面向危險(xiǎn)廢棄物處置中心的MES系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

王 玥，楊 程，孔 超，蔣金明

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074）

0 引言

近年來，隨著改革開放和科學(xué)發(fā)展的深入推進(jìn)，中國工業(yè)整體進(jìn)入到一個(gè)工業(yè)化與信息化相融合的全新階段，部分行業(yè)與企業(yè)甚至已經(jīng)邁入網(wǎng)絡(luò)化與智能化的嶄新時(shí)代。與此同時(shí)，人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境正面臨著前所未有的巨大壓力，對生態(tài)環(huán)境及人類健康造成極大危害的危險(xiǎn)廢棄物的產(chǎn)量極具增加。因此，大規(guī)模危險(xiǎn)廢棄物處置中心應(yīng)運(yùn)而生。針對危險(xiǎn)廢棄物的特殊危害性，中國環(huán)境管理部門提出“從產(chǎn)生至處置”全生命周期的監(jiān)管理念，危險(xiǎn)廢棄物處置中心作為危險(xiǎn)廢棄物的最終處理單元，其運(yùn)行管理水平至關(guān)重要。與此同時(shí)，由于危險(xiǎn)廢棄物處理流程的復(fù)雜性與危險(xiǎn)性，其管理難度大，運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)高。所以將危險(xiǎn)廢棄物處理中心管理和控制納入信息化、系統(tǒng)化、規(guī)范化的軌道尤為重要[1]。

美國先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu)（AMR）提出了三層企業(yè)集成模型[2]：企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）、生產(chǎn)執(zhí)行（MES）和過程控制（PCS）。隨后該模型被廣泛用于各類行業(yè)企業(yè)，逐步成為標(biāo)準(zhǔn)的信息化體系，MES位于企業(yè)上層企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）和底層工業(yè)控制（PCS）之間，擔(dān)負(fù)著承上啟下的作用，直接支持生產(chǎn)運(yùn)營，為企業(yè)的實(shí)時(shí)、智能化管理提供支撐[3]。本文將信息化集成模型引入危險(xiǎn)廢棄物處置企業(yè)，針對企業(yè)的特殊性，提出了面向危險(xiǎn)廢棄物處置中心的MES系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

以青島海灣集團(tuán)固體廢物綜合處置利用中心為例，該中心為面向青島及其周邊的區(qū)域性危險(xiǎn)廢棄物中心，主要處理單元為焚燒車間（33000t/a）、物化車間（10000t/a）、固化車間（30000t/a）、安全填埋場及配套污水處理設(shè)施；存儲單元為有機(jī)廢物暫存庫、無機(jī)廢物暫存庫、甲乙類廢物暫存庫等；同時(shí)配套中心化驗(yàn)室、消防泵房等公共配套單元。

圖1 MES系統(tǒng)總體功能架構(gòu)Fig.1 The structure chart of MES

首先給出了面向危險(xiǎn)廢棄物處置中心的MES系統(tǒng)的總體架構(gòu)，隨后按照模塊化的分解思路分別從調(diào)度管理、運(yùn)行管理、化驗(yàn)室信息管理詳細(xì)闡述了MES的功能描述。

1 總體架構(gòu)

本系統(tǒng)以高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)為核心，構(gòu)建面向危險(xiǎn)廢棄物處置中心的信息融合平臺，充分利用全廠生產(chǎn)運(yùn)行信息，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)調(diào)度模塊、運(yùn)行管理模塊及效能評價(jià)模塊。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

危險(xiǎn)廢棄物處置中心MES基于SOA架構(gòu)，將11個(gè)功能模塊從邏輯上劃分為3個(gè)層面的應(yīng)用：

第一層的基礎(chǔ)應(yīng)用層包括了3個(gè)子系統(tǒng)，分別是工廠基礎(chǔ)信息管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)。這一層面的應(yīng)用是所有MES其他子系統(tǒng)的信息基礎(chǔ)，所有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都來自于這個(gè)層面的子系統(tǒng)。該層面使用OPC（OLE for Process Control）接口技術(shù)，面向DCS及PLC等過程控制系統(tǒng)采集全廠生產(chǎn)及公共單元的實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)，OPC服務(wù)器一方面負(fù)責(zé)與過程控制系統(tǒng)的通信；另一方面將獲取的數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口供MES實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫調(diào)用；同時(shí)利用數(shù)據(jù)接口對接實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（laboratory Information Management System，ILMS），采集廢物進(jìn)場及處置過程中的分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)，作為生產(chǎn)調(diào)度的重要依據(jù)。

第二層是執(zhí)行層應(yīng)用，主要是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、操作管理、物料平衡／物料移動(dòng)、公用工程、生產(chǎn)調(diào)度指揮和生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)等應(yīng)用。該層利用底層基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)建模技術(shù)與數(shù)據(jù)分析技術(shù)，充分挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)MES的功能需求。

