化工行业的节能型MES 系统

引言

我国的化工企业尚未达到理想的物流平衡、能量平衡，物耗、能耗与世界先进国家相比都比较高，国务院、国家发改委与各地方政府都出台相应文件，对化工企业的能耗、排放等都提出了明确的要求，化工企业需要实现可循环制造的生产流程，先进的生产管理理念和综合集成技术作为支撑，因此有必要针对化工行业，研发节能型的MES 系统。

1 化工行业节能型MES 系统背景与需求

1.1 化工行业生产管理现状

从化工行业自身特点来看，化工行业给国民经济和人民生活提高做出了重大贡献，但又是高能耗、高污染行业，据相关统计数据显示，目前我国化工行业的节能减排压力仍很大。在2008年(第九届)中国国际化工展览会上，中国石油和化学工业协会副会长潘德润表示，在国家发改委公布的千家重点耗能企业名单中，石油和化工企业有324 家，占总数的32%；在环境保护部公布的废气、废水重点污染源监控企业名单中，化工企业803 家，占全国总数的25.8%。

1.2 国家对化工企业节能减排要求

早在2007 年6 月，国务院发布的《节能减排综合性工作方案》中，就已经明确了2010 年中国实现节能减排的目标任务和总体要求。化工企业作为重点行业，国家也下达了具体目标：到2010年，化工业的结构将更加合理，高耗能产业的比例有所下降，污染环境的状况得到改观，经济增长的质量得到提高，初步进入循环经济的轨道，万元工业增加值能耗比2005 年下降15%至20%，单位工业增加值用水量比2005 年下降30%，工业用水重复利用率达到90%，工业固体废弃物综合利用率达到70%，主要污染物排放总量减少10%。化工行业有责任承担示范带头作用，真正达到科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少的新型工业化要求。

1.3 面向可循环制造的化工行业生产管理

化工行业的未来发展方向包括清洁化、智能化、高价值等三个方面，在我国化工行业面临着经济体制、市场环境、资源短缺、环保要求等诸多方面的挑战。我国化工行业为了实现可持续发展，需要建立可持续发展战略，提高自主创新能力，提高生产运营水平、降本增效，深化管理体制机制改革，劳动密集型向技术密集型转变，高能耗、高污染向可循环制造转变。

面向可循环制造的化工行业生产管理按照循环经济的“3R”原则（即减量化Reduce、再用Reuse、循环Recycle），成为规模和产品结构合理、管理水平先进、资源和能源消耗低、环境污染小、生产效率高、可持续发展、产品在国内外市场竞争力强的能源和资源节约型绿色工厂。

1.4 MES 对化工行业可循环制造的支撑

化工行业实现可循环制造流程需要考虑以下问题：

(1) 可循环制造流程连续性高，工序间衔接更加紧凑，需要站在全流程的角度进行更多工序的集成优化和协同运作。

(2) 依据在能源耗用减量化（Reduce）和能源再用（Reuse）的原则，要求充分利用生产过程中的余压、余热、余气，最大降低能源消耗，提高资源的利用率，体现“低消耗→高利用→低排放”的现代新型工业化生产特征。

(3)可循环制造流程按照“绿色制造”的现代制造理念，对环保指标提出了更高的要求，要求化工企业综合自动化要对固体废弃物的配送、存储等进行精细管理，同时把环保指标纳入评价体系或在生产组织中作为约束条件予以考虑。

因此，在化工行业可循环制造流程的建设过程中，需要先进的生产管理理念和综合集成技术作为支撑，这离不开节能型MES 的建设。总之，化工行业企业未达到理想的物流平衡、能量平衡，物耗、能耗与世界先进国家相比都比较高，因此有必要针对化工行业，研发节能型的MES 系统。

2 节能型MES 系统方案

2.1 节能型MES 系统定位

化工行业的节能型MES 系统在整个化工行业企业信息化系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁，同时为企业的生产优化、物料消耗优化、能量消耗优化提供指导，如图1所示。

