焦化廠智能化MES業務模塊設計

姜 賾，王海宇，董春利

（1.中冶焦耐（大連）工程技術有限公司，遼寧 大連 116021；2.大連久鵬電子系統工程有限公司，遼寧 大連 116011；3.大連職業技術學院智能制造學院，遼寧 大連 116037）

1 引言

由高溫煉焦得到的焦，可供高爐冶煉、鑄造、氣化和化工等工業作為燃料和原料；煉焦過程中得到的干餾煤氣經回收、精制可得到各種芳香烴和雜環混合物，在纖維、醫藥、染料、涂料和國防等工業可做原料；經凈化后的焦爐煤氣既是高熱值燃料，也是合成氨、合成燃料和一系列有機合成工業的原料。因此，高溫煉焦不僅是煤綜合利用的重要途徑，也是冶金工業的重要組成部分。

焦化工藝復雜，資源、能源消耗量大，污染物排放量大。我國已成為世界焦炭的生產、消費和供應中心，2013年以來每年焦炭產量均超過4.5億t，占世界總產量的68%以上，約消耗全國原煤產量的30%。

焦化廠的智能化首先是對其生產系統進行信息化和數字化，也就是完成制造執行系統的技術革新和改造，以完成優化焦化工藝、減少資源供應、降低能源消耗、減少污染物排放的重任[1,2]。

2 業務模塊設計

2.1 生產管理模塊

生產管理系統能及時對智能焦化工廠的生產過程進行數據監控。系統提供生產計劃管理、工藝卡管理、生產過程可視化和報警管理等功能，為生產過程提供了理論保障，保證了生產的流暢性。系統會通過制定的生產計劃，結合工藝卡內容與生產線特性自動進行APS排產。生產線再通過讀取代表生產計劃RFID進行生產執行；所有的生產進度實時在生產監控大屏幕顯示，讓每一個生產環節均可追溯。

生產管理系統APP采用平臺端和移動端相結合的方式，采用條碼或RFID等身份識別方式進行生產計劃管理，從而實現對智能焦化工廠所有生產過程數據實現數字化管理。

1）生產計劃管理。系統可定時導入工廠的生產計劃或也可手動導入生產計劃，計劃導入的同時系統通過APS自動排產系統合理分配給生產線生產計劃列表。同時，還可通過生產計劃管理對入出庫計劃任務進度監聽等。

2）工藝管理。生產技術人員通過工藝管理對生產工藝的混勻、配合、粉碎和混合等工藝進行制作，形成電子工藝卡。生產技術人員通過平臺端可見所有工藝卡以及歷史變更版本。如在生產過程中出現問題，即刻追溯問題所在之處并進行總結，對生產工藝的改進起到有跡可尋的作用。

工藝卡的管理能讓改進備煤工藝生產流程成為擴大煉焦煤源和改善焦炭質量的快捷途徑。

3）生產可視化。根據APS自動排產后的生產計劃，顯示所有生產線的生產進度、稼動率、生產性能等各項指標，監控并統計生產進度中的異常及報警，生產過程的產量變化歷史數據有依據可查。

4）生產數據統計。系統通過生產設備實際生產量以及結合生產計劃在生產數據統計管理，系統自動采集或生產者手動輸入日報數據，系統根據報表格式自動生成日報以及月報，方便管理者對生產日報月報進行查詢。

2.2 質量管理模塊

質量檢驗管理系統能及時對產品質量進行報檢、檢驗和質檢統計，生產者可對已生產完產品進行質量報檢申請，質檢員可通過手機端移動質檢，系統通過質檢設備自動采集質檢數據并比對標準值以及誤差值，給出是否合格結論。質檢員也可手動輸入質檢結果，系統也會根據手動輸入數據，判斷合格與否。管理者隨時可通過平臺進行報表查詢工作。

質量檢驗管理系統采用平臺端和移動端相結合的方式，讓產品的質檢過程更加快捷、規范，明確管理體系中每個環節責任人，降低工作失誤率，提高了工作效率，同時使企業生產報表管理更加規范化。

