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　　摘要：MEOP是造紙企業(yè)信息化與節(jié)能技術(shù)集成的重要成果，該系統(tǒng)是MES框架下的能源管理系統(tǒng)（EMS，Energy Management System），本文介紹了MEOP（Mill Energy Optimization Platform）設(shè)計的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，著重分析與描述了該系統(tǒng)的功能，MEOP的應(yīng)用使企業(yè)決策人員、管理人員、工藝人員、調(diào)度人員、操作人員使用相同系統(tǒng)，實現(xiàn)能源規(guī)劃——能源調(diào)度——能源消耗的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

　　關(guān)鍵詞： MES；EMS；能量系統(tǒng)優(yōu)化 

　　造紙企業(yè)典型的信息系統(tǒng)為PCS(Process Control System)/MES(Manufacture Executive System) /ERP(Enterprise Resource System)三層結(jié)構(gòu)[1]，其中，PCS層是制漿造紙過程生產(chǎn)自動化基礎(chǔ)控制系統(tǒng)，大中型造紙企業(yè)將其作為制漿造紙生產(chǎn)線的“標(biāo)準(zhǔn)配置”；而ERP及管理信息系統(tǒng)是企業(yè)管理的重要工具和手段，也已在國內(nèi)大中型造紙企業(yè)普遍應(yīng)用；作為承上啟下的制造執(zhí)行系統(tǒng)MES層，則很少有國內(nèi)造紙企業(yè)實施該類項目。目前，MES的實施仍處于探索階段，因此，MES已成為當(dāng)前造紙企業(yè)信息化的重點和難點。

　　造紙行業(yè)作為國家發(fā)改委“十一五”期間重點監(jiān)管的九大高耗能行業(yè)之一，面臨前所未有的節(jié)能壓力，許多造紙企業(yè)試圖探索運用信息化手段解決造紙工業(yè)當(dāng)前節(jié)能降耗的問題。基于MES層框架的能源管理系統(tǒng)（EMS，Energy Management System）可以有效集成企業(yè)PCS層“孤島”運行的DCS中能量系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析企業(yè)能量系統(tǒng)運行狀態(tài)，優(yōu)化調(diào)度能量系統(tǒng)，是運用信息化手段幫助企業(yè)節(jié)能降耗的有效手段。

　　根據(jù)廣州造紙集團有限公司對生產(chǎn)過程能量系統(tǒng)管理的需求，華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室在造紙企業(yè)能源管理系統(tǒng)（EMS）基礎(chǔ)上開發(fā)了全廠能量系統(tǒng)優(yōu)化信息平臺（MEOP, Mill Energy Optimization Platform）,用于實時監(jiān)控全廠能量系統(tǒng)運行狀態(tài)、分析能源利用狀況、診斷能量系統(tǒng)節(jié)能潛力、優(yōu)化能量系統(tǒng)運行工藝，實現(xiàn)企業(yè)能量系統(tǒng)全局優(yōu)化運行,提高企業(yè)能源利用效率。

　　1 設(shè)計的原則

　　制漿造紙工業(yè)屬于流程工業(yè)，企業(yè)生產(chǎn)是流水性晝夜連續(xù)作業(yè)，由多個工藝單元（如制漿生產(chǎn)線，造紙生產(chǎn)線，堿（酸）回收系統(tǒng)，熱電站及廢水處理站等）按一定的順序組合而成，生產(chǎn)過程的物流和能量流連續(xù)，生產(chǎn)工藝和方法復(fù)雜，聯(lián)動性很強，但要求工藝流程和產(chǎn)品穩(wěn)定；生產(chǎn)過程涉及各種物理及化學(xué)過程，機理復(fù)雜、數(shù)據(jù)信息量大、處理難度較大；生產(chǎn)節(jié)奏性強，連續(xù)性和均衡性要求高，并且在生產(chǎn)過程控制和設(shè)備控制的自動化方面要求很高；設(shè)備投資、更新、改造和維修的管理與決策比較復(fù)雜，對庫存和污染物也有特殊要求。因此，作為MES的重要組成部分，造紙企業(yè)造紙企業(yè)全廠能量系統(tǒng)優(yōu)化信息平臺的設(shè)計與開發(fā)要遵循以下原則：

　　1）安全的原則。MEOP需要集成熱電廠、制漿、造紙和污水處理等生產(chǎn)線的DCS中的數(shù)據(jù)，MEOP運行時必須確保不影響各生產(chǎn)線DCS的運行，以免造成重大生產(chǎn)事故。

