李平王学雷

(西部矿业股份有限公司1,青海 西宁 811600;中国科学院自动化研究所2,北京 100190)

氧压浸出锌冶炼MES系统规划与实施

李平1王学雷2

(西部矿业股份有限公司1,青海 西宁 811600;中国科学院自动化研究所2,北京 100190)

制造执行系统(MES)是实现信息化和工业化融合,支撑企业各信息子系统有效集成,实现高质量、低成本、低物耗和低能耗生产的重要手段。针对西部矿业10万t氧压浸出锌冶炼工艺,分析了锌冶炼企业的生产管理需求,规划并开发了氧压浸出锌冶炼MES系统。该系统包含生产管理、能源管理、设备管理三个子系统,能够实现物料流、能源流和信息流的紧密集成。分别阐述了各子系统的具体实现的功能,并描述了实施的系统架构。锌冶炼MES的成功实施加强了企业生产管理,取得了良好的预期效果。

制造执行系统(MES) 锌冶炼 生产管理 能源管理 设备管理

0 引言

制造执行系统(manufacturing execution system, MES)[1]是美国AMR公司(Advanced Manufacturing Research,Inc.)在20世纪90年代初首先提出的,旨在加强ERP计划的执行功能,把ERP系统同车间作业现场控制系统联系起来。MES系统的实施可以协助企业实现智能化工厂,进行实时智能决策,为用户提供一个快速反应、富有弹性、精细化的制造业环境,帮助企业降低成本、按期交货、提高产品质量和服务质量,进而提高企业效益。

21世纪是信息化[2]时代,信息化、智能化技术的广泛应用给人类生产生活的各个领域带来了前所未有的重大变革。信息化与工业化融合是在此背景下的一个必然趋势,将给工业生产带来新的发展机遇,显著推动企业的技术和管理进步。

MES是实现生产过程物料流、能量流和信息流集成的关键所在,MES通过与ERP系统之间的双向信息交互,实现生产的高效化和透明化,进而与供应链管理(supply chain management,SCM)、客户关系管理(customer relationship management,CRM)整合形成完整的企业信息化系统。MES在企业信息化建设过程中处于基础地位,是实现高质量、低成本、低物耗和低能耗生产的主要手段。

MES系统已经具有国际和国内标准,其功能框架明确,但其具体技术规划和功能实现则与所面向的行业和工艺流程密切相关。本文将针对西部矿业引进的、我国第二套氧压浸出锌冶炼工艺来规划和实施MES系统。

1 湿法锌冶炼工艺及对MES的需求

锌冶炼工艺包括火法冶炼和湿法冶炼。火法炼锌[3]主要由焙烧→还原→蒸馏三个过程组成,常用密闭鼓风炉冶炼,能同时产出铅和锌,但锌产量比例不高,且SO2难以回收利用。湿法炼锌技术以其环保,生产易于实现自动化、连续化、大型化等优点得到迅速发展,包括常规浸出法、热酸浸出法和氧压浸出法。湿法炼锌的主要过程是通过酸性浸出将锌从锌精矿或焙烧后的焙砂中提取出来,浸出液经净化、电积、熔铸后得到电锌产品。

20世纪50年代,美国化学建设公司(Chemical Construction Company)与加拿大谢里特·哥顿矿业公司(Sherritt Gordon Mines Limited)首次开发并成功应用氧压浸出工艺处理碱金属硫化物和难处理金矿[4]。氧压浸出工艺[5]将硫化锌精矿直接加到通入氧气的压力釜中,在一定的温度和氧分压条件下酸浸而出,取代传统湿法炼锌工艺中的焙烧、烟气制冷和浸出工序,原料中的硫、铅、铁等留在渣中,分离后的渣经浮选、过滤即可得到元素硫、硫化物残渣与尾矿,减少了SO2制酸和环境污染的问题。

硫酸锌溶液经中和除铁除去溶解其中的部分铁后,进入常规的湿法炼锌后续工序处理。锌浸出反应如下所示:

2001年,中国西部矿业公司[6]着手引进Sherritt氧压浸出技术,并于2013年正式投产建设一座全新的10万t/a锌精炼厂。西部矿业公司所处地势海拔高,矿石原料含铁高,注重回收铟金属,是其选择氧压浸出工艺的主要考虑因素。生产拟施行两段逆流氧压浸出,即二段浸出液送回一段浸出,一段浸出渣在二段浸出中进一步处理,以提高锌浸出率。

中国西部矿业公司全湿法氧压浸出炼锌工艺的具体流程如图1所示。

图1 西部矿业全湿法炼锌工艺流程图Fig.1 Technological process of full wet Zinc smelting in West Mining

2 系统功能设计及特点

根据MESA国际联合会的定义:制造执行系统(MES)能通过信息的传递对从生产命令下发到产品完成的整个生产过程进行优化管理,对工厂发生的实时事件,能及时做出相应的反应和报告,并用当前准确的数据进行相应的指导和处理。

根据中国西部矿业公司的生产工艺特点和管理需求,结合MES系统可以实现的功能,规划了MES系统。系统主要由三大部分组成,即生产管理、能源管理、设备管理。

锌冶炼MES系统包括以下功能:企业生产调度与管理、能源消耗与产出管理、原料与产品质量管理、能源质量管理、计量器具管理、事故与安全管理、设备检维修与维护综合管理、设备故障与安全动态监控、预警报警、设备运行优化与效率评估、成本核算与绩效管理。通过锌冶炼MES系统的实施,可以实现企业资源优化配置,降低生产成本,提高能源利用效率和设备管理水平,推进企业生产管理模式的变革。

2.1 生产管理

生产管理主要完成从原料到产品生产过程中的监视和过程管理,其包含以下功能。

①重要生产过程流程实时监控

重要生产过程流程实时监控,根据企业需求配置组态监控画面,提供灵活的画面在线组态、编辑与管理及图表、曲线绘制功能,画面中的重要数据可实时刷新,实现与生产现场的同步显示。用户通过Web浏览即可实现对企业重要生产工艺的实时监控,并可对重要数据的实时状态、历史趋势与报警情况进行查询,从而获取更丰富的生产信息。

根据ISA-95标准,图2清晰地反映了企业生产管理中各层次应用系统之间的关系。

图2 生产管理功能层次模型Fig.2 Hierarchical model of manufacturing management functions

②生产计划与统计管理

系统提供灵活、多样化的报表定义与处理方式,便于用户快捷地对企业的生产计划——包括年、月、日等周期性生产计划、设备运转计划、原材料供需计划等进行报表制定、生成、查询和管理操作,帮助企业合理安排生产,处理库存,有效改善生产效率与成本管控模式。

统计管理方便用户对各类生产数据进行记录和统计,并生成全面的各周期生产统计报表,可实现报表自动打印与多样化存储等管理功能。

③原料管理

原料管理,即对企业锌精矿原料系统的高效管理,包括对供应商、化验与精矿操作等信息的监控、计算、记录与统计查询,以及对原料配比的管理功能。

图形化、直观的料场区域界面,可实现原料场状态监控与综合数据分析等功能,易于生成各类生产报表,为料场调度提供丰富的信息。

通过库存统计信息实现原料可用天数的预估和报警功能,通过对原料质量信息的采集、分析和报警管理,严格控制原料入厂、出厂质量,从而实现原料的全生命周期管理。

灵活的配比管理功能,方便用户对每日生产的原料配比进行设置、发布和通知、上传、查询与统计管理。严密的权限和多级审批流程保证了企业配比的安全性存放查看操作。

④化验管理

化验管理对企业的化验流程,采样数据的登记、存储、统计查询,化验单的审核与发布进行规范化管理,包括常规化验(原料、中间品与产品化验)、单项化验与全分析、不合格化验结果控制处理等功能。