第三層的應(yīng)用是表現(xiàn)層應(yīng)用，包括生產(chǎn)信息運(yùn)行平臺和ERP接口兩個(gè)功能模塊。生產(chǎn)信息運(yùn)行平臺主要是指提供危險(xiǎn)廢棄物處置中心生產(chǎn)相關(guān)信息查詢和分析功能的最終用戶應(yīng)用，主要用于綜合報(bào)告并發(fā)布其它各子系統(tǒng)的信息，全面體現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行的狀況，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化與平臺化；ERP接口則為MES與ERP數(shù)據(jù)集成提供靈活的工具，向ERP系統(tǒng)提供企業(yè)管理相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建一體化的企業(yè)信息化系統(tǒng)。

2 功能描述

2.1 調(diào)度管理

本系統(tǒng)的調(diào)度管理模塊通過提供詳細(xì)的調(diào)度安排，將危險(xiǎn)廢棄物處置中心的計(jì)劃與裝置生產(chǎn)緊密聯(lián)系起來，再通過調(diào)度與消耗品供應(yīng)及處置合同的集成，科學(xué)合理的計(jì)劃，并通過計(jì)劃與實(shí)際的對比來分析，研究提供處置中心績效的辦法。調(diào)度管理模塊覆蓋產(chǎn)廢調(diào)度、運(yùn)輸調(diào)度及生產(chǎn)調(diào)度全過程。

依托于物聯(lián)網(wǎng)，通過工況設(shè)備、RFID卡、紅外感應(yīng)器、智能地磅等信息傳感設(shè)備和硬件設(shè)施把企業(yè)內(nèi)所有部件串聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能化的危險(xiǎn)廢物出入庫、危險(xiǎn)廢物定位、危險(xiǎn)廢物跟蹤、危險(xiǎn)廢物稱重、危險(xiǎn)廢物實(shí)時(shí)監(jiān)控、危險(xiǎn)廢物處置管理。

基于現(xiàn)有危險(xiǎn)廢物動(dòng)態(tài)管理數(shù)據(jù)，建立“全透明”智慧監(jiān)管的體系與機(jī)制，對涉及危險(xiǎn)廢物重點(diǎn)場所安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)并實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)廢物的貯存、稱重、出廠、處置等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵行為數(shù)據(jù)的全程自動(dòng)化采集，最終實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)廢物處置全生命周期的智能跟蹤管理。

用GPS、云視頻、人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)廢物貯存?zhèn)}庫可視化、裝卸貨可視化、處置利用可視化。對傳統(tǒng)紙質(zhì)聯(lián)單進(jìn)行全面升級，讓危險(xiǎn)廢物轉(zhuǎn)移處置過程完全透明化。方便管理者隨時(shí)了解每筆危險(xiǎn)廢物貯存、處理、利用情況，提高管理效率。

采用模擬及線性規(guī)劃等優(yōu)化方法完成生產(chǎn)調(diào)度。模擬用于預(yù)測在給定生產(chǎn)條件下，處置中心的預(yù)期績效，與生產(chǎn)過程的實(shí)際績效相比較，需要影響生產(chǎn)績效的關(guān)鍵因素及瓶頸因素，從而進(jìn)行針對性地改進(jìn)，形成持續(xù)改進(jìn)的管理閉環(huán)；線性規(guī)劃用于在各種生產(chǎn)條件下，生成滿足設(shè)備約束、原料約束及人員約束的最優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度，該方式可以在考慮約束的條件下，充分發(fā)揮生產(chǎn)要素的內(nèi)在潛力，提供處置中心的運(yùn)行效率。

2.2 運(yùn)行管理

本系統(tǒng)的運(yùn)行管理通過采集廠區(qū)各個(gè)環(huán)節(jié)的過程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息管理、設(shè)備管理、能源管理及環(huán)保管理等主要功能。

1）生產(chǎn)信息管理

運(yùn)行管理模塊通過采集危險(xiǎn)廢棄物處置中心內(nèi)各裝置的過程數(shù)據(jù)，包括DCS／PLC；建立工廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，存儲工廠實(shí)時(shí)、歷史信息，如：生產(chǎn)裝置過程參數(shù)，事件信息等；建立包含全廠裝置、儲罐、管線、物料及儀表等要素的工廠參考模型；通過工廠數(shù)據(jù)模型工具，建立全廠物料平衡模型；完成危險(xiǎn)廢棄物處置中心廠級全局性的生產(chǎn)過程監(jiān)控。