　　2）標(biāo)準(zhǔn)化的原則。MEOP是MES層能源管理的子系統(tǒng)，在造紙企業(yè)信息系統(tǒng)中起到承上啟下的作用。必須遵照ISA(International Federation of National Standardizing Associations)的MES相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和MESA（Manufacturing Execution System Association International）的MES相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計開發(fā)，以實現(xiàn)信息系統(tǒng)的功能擴展及與第三方信息系統(tǒng)的對接[2]。

　　3）開放的原則。MEOP不僅需要集成PCS層的數(shù)據(jù)，還需要對外發(fā)布信息以及與ERP能管理信息系統(tǒng)進行通訊，因此，需要遵循現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)和B2MML等典型相關(guān)協(xié)議進行設(shè)計。

　　4）實用的原則。MEOP為集成和優(yōu)化企業(yè)能量系統(tǒng)，需要針對熱電廠的操作人員、企業(yè)中心調(diào)度人員、工藝人員和生產(chǎn)管理人員的不同需求，設(shè)計不同的監(jiān)控、分析和優(yōu)化界面，MEOP的界面設(shè)計必須簡潔和實用，人機交互界面針對性強，提高上述人員的有效合作共同挖掘節(jié)能潛力，提高企業(yè)能效水平。

　　2 MEOP硬件結(jié)構(gòu)

　　MEOP基于MES中能源管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合“三環(huán)節(jié)”能量流結(jié)構(gòu)模型與優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)對制漿造紙企業(yè)能量系統(tǒng)信息的采集、分析、監(jiān)控、優(yōu)化等功能，MEOP將大大提高企業(yè)能量系統(tǒng)信息的透明化和標(biāo)準(zhǔn)化，為企業(yè)管理和生產(chǎn)調(diào)度決策提供可靠依據(jù)，是企業(yè)降低生產(chǎn)成本的有效工具。

　　該系統(tǒng)架構(gòu)采用C/S和B/S混合模式。核心服務(wù)器由實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成，C/S模式用于支持工藝人員和生產(chǎn)管理人員遠程訪問MEOP，B/S模式用于支持中心調(diào)度室調(diào)度人員和熱電廠操作人員即時監(jiān)控和操控系統(tǒng)以及響應(yīng)報警事件等。MEOP具有與底層控制系統(tǒng)通訊的標(biāo)準(zhǔn)接口，如OPC、DDE、Modbus、 ProfiBus等；還可基于以太網(wǎng)同時與ERP系統(tǒng)通過OLE、ODBC、COM等方式進行數(shù)據(jù)傳輸。如圖1所示。

　　造紙企業(yè)能量系統(tǒng)優(yōu)化信息平臺與制漿造紙廠中的DCS、PLC等進行通訊，采集發(fā)電廠、制漿車間、抄紙車間、能量流數(shù)據(jù)。根據(jù)ISA和MESA的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，MEOP不直接與現(xiàn)場傳感器或變送器通訊，所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)均來自于控制器以上的系統(tǒng)中。

　　MEOP擁有多個操作終端，便于生產(chǎn)管理人員與該系統(tǒng)交互，如進行在線查詢、在線分析、下達調(diào)度指令和打印報告等。另外，MEOP也可將關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到ERP中，并接收來自ERP的指令數(shù)據(jù)，便于企業(yè)決策者對企業(yè)能源的調(diào)控與管理。

　　3 MOEP軟件結(jié)構(gòu)[3]

　　MEOP針對制漿造紙企業(yè)特點進行設(shè)計開發(fā)，為企業(yè)實現(xiàn)能流調(diào)度及全局優(yōu)化提供決策支持，MEOP可以系統(tǒng)、科學(xué)、準(zhǔn)確、實時地調(diào)度生產(chǎn)能量配給，減少人為調(diào)度的主觀性和局限性，使企業(yè)能量調(diào)度達到全局優(yōu)化，減少能源浪費和減少污染物的排放。MEOP將大大提高企業(yè)能流信息的透明度和信息的標(biāo)準(zhǔn)化，為企業(yè)管理和生產(chǎn)調(diào)度決策提供可靠依據(jù)，是企業(yè)降低生產(chǎn)成本的有力工具。造紙企業(yè)能量系統(tǒng)優(yōu)化信息平臺軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　該系統(tǒng)主體部分采用美國通用電氣（GE）公司MES智能平臺軟件搭建，數(shù)據(jù)庫分別由實時數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、Web數(shù)據(jù)庫和功能模型庫組成[4]。關(guān)系數(shù)據(jù)庫通過實時數(shù)據(jù)庫與過程控制層相連，MEOP通過B2MML與管理層ERP進行通訊連接，客戶端可完成數(shù)據(jù)分析及比較、數(shù)據(jù)顯示及報告、能流信息優(yōu)化和能流調(diào)度計劃及決策支持等功能，這些功能由功能模型庫中的模型計算后實現(xiàn)。

