造纸企业全厂能量系统优化信息平台的设计与开发

李继庚，男，副研究员，硕士生导师。2003年在华南理工大学获得工学博士学位。2003年10月至2008年3月，在西门子（中国）有限公司制浆造纸部工作，先后担任过高级工程师、项目经理、产品群经理和总工程师等职务，负责西门子（中国区）制浆造纸节能减排系列解决方案的研发、本地化及项目实施。 　　2008年3月至今就职于华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，从事制浆造纸过程能量系统综合优化研究，造纸企业信息化和制浆造纸过程模拟与先进过程控制研究与开发。负责所在课题组的运作及多项重大科研项目执行。 联系电话：020-87111634   13392658698 电子邮件：jigengli@scut.edu.cn    piotech@163.com

摘要：MEOP是造纸企业信息化与节能技术集成的重要成果，该系统是MES框架下的能源管理系统（EMS，Energy Management System），本文介绍了MEOP（Mill Energy Optimization Platform）设计的硬件和软件结构，着重分析与描述了该系统的功能，MEOP的应用使企业决策人员、管理人员、工艺人员、调度人员、操作人员使用相同系统，实现能源规划——能源调度——能源消耗的协调统一。

关键词： MES；EMS；能量系统优化

　　造纸企业典型的信息系统为PCS(Process Control System)/MES(Manufacture Executive System) /ERP(Enterprise Resource System)三层结构[1]，其中，PCS层是制浆造纸过程生产自动化基础控制系统，大中型造纸企业将其作为制浆造纸生产线的“标准配置”；而ERP及管理信息系统是企业管理的重要工具和手段，也已在国内大中型造纸企业普遍应用；作为承上启下的制造执行系统MES层，则很少有国内造纸企业实施该类项目。目前，MES的实施仍处于探索阶段，因此，MES已成为当前造纸企业信息化的重点和难点。

　　造纸行业作为国家发改委“十一五”期间重点监管的九大高耗能行业之一，面临前所未有的节能压力，许多造纸企业试图探索运用信息化手段解决造纸工业当前节能降耗的问题。基于MES层框架的能源管理系统（EMS，Energy Management System）可以有效集成企业PCS层“孤岛”运行的DCS中能量系统数据，分析企业能量系统运行状态，优化调度能量系统，是运用信息化手段帮助企业节能降耗的有效手段。

　　根据广州造纸集团有限公司对生产过程能量系统管理的需求，华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室在造纸企业能源管理系统（EMS）基础上开发了全厂能量系统优化信息平台（MEOP, Mill Energy Optimization Platform）,用于实时监控全厂能量系统运行状态、分析能源利用状况、诊断能量系统节能潜力、优化能量系统运行工艺，实现企业能量系统全局优化运行,提高企业能源利用效率。

1 设计的原则
　　制浆造纸工业属于流程工业，企业生产是流水性昼夜连续作业，由多个工艺单元（如制浆生产线，造纸生产线，碱（酸）回收系统，热电站及废水处理站等）按一定的顺序组合而成，生产过程的物流和能量流连续，生产工艺和方法复杂，联动性很强，但要求工艺流程和产品稳定；生产过程涉及各种物理及化学过程，机理复杂、数据信息量大、处理难度较大；生产节奏性强，连续性和均衡性要求高，并且在生产过程控制和设备控制的自动化方面要求很高；设备投资、更新、改造和维修的管理与决策比较复杂，对库存和污染物也有特殊要求。因此，作为MES的重要组成部分，造纸企业造纸企业全厂能量系统优化信息平台的设计与开发要遵循以下原则：

　　1）安全的原则。MEOP需要集成热电厂、制浆、造纸和污水处理等生产线的DCS中的数据，MEOP运行时必须确保不影响各生产线DCS的运行，以免造成重大生产事故。

　　2）标准化的原则。MEOP是MES层能源管理的子系统，在造纸企业信息系统中起到承上启下的作用。必须遵照ISA(International Federation of National Standardizing Associations)的MES相关标准和MESA（Manufacturing Execution System Association International）的MES相关标准设计开发，以实现信息系统的功能扩展及与第三方信息系统的对接[2]。

