Материальные балансы предприятия

Формально данный модуль не входит в состав MES. Однако материальные и энергетические балансы на большинстве предприятий считаются. Чаще всего, используя электронные таблицы. Причем считаются, мягко говоря, очень субъективно (не будем вдаваться в подробности). Существует достаточное количество программ считающих материальные и энергетические балансы, которые опираются на собранную информацию из узлов учета или ручной ввод. В холдингах желают знать объективную информацию, поэтому требуют, чтобы ручного ввода было меньше, данных из узлов учета было больше. Стоимость установки узла учета достаточно высока (достигает многих десятков тысяч рублей). С другой стороны, ликвидированные потери, выявленные программами учета материальных балансов, во много раз превышают стоимость внедрения.

Модуль балансов (PB) предназначен для создания автоматизированной системы учета материальных и/или энергетических потоков предприятий. С его помощью выявляются места возникновения потерь продукта, определения нарушений технологических параметров производства, выявляется неисправное оборудование и т.п.

Материальные балансы реализованы на основе специальных, достаточно сложных, алгоритмов расчета, которые  реализованы в программе. На основе модуля строится система балансовых отчетов. Кроме этого, на основе полученных данных строится система производственного учета предприятия.

Расчет материальных балансов является основой производственного учета, а данные, полученные в результате балансировки, основой для статистической корректировки измеряемых производственных параметров и расчета не измеряемых материальных потоков с наибольшей степенью достоверности.

Для функционирования модуля необходимо обеспечить сбор данных от узлов учета. Данные о расходе, включая необходимые для приведения к нормальным условиям температуры и давления, собираются и архивируются модулем DCA. Для приведение к нормальным условиям применяются сертифицированные методики.

Автоматизированный расчет материальных балансов возможен как по предприятию в целом, так и по отдельным производственным элементам (установкам, товарным паркам и т.п.).

Модуль материальных и энергетических балансов обеспечивает:

• Сбор данных о перемещениях из ERP и систем передвижения продукции 
• Балансировку данных относительно оборудования
• Статистику по ошибкам измерений

Обычно специальная программа, обеспечивающая расчет балансов, имеет специальный интерфейс пользователя. Проблемы, приводящие к большому дисбалансу, могут быть быстро идентифицированы в интерактивном режиме.

Модуль должен обеспечить выполнение следующих видов балансов:

• Баланс по массе может быть выполнен по всему оборудованию процесса, трубопроводам и резервуарам, где масса, входящая в каждую единицу оборудования, трубу или резервуар сбалансирована с массой выхода.
• Баланс по объему может быть выполнен по всему оборудованию процесса, трубопроводам и резервуарам, где объем, входящий в каждую единицу оборудования, трубу или резервуар сбалансирован с объемом выхода
• Баланс компонентов может быть выполнен по всему оборудованию процесса, трубопроводам и резервуарам, где масса (или объем) поступающего компонента, входящая в каждую единицу оборудования, трубу или резервуар сбалансирован с массой (или объемом) выхода этого компонента.

Математические сравнения корректировок измерения и допусков обеспечивают необходимую статистику. Эта статистика позволяет сравнить показания каждого измерителя с его пределами измерений. Измерители, значения которых находятся в области ошибки, могут обрабатываться как вышедшие из строя, позволяя вычислять значения потоков на основе показаний исправных измерителей.

Другим результатом согласования данных могут быть расчетные значения для неизмеренных потоков или запасов. Возможность получения этих значений существует в том случае, если имеются другие измерения, позволяющие провести необходимые вычисления, то есть имеется избыточность средств измерения для узла.

Алгоритмы, применяемые в PB

PB использует наиболее современные статистические методы и мощнейшие математические средства, позволяющие производить необходимые расчеты с высокой скоростью, что позволяет проводить балансировку и верификацию данных на коротких временных интервалах.

