APS系统

APS系统（共7篇）

APS系统 篇1

0 引言

特殊钢铁的生产工艺比普通钢铁更加复杂,具有批量小、种类繁多、工序多、工艺路径长、产品间可替代性小和交货期严格等特点,增加了生产计划与作业控制的难度。钢铁企业为了实现生产控制与经营管理的统一,将处于不同管理层级的ERP系统与MES系统进行集成,以解决满足生产组织效率和满足市场需求之间的矛盾[1,2]。ERP面向企业整个运营资源,基于无限的产能,制定稳定生产环境下的宏观生产计划。MES面向车间的生产资源,通过生产计划、生产调度、库存管理、质量管理、设备管理和物料跟踪等系统功能,实现微观的生产过程管理,并向ERP系统及时地提供生产实际状况信息[3]。ERP与MES能够基本实现普通钢铁生产计划与控制的功能,但在处理特钢多规格、多工序、多路径的生产环境下合理均衡设备产能、控制生产节奏,以高效、快捷的生产组织方式来满足客户多样的个性需求和多变的市场环境的问题,其缺乏必需的优化功能。

APS(Advanced Planning and Scheduling)技术以约束优化理论为核心,利用层次计划思想把计划任务分解成许多局部计划模块,逐层解决问题,具有处理复杂约束的优势,为解决特钢生产计划与排程问题提供了途径[4,5]。APS弥补了ERP、MES在钢铁生产计划与控制的优化功能。本文基于APS技术探讨特钢企业信息化的架构,通过各个系统的集成和协作全面实现企业按照客户订单组织生产,以及产销一体化的生产经营策略。

1 信息化框架

1.1 信息化总体框架

在钢铁企业信息化建设过程中,ERP与过程控制系统拥有各自的功能范畴,之间独立运行,缺乏信息的交互以及有机的联系。MES作为信息交互的枢纽将上层计划系统与底层过程控制系统集成为一体,同时弥补了中间生产执行的功能,于是出现了钢铁企业信息化三层结构模型:业务计划系统层(BPS)、制造执行系统层(MES)和过程控制系统层(PCS)[3]。

1)业务计划系统通过对客户、企业自身以及供应商的所有资源进行整合、统一规划,实现物流、信息流和资金流在采购、生产、库存、销售、运输和财务等生产经营环节的一致,并在此基础上综合考虑顾客需求、生产能力平衡以及利润最大化等因素,制定长期和中期生产计划。

2)制造执行系统实现生产活动执行过程的动态管理,其功能包括:生产作业计划、生产调度、物料跟踪、设备管理、质量管理、热工具管理、工艺管理和库存管理等。其中作业计划考虑订单交货期、生产工艺、产能和库存等因素,以负荷均衡、生产节奏协调一致为管理目标制定合理的生产计划。生产调度利用跟踪信息对生产过程中随机出现的动态扰动进行处理,维持作业计划的连续性和稳定性。

3)过程控制系统通过控制生产参数的稳定,实现对具体设备及生产过程的控制。来自不同供应商的过程控制系统之间缺乏完整的功能规划和统一的数据结构,不具备面向整个生产过程的计划与调度的功能。

以上三层体系结构将顶层的资源规划、中层的制造执行管理与底层的过程控制进行集成,通过三层系统的协作完成企业生产活动的计划与控制。但特殊钢的生产工艺与普钢大有不同,呈多工序、多路径的特点,工艺路线长且复杂,如炼钢部分有连铸、模铸和电渣重熔等多条路径,之后有轧、锻、拔等多种加工方式,最后还包括酸洗、退火、矫直、抛丸和磨光等处理工序。特钢复杂的生产工艺,使得工序间物流紧密、节奏一致,产线间负荷及资源配置均衡十分困难,尤其是后部的加工精整与炼钢部分的衔接难以顺畅。加上生产对象为多品种、多规格和小批量的订单,生产组织与计划时难以实现产能、物流的平衡以及对在制品库存和交货期的控制。因此生产计划与调度成为特钢提升企业生产经营管理水平的关键。在处理这种约束众多、优化目标复杂的生产计划时,依靠信息处理技术的ERP与MES的计划系统暴露出了不足,需要将BPS层与MES层中的计划功能独立出来,由其他系统完成。高级计划与调度系统APS的核心技术是约束优化技术,适用于解决特钢企业复杂的生产计划与调度问题。于是本文提出了特钢企业信息系统4层体系结构,如图1所示。