2）設(shè)備管理

運(yùn)行管理模塊對重大關(guān)鍵運(yùn)行設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供在線實(shí)時(shí)報(bào)警功能，并記錄設(shè)備的運(yùn)行情況和時(shí)間，進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，為設(shè)備故障分析和設(shè)備維護(hù)管理提供數(shù)據(jù)支撐。通過重大關(guān)鍵設(shè)備（如焚燒爐、余熱鍋爐、急冷塔、脫酸塔、大型風(fēng)機(jī)、水泵等）的預(yù)制建模，建立關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)學(xué)模型及設(shè)備臺賬，實(shí)現(xiàn)保養(yǎng)周期規(guī)劃，運(yùn)行績效評價(jià)，故障報(bào)警診斷等設(shè)備管理功能。

3）能源管理

能源管理模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測危險(xiǎn)廢棄物處置中心的電、水、煤氣、蒸汽等關(guān)鍵能源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況；實(shí)現(xiàn)能源介質(zhì)的實(shí)時(shí)精細(xì)計(jì)量，從系統(tǒng)的角度實(shí)施能源介質(zhì)的平衡調(diào)度；給出基于能源介質(zhì)平衡的能源管理方案，依據(jù)處置中心能源介質(zhì)管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與能源耗損、產(chǎn)出特點(diǎn)，解決能源介質(zhì)的生產(chǎn)、回收、消耗的平衡問題，提高能源的綜合利用效率，防止發(fā)生不必要的放散。控制能源成本，提高能源管理的效果和水平。

4）環(huán)保管理

由于危險(xiǎn)廢棄物處置中心作為環(huán)保產(chǎn)業(yè)的終端企業(yè)，其環(huán)保類信息的管理極為重要，其不僅需要達(dá)到政府環(huán)保部門的監(jiān)管要求，同時(shí)也是企業(yè)社會責(zé)任的重要體現(xiàn)。

危險(xiǎn)廢棄物處置中心的主要污染物為：焚燒系統(tǒng)的煙氣(CO、SO2、NOx、HCI、HF、CO2、O2等)，全廠污水（PH、COD、氨氮等）。MES系統(tǒng)的環(huán)保管理模塊數(shù)據(jù)報(bào)表的方式實(shí)時(shí)監(jiān)測某個(gè)采樣點(diǎn)或某個(gè)分析項(xiàng)目的污染物排放值，圖形監(jiān)測以線狀圖的方式監(jiān)測污染物排放值，這兩種方式可以相互切換監(jiān)測。當(dāng)某一分析項(xiàng)目的排放值超過標(biāo)準(zhǔn)值，將會以紅色閃爍報(bào)警。統(tǒng)計(jì)分析是對某個(gè)采樣點(diǎn)或某個(gè)分析項(xiàng)目的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以統(tǒng)計(jì)各種分析項(xiàng)目的超標(biāo)情況。

2.3 實(shí)驗(yàn)室信息管理

由于危險(xiǎn)廢物處置中心所處理各類廢物種類繁多，理化特性差異較大，所以進(jìn)場物料需要嚴(yán)格檢驗(yàn)，明確各類成分，為后續(xù)配伍處置提供依據(jù)，同時(shí)辨識危險(xiǎn)源，確保生產(chǎn)過程的安全、有效。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)過程中需使用各類化學(xué)藥劑，該類藥劑均具有一定危險(xiǎn)性，故需要嚴(yán)格管理，防范風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)室信息管理主要包含：文檔管理、物料管理、藥品管理、設(shè)備管理、檢測管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊。其主要功能是對實(shí)驗(yàn)室全過程管理，做到文檔的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化，并共享到企業(yè)內(nèi)各部門；對化驗(yàn)室使用的物料和藥品進(jìn)行管理預(yù)警，辨識風(fēng)險(xiǎn)源，嚴(yán)格管理各類有毒有害藥品，從根本上杜絕安全隱患；對化驗(yàn)室中的各類設(shè)備進(jìn)行登記入冊，對關(guān)鍵性檢驗(yàn)設(shè)備建立管理模型，實(shí)現(xiàn)保養(yǎng)規(guī)劃及故障診斷等管理功能；對檢測過程的規(guī)范化與流程化梳理，提高化驗(yàn)流程的可追溯性；對管理過程中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成各類可視化報(bào)表。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)依托危險(xiǎn)廢物經(jīng)營中心的業(yè)務(wù)特性進(jìn)行分析，結(jié)合固廢經(jīng)營方面的政策法規(guī)和環(huán)保部門的管理要求，針對性地提煉出面向危險(xiǎn)廢棄物處置中心的MES系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，形成一套完整的固廢經(jīng)營處置企業(yè)內(nèi)部經(jīng)營管理系統(tǒng)的全流程解決方案。通過MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的規(guī)范化、精細(xì)化管理，通過信息化手段打通各項(xiàng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流，以控制經(jīng)營成本、提高管理水平，提升企業(yè)競爭力。