1 引言
水泥行业是典型的高耗能行业，其能源消耗占全国能源消耗的7％。目前我国水泥行业大多实行的是粗放型的生产管理方式，生产经营处于投入多、消耗高、效益低的粗放型状态。虽然多数水泥企业都采用DCS控制系统，实现了对主要生产装置的集中监控，并没有利用DCS建立实时信息管理平台，给各级管理层实时了解厂级范围实时的生产情况带来了很大的不便，甚至会影响到各级管理层对生产过程的及时了解、分析、判断和正确指挥。根据MES系统的设计原则，针对水泥厂连续型流程行业的特点，以先进的生产管理理念为指导，采用先进的生产计划调度模型，实现了企业管理层与生产底层的集成，达到优化生产、提高效益和市场竞争力的目的。
2 水泥生产的特点
2.1 水泥生产工艺简介
水泥生产属于典型的流程制造，生产中石灰石、粘土、铁粉等物料连续地通过整个生产线，从总的工艺流程看，物料是依次通过生料制备、熟料煅烧、水泥粉磨三个串联阶段，主要通过一些化学、物理化学变化实现产品的生产，最终得到水泥产品。但在这单一的生产流程中，局部环节上又同时存在着物料流和能量流的循环、返流现象。主要生产流程如图1所示，各工艺区域的具体功能如下：
1)生料制备
石灰质原料、粘土质原料与少量铁质校正原料经破碎、烘干后，输送到原料库，然后按照一定的比例配合，进人生料磨进行粉磨，得到成分合适、质量均匀、细度合适的生料粉。生料粉输送至均化库进行进一步均化，均化后输送至生料库。
2)熟料烧成
它是整个水泥生产的核心所在。生产过程中生料粉从生料库被提升至预热器，在通过多级预热器的过程中与热气流进行热交换，达到较高温度后进人分解炉。在分解炉内生料经过预煅烧，进入回转窑。在回转窑内充分煅烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，熟料再经过破碎、冷却，输送至熟料库。
3)水泥制备
熟料添加适量的石膏，有时还有一部分混合材料或外加剂，经过配料后进入熟料磨进行粉磨，共同磨细制成水泥，最后输送到水泥库。
与此同时，在水泥生产过程中，依次穿插着各车间的生产调度、各职能部门的职能管理，乃至企业级的整体运营决策等行为。
图1 新型干法水泥生产工艺流程
2.2 水泥生产和管理的特点
与其他流程工业相比，水泥行业产品生产周期短(原料投料至水泥产出周期，以小时计)、批量大(中等规模以上的生产线日产量均在2500吨以上)，原材料中各种矿物成分的波动不可避免。可以说，水泥企业既有流程工业的共性，又有自身的个性。
生产计划方面：水泥企业主要是大批量生产，只有满负荷运行，才能将成本降低；生产主要面向库存，没有作业单的概念，年度计划更具有重要性；采用过程结构和配方进行物料需求计划，同时考虑生产能力。
调度管理方面：流程企业的产品，是以流水生产线方式组织、连续的生产方式，只存在连续的工艺流程，不存在与离散企业对应的严格的工艺路线。因此，在作业计划调度方面，不需要也无法精确到工序级别，而是以整个流水生产线为单元进行调度。与离散工业的调度不同，水泥生产调度不仅要下达作业指令，而且要将作业指令转化为各个机组及设备的操作指令和各种基础自动化设备的控制参数。
生产过程与优化方面：水泥生产是一个复杂的热工过程，各种物质含量的变化不但影响着水泥的质量等级，同时也会影响到生料的易烧性，即对熟料烧成需要的时间、温度有很大影响。因此原材料的配方、配比还要根据水泥厂的工艺水平和工艺要求不断的进行优化和调整。水泥生产过程中产生大量的数据，如何把适当的、相关的生产现场信息准确而快速的反馈给企业其他功能部门，是企业需要解决的难点。同时水泥生产参数的测量滞后且复杂，在熟料煅烧过程中，熟料的烧成情况、质量的测量往往都是通过离线的方式进行，测量的精度和实时性由于受到多变量、多状态的复合影响，常产生测量的不可重复性。
3 水泥生产管理系统的需求分析
目前多数水泥厂都采用了DCS控制系统，用于各个工序的控制和监视，基本解决了远程生产控制的问题，而且在某些工序上可以说完全实现了生产流程的自动化管理。但由于没有建立实时信息管理平台，站在全厂的角度分析、管理生产过程就产生了很大的局限性。从生产所需资源分析，水泥厂当前存在的问题集中表现在：
