面向危險廢棄物處置中心的MES系統架構設計

王 玥，楊 程，孔 超，蔣金明

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074）

0 引言

近年來，隨著改革開放和科學發展的深入推進，中國工業整體進入到一個工業化與信息化相融合的全新階段，部分行業與企業甚至已經邁入網絡化與智能化的嶄新時代。與此同時，人類賴以生存的生態環境正面臨著前所未有的巨大壓力，對生態環境及人類健康造成極大危害的危險廢棄物的產量極具增加。因此，大規模危險廢棄物處置中心應運而生。針對危險廢棄物的特殊危害性，中國環境管理部門提出“從產生至處置”全生命周期的監管理念，危險廢棄物處置中心作為危險廢棄物的最終處理單元，其運行管理水平至關重要。與此同時，由于危險廢棄物處理流程的復雜性與危險性，其管理難度大，運營風險高。所以將危險廢棄物處理中心管理和控制納入信息化、系統化、規范化的軌道尤為重要[1]。

美國先進制造研究機構（AMR）提出了三層企業集成模型[2]：企業資源計劃（ERP）、生產執行（MES）和過程控制（PCS）。隨后該模型被廣泛用于各類行業企業，逐步成為標準的信息化體系，MES位于企業上層企業資源計劃（ERP）和底層工業控制（PCS）之間，擔負著承上啟下的作用，直接支持生產運營，為企業的實時、智能化管理提供支撐[3]。本文將信息化集成模型引入危險廢棄物處置企業，針對企業的特殊性，提出了面向危險廢棄物處置中心的MES系統架構設計方案。

以青島海灣集團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域性危險廢棄物中心，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施；存儲單元為有機廢物暫存庫、無機廢物暫存庫、甲乙類廢物暫存庫等；同時配套中心化驗室、消防泵房等公共配套單元。

圖1 MES系統總體功能架構Fig.1 The structure chart of MES

首先給出了面向危險廢棄物處置中心的MES系統的總體架構，隨后按照模塊化的分解思路分別從調度管理、運行管理、化驗室信息管理詳細闡述了MES的功能描述。

1 總體架構

本系統以高速數據傳輸網絡為核心，構建面向危險廢棄物處置中心的信息融合平臺，充分利用全廠生產運行信息，建立數據驅動的生產調度模塊、運行管理模塊及效能評價模塊。系統網絡架構示意圖如圖1所示。

危險廢棄物處置中心MES基于SOA架構，將11個功能模塊從邏輯上劃分為3個層面的應用：

第一層的基礎應用層包括了3個子系統，分別是工廠基礎信息管理、實時數據庫、實驗室信息管理系統。這一層面的應用是所有MES其他子系統的信息基礎，所有的基礎數據和實時數據都來自于這個層面的子系統。該層面使用OPC（OLE for Process Control）接口技術，面向DCS及PLC等過程控制系統采集全廠生產及公共單元的實時過程數據，OPC服務器一方面負責與過程控制系統的通信；另一方面將獲取的數據通過標準的OPC接口供MES實時數據庫調用；同時利用數據接口對接實驗室信息管理系統（laboratory Information Management System，ILMS），采集廢物進場及處置過程中的分析化驗數據，作為生產調度的重要依據。

第二層是執行層應用，主要是實時數據庫應用、操作管理、物料平衡／物料移動、公用工程、生產調度指揮和生產統計等應用。該層利用底層基礎信息數據，利用數據建模技術與數據分析技術，充分挖掘數據價值，實現MES的功能需求。

第三層的應用是表現層應用，包括生產信息運行平臺和ERP接口兩個功能模塊。生產信息運行平臺主要是指提供危險廢棄物處置中心生產相關信息查詢和分析功能的最終用戶應用，主要用于綜合報告并發布其它各子系統的信息，全面體現生產運行的狀況，實現數據的可視化與平臺化；ERP接口則為MES與ERP數據集成提供靈活的工具，向ERP系統提供企業管理相關數據，構建一體化的企業信息化系統。

2 功能描述

2.1 調度管理

本系統的調度管理模塊通過提供詳細的調度安排，將危險廢棄物處置中心的計劃與裝置生產緊密聯系起來，再通過調度與消耗品供應及處置合同的集成，科學合理的計劃，并通過計劃與實際的對比來分析，研究提供處置中心績效的辦法。調度管理模塊覆蓋產廢調度、運輸調度及生產調度全過程。

依托于物聯網，通過工況設備、RFID卡、紅外感應器、智能地磅等信息傳感設備和硬件設施把企業內所有部件串聯在一起，實現企業智能化的危險廢物出入庫、危險廢物定位、危險廢物跟蹤、危險廢物稱重、危險廢物實時監控、危險廢物處置管理。

