摘要：焦化是煤炭利用领域中能源转换效率最高的流程工业,焦化厂的智能化需求是刚性需求,特别是MES,对于优化焦化工艺、节省资源供应、降低能源消耗、减少污染物排放,有着特别重要的意义。而制造执行系统业务模块的设计和优化是一个制造执行系统能否起作用的关键所在,本文将从这些模块的设计和内容深度方面加以研究和探讨,为焦化厂智能化运动贡献力量。
关键词：焦化厂;智能化;MES;业务模块;生产管理;
1 引言
由高温炼焦得到的焦，可供高炉冶炼、铸造、气化和化工等工业作为燃料和原料；炼焦过程中得到的干馏煤气经回收、精制可得到各种芳香烃和杂环混合物，在纤维、医药、染料、涂料和国防等工业可做原料；经净化后的焦炉煤气既是高热值燃料，也是合成氨、合成燃料和一系列有机合成工业的原料。因此，高温炼焦不仅是煤综合利用的重要途径，也是冶金工业的重要组成部分。
焦化工艺复杂，资源、能源消耗量大，污染物排放量大。我国已成为世界焦炭的生产、消费和供应中心，2013年以来每年焦炭产量均超过4.5亿t，占世界总产量的68%以上，约消耗全国原煤产量的30%。
焦化厂的智能化首先是对其生产系统进行信息化和数字化，也就是完成制造执行系统的技术革新和改造，以完成优化焦化工艺、减少资源供应、降低能源消耗、减少污染物排放的重任[1,2]。
2 业务模块设计
2.1 生产管理模块
生产管理系统能及时对智能焦化工厂的生产过程进行数据监控。系统提供生产计划管理、工艺卡管理、生产过程可视化和报警管理等功能，为生产过程提供了理论保障，保证了生产的流畅性。系统会通过制定的生产计划，结合工艺卡内容与生产线特性自动进行APS排产。生产线再通过读取代表生产计划RFID进行生产执行；所有的生产进度实时在生产监控大屏幕显示，让每一个生产环节均可追溯。
生产管理系统APP采用平台端和移动端相结合的方式，采用条码或RFID等身份识别方式进行生产计划管理，从而实现对智能焦化工厂所有生产过程数据实现数字化管理。
1）生产计划管理。系统可定时导入工厂的生产计划或也可手动导入生产计划，计划导入的同时系统通过APS自动排产系统合理分配给生产线生产计划列表。同时，还可通过生产计划管理对入出库计划任务进度监听等。
2）工艺管理。生产技术人员通过工艺管理对生产工艺的混匀、配合、粉碎和混合等工艺进行制作，形成电子工艺卡。生产技术人员通过平台端可见所有工艺卡以及历史变更版本。如在生产过程中出现问题，即刻追溯问题所在之处并进行总结，对生产工艺的改进起到有迹可寻的作用。
工艺卡的管理能让改进备煤工艺生产流程成为扩大炼焦煤源和改善焦炭质量的快捷途径。
3）生产可视化。根据APS自动排产后的生产计划，显示所有生产线的生产进度、稼动率、生产性能等各项指标，监控并统计生产进度中的异常及报警，生产过程的产量变化历史数据有依据可查。
4）生产数据统计。系统通过生产设备实际生产量以及结合生产计划在生产数据统计管理，系统自动采集或生产者手动输入日报数据，系统根据报表格式自动生成日报以及月报，方便管理者对生产日报月报进行查询。
2.2 质量管理模块
质量检验管理系统能及时对产品质量进行报检、检验和质检统计，生产者可对已生产完产品进行质量报检申请，质检员可通过手机端移动质检，系统通过质检设备自动采集质检数据并比对标准值以及误差值，给出是否合格结论。质检员也可手动输入质检结果，系统也会根据手动输入数据，判断合格与否。管理者随时可通过平台进行报表查询工作。
质量检验管理系统采用平台端和移动端相结合的方式，让产品的质检过程更加快捷、规范，明确管理体系中每个环节责任人，降低工作失误率，提高了工作效率，同时使企业生产报表管理更加规范化。
1）报检管理。生产者可通过平台或系统对已生产完产品进行质量报检申请，填写生产工艺方式后系统将自动推送质检员检验项目。
2）质检管理。质检员通过APP的质检管理，对报检产品的生产工艺所对应的检验项目，开始对报检品进行质检。系统通过质检设备自动采集质检数据并比对标准值以及误差值，给出是否合格结论。质检员也可手动输入质检结果，系统也会根据手动输入数据，判断合格与否。
2.3 仓储管理模块