На следующем рисунке для пояснения работы алгоритма согласования баланса представлен баланс винилацетата. Отдельные емкости складов условно сведены в обобщенные емкости. Средства измерения потоков условно показаны со сквозной нумерацией F-1, F-2, …F-7. Средства измерения могут быть данными приборного учета, расчетными данными или данными ручного ввода.

Для каждого балансового узла с входящими и исходящими потоками, в том числе для узлов, для которых учитывается материальный запас, а также для всей балансной схемы (математической модели) должен соблюдаться закон сохранения, в данном случае массы.

Для балансной группы (все, что внутри светло-серого прямоугольника) должно выполняться равенство:

(1)    F-1 + F-2 = F-5 + F-6 + F-7 + dWост.

Где:  dWост. – изменение остатка в емкостях за учетный период суммарно по всем емкостям в балансной группе.

F-1, F-2,…F-7 – интегрированные за учетный период данные расходов.

Для каждого узла в балансной группе (на схеме обозначены узел1, узел2, узел3) также должны выполняться равенства:

(2)    F-1 + F-2 = F-3 + dWост.-12-1 для узла1,

(3)    F-4 = F-5 + dWост.-10 для узла2,

(4)    F-3 = F-4 + F-6 + F-7 + dWост.-12-2 для узла3,

Где:  dWост.-12-1,  dWост.-12-2,  dWост.-10,  – изменение суммарных остатков в емкостях промсклада цеха №12, склада ЛВЖ цеха №12, склада ЛВЖ цеха №10 за учетный период соответственно.

По всей схеме и по каждому узлу отдельно по результатам измерений почти всегда присутствует «дисбаланс» - неравенство входных и выходных измеренных значений потоков. Даже при идеальных узлах учета, например, из-за точности приборов измерения.

Цель решения системы уравнений (1), (2), (3), (4) – получить решение удовлетворяющее равенству всех уравнений по узлам 1,2,3 и для всей балансной схемы в целом путем нахождения величин коррекции для каждого измерения в балансной схеме.

Решение всех уравнений выполняется одновременно. Результатом являются скорректированные значения для каждого измерения.

Целевой функцией согласования баланса является минимальная коррекция всех первичных измерений для получения согласованного баланса, при минимальном отклонении коррекции конкретного измерения от класса точности измерительной цепочки.

Для выполнения решения уравнений балансовой модели используются разные статистические методы согласования данных (Statistical Data Reconciliation - SDR). Как правило, способ программной реализации балансовой модели к математической модели является интеллектуальной собственностью разработчика программного продукта и не раскрывается.

Результаты согласования могут также использоваться для оценки измерения в случае, когда измерительный прибор неисправен и его показания приводят к некорректному распределению.

При использовании экспертной системы алгоритм статистического определения погрешностей SDR, совмещенный с PRM-моделями предприятий, позволяет осуществлять балансировку сырья, энергии и продукции, выявлять ошибки, дисбалансы и, вместе с другими модулями системы, позволяет выявлять потери.

Использование экспертной системы в MES позволяет сконфигурировать 4 типа производственных балансов в зависимости от целей и требований к системе учета. Это позволяет сократить потери и затраты на производство продукции, выявить ошибки и дисбалансы. Экономический эффект 0,1 – 0,5% от выпускаемой продукции.

Производственный баланс типа I (РВ-I)

По своей сути это не расчет дисбаланса, а оперативный (текущий) баланс цеха, производства, предприятия. РВ-I является арифметической суммой производства и потребления по ключевым средам предприятия.

РВ-I не производит балансировки потоков, но вычисляет оперативный дисбаланс, рассчитываемый в режиме реального времени, что позволяет диспетчеру предприятия или другим лицам оперативно принимать решения по управлению предприятием при колебаниях режима.

Величина дисбаланса dF запоминается в историческую БД системы. Для оперативного управления цехом или предприятием РВ-I вычисляет среднюю величину отклонения и автоматически формирует границы контроля по отношению к средней величине дисбаланса.