图1 化工行业的节能型MES 系统定位

化工行业的节能型MES 系统为化工企业的生产管理提供一个生产、监控、反馈的管控回路，实现能耗、物耗跟踪与反馈调整；它不只是一个单纯的IT 系统，而是强调业务驱动；它从企业全局考虑能量、物料的平衡与优化，提高运行效率；它能提升管理效率，帮助管理层实现对操作层的有效考核；同时，它是规章制度的延伸，实现班组数据电子化、操作流程规范化、操作信息网络化、管理监控实时化，同时它也是是执行规章制度所体现的管理意志，有效实现：变意念性约束为技术性约束、变事后检查为事中监督、通过权限管理为内控制度提供支撑。

2.2 节能型MES 系统建设内容

根据化工行业的业务需求，按照持续改进的PDCA 管理思想和ISA S95 标准以及化工节能理论，为化工行业的节能型MES 系统设计了如图2所示功能框架，由生产计划管理模块、生产调度管理模块、、能量平衡（蒸汽、电力等）模块、物料平衡模块、统计平衡模块、进出厂管理模块、罐区管理模块、化工辅料管理模块、公用工程管理模块、系统管理模块、LIMS、实时数据库等构成，支撑贯穿经营管理、生产管理、过程控制全过程闭环管理。

图2 化工行业的节能型MES 系统框架

2.3 节能模块

能量平衡模块，在不更换化工厂现有运转装置前提下，利用现代计算机技术，采用能量系统整体优化的思想，通过设置在线实时监测网络，对装置和公用工程系统实施能源合理化利用，建立能量平衡模型，通过生产工艺操作优化、改进能量分配使用途径、回收环节，调整热能利用设备的操作等措施，实现能量的使用优化，降低蒸汽消耗，减少废气排放。主要包括：

1）能够有效模拟实际化工厂中各能量组成系统，包括蒸汽、加热炉供水、冷凝水、燃料、电力系统和废气排放系统

2）通过与化工厂信息系统连接，在线实时收集监测化工厂蒸汽、燃料、凝结水、加热炉进水、及电力系统运转数据。

3）与能量平衡模型有机结合，组成一套完整的能量管理软件包。

本模块的基本功能如下：

1) 实时连续收集装置运转数据

2) 实时监测

提供一系列在线实时监测功能，用于数据读取, 控制参数质量，发现异常时发出警报。主要包括：

公用工程系统，工艺设备和蒸汽信息

提供数据变化趋势

判别测量数据全面性和可靠性

计算公用工程中关键特性参数KPI

装置有异常变化时，显示异常位置，提出警报

3) 建立模型

根据测量数据建立实际能量系统平衡优化模型，包括：

工艺模型

能够预测运转装置限制

加热炉和汽轮机的详细模型

特定模型

电力，燃料和水购买合同

排放关联模型

提供报表

作为用户界面管理系统

4) 优化过程

在实际操作许可限度内，以最经济方法管理设备和公用工程系统：

充分认识如何优化蒸汽和电力系统操作

操作条件变化时, 迅速评估变化带来的经济影响

优化用于生产蒸汽和电的燃料费用

评估检验合理使用公用工程系统数据，提高其可靠性

5) 审查和统计

用于考核测量数据的完整性和可靠性

根据能量系统审查, 确定能耗不平衡位位置，使化工厂人员可以及时修复，避免能量损失。经过不断调整，使得测量数据逐步改进，提高准确性, 在能量生产和使用上有可靠依据，减少浪费。

