系統與其它管理系統問的信息集成
1)生產管理系統接受其它企業管理系統的信息
(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計劃的制定和某些任務在企業中的生產活動時間；
(2)銷售和客戶服務管理提供的產品配置和報價，為實際生產訂單信息提供基本的參考依據；
(3)生產工藝管理提供實際生產的工藝文件和各種配方及操作參數；
(4)從控制模塊傳來的實際生產狀態數據被生產管理系統用于實際生產性能評估和操作條件的判斷；
(5)生產管理系統在運行調度優化計算時，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)生產管理系統提供給其它企業管理系統的信息
(1)生產管理系統向上層SCM等提交設備運轉情況、生產能力、材料消耗、質檢結果、中間倉儲情況和產量信息等涉及生產運行的數據；
(2)向底層控制系統發布生產指令控制及有關的生產線運行的各種參數等；
(3)生產工藝管理可以通過生產管理系統的產品產出和質量數據進行優化。
總之，生產管理系統與其它企業管理系統實現信息集成，可以充分利用各種信息資源，優化調度合理配置資源。
7 系統運行畫面
系統的具體部署可以根據企業實際情況進行。
對于大型應用，可以將應用層和數據庫分別部署在不同的服務器上，它們之間通過企業內部網絡連接起來；對于小型應用，可以將應用層和數據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，它們在我國已經普及，穩定性、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。
系統開發工作完成以后，需要進行各種測試。此外，還需要創建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 水泥生產管理運行界面
8 結束語
首先介紹了水泥生產管理的特點，其次對水泥生產管理進行了需求分析，在此對基于MES的水泥生產管理系統進行了體系結構設計，最后論述了水泥生產管理系統的構成以及與其它管理系統間。
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本文標題：基于MES/ERP的水泥生產管理系統研究
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