仓储管理系统为智能焦化工厂提供生产所需的原料、成品、半成品等各品类货物的用量和存储管理，为生产提供原料用量预警，为产品提供分区域、分类别及分安全等级不同条件下的存储管理。同时，仓储管理系统为仓库管理员和配送工人提供可视化、智能化的应用APP，减少过往行业使用中采用纸质材料传递业务，提高信息化能力，避免由于工人手工记录可能产生的错误，提高工人工作效率[3]。
并通过系统开放接口，与其他业务系统实现数据互通，例如与采购系统实现数据互通后，当生产所需原料供应不足，系统可自行提前提醒采购系统需要开始采购，避免影响生产。
仓储管理子系统采用平台端和移动端相结合的方式，对于可做标记的品类货物采用条码或RFID等身份识别方式进行管理，对原料煤、成品焦炭等无法做标记的品类采用数值记录进行管理，从而对智能焦化工厂内所有货品（也可包括办公用品等）实现数字化管理。
1）入库管理（原料、半成品、成品）。工人使用仓储管理系统APP移动端手持设备录入入库货品。原料煤、混合煤、焦炭等可采用数量方式记录入库量。工人操作入库后，管理人员在平台端即时可见库存量的变化更新。
2）出库管理（原料、半成品、成品）。工人使用仓储管理系统移动端手持设备录入出库货品。原料煤、混合煤、焦炭等可采用数量方式记录出库量。工人操作入库后，管理人员在平台端即时可见库存量的变化更新。
3）理货盘点。仓库管理人员根据需要可发布仓库盘点任务，工人收到任务后根据任务所指示的仓库和品类到仓储中盘点存量并将结果自动提示到仓库管理人员处，管理人员可根据实际情况去盘盈货盘亏，来校准当前仓库内的库存量。
4）库存统计。仓库管理人员或生产管理人员，随时可通过库存统计功能查看到当前生产需要的原料是否充足，当前仓库各品类库存量，仓库是否还有盈余空间等。
仓储APP还可根据仓库管理人员（或生产管理人员）设定的生产原料库存预警量来自动提示相关人员需要采购。
2.4 视频安全管理模块
(1）巡检管理子模块巡检管理子模块分为平台端和手机端两部分。巡检管理子模块通过智能终端实现在线定时、定点巡检，避免漏巡、忘巡。其工作流程如图1所示。
平台端为安全员使用，可对基础数据进行管理，如制定巡检计划，包括巡检地点、巡检内容、巡检时间和假日设定，同时提供对巡检结果和隐患的数据统计分析，以及编辑隐患的整改措施等功能。
手机端为巡检员使用，采用手机操作，界面显示相应巡检地点的检查条目，具有拍照、录像和NFC电子标签感应功能，在巡检过程中对违章、违规操作拍照、存档处理。保证巡检效果，便捷记录违章信息。同时与平台端数据同步，操作更便捷、更高效。
图1 巡检管理子模块工作流程
1）巡检计划管理。安全员通过平台输入并选择巡检内容以及巡检地点来制定巡检计划。巡检计划中包括巡检地点需要巡检的内容，何为安全何为异常，是否需要拍照或视频上传，异常突发情况是否及时把巡检内容推送给相关领导。
2）巡检管理。巡检员可通过巡检管理查看到当前需要的工作安排，根据当前的工作安排按时按标准完成巡检任务。巡检员到达巡检地点后，使用移动端靠近巡检点的NFC，终端会自动显示巡检内容，并根据不同的巡检点显示该地点的具体巡检内容信息，巡检人员根据每项内容逐个填写、拍照，完成巡检任务。
3）视频监控管理。视频监控管理能帮助企业控制安全风险，减少和控制事故，尽量避免厂区内的财产损失及人员的安全，简化生产企业安环部门工作量，实现管理的规范化。
摄像头管理显示摄像头相关信息，可按照摄像头名称查询摄像头信息，并可以添加、编辑及删除摄像头。
(2）行为识别管理子模块行为识别管理系统基于监控系统的硬件基础，可对厂区内人员未佩戴安全帽、吸烟等行为自动进行识别管理，对违规行为进行抓拍并通过人员定位系统自动进行处罚并推送给相关人员。
通过系统可帮助企业管理人员日常安全行为，减少和控制由于人为行为因素造成的事故，尽量避免人员在厂区内的人身伤害。
1）违章识别。以缩略图形式展现疑似违章图片，可根据摄像头位置、拍摄时间和违章类型进行检索，并可根据检索出的条件进行违章处理和忽略照片的操作。
2）违章处理。可手动对违规行为进行编辑违规图片并生成电子处罚单进行处罚。系统会自动推送电子处罚单给违规人员。
(3）人员定位子模块人员定位系统支持实时定位、智能考勤和工时统计，能够实时人员位置跟踪，随时掌握现场人员动态，查看人员位置和分布图，提高工地现场管理效率，维持现场秩序，全方位实施工地智能化管理。