基础数据的命名或编码不一致，各业务部门都是根据自己的需求自己定义基础数据。比如设备数据在生产业务中就没有一个统一的编码机制，这样会形成一定的“信息孤岛”，给信息集成和资产核查带来很大的问题。
质量检验方面，质检中心与其他部门之间检验请求以及检验结果的发布都是通过电话通知和纸质传递的形式，信息的反馈有一定的滞后性。缺乏物料流数据的有效集成、监测和利用。库存和原料信息不能及时传递给生产计划部门。由于缺乏有效手段获得物料数据，导致生产过程不稳和资源浪费严重等问题，不利于生产优化。
生产调度不能及时掌握必要的信息。企业生产与调度之间尚未实现信息集成，无法及时控制生产全过程的物料平衡、热平衡、能耗分析以及成本跟踪、指挥和决策仍凭借个人经验，目标仅仅是保证安全生产和物料通畅，而浪费的经济效益是十分惊人的。
如何有效地解决这些问题，要靠水泥厂信息系统所能够提供的信息高度集成和深度挖掘。从这个意义上讲，形成适合中国国情的水泥企业综合自动化整体解决方案，是我国广大水泥企业的迫切需求。
4 基于MES的水泥行业生产管理系统体系结构
4.1 制造执行系统(MES)
制造执行系统(MES：Manufacture Execute System)是美国管理界于20世纪90年代提出的概念。MES的主要作用一方面是执行计划层制定的生产计划、调度指令，并与质量管理系统、DCS系统构成质量的闭环控制；另一方面MES采集生产运行数据、集成原料和产品的存储数据、集成设备状态信息，并将这些信息进行合并、汇总、规范、分析等综合处理。一方面为生产计划与排产提供依据，另一方面也为ERP提供了及时、可靠、准确的生产经营参考信息，实现了信息的全面共享，从而使企业的管理者可以根据这些及时、准确的数据进行决策。
4.2 集成化递阶生产管理系统结构
具体到水泥企业背景，MES的研究重点以水泥熟料烧成及磨机车间(或分厂)的业务流程为基础进行展开。MES执行由ERP制定的计划，并根据实时生产信息调整生产作出调度，并将有关资源利用、库存情况及生产计划的实时完成情况准确的反馈给ERP系统。MES的调度指令还能将生产目标及生产规范自动转化为过程设定值，并通过PCS中的优化软件对应到阀门、泵等控制设备的参数设置。同时，MES将从DCS采集来的生产数据与质量指标进行对比和分析，可以提供闭环的质量控制。水泥企业MES的体系结构如图2所示。
4.3 生产管理系统的网络支撑架构
根据水泥企业数据处理速度和数据传输速度及数据处理量的要求，通常状况下，企业级别网络主干线采用光纤介质，以保证系统的传输速度和安全性。从系统的可靠性、可扩展性、现有资源的利用角度考虑，采用客户机／服务器网络结构。
从技术成熟性和使用普遍性考虑，采用TCP／IP和NetBEUI网络协议。分厂(车间)及部门级网络应用可采用普通双绞线为通讯介质，协议仍然采用TCP／IP和NetBEUI协议。底层控制网络采用专用的现场总线通讯电缆，协议则根据需要可选择Profibus或FF协议。结合企业现有的硬件资源为企业设计的网络拓扑结构如图3所示。
图3 水泥企业网络拓扑结构
5 水泥生产管理系统的构成
针对企业的实际情况，即大部分需要人工参与、各部门形成信息孤岛，造成信息传递不及时、不准确因而形成了企业内部各层之间的信息断层。
本系统以集成系统模型为基础，来设计生产管理系统。此系统由围绕以数据库为中心的六大子系统组成如图4所示：
图4 集成系统模型
1)生产计划管理
以上层ERP系统所下发的生产计划为核心，结合仓储管理系统的信息，科学、合理地分解为不同车间与工段的月、日生产计划，并为实现整个企业运营的全局优化奠定基础。
2)物料管理
实现物料跟踪、配合生产计划进行物资发放(原料矿石、设备维护工具、配件)和半成品(生料、熟料)、成品(水泥)的入库，实现库存状况的查询与统计分析、调拨以及物资的日常管理工作，并采用适当的算法或方式进行损益管理。
3)质量管理
以生、熟料化验管理为核心，立足PCS提供的现场实时信息，结合设备子系统确定的设备状态及工艺状态后，对PCS控制系统的生、熟料配料、均化，以及熟料煅烧提出指导建议，最终达到稳定水泥生产质量的目的。