1）報檢管理。生產者可通過平臺或系統對已生產完產品進行質量報檢申請，填寫生產工藝方式后系統將自動推送質檢員檢驗項目。

2）質檢管理。質檢員通過APP的質檢管理，對報檢產品的生產工藝所對應的檢驗項目，開始對報檢品進行質檢。系統通過質檢設備自動采集質檢數據并比對標準值以及誤差值，給出是否合格結論。質檢員也可手動輸入質檢結果，系統也會根據手動輸入數據，判斷合格與否。

2.3 倉儲管理模塊

倉儲管理系統為智能焦化工廠提供生產所需的原料、成品、半成品等各品類貨物的用量和存儲管理，為生產提供原料用量預警，為產品提供分區域、分類別及分安全等級不同條件下的存儲管理。同時，倉儲管理系統為倉庫管理員和配送工人提供可視化、智能化的應用APP，減少過往行業使用中采用紙質材料傳遞業務，提高信息化能力，避免由于工人手工記錄可能產生的錯誤，提高工人工作效率[3]。

并通過系統開放接口，與其他業務系統實現數據互通，例如與采購系統實現數據互通后，當生產所需原料供應不足，系統可自行提前提醒采購系統需要開始采購，避免影響生產。

倉儲管理子系統采用平臺端和移動端相結合的方式，對于可做標記的品類貨物采用條碼或RFID等身份識別方式進行管理，對原料煤、成品焦炭等無法做標記的品類采用數值記錄進行管理，從而對智能焦化工廠內所有貨品（也可包括辦公用品等）實現數字化管理。

1）入庫管理（原料、半成品、成品）。工人使用倉儲管理系統APP移動端手持設備錄入入庫貨品。原料煤、混合煤、焦炭等可采用數量方式記錄入庫量。工人操作入庫后，管理人員在平臺端即時可見庫存量的變化更新。

2）出庫管理（原料、半成品、成品）。工人使用倉儲管理系統移動端手持設備錄入出庫貨品。原料煤、混合煤、焦炭等可采用數量方式記錄出庫量。工人操作入庫后，管理人員在平臺端即時可見庫存量的變化更新。

3）理貨盤點。倉庫管理人員根據需要可發布倉庫盤點任務，工人收到任務后根據任務所指示的倉庫和品類到倉儲中盤點存量并將結果自動提示到倉庫管理人員處，管理人員可根據實際情況去盤盈貨盤虧，來校準當前倉庫內的庫存量。

4）庫存統計。倉庫管理人員或生產管理人員，隨時可通過庫存統計功能查看到當前生產需要的原料是否充足，當前倉庫各品類庫存量，倉庫是否還有盈余空間等。

倉儲APP還可根據倉庫管理人員（或生產管理人員）設定的生產原料庫存預警量來自動提示相關人員需要采購。

2.4 視頻安全管理模塊

（1）巡檢管理子模塊 巡檢管理子模塊分為平臺端和手機端兩部分。巡檢管理子模塊通過智能終端實現在線定時、定點巡檢，避免漏巡、忘巡。其工作流程如圖1所示。

圖1 巡檢管理子模塊工作流程

平臺端為安全員使用，可對基礎數據進行管理，如制定巡檢計劃，包括巡檢地點、巡檢內容、巡檢時間和假日設定，同時提供對巡檢結果和隱患的數據統計分析，以及編輯隱患的整改措施等功能。

手機端為巡檢員使用，采用手機操作，界面顯示相應巡檢地點的檢查條目，具有拍照、錄像和NFC電子標簽感應功能，在巡檢過程中對違章、違規操作拍照、存檔處理。保證巡檢效果，便捷記錄違章信息。同時與平臺端數據同步，操作更便捷、更高效。