6) 进行“如果-什么”个案研究

使化工厂工程技术人员根据实际操作数据，找出更有效的降低能耗，减少排放的操作条件和方法

项目前期研究

全场实际项目评估

蒸汽,燃料, 加热炉供水, 凝结水和电力系统研究改进

废气排放费用计算

2.4 节能型MES 系统技术特点

节能型MES 系统主要包括以下六项技术特点：

(1)强化节能模块功能

在传统MES 系统基础上，强化节能模块功能，体现能源节约作为化工行业降本增效的新的增长点。

(2)MES 新型体系结构的发展

体系结构基于Web 技术、支持网络化功能；

基于新型体系结构的节能型MES 具有开放式、客户化、可配置、可伸缩等特性，可针对性地进行系统重构和快速配置。

(3)更强的集成化功能

系统的集成范围更为广泛，覆盖企业整个业务流程，真正实现MES 软件系统的可配置。通过制定MES 的技术标准，使各种MES 构件实现标准化互连与互操作，实现对遗留系统的保护。

(4)更强的实时性和智能化

节能型MES 系统可实时进行生产过程管理，并具有多源信息的融合、复杂信息处理与快速决策能力。

(5)支持网络化协同制造

2004 年5 月MESA 提出协同的制造执行系统（c－MES）的概念，节能型MES 支持生产同步性，支持网络化协同制造，以MES 为引擎协同企业的生产活动，使企业生产经营达到同步化。

(6) 遵循MES 标准化（ISA S95）

节能型MES系统采用与ISA S95 兼容的体系架构，符合国际发展趋势。

2.5 技术创新性

与传统MES 系统相比，节能型MES 系统技术创新性主要包括以下四个方面：

(1)针对化工行业，打破传统局部优化，围绕生产流程的供应链实现上、中、下游的协同运行和整体优化。

(2)针对化工行业，打破传统的以物料优化为主线的思路，通过建立物料和能量的集成优化模型，最大程度降低能源消耗，提高资源的利用率。

(3)基于化工行业节能理论，建立节能模型。不需更换现有设备，通过设置在线实时监测网络，建立全厂装置与公用工程的模拟优化模型，实现生产工艺、运行设备和生产管理的综合集成。

(4)采用与ISA S95 国际标准兼容的新型体系架构，系统具有开放性、客户定制化、可配置、实时智能等特性，可针对性地进行系统重构和快速配置 ，同时通过MES 构件实现标准化互连与互操作。

3 节能型MES 经济效益和社会效益分析

3.1 节能型MES 经济效益分析

通过建设节能型MES，可从以下四个主要方面为化工企业带来直接经济效益：

(1)节能型MES 可实现化工企业效益最大化

根据多种产品市场价格变化，利用MES 对企业生产计划进行动态优化，合理分配装置间资源，使企业效益最大化。减少生产成本0.5%～1%

(2)实现生产精细化管理

在生产管理中实现计划、调度、操作三个层面物料、能源、辅料的量化管理，进而实现精细化管理。平均节能在1~5%

(3)增加客户满意度提升企业竞争力

通过MES，可实现对物流从进厂、加工、出厂的全过程进行实时跟踪，及时地反映订单执行情况，增加客户的满意度

(4)综合集成

实现企业经营管理和过程控制的综合集成下面以一个年营业额为10 亿元人民币的化工企业为例进行计算：

年营业额10 亿人民币，其中运营费用按12%估算，能耗约占运营费用的40%，应用节能型MES 系统实现节能效率提升3%，则通过节能每年实现直接经济效益为

10 亿*12%*40%*3%= 144 万元人民币

3.2 社会效益分析

通过建设节能型MES，取得的社会效益主要包括：

提高企业生产效率，减低企业成本，提高企业效益，增加就业机会，为实现建立和谐社会提供支持。

提高企业能源利用率，从而减少社会整体能源浪费，促进节约型社会的建设

此外，企业信息化建设、节能减耗提升企业社会责任，可以使企业在社会上树立良好的形象，赢得美好的声誉，提高自身地位。这对于企业的长期有效发展具有重要的正面作用：一是增强企业的知名度，有利于产品销售；二是容易获得社会各界的广泛支持，为自己创建稳定的社会环境。

4 结论

节能型MES 系统适应国家节能减排的要求，基于化工行业节能理论对全厂能量系统进行集成建模和优化，能有效地解决流程行业企业的生产效率、能耗问题，可产生良好的经济效益和社会效益。