用户可自行配置各项化验及质量判别标准,包括化验的产品、质量指标和等级。化验的结果与生产调度指令相关联,可根据相关规则自动生成相应的调度指令。

⑤质量跟踪与事故追溯管理

质量跟踪,通过工艺流程、工段、故障信息和故障树的基础配置,结合生产工艺流程,建立从原料到产品的全工序物料质量跟踪,实现重要质量考核指标的采集、跟踪与分析管理。

统计产品的合格率与质量缺陷分布,生成质量分析报告,及时发现质量问题并反馈给物料供应商、生产管理、质量管理及经营决策部门,便于对产品质量进行全面管控。

同时,对企业前期/当前订单的物料(即原料、中间物料及产品),在企业生产线上的产生与消耗情况进行实时展示、历史查询与平衡分析的一体化跟踪管理,通过挖掘物料高耗能环节,提高物料利用率,辅助生产决策以降低成本。

事故追溯建立在事件触发机制基础上,对出现质量问题的最终产品,追溯回各工序的生产质量情况,从原料、工艺、设备、生产操作等主要方面自动搜索和分析影响产品质量的原因,对问题源头进行定位。通过故障识别方法,对出现的故障进行判别并做出提示,最终生成事故追溯报告。

⑥调度指令管理

调度指令管理,帮助调度人员针对调度事务建立各种调度指令,完成生产调度运行的日常管理。例如运行方式变更管理、调度值班日志管理、异常事件处置、事故管理等。

通过灵活可配置的指令模板,建立主动式结构化的调度指令,准确、规范地进行指令的生成、发布、下达与反馈,并可对指令进行编辑与管理,调度操作有记录,实现调度有据可查。

此外,通过信息交换和预定的规则,在一些特殊情况下,还可实现无人干预的指令调度。

⑦生产安全与故障管理

生产安全管理将与安全生产相关的信息、文件、分析与处理结果进行记录和管理,帮助企业实现全面的信息收集、通畅的信息交换、合理的领导决策和高效的事故处理功能,提高企业安全生产管理水平,加强事故应急反应和处理能力。

故障管理基于历史记录数据,建立企业事故处理预案库,及时为应急指挥人员提供辅助决策,实现预案的规范化、可视化、信息化和高效化管理;建立企业事故案例库,为不断完善应急安全管理措施提供依据和数据支持。

⑧综合数据分析与生产报表

综合数据分析与生产报表,提供对各类生产计划、生产统计数据、原料数据、化验数据、质量跟踪数据、生产安全及故障数据的综合分析与报表编辑、管理功能,实现用户自定义报表样式、统计方法、报表生成和打印策略的生产报表管理。

2.2 能源管理

能源管理是改善能源供给、降低能源成本的重要途径,其包含以下功能。

①重要能源实时监控

重要能源实时监控实现企业主要能源流和关键工序能源数据实时监控、历史趋势查询与报警等功能,为企业的用能诊断、用能分析等能源管理工作提供数据支持。

提供丰富的能量计算模型,便于用户对各工序及设备的能效按模型进行运算并显示,同时得到能源介质在各环节的发生、调配、输送、消耗和损失量,使操作人员能快速准确地掌握生产情况,及时做出正确决策。

②能源计划与预测管理

能源计划与预测管理实现月度、季度、年度能源供需计划的编制、审批、修改,满足企业能源需求。指导企业按照需求进行能源购进和供应。基于历史数据,采用多种预测方法和模型对未来各时段的企业全厂、各系统的能源需求、产出及消耗情况进行预估,为制定能源计划及能源动态优化调度提供支持。