将GPS/北斗定位技术、4G无线通信网络、Google Map等前沿技术，应用于人员厂内作业的动态实时跟踪。系统建立安全生产信息共享及安全事故预防的大数据平台；提升企业安全管控能力和信息化水平，实现实时监测，建立安全风险预警机制；提高全员参与安全管理意识，调动全员参与安全工作的积极性和责任感。可视化管理界面，集成电子围栏、二道门、三维地图、电子显示大屏于一体，配合手机端共同使用。
1）人员管理。工厂人员与佩戴定位吊牌（手环）绑定，人员佩戴定位吊牌（手环）后由无法识别的个体变成在后台地图上显示的可跟踪的点。
2）定位轨迹查看。通过智能吊牌（手环）设备对人员进行实时定位和数据处理，通过可视化平台展示所有佩戴人员的实时位置、30天内的历史行动轨迹、被查询人员位置高亮显示等。
2.5 安全在线管理模块
(1）安全在线监测管理安全在线监测管理可以对危险气体进行实时监测，探测器采用高端电化学传感器，拥有精度高、量程大、稳定性强的特点。
现场危险气体浓度检测仪能够多点实时监测厂区内危险气体浓度值，并且可以将数据上传到联动控制器集中显示。
1）实时数据。通过系统可以直观的实时查看各防区危险气体探测器数值及各防区对应的排风机运行状态。
2）报警管理。可以实时查看各危险气体探测器报警信息，如果监测到的数据过系统预先设定好的标限值，平台会自动发送报警信息推送到指定联系人手机端和电脑端。
(2）在线监测展示大屏系统通过生产设备数据采集方式，收集大气、水及污染物的环保数据。提供污染源走势图形展示分析，用户可查看各个点位的综合指数某一时间段内变化趋势和对比，数据生成以曲线图或柱形图形式进行展示，同时提供以图片形式的下载功能。
系统表现形式包括GIS实时地图、视频监控、AQI排名、数据分析及数据查询。
(3）在线监测公布展示可把有效指标公布在对外公布展示屏上，展示数据为设备数据采集，保证数据的即时性与真实性。
2.6 设备管理模块
设备管理系统为智能焦化工厂提供管理设备档案、监视设备运行情况、设备故障诊断、设备点检保养以及备件更换等应用。
系统采用平台端和移动端来实现用户便捷使用，随时随地都可以查看或操作业务。减少设备管理人员对巡检工人、维修工人、生产工人之间相互沟通的时间，以及提供更准确的指导性意见[4]。
1）设备档案管理。设备档案管理提供设备管理人员对各类设备资料、相关图纸等信息的电子化记录。从而使设备管理人员或其他管理人员可以在手机、平板、电脑等终端便捷的查看需要的设备资料，大大缩短检查某一设备时调取资料可能要耗费的时间，同时，设备档案按门类管理，更有助于管理人员清晰地查找需要的资料。
2）设备点检维修保养。设备管理人员可根据不同类型的设备制定不同的点检（维修/保养）计划和点检（维修/保养）任务，并发布给维修工人。维修工人根据任务提示的时间和具体内容，完成点检（维修/保养）任务，系统将自动采集任务时的设备运行状态作为维修工人完成任务的附带信息，一并提供给设备管理人员核验。避免维修工人现场手动记录设备数据的时间，增加工作效率，提高工作质量。
3）备品备件管理。维修工人在维修设备时如发现设备需要更换配件，系统会根据工人需要的设备备件提示仓库内是否有该备件以及该备件的位置，维修工人可在现场直接通过系统自动提示仓储管理人员需要提取备件，缩短维修工程和仓库管理人员之间的沟通时间，实现工人到仓库就可以马上取件并回到现场完成维修。
同时，也可根据业务需要，由维修工人发布需要备件信息后，再由仓库管理人员分配相关配送人员直接将配件送达维修处。
4）设备运行监视。设备运行监视给设备管理科提供可视化的设备运行数据展示，使用户便捷准确及时的掌握设备当前的运行状态，当设备发生报警或故障时，及时提醒维修维护人员，缩短设备发生故障到解决问题的时间。
5）设备故障诊断。设备运行发生报警信息或故障信息后，系统自行根据报警或故障内容在系统故障诊断库中检索相关问题的解决方案，并将解决方案与报警或故障信息一同提示维修工人，指导维修工人快速高效的完成维修，同时也根据解决方案可提示维修工人是否需要携带相关工具、备件，减少工人因为维修工具、备件未携带而增加的维修时间。
6）运行效率分析。系统自动采集设备的运行数据，并根据相关的运行数据，统计分析该设备的运行时间、故障时间、稼动率、可动率以及设备综合OEE指标。设备管理人员根据分析的各项数据可综合得出该设备运行效率，从而为下一步设备改进或者运行效率调整提供数据支持。