1）巡檢計劃管理。安全員通過平臺輸入并選擇巡檢內容以及巡檢地點來制定巡檢計劃。巡檢計劃中包括巡檢地點需要巡檢的內容，何為安全何為異常，是否需要拍照或視頻上傳，異常突發情況是否及時把巡檢內容推送給相關領導。

2）巡檢管理。巡檢員可通過巡檢管理查看到當前需要的工作安排，根據當前的工作安排按時按標準完成巡檢任務。巡檢員到達巡檢地點后，使用移動端靠近巡檢點的NFC，終端會自動顯示巡檢內容，并根據不同的巡檢點顯示該地點的具體巡檢內容信息，巡檢人員根據每項內容逐個填寫、拍照，完成巡檢任務。

3）視頻監控管理。視頻監控管理能幫助企業控制安全風險，減少和控制事故，盡量避免廠區內的財產損失及人員的安全，簡化生產企業安環部門工作量，實現管理的規范化。

攝像頭管理顯示攝像頭相關信息，可按照攝像頭名稱查詢攝像頭信息，并可以添加、編輯及刪除攝像頭。

（2）行為識別管理子模塊 行為識別管理系統基于監控系統的硬件基礎，可對廠區內人員未佩戴安全帽、吸煙等行為自動進行識別管理，對違規行為進行抓拍并通過人員定位系統自動進行處罰并推送給相關人員。

通過系統可幫助企業管理人員日常安全行為，減少和控制由于人為行為因素造成的事故，盡量避免人員在廠區內的人身傷害。

1）違章識別。以縮略圖形式展現疑似違章圖片，可根據攝像頭位置、拍攝時間和違章類型進行檢索，并可根據檢索出的條件進行違章處理和忽略照片的操作。

2）違章處理。可手動對違規行為進行編輯違規圖片并生成電子處罰單進行處罰。系統會自動推送電子處罰單給違規人員。

（3）人員定位子模塊 人員定位系統支持實時定位、智能考勤和工時統計，能夠實時人員位置跟蹤，隨時掌握現場人員動態，查看人員位置和分布圖，提高工地現場管理效率，維持現場秩序，全方位實施工地智能化管理。

將GPS/北斗定位技術、4G無線通信網絡、GoogleMap等前沿技術，應用于人員廠內作業的動態實時跟蹤。系統建立安全生產信息共享及安全事故預防的大數據平臺；提升企業安全管控能力和信息化水平，實現實時監測，建立安全風險預警機制；提高全員參與安全管理意識，調動全員參與安全工作的積極性和責任感。可視化管理界面，集成電子圍欄、二道門、三維地圖、電子顯示大屏于一體，配合手機端共同使用。

1）人員管理。工廠人員與佩戴定位吊牌（手環）綁定，人員佩戴定位吊牌（手環）后由無法識別的個體變成在后臺地圖上顯示的可跟蹤的點。

2）定位軌跡查看。通過智能吊牌（手環）設備對人員進行實時定位和數據處理，通過可視化平臺展示所有佩戴人員的實時位置、30天內的歷史行動軌跡、被查詢人員位置高亮顯示等。

2.5 安全在線管理模塊

（1）安全在線監測管理 安全在線監測管理可以對危險氣體進行實時監測，探測器采用高端電化學傳感器，擁有精度高、量程大、穩定性強的特點。

現場危險氣體濃度檢測儀能夠多點實時監測廠區內危險氣體濃度值，并且可以將數據上傳到聯動控制器集中顯示。

1）實時數據。通過系統可以直觀的實時查看各防區危險氣體探測器數值及各防區對應的排風機運行狀態。

2）報警管理。可以實時查看各危險氣體探測器報警信息，如果監測到的數據過系統預先設定好的標限值，平臺會自動發送報警信息推送到指定聯系人手機端和電腦端。

（2）在線監測展示大屏 系統通過生產設備數據采集方式，收集大氣、水及污染物的環保數據。提供污染源走勢圖形展示分析，用戶可查看各個點位的綜合指數某一時間段內變化趨勢和對比，數據生成以曲線圖或柱形圖形式進行展示，同時提供以圖片形式的下載功能。