通过预测结果分析协助企业合理分配能源。在能源供应小于预测需求时,进行能源预警。

③能源计量统计管理

能源计量统计管理,实现对企业各类能源计量数据的准确、及时、全面的采集和统计。

在购入贮存、加工转换、输送分配和最终使用等环节,对锌冶炼过程的主要能源介质(电、水、蒸汽、氧气、压缩空气等)进行全厂、各分厂、各耗能工序、各车间、各班组统计。

生成各时段能源统计报表,包括能源基础统计、产品能耗统计与能源平衡统计报表,并对报表进行管理,提高能源计量统计效率,减少人工操作工作量。

通过直观的图形化工具,进行数据对比分析,便于企业管理者更好地进行生产指挥和经营管理。

④计量器具管理

依据国家标准为用能单位建立能源计量器具档案;通过建立计量器具电子化管理平台,对能源计量器具进行台帐、自检、送检、定检、维修乃至报废的全生命周期管理。

⑤能量平衡

企业能量平衡是企业能源管理的一项基础工作,是定量分析企业用能的有效方法。

根据水、电、气、蒸汽、原料、产品等能量平衡分析的需要,建立以企业、分厂、车间、耗能单位或工序为对象的用能系统,采用面向对象的设计方法进行组织与管理。

基于指定时间段内的历史数据,对用能系统的能量流、物料流进行量化和统计,生成系统分析报告和能量平衡表,以图表形式展示分析时段内各种评价指标的变化趋势和系统用能情况,实现动态的能量平衡分析与辅助调度功能,为企业节能改造和用能经济评价提供依据。

⑥能源质量管理

能源质量管理是依据企业检验计划,通过检验和监测手段,对能源的来源、中间过程及产出等关键环节的能源质量进行全面的记录、控制、跟踪与统计分析管理。

通过直观的能源质量分析图表,有效反映能源质量变化的趋势规律,为企业能源质量监督与考核提供参考依据,确保整个企业生产系统的能源优质、稳定供应。

对质量判定结果进行存档,以便制作质量报表和质量报告。将能源质量信息反馈给采购部门和生产分厂,以便及时地调整采购政策和工艺技术。

⑦耗能绩效管理

耗能绩效管理,对企业生产过程中能源的购入贮存、加工转换、输送分配和使用等消耗实绩进行统计、分析;对各种能源介质实际发生量和主要用户的使用量、能源介质放散量等运行实绩进行描述;对统计数据和报表进行管理,反映报告期内各能源介质的生产和分配情况。

耗能绩效管理实现能源供需实绩、能源平衡实绩、能源成本消耗的管理,能源实绩与计划的跟踪、对比,为公司能源管理提供决策依据,为能源优化配置提供数据支撑。

⑧能耗综合分析

能耗综合分析是系统提供的强大报表管理工具,有利于各类能源计量数据、统计结果的报表生成和管理,便于用户自定义报表样式、统计方法和报表生成、打印策略,从而对能源管理过程中相关数据报表进行查询与管理。

基于各能源报表,进行能耗综合分析,获知各能源介质的利用情况,并对各能源技术指标进行对比分析,以多样化的图表形式显示分析结果,辅助能源管理决策。

2.3 设备管理

①关键生产设备状态实时监控

关键生产设备状态实时监控,对重点设备的启动和停止状态进行记录和查询,对生产设备重要运行参数绘制历史趋势曲线,进行查询和报警,方便企业及时、综合地了解各重要设备的运行状态和在用情况;为企业设备的检修计划、点巡检、备品备件需求等提供直观的浏览数据。

用户可对能源实时监控画面自由组态,根据需求自行修改与维护;灵活的用户权限保证监控画面的浏览与操作功能配置给不同层级的人员,限制各级人员的操作范围。

②设备台账管理

设备台账管理采用归类分级的方法,将设备资料与设备分类相关联,对企业生产设备的静态数据及相应动态维护数据进行采集、归档与查询等综合管理,使设备信息组织有序、检索灵活,实现网络化的、多级权限管理的设备档案电子信息平台。设备台帐管理的具体功能包括设备分类属性(设备技术参数、技术规格书、设计文件、配件材料等)管理、设备基本信息管理和单台设备属性(点巡检数据、检修数据、能效记录等)管理。

③设备检修管理

通过统一、标准的报表形式和报送格式,实现生产设备(年、月)检修计划的组织、编制、报送、审批、派发与跟踪执行、查询管理功能,能自动生成检修工单,全方位满足企业对设备检修计划的统筹安排和管理需求。

检修计划的网络化、系统化、直观化和规范化管理可提高计划人员、执行人员和管理人员对检修工作的把控能力,提高检修执行效率,利于检修知识积累与经验总结,从而全面提升设备管理水平。

④维修维护管理

设备维修管理对企业各车间设备维修工单的生成和派发、维修信息的跟踪记录进行统一管理。通过设备维修历史记录,为设备检修计划与点巡检计划及生产计划的制定提供参考,有助于设备操作、维修及管理人员对设备使用状况、剩余使用寿命、备品备件存储计划进行初步的预测。