APS承担了MES生产计划与生产调度的功能,将问题进行层次分解,对不同层次的问题进行数学建模,选择合适的求解方法进行优化计算,依次解决能力计划、订单计划、生产计划及生产调度的问题[6]。MES通过对物料、设备、跟踪、质量和工具等生产执行要素的跟踪管理为APS计划的制定与执行提供了基础和保障。

1.2 APS与MES的集成框架

基于以上讨论,特钢企业生产计划与控制的实现需要将APS与MES进行集成,集成框架如图2所示。APS承担特钢生产管理中处关键地位且工作量较大的计划与调度任务;MES则承担着制造执行管理的其他功能,包括设备工具管理、质量的检化验、成品物流与发运等,辅助执行APS制定的生产计划[7,8]。

APS的功能模块包括冶金规范子系统(FM)、能力计划子系统(CR)、订单计划子系统(OP)、生产计划子系统(BP)及生产调度子系统(PS),其层次结构如图3所示。上层计划对下层计划具有指导和支持作用,上层计划的将执行实绩进行反馈,对上层计划进行调整。

1.2.1 能力计划子系统(CR)

能力计划子系统以公司战略规划、市场需求分析预测为依据实现企业生产能力的规划,为有限能力排产提供依据,并提供能力计划实绩跟踪与分析功能。能力计划属于中长期计划,按年/季/月编制,逐步细化精确,按月滚动,用于指导企业交货期应答和有限能力计划的编制。企业生产能力计划通过以下四个模块实现。

1)产品需求计划模块:在盈利能力预测方面,建立能够综合评价产品盈利能力的指标体系和评估模型,从而得出产品盈利能力排序方案;在市场需求预测方面,综合考虑各产品系列在各区域市场的有效合同量、市场预期量、运费补贴、运力限制和新产品开发量等,制定各类产品针对不同区域市场的优化方案。

2)设备检修计划模块:对定检修计划的管理以及合理性评估。对制定的设备检修计划,根据生产工序及工序产能,对于计划的合理性进行评估。评估通过后,对检修计划进行记录、管理和跟踪。

3)工序产能计划模块:针对主要工序建立基于效益最大化的工序产能计划,以最大化经济效益和最大化产能利用率为目标,考虑产品盈利能力、产品工艺条件、设备检修情况、设备产能和产出率等约束条件,以获得每道工序的最优化品种规格产能分配方案,进而得到总的生产能力计划方案。

4)能力平衡计划编制模块:根据产品需求计划和工序产能计划等共同制定的,用于指导企业生产和销售的经营性计划,是能力计划的核心所在。能力平衡计划基于产销一体化的思想,综合考虑企业效益、生产能力和市场需求,得到优化的能力平衡计划方案。提供能力平衡图、多角度what-if(如果…则…)的智能化分析等决策支持功能。

1.2.2 订单计划子系统(OP)

订单计划子系统对客户订单进行订单评审、质量设计、坯料设计和有限能力排产,即将接收订单分配到具体产线或车间,并根据有限产能排产结果实现制造交货期应答。通过合理的订单排程,达到均衡资源和产能、以及交货期的控制,是特钢企业生产计划的核心。订单计划是生产作业计划的前提和基础,主要是对客户订单进行预处理,给出交货期承诺,并为作业计划的编制提供准确的生产订单需求。企业订单计划由以下五个模块实现。

