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李繼庚，男，副研究員，碩士生導師。2003年在華南理工大學獲得工學博士學位。2003年10月至2008年3月，在西門子（中國）有限公司制漿造紙部工作，先后擔任過高級工程師、項目經(jīng)理、產品群經(jīng)理和總工程師等職務，負責西門子（中國區(qū)）制漿造紙節(jié)能減排系列解決方案的研發(fā)、本地化及項目實施。 2008年3月至今就職于華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，從事制漿造紙過程能量系統(tǒng)綜合優(yōu)化研究，造紙企業(yè)信息化和制漿造紙過程模擬與先進過程控制研究與開發(fā)。負責所在課題組的運作及多項重大科研項目執(zhí)行。 聯(lián)系電話：020-87111634 13392658698 |
摘要：MEOP是造紙企業(yè)信息化與節(jié)能技術集成的重要成果，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）設計的硬件和軟件結構，著重分析與描述了該系統(tǒng)的功能，MEOP的應用使企業(yè)決策人員、管理人員、工藝人員、調度人員、操作人員使用相同系統(tǒng)，實現(xiàn)能源規(guī)劃——能源調度——能源消耗的協(xié)調統(tǒng)一。
關鍵詞： 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)三層結構[1]，其中，PCS層是制漿造紙過程生產自動化基礎控制系統(tǒng)，大中型造紙企業(yè)將其作為制漿造紙生產線的“標準配置”；而ERP及管理信息系統(tǒng)是企業(yè)管理的重要工具和手段，也已在國內大中型造紙企業(yè)普遍應用；作為承上啟下的制造執(zhí)行系統(tǒng)MES層，則很少有國內造紙企業(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過程能量系統(tǒng)管理的需求，華南理工大學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 設計的原則
制漿造紙工業(yè)屬于流程工業(yè)，企業(yè)生產是流水性晝夜連續(xù)作業(yè)，由多個工藝單元（如制漿生產線，造紙生產線，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，生產過程的物流和能量流連續(xù)，生產工藝和方法復雜，聯(lián)動性很強，但要求工藝流程和產品穩(wěn)定；生產過程涉及各種物理及化學過程，機理復雜、數(shù)據(jù)信息量大、處理難度較大；生產節(jié)奏性強，連續(xù)性和均衡性要求高，并且在生產過程控制和設備控制的自動化方面要求很高；設備投資、更新、改造和維修的管理與決策比較復雜，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線的DCS中的數(shù)據(jù)，MEOP運行時必須確保不影響各生產線DCS的運行，以免造成重大生產事故。
2）標準化的原則。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相關標準和MESA（Manufacturing Execution System Association International）的MES相關標準設計開發(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等典型相關協(xié)議進行設計。
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)中心調度人員、工藝人員和生產管理人員的不同需求，設計不同的監(jiān)控、分析和優(yōu)化界面，MEOP的界面設計必須簡潔和實用，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硬件結構
MEOP基于MES中能源管理系統(tǒng)基本結構和功能的基礎上，結合“三環(huán)節(jié)”能量流結構模型與優(yōu)化技術，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)信息的透明化和標準化，為企業(yè)管理和生產調度決策提供可靠依據(jù)，是企業(yè)降低生產成本的有效工具。
該系統(tǒng)架構采用C/S和B/S混合模式。核心服務器由實時數(shù)據(jù)庫服務器、關系數(shù)據(jù)庫服務器和Web數(shù)據(jù)庫服務器組成，C/S模式用于支持工藝人員和生產管理人員遠程訪問MEOP，B/S模式用于支持中心調度室調度人員和熱電廠操作人員即時監(jiān)控和操控系統(tǒng)以及響應報警事件等。MEOP具有與底層控制系統(tǒng)通訊的標準接口，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的相關標準，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、下達調度指令和打印報告等。另外，MEOP也可將關鍵數(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)能源的調控與管理。
3 MOEP軟件結構[3]
MEOP針對制漿造紙企業(yè)特點進行設計開發(fā)，為企業(yè)實現(xiàn)能流調度及全局優(yōu)化提供決策支持，MEOP可以系統(tǒng)、科學、準確、實時地調度生產能量配給，減少人為調度的主觀性和局限性，使企業(yè)能量調度達到全局優(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準化，為企業(yè)管理和生產調度決策提供可靠依據(jù)，是企業(yè)降低生產成本的有力工具。造紙企業(yè)能量系統(tǒng)優(yōu)化信息平臺軟件結構如圖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、關系數(shù)據(jù)庫、Web數(shù)據(jù)庫和功能模型庫組成[4]。關系數(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是華南理工大學在制漿造紙企業(yè)信息系統(tǒng)集成與優(yōu)化技術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、準確、實時地調度生產能量配給，優(yōu)化熱電廠運行，減少人為調度的主觀性和局限性，使企業(yè)能量調度達到全局優(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，存儲到關系數(shù)據(jù)庫，用于歸檔、顯示<