设备维护管理对企业现场设备的日常维护、一级维护与二级维护信息按班组、日、周、月、季度、年进行记录、跟踪和统计、查询管理。通过设备维护维持设备正常的使用寿命,及早发现设备缺陷,及时进行设备异常处理,保证企业生产顺利进行。

⑤设备点巡检管理

采用射频识别(radio frequency identification, RFID)技术对生产现场重要设备进行点巡检操作。设置RFID点巡检仪与MES服务器的时钟同步,采用无线蓝牙接口进行点检数据上传,在MES系统中进行点巡检记录管理,方便对现场数据的查询、记录和点巡检工作的监督管理。

根据设备分类提供经验总结的设备点检表与点检计划,大幅减少企业点巡检管理工作量,为设备管理其他功能提供数据支持。用户可自定义点检行走路线及点检人员名单,支持多条路线、多工种点巡检操作与数据上传。

⑥设备故障与安全管理

设备故障与安全管理,主要是对已产生的所有设备故障与安全事件进行人工录入与分析确认管理,自动集成分析结果知识库,形成驱动制定设备检修计划的故障与安全分析记录表,便于查询所需备品备件。

设备故障与安全管理具体包括故障提示、故障事件浏览、故障处理状态管理、故障分析记录和记录表管理功能。

⑦设备知识库管理

设备知识库管理,对多样化的生产设备知识库数据进行管理。集成静态的、多媒体的设备数据资料,支持多种查询方式,为设备维护和管理人员提供便捷、丰富的参考资料。能集成设备历史故障及检修案例,通过自扩充的设备知识库,使企业长期技术经验得以累积与沉淀,有助于指导企业生产和设备管理的可持续发展。

2.4 系统实施

锌冶炼企业MES应用系统总体网络架构按如图3所示部署。基于实时数据库(real time database,RTDB)数据平台,通过中科院自动化研究所的SciMES系统平台实现对数据的采集,并根据生产企业的特点建设工业通信网络,联通各计量采集站点,打通各区域数据通道,实现系统一体化。

锌冶炼MES应用系统采用自下而上、由低层到高层的数据走向策略,将企业生产数据进行集中、分析、决策的流程处理。MES实现了从底层数据采集到数据统一管理平台,结合各子系统功能模块,可对企业生产进行全面、高效的管理。

图3 锌冶炼企业MES系统架构Fig.3 MES architecture of Zinc smelting enterprises

3 结束语

随着锌冶炼行业的发展,企业对生产管理的信息化、智能化与敏捷化的发展需求也日益加深,促使MES系统的研究与应用越来越受到关注。本文在总结了锌冶炼企业工艺生产特点的基础上,结合西部矿业股份有限公司的企业生产和管理需求,基于中科院自动化研究所的SciMES系统平台,对锌冶炼企业MES实施方案进行总体规划和分项内容描述,包括基础设计、实施和系统集成。本项目的实施将有助于促进锌冶炼生产管理水平的进步。

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Planning and Implementation of the MES for Oxygen Pressure Leached Zinc Smelting

Manufacturing execution system(MES)is an important means for merging information technology and industrialization,to support effective integration of various information subsystems in enterprise,and to realize production of high quality,low cost,low energy and material consumption.In accordance with the technological process of 100 000 tons oxygen pressure leached zinc smelting in Western Mining,the demands for production management in zinc smelting enterprises are analyzed;and the MES for oxygen pressure leached zinc smelting is planned and developed.The system consists of three subsystems for implementing tight integration of material flow,energy flow and information flow.Specific functions of each subsystem are elaborated respectively,and the system architecture is described.Successful implementation of MES for zinc smelting strengthens the management capability of enterprises and achieves good expected results.

Manufacturing execution system(MES) Zinc smelting Manufacturing management Energy management Equipment management

TP27

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修改稿收到日期:2014-04-17。

李平(1974-),男,1996年毕业于昆明理工大学自动化专业,获学士学位,工程师;主要从事锌冶炼自动控制及仪表方向的研究。