系統表現形式包括GIS實時地圖、視頻監控、AQI排名、數據分析及數據查詢。

（3）在線監測公布展示 可把有效指標公布在對外公布展示屏上，展示數據為設備數據采集，保證數據的即時性與真實性。

2.6 設備管理模塊

設備管理系統為智能焦化工廠提供管理設備檔案、監視設備運行情況、設備故障診斷、設備點檢保養以及備件更換等應用。

系統采用平臺端和移動端來實現用戶便捷使用，隨時隨地都可以查看或操作業務。減少設備管理人員對巡檢工人、維修工人、生產工人之間相互溝通的時間，以及提供更準確的指導性意見[4]。

1）設備檔案管理。設備檔案管理提供設備管理人員對各類設備資料、相關圖紙等信息的電子化記錄。從而使設備管理人員或其他管理人員可以在手機、平板、電腦等終端便捷的查看需要的設備資料，大大縮短檢查某一設備時調取資料可能要耗費的時間，同時，設備檔案按門類管理，更有助于管理人員清晰地查找需要的資料。

2）設備點檢維修保養。設備管理人員可根據不同類型的設備制定不同的點檢（維修/保養）計劃和點檢（維修/保養）任務，并發布給維修工人。維修工人根據任務提示的時間和具體內容，完成點檢（維修/保養）任務，系統將自動采集任務時的設備運行狀態作為維修工人完成任務的附帶信息，一并提供給設備管理人員核驗。避免維修工人現場手動記錄設備數據的時間，增加工作效率，提高工作質量。

3）備品備件管理。維修工人在維修設備時如發現設備需要更換配件，系統會根據工人需要的設備備件提示倉庫內是否有該備件以及該備件的位置，維修工人可在現場直接通過系統自動提示倉儲管理人員需要提取備件，縮短維修工程和倉庫管理人員之間的溝通時間，實現工人到倉庫就可以馬上取件并回到現場完成維修。

同時，也可根據業務需要，由維修工人發布需要備件信息后，再由倉庫管理人員分配相關配送人員直接將配件送達維修處。

4）設備運行監視。設備運行監視給設備管理科提供可視化的設備運行數據展示，使用戶便捷準確及時的掌握設備當前的運行狀態，當設備發生報警或故障時，及時提醒維修維護人員，縮短設備發生故障到解決問題的時間。

5）設備故障診斷。設備運行發生報警信息或故障信息后，系統自行根據報警或故障內容在系統故障診斷庫中檢索相關問題的解決方案，并將解決方案與報警或故障信息一同提示維修工人，指導維修工人快速高效的完成維修，同時也根據解決方案可提示維修工人是否需要攜帶相關工具、備件，減少工人因為維修工具、備件未攜帶而增加的維修時間。

6）運行效率分析。系統自動采集設備的運行數據，并根據相關的運行數據，統計分析該設備的運行時間、故障時間、稼動率、可動率以及設備綜合OEE指標。設備管理人員根據分析的各項數據可綜合得出該設備運行效率，從而為下一步設備改進或者運行效率調整提供數據支持。

2.7 能源管理模塊

焦化廠在煉焦的過程中會使用大量的水、電、煤等能源，使用能源管理系統，可以統計消耗的能源，分析能源消耗的比重，從而深度挖掘找到耗能點，人為干預達到節能的效果，制定能源節能計劃，分解到各個生產區域，使節能工作責任明確，從而合理地利用能源，降低單位產品能源消耗，提高經濟效益[5]。

用能統計圖直觀展示工廠本年度用電、用水和用煤等情況，如圖2所示。

圖2 用能統計圖示例

（1）總用能顯示 展現焦化工廠水，電等能耗的使用情況，并且對比客戶制定的計劃用能值，直觀地看到當天或者當月的用能是否超標。

（2）分項用能顯示 將焦化廠能耗按照用能車間來統計分析，備煤區域、煉焦區域、化產回收區域、干熄焦區域、除塵區域來分區域顯示能耗，將用能計劃目標值下放到各個生產區域，對各個區域進行能耗比較，同一個區域和去年此時的用能進行同比，和上一個月此時的用能進行環比，落實精準管理，跟蹤目標達成情況，協助用能單位發現不合理能耗。