　　4 MEOP功能

　　MEOP是華南理工大學(xué)在制漿造紙企業(yè)信息系統(tǒng)集成與優(yōu)化技術(shù)方面的重要研究成果，適合典型造紙企業(yè)能量系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度管理，可實現(xiàn)造紙企業(yè)能量流、物料流、信息流的集成和優(yōu)化。造紙企業(yè)能量系統(tǒng)優(yōu)化信息平臺(MEOP)將系統(tǒng)、科學(xué)、準(zhǔn)確、實時地調(diào)度生產(chǎn)能量配給，優(yōu)化熱電廠運行，減少人為調(diào)度的主觀性和局限性，使企業(yè)能量調(diào)度達到全局優(yōu)化，減少能源浪費和減少污染物的排放，其具體功能如下：

　　1）數(shù)據(jù)集成功能。MEOP通過實時數(shù)據(jù)庫（RTD）集成制漿造紙廠中過程控制系統(tǒng)、SCADA、現(xiàn)場能流測量數(shù)據(jù)和操作人員手工輸入的能流數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)分類為電網(wǎng)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)、蒸汽管網(wǎng)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)、漿料管網(wǎng)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)和水管網(wǎng)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫，用于歸檔、顯示和發(fā)送到ERP中。

　　2）信息監(jiān)控及調(diào)度功能。MEOP操作終端可以顯示關(guān)鍵工序中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如盤磨機的電流、新鮮蒸汽進入烘缸的壓力、熱電廠鍋爐壓力、溫度、汽輪發(fā)電機抽氣溫度等等，如圖3所示。這些數(shù)據(jù)往往會在一定的范圍內(nèi)波動，MEOP可以根據(jù)這些變量的相互關(guān)系組織畫面，將這些變量實時顯示在操作終端上或發(fā)送到ERP。該功能是實現(xiàn)企業(yè)信息化和生產(chǎn)過程透明化的關(guān)鍵步驟之一，避免關(guān)鍵數(shù)據(jù)局限于某“信息孤島”，通過對能源系統(tǒng)集中監(jiān)控，可大幅度提高能源系統(tǒng)勞動生產(chǎn)率。

　　運用系統(tǒng)在線監(jiān)控功能，可實現(xiàn)能源調(diào)度指揮、充分利用二次能源、保證企業(yè)能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和消耗的平衡，可以減少能源浪費，確保系統(tǒng)經(jīng)濟合理運行。在能源系統(tǒng)異常和事故時，系統(tǒng)通過集中監(jiān)控提供實時數(shù)據(jù)，利于調(diào)度及時、快速和準(zhǔn)確的處理，把能源系統(tǒng)故障所造成的影響控制在最低限度，確保能源系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

　　持續(xù)穩(wěn)定的能源供應(yīng)是工業(yè)生產(chǎn)的重要保證，而能源實時調(diào)度與監(jiān)控則是保證能源供應(yīng)的必要手段。能源供應(yīng)通常是指供水、供汽、供電幾個重要環(huán)節(jié)，能源實時調(diào)度模塊可以在線監(jiān)控生產(chǎn)企業(yè)所有能源（水、電、汽）消耗實時數(shù)據(jù)，并同時可以追溯能源的歷史消耗數(shù)據(jù)，如各主要供水、供電、供汽管線的日累積值、月累積值、年累積值，以及對供汽壓力和供汽溫度的監(jiān)控。

　　3）數(shù)據(jù)分析功能。基于MEOP強大的能源生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫，運用先進的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的離線生產(chǎn)分析與管理功能，包括能源生產(chǎn)管理統(tǒng)計報表、平衡分析、質(zhì)量管理、績效管理、預(yù)測分析等功能。同時對能源負荷進行分析，為整個紙廠和每個工段精確、恰當(dāng)?shù)囟x能耗目標(biāo)值，同時停機負荷以及停機時間也被定義，如圖4所示。

　　數(shù)據(jù)分析功能中的過程畫面、過程曲線提供各能源介質(zhì)的歷史趨勢曲線、各區(qū)域的能源使用平衡點的上下限，實現(xiàn)對能源的質(zhì)量、工序能耗和運行管理的前端控制和評估，從而為能源管理的持續(xù)改進提供方向。