　　3）开放的原则。MEOP不仅需要集成PCS层的数据，还需要对外发布信息以及与ERP能管理信息系统进行通讯，因此，需要遵循现场总线、以太网和B2MML等典型相关协议进行设计。

　　4）实用的原则。MEOP为集成和优化企业能量系统，需要针对热电厂的操作人员、企业中心调度人员、工艺人员和生产管理人员的不同需求，设计不同的监控、分析和优化界面，MEOP的界面设计必须简洁和实用，人机交互界面针对性强，提高上述人员的有效合作共同挖掘节能潜力，提高企业能效水平。

2 MEOP硬件结构
　　MEOP基于MES中能源管理系统基本结构和功能的基础上，结合“三环节”能量流结构模型与优化技术，实现对制浆造纸企业能量系统信息的采集、分析、监控、优化等功能，MEOP将大大提高企业能量系统信息的透明化和标准化，为企业管理和生产调度决策提供可靠依据，是企业降低生产成本的有效工具。

　　该系统架构采用C/S和B/S混合模式。核心服务器由实时数据库服务器、关系数据库服务器和Web数据库服务器组成，C/S模式用于支持工艺人员和生产管理人员远程访问MEOP，B/S模式用于支持中心调度室调度人员和热电厂操作人员即时监控和操控系统以及响应报警事件等。MEOP具有与底层控制系统通讯的标准接口，如OPC、DDE、Modbus、 ProfiBus等；还可基于以太网同时与ERP系统通过OLE、ODBC、COM等方式进行数据传输。如图1所示。

　　造纸企业能量系统优化信息平台与制浆造纸厂中的DCS、PLC等进行通讯，采集发电厂、制浆车间、抄纸车间、能量流数据。根据ISA和MESA的相关标准，MEOP不直接与现场传感器或变送器通讯，所有现场数据均来自于控制器以上的系统中。

　　MEOP拥有多个操作终端，便于生产管理人员与该系统交互，如进行在线查询、在线分析、下达调度指令和打印报告等。另外，MEOP也可将关键数据通过以太网传送到ERP中，并接收来自ERP的指令数据，便于企业决策者对企业能源的调控与管理。

3 MOEP软件结构[3]
　　MEOP针对制浆造纸企业特点进行设计开发，为企业实现能流调度及全局优化提供决策支持，MEOP可以系统、科学、准确、实时地调度生产能量配给，减少人为调度的主观性和局限性，使企业能量调度达到全局优化，减少能源浪费和减少污染物的排放。MEOP将大大提高企业能流信息的透明度和信息的标准化，为企业管理和生产调度决策提供可靠依据，是企业降低生产成本的有力工具。造纸企业能量系统优化信息平台软件结构如图2所示。

　　该系统主体部分采用美国通用电气（GE）公司MES智能平台软件搭建，数据库分别由实时数据库、关系数据库、Web数据库和功能模型库组成[4]。关系数据库通过实时数据库与过程控制层相连，MEOP通过B2MML与管理层ERP进行通讯连接，客户端可完成数据分析及比较、数据显示及报告、能流信息优化和能流调度计划及决策支持等功能，这些功能由功能模型库中的模型计算后实现。

4 MEOP功能
　　MEOP是华南理工大学在制浆造纸企业信息系统集成与优化技术方面的重要研究成果，适合典型造纸企业能量系统优化调度管理，可实现造纸企业能量流、物料流、信息流的集成和优化。造纸企业能量系统优化信息平台(MEOP)将系统、科学、准确、实时地调度生产能量配给，优化热电厂运行，减少人为调度的主观性和局限性，使企业能量调度达到全局优化，减少能源浪费和减少污染物的排放，其具体功能如下：

　　1）数据集成功能。MEOP通过实时数据库（RTD）集成制浆造纸厂中过程控制系统、SCADA、现场能流测量数据和操作人员手工输入的能流数据，将这些数据分类为电网子系统数据、蒸汽管网子系统数据、浆料管网子系统数据和水管网子系统数据等，存储到关系数据库，用于归档、显示<