基于現有危險廢物動態管理數據，建立“全透明”智慧監管的體系與機制，對涉及危險廢物重點場所安裝視頻監控系統并實時聯網，實現對危險廢物的貯存、稱重、出廠、處置等關鍵節點、關鍵行為數據的全程自動化采集，最終實現對危險廢物處置全生命周期的智能跟蹤管理。

用GPS、云視頻、人工智能等技術實現危險廢物貯存倉庫可視化、裝卸貨可視化、處置利用可視化。對傳統紙質聯單進行全面升級，讓危險廢物轉移處置過程完全透明化。方便管理者隨時了解每筆危險廢物貯存、處理、利用情況，提高管理效率。

采用模擬及線性規劃等優化方法完成生產調度。模擬用于預測在給定生產條件下，處置中心的預期績效，與生產過程的實際績效相比較，需要影響生產績效的關鍵因素及瓶頸因素，從而進行針對性地改進，形成持續改進的管理閉環；線性規劃用于在各種生產條件下，生成滿足設備約束、原料約束及人員約束的最優化生產調度，該方式可以在考慮約束的條件下，充分發揮生產要素的內在潛力，提供處置中心的運行效率。

2.2 運行管理

本系統的運行管理通過采集廠區各個環節的過程數據，實現生產信息管理、設備管理、能源管理及環保管理等主要功能。

1）生產信息管理

運行管理模塊通過采集危險廢棄物處置中心內各裝置的過程數據，包括DCS／PLC；建立工廠實時數據庫，存儲工廠實時、歷史信息，如：生產裝置過程參數，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；通過工廠數據模型工具，建立全廠物料平衡模型；完成危險廢棄物處置中心廠級全局性的生產過程監控。

2）設備管理

運行管理模塊對重大關鍵運行設備的生產運行參數和狀態進行實時監控，提供在線實時報警功能，并記錄設備的運行情況和時間，進行預防性維護，為設備故障分析和設備維護管理提供數據支撐。通過重大關鍵設備（如焚燒爐、余熱鍋爐、急冷塔、脫酸塔、大型風機、水泵等）的預制建模，建立關鍵設備的數學模型及設備臺賬，實現保養周期規劃，運行績效評價，故障報警診斷等設備管理功能。

3）能源管理

能源管理模塊實時監測危險廢棄物處置中心的電、水、煤氣、蒸汽等關鍵能源網絡運行情況；實現能源介質的實時精細計量，從系統的角度實施能源介質的平衡調度；給出基于能源介質平衡的能源管理方案，依據處置中心能源介質管網的結構特點與能源耗損、產出特點，解決能源介質的生產、回收、消耗的平衡問題，提高能源的綜合利用效率，防止發生不必要的放散?？刂颇茉闯杀?，提高能源管理的效果和水平。

4）環保管理

由于危險廢棄物處置中心作為環保產業的終端企業，其環保類信息的管理極為重要，其不僅需要達到政府環保部門的監管要求，同時也是企業社會責任的重要體現。

危險廢棄物處置中心的主要污染物為：焚燒系統的煙氣(CO、SO2、NOx、HCI、HF、CO2、O2等)，全廠污水（PH、COD、氨氮等）。MES系統的環保管理模塊數據報表的方式實時監測某個采樣點或某個分析項目的污染物排放值，圖形監測以線狀圖的方式監測污染物排放值，這兩種方式可以相互切換監測。當某一分析項目的排放值超過標準值，將會以紅色閃爍報警。統計分析是對某個采樣點或某個分析項目的歷史數據進行分析，以統計各種分析項目的超標情況。

2.3 實驗室信息管理

由于危險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，所以進場物料需要嚴格檢驗，明確各類成分，為后續配伍處置提供依據，同時辨識危險源，確保生產過程的安全、有效。同時，實驗室檢驗過程中需使用各類化學藥劑，該類藥劑均具有一定危險性，故需要嚴格管理，防范風險。

實驗室信息管理主要包含：文檔管理、物料管理、藥品管理、設備管理、檢測管理、統計報表模塊。其主要功能是對實驗室全過程管理，做到文檔的標準化與規范化，并共享到企業內各部門；對化驗室使用的物料和藥品進行管理預警，辨識風險源，嚴格管理各類有毒有害藥品，從根本上杜絕安全隱患；對化驗室中的各類設備進行登記入冊，對關鍵性檢驗設備建立管理模型，實現保養規劃及故障診斷等管理功能；對檢測過程的規范化與流程化梳理，提高化驗流程的可追溯性；對管理過程中的各類數據進行統計分析，形成各類可視化報表。

3 結語

本系統依托危險廢物經營中心的業務特性進行分析，結合固廢經營方面的政策法規和環保部門的管理要求，針對性地提煉出面向危險廢棄物處置中心的MES系統架構設計理念，形成一套完整的固廢經營處置企業內部經營管理系統的全流程解決方案。通過MES系統，實現業務流程的規范化、精細化管理，通過信息化手段打通各項業務的數據流，以控制經營成本、提高管理水平，提升企業競爭力。