4)成本管理
根据采集上来的数据或录入的数据进行成本的计算，同时进行成本的动态发布和监控，使成本控制发生在生产过程中，而不是在生产的完成后，以达到降低成本的目的；与企业资源管理中静态的资产管理相连接，对生产过程的中间库存和中间产品动态信息进行管理，提供成本和物流控制与管理的信息支持。
5)设备管理
指导企业维护设备的工作以保证生产顺利进行，并产生阶段性、周期性和预防性的维护计划，也提供对紧急问题的响应(报警)；保留过去所发生的事件和问题的历史记录有助于处理可能要出现的问题。
6)生产调度管理
生产调度的任务主要是按照生产计划及设备的运行状态组织生产。收集各个工段的生产、设备、能耗、产品质量等情况以便调度随时掌握生产情况，指挥并协调生产。
通过此系统，可以充分利用车间的各种生产资源、生产方法和丰富的实时现场信息，实现全流程优化调度，保证综合能耗最小。可以与上层管理平台和下层控制模块连通实现数据的无缝连接与共享。
6 生产管理系统与其它管理系统之间的信息集成
在水泥生产过程中，各项生产业务过程之间是不可分割的整体，必须统筹考虑、组织和安排。通过对各过程产生信息的采集、传递、加工和处理，实现企业整体生产经营效果的最优化。在面向MES的生产管理系统上层，主要包括供应链管理、销售和服务管理、产品设计＼过程工程等，下层是底层生产控制系统，包括DCS、PLC。生产管理系统与其他系统相连，实现系统之间的信息集成和数据交换，其各子系统与其它管理系统之间的信息集成关系如图5所示：
图5 生产管理系统与其它管理系统问的信息集成
1)生产管理系统接受其它企业管理系统的信息
(1)供应链管理通过外来物料的采购和供应时间控制着生产计划的制定和某些任务在企业中的生产活动时间；
(2)销售和客户服务管理提供的产品配置和报价，为实际生产订单信息提供基本的参考依据；
(3)生产工艺管理提供实际生产的工艺文件和各种配方及操作参数；
(4)从控制模块传来的实际生产状态数据被生产管理系统用于实际生产性能评估和操作条件的判断；
(5)生产管理系统在运行调度优化计算时，需要设备等资源信息和工艺信息的支持，同时需要控制层反馈信息的支持等。
2)生产管理系统提供给其它企业管理系统的信息
(1)生产管理系统向上层SCM等提交设备运转情况、生产能力、材料消耗、质检结果、中间仓储情况和产量信息等涉及生产运行的数据；
(2)向底层控制系统发布生产指令控制及有关的生产线运行的各种参数等；
(3)生产工艺管理可以通过生产管理系统的产品产出和质量数据进行优化。
总之，生产管理系统与其它企业管理系统实现信息集成，可以充分利用各种信息资源，优化调度合理配置资源。
7 系统运行画面
系统的具体部署可以根据企业实际情况进行。
对于大型应用，可以将应用层和数据库分别部署在不同的服务器上，它们之间通过企业内部网络连接起来；对于小型应用，可以将应用层和数据库部署在同一台服务器上。
客户端可以使用Windows 2000或Windows XP操作系统，它们在我国已经普及，稳定性、安全性等性能基本上能满足用户的要求。而服务器出于性能和安全性的考虑需要使用Windows 2000或Windows Server 2003操作系统。
系统开发工作完成以后，需要进行各种测试。此外，还需要创建Windows标准安装程序，编写用户手册，才可以交付用户使用。在用户使用过程中，会根据实际应用情况对软件提出修改或增加功能的要求，因此，还需要对其进行维护。
按照系统部署要求进行安装后，客户端运行时的窗口如图6所示：
图6 水泥生产管理运行界面
8 结束语
首先介绍了水泥生产管理的特点，其次对水泥生产管理进行了需求分析，在此对基于MES的水泥生产管理系统进行了体系结构设计，最后论述了水泥生产管理系统的构成以及与其它管理系统间。
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本文标题：基于MES/ERP的水泥生产管理系统研究
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