（3）能流圖 將焦化廠的“電”“水”“熱”的儀表按照層級的關系分類顯示能耗，按物理的從屬關系顯示每塊表的表頭值情況，精準定位到每塊能耗監測儀表。

（4）能源分析 1）電費統計。統計焦化廠總電能在用電峰、平、谷、尖時用能情況，同時顯示峰、平、谷、尖時的電費價格，以此提示工廠合理安排用電時間，削峰填谷，提高電力資源的利用率。

2）節能分析。根據用電能的“對標值”“實際值”“趨勢”三條曲線圖，對焦化廠的電能數據進行分析，能夠更直觀的看出能耗的消耗趨勢，以此來查看節能的趨勢，是否達到節能的目標，起到預警作用。

3）能效與季節。焦化廠可以使用此項功能，從耗能和環境溫度的維度去分析用能情況，幫助用戶找到用能異常點位，從而幫助用戶去優化用能。

4）用能平衡。焦化廠能量平衡也是很重要的監測點，對整廠能量供應、備煤及煉焦等各個環節生產有效利用的能量，計算出損失的能量和耗損率，以此幫助客戶分析工藝耗能點，優化生產，挖掘節能潛力。

5）用能比較。焦化廠在備煤、煉焦及化產回收等生產環節使用了大量設備，比如泵、鼓風機及冷卻器等設備，對生產設備之間進行能耗比較，幫助客戶找到耗能設備，提高產能。

6）負載率分析。統計焦化廠變壓器負荷率，鼓勵工廠提高負荷率可以減少受電變壓器容量，降低高峰負荷，減少用電開支，降低生產成本。

2.8 業務場景分析模塊

云平臺的數據可視化服務，比傳統的統計分析軟件或BI軟件的早期版本更容易操作。這使得在沒有IT專業人士支持的情況下，實現基于某種業務場景的數據可視化接口成為可能。

1）運營駕駛艙。駕駛艙打破焦化廠生產、設備、質量、安全、倉儲及能源之間的數據隔離，將各個環節的指標整合顯示，實現指標分析及決策場景落地。實時的數據反應工廠真實的經營狀況，為決策者提供了有力的依據。

2）綜合報表。焦化廠的備煤區域、煉焦區域等區域的生產數據，各個區域的能源消耗數據，以及財務的采購原材料的數據，形成全局的視野，幫助運營人員快速了解企業運營等情況。

3）自定義報表。焦化廠每個運營的角色關心的數據不同，可以使用報表工具、拖拽工具，關聯數據源，生成相關報表。生成相關的生產分析、能耗分析、設備分析及財務分析等報表。

4）智能分析。將焦化廠的數據進行深度挖掘，生產過程配煤等材料的量，最后生成焦炭、凈煤氣及苯類等產品，將進場材料和產出物之間邏輯關系建立模型，通過模型訓練和模型預測，顯示出評估結果，給出客戶生產預警的提示。

3 結束語

可見，作為一個完善和完整的制造執行系統，其業務模塊須根據實際生產需要加以設計。制造執行系統的核心是生產管理模塊，再輔佐以質量管理模塊、倉儲管理模塊，完成焦化廠的核心任務；作為焦化廠安全生產必不可少的手段，是由含有巡檢、行為識別、人員定位的視頻安全管理和安全在線管理完成的；而設備管理和能源管理是保證焦化廠正常生產和降耗減污的必要手段。而BI分析模塊是集生產信息采集、存儲、傳輸、統計、分析及發布于一體的，在整個全生產周期，將實時數據以曲線圖表展示，統計數據三維以柱圖、餅圖和雷達圖展示，用于生產指揮和數據分析。