2.7 能源管理模块
焦化厂在炼焦的过程中会使用大量的水、电、煤等能源，使用能源管理系统，可以统计消耗的能源，分析能源消耗的比重，从而深度挖掘找到耗能点，人为干预达到节能的效果，制定能源节能计划，分解到各个生产区域，使节能工作责任明确，从而合理地利用能源，降低单位产品能源消耗，提高经济效益[5]。
用能统计图直观展示工厂本年度用电、用水和用煤等情况，如图2所示。
(1）总用能显示展现焦化工厂水，电等能耗的使用情况，并且对比客户制定的计划用能值，直观地看到当天或者当月的用能是否超标。
图2 用能统计图示例
(2）分项用能显示将焦化厂能耗按照用能车间来统计分析，备煤区域、炼焦区域、化产回收区域、干熄焦区域、除尘区域来分区域显示能耗，将用能计划目标值下放到各个生产区域，对各个区域进行能耗比较，同一个区域和去年此时的用能进行同比，和上一个月此时的用能进行环比，落实精准管理，跟踪目标达成情况，协助用能单位发现不合理能耗。
(3）能流图将焦化厂的“电”“水”“热”的仪表按照层级的关系分类显示能耗，按物理的从属关系显示每块表的表头值情况，精准定位到每块能耗监测仪表。
(4）能源分析1）电费统计。统计焦化厂总电能在用电峰、平、谷、尖时用能情况，同时显示峰、平、谷、尖时的电费价格，以此提示工厂合理安排用电时间，削峰填谷，提高电力资源的利用率。
2）节能分析。根据用电能的“对标值”“实际值”“趋势”三条曲线图，对焦化厂的电能数据进行分析，能够更直观的看出能耗的消耗趋势，以此来查看节能的趋势，是否达到节能的目标，起到预警作用。
3）能效与季节。焦化厂可以使用此项功能，从耗能和环境温度的维度去分析用能情况，帮助用户找到用能异常点位，从而帮助用户去优化用能。
4）用能平衡。焦化厂能量平衡也是很重要的监测点，对整厂能量供应、备煤及炼焦等各个环节生产有效利用的能量，计算出损失的能量和耗损率，以此帮助客户分析工艺耗能点，优化生产，挖掘节能潜力。
5）用能比较。焦化厂在备煤、炼焦及化产回收等生产环节使用了大量设备，比如泵、鼓风机及冷却器等设备，对生产设备之间进行能耗比较，帮助客户找到耗能设备，提高产能。
6）负载率分析。统计焦化厂变压器负荷率，鼓励工厂提高负荷率可以减少受电变压器容量，降低高峰负荷，减少用电开支，降低生产成本。
2.8 业务场景分析模块
云平台的数据可视化服务，比传统的统计分析软件或BI软件的早期版本更容易操作。这使得在没有IT专业人士支持的情况下，实现基于某种业务场景的数据可视化接口成为可能。
1）运营驾驶舱。驾驶舱打破焦化厂生产、设备、质量、安全、仓储及能源之间的数据隔离，将各个环节的指标整合显示，实现指标分析及决策场景落地。实时的数据反应工厂真实的经营状况，为决策者提供了有力的依据。
2）综合报表。焦化厂的备煤区域、炼焦区域等区域的生产数据，各个区域的能源消耗数据，以及财务的采购原材料的数据，形成全局的视野，帮助运营人员快速了解企业运营等情况。
3）自定义报表。焦化厂每个运营的角色关心的数据不同，可以使用报表工具、拖拽工具，关联数据源，生成相关报表。生成相关的生产分析、能耗分析、设备分析及财务分析等报表。
4）智能分析。将焦化厂的数据进行深度挖掘，生产过程配煤等材料的量，最后生成焦炭、净煤气及苯类等产品，将进场材料和产出物之间逻辑关系建立模型，通过模型训练和模型预测，显示出评估结果，给出客户生产预警的提示。
3 结束语
可见，作为一个完善和完整的制造执行系统，其业务模块须根据实际生产需要加以设计。制造执行系统的核心是生产管理模块，再辅佐以质量管理模块、仓储管理模块，完成焦化厂的核心任务；作为焦化厂安全生产必不可少的手段，是由含有巡检、行为识别、人员定位的视频安全管理和安全在线管理完成的；而设备管理和能源管理是保证焦化厂正常生产和降耗减污的必要手段。而BI分析模块是集生产信息采集、存储、传输、统计、分析及发布于一体的，在整个全生产周期，将实时数据以曲线图表展示，统计数据三维以柱图、饼图和雷达图展示，用于生产指挥和数据分析。
参考文献
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