При колебаниях режима РВ-I выдает сообщение диспетчеру предприятия и/или начальнику смены цеха, вызвавшему колебания режима.

РВ-I работает в режиме реального времени, с циклом системы, вычисляя и контролируя отклонения от среднего значения дисбаланса.

Производственный баланс типа II

РВ типа II – баланс по отдельным средам в рамках предприятия, рассчитываемый на показаниях отдельных узлов учета. Именно этот тип баланса поддерживает большинство программ расчета материальных бвлвнсов.

Для создания РВ-II используются схемы балансов по отдельным средам / потокам предприятия. Специальное программное обеспечение Production Balance используется для балансировки по данным узлов учета, которые собирает и архивирует модуль DCA. 

 

Рабочее место инженера производственного отдела в Production Balance позволяет вводить лимиты, ручные корректировки балансов и константы потребления, а также осуществлять перерасчет балансов, выполненных в автоматическом режиме.

Используя современные быстродействующие алгоритмы, Production Balance согласовывает все доступные данные процессов, запасов, поступлений/отгрузок, принимая во внимание точность и достоверность каждого прибора в системе измерения.

РВ-II может осуществлять в автоматическом режиме балансировку 1 раз в час, смену, сутки, при необходимости в месяц.

Производственный баланс типа III

РВ типа III – баланс по отдельным средам в рамках предприятия РВ типа II, рассчитываемый по данным виртуальных датчиков Process Flow PRM-моделей цехов и производств.

Применение экспертных систем с PRM-моделями и виртуальными датчиками позволяет значительно увеличить надежность функционирования балансов. Отказы и ошибки физических датчиков компенсируются и/или дублируются датчиками Process Flow PRM-модели. Надежность систем учета РВ-III в несколько раз выше традиционных решений. Алгоритмы, реализованные в Process Flow, позволяют заменять реальные датчики вычисляемыми.

Кроме этого логические данные модели PRM цехов используются для вычислений и корректировок в РВ-III, что позволяет избавиться от ошибок, неточностей и отказов датчиков. И даже корректировать уход нуля датчиков.

Программное обеспечение вычисления балансов предприятия используется для балансировки среды по данным узлов учета, которые собирает и архивирует модуль DCA. РВ-III имеет все достоинства РВ-II, которые дополнены виртуальными датчиками и логикой PRM-моделей.

Возникающий синергический эффект достоинства PRM-моделей предприятия и возможностей ПО вычисления балансов позволяет получить высокую надежность системы учета.

РВ-III может осуществлять в автоматическом режиме балансировку 1 раз в час, смену, сутки, при необходимости в месяц.

Производственный баланс типа IV

РВ типа IV – балансы по средам РВ типа III, объединенные в единую балансовую модель предприятия, рассчитываемые по данным Process Flow PRM-моделей цехов и производств.

РВ-IV конфигурируется по всем балансам предприятия, как единая балансная модель всего предприятия. Для расчетов используется виртуальные датчики и логика Process Flow PRM-модели предприятия.

 

Применение единой балансной модели позволяет получить согласованные данные по всем балансным схемам, исключая рассогласованность данных между балансами по разным средам.

РВ-IV позволяет создать полностью автоматизированную систему учета промышленного предприятия. Программный комплекс проверяет достоверность поступающих данных и дублирует отказавшие датчики при необходимости.

 РВ-IV выполняет расчет единой модели предприятия и балансирует входящие в балансную модель материальные и энергетические потоки. РВ-IV контролирует собственное состояние и при необходимости выдает задание на ремонт датчиков или каналов измерения.

При выполнении балансировки потребуются большие вычислительные мощности для одновременного просчета всего предприятия.РВ- IV может осуществлять в автоматическом режиме балансировку 1 раз в час, смену, сутки, при необходимости в месяц.