　　通過曲線分析各條能源供應(yīng)（供電、供水、供汽）線路的消耗數(shù)據(jù)，可方便快捷地分析出能源供應(yīng)的峰谷時期，結(jié)合當(dāng)時的生產(chǎn)情況可以盡量減少能源供應(yīng)的峰谷差，削峰填谷，提高能源供應(yīng)的效率和可靠性。KPI(Key Performance Indicator)分析是企業(yè)生產(chǎn)管理手段之一。通過關(guān)鍵能耗指標(biāo)對比，管理或調(diào)度人員可以快速而容易地發(fā)現(xiàn)有關(guān)的事件和趨勢，并將能耗的配給需要關(guān)注的指標(biāo)上。因此，KPI 通常由各種原始數(shù)據(jù)、報告或圖表以不同的方式組合而成。

　　4）信息的優(yōu)化功能。過程數(shù)據(jù)的離線和實時在線優(yōu)化為調(diào)度能流提供必要的手段，主要通過建立“三環(huán)節(jié)”優(yōu)化控制模型，對全廠能流的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)、利用環(huán)節(jié)和回收環(huán)節(jié)進行分析和優(yōu)化；利用標(biāo)準(zhǔn)過程能流和物流模型對車間級和工序級進行分析和優(yōu)化；對各子系統(tǒng)進行分析，并及時給出能量利用效率，判斷能量利用狀態(tài)，給出綜合分析意見，作為現(xiàn)場控制依據(jù)，如圖5所示。

　　電廠優(yōu)化運行根據(jù)企業(yè)運行中實際對電、低壓蒸汽和中壓蒸汽等二次能源的實時需求，及時指導(dǎo)電廠調(diào)度人員，調(diào)節(jié)鍋爐負荷分配、調(diào)節(jié)汽輪機抽氣量，使熱電廠在滿足正常生產(chǎn)的條件下更經(jīng)濟地運行。

　　5）能源規(guī)劃功能。MEOP能源規(guī)劃功能可以制定能源管理的長期規(guī)劃；依據(jù)生產(chǎn)計劃，制定能源平衡計劃；指導(dǎo)能源介質(zhì)的采購（電力、液氧、水），保證能源供應(yīng)；制定能源生產(chǎn)旬計劃（例如發(fā)電、煤氣等），保障生產(chǎn)安全合理進行；根據(jù)數(shù)據(jù)采集獲得數(shù)據(jù)，預(yù)測能源產(chǎn)、供趨勢，調(diào)度各種能源生產(chǎn)、分配，監(jiān)控各種異常情況，及時給出調(diào)整措施，給出統(tǒng)計分析和平衡分析報表，為能源優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

　　6)Web發(fā)布功能。Web功能可以讓管理人員通過Internet 來監(jiān)控操作能源轉(zhuǎn)化、能源利用和能源回收過程。Web瀏覽器支持用于英特網(wǎng)公共安全機制，例如路由器、防火墻和代理服務(wù)器。由于Web瀏覽器采用標(biāo)準(zhǔn)的HTTP協(xié)議，所以不需要任何專門的防火墻管理。Web發(fā)布功能可以實現(xiàn)遠程操作和監(jiān)控、有事件驅(qū)動快速更新、遠程診斷和故障排除、與管理系統(tǒng)的客戶機相集成，并可以在辦公室中存取生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)。

　　4 項目實施后的成果

　　MEOP是造紙企業(yè)信息化與節(jié)能減排技術(shù)集成的重要成果，將造紙企業(yè)能量系統(tǒng)“三環(huán)節(jié)” 模型作為企業(yè)能量系統(tǒng)優(yōu)化信息平臺的全局優(yōu)化模型，實現(xiàn)了能量系統(tǒng)局部優(yōu)化與全局優(yōu)化的統(tǒng)一。在滿足生產(chǎn)需要的條件下，預(yù)測二次能源使用負荷，根據(jù)各臺鍋爐和汽輪機特性優(yōu)化電廠運行方式，提高電廠能效利用率，提高電廠運行調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度。將國內(nèi)外造紙行業(yè)先進能耗數(shù)據(jù)作為比較分析企業(yè)能量利用狀況基礎(chǔ)對標(biāo)數(shù)據(jù)，動態(tài)分析和比較生產(chǎn)線之間、生產(chǎn)線與國內(nèi)外同類先進生產(chǎn)線之間能源利用效率，使企業(yè)決策人員、管理人員、工藝人員、調(diào)度人員使用相同系統(tǒng)，實現(xiàn)能源規(guī)劃——能源調(diào)度——能源消耗的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。MEOP的成功實施將可為廣州造紙集團有限公司節(jié)約能源消耗5%左右。

　　參考文獻：

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