1)订单设计模块:包括“生产订单设计”和“工序订单生成”两类功能,即根据西钢的冶金规范数据库,对于录入的生产订单设计生产工艺路线、成品交货要求、产品在各个阶段的工艺控制和质量控制要点等;进一步对生产订单进行生产设计,生成面向各个工序的工序订单。

2)坯料替代/库存匹配模块(可选):包括“中间产品工单的坯料替代”(可选)和“最终产品订单的成品匹配”(可选)两类。运用可用量承诺(ATP)模型,最大限度的利用在制品库存对工单需求做出及时准确的反应,能够有效缩短交货提前期、降低在制品库存/产成品库存水平。

3)订单排程模块:运用可用能力承诺(CTP)模型,以工序产能计划为约束,对工序订单进行排程,编制有限能力计划。订单计划属于中短期计划,按月编制,按周滚动。订单计划能够很好地平衡工序间产能和物流,对于交货期均匀分布、设备能力平衡、在制品库存降低均具有重要意义。

4)交货期应答模块:综合坯料替代/库存匹配和订单排程的结果,为接受的订单提供更为现实、可行的交货日期承诺,并通过坯料替代降低在制品库存,通过订单排程保证产品完工时间(计划交货期)在计划周期内的均匀分布、均衡生产能力、且进一步降低生产库存,从而提高西钢的交货水平和客户满意度。

5)订单评审模块:包括三阶段的评审功能,同时提供智能化的人机交互界面,是与企业的决策者和生产科负责人就订单计划进行交互的主要模块。在订单计划制定初期,对于设计后的生产订单以及生成的工序订单依据冶金规范进行审核和确认;在订单计划制定后期,即通过交货期应答模块确定可承诺交货期后,对于订单属性及承诺的交货期进行评审;在订单计划下发后,依据订单跟踪数据,对订单的执行情况进行评价和预测。

1.2.3 生产计划子系统(BP)

生产计划子系统的功能是编制和管理批量计划,即把待生产的多品种、小批量工序订单按照生产的工艺路线、技术条件、设备的作业要求组织成生产批量,并对批量计划进行评估、管理、以及跟踪反馈,以平衡各工序生产节奏,均衡生产能力,从而降低在制品库存。批量计划为周计划,是协调上游订单计划(月计划)与下游作业调度计划(日计划)的缓冲区域。生产计划由以下五个模块实现。

1)坯料设计模块:对由订单计划子系统下发的生产订单以及各工序对应的工单进行坯料设计,在满足工艺限制的前提下,将满足能力匹配要求和准备安排生产的订单集合转化为生产成本最低的待生产坯料集合,为编制批量计划提供优化的坯料集合,以简化批量计划的制定。

2)批量计划编制模块:把待生产的多品种、小批量工序订单按照生产的工艺路线、技术条件、设备的作业要求组织成生产批量。炼钢、连铸、热轧及其他后部工序每个阶段分别有自己的加工单位和工艺约束。按照每个阶段的工艺约束和优化目标分别制定炼钢批量计划、连铸批量计划、热轧批量计划以及其他后部工序的批量计划,从而保证工序之间的物流平衡和前后工序的生产连续性,达到生产过程的全局优化。

3)批量调度模块:将已经编制好的批量计划排入到相应工序的可用时间段内,进行工序能力平衡,最终形成各工序未来一段时间的待生产批量计划序列,并给出生产计划甘特图。批量计划属于短期计划,按周编制,按日滚动。

4)批量计划评价模块:对编制及调整的批量计划进行评价,同时提供智能化的人机交互界面,是与企业的决策者和生产科负责人就生产计划进行交互的主要模块。该模块主要从产能利用率、库存水平、连续浇铸比率等方面对一段时间内的工序批量计划进行预测和评估。

5)批量计划调整模块:对已编制的批量计划进行调整,使其满足企业生产的需要。批量计划调整的情况主要有两种:由于企业决策者对已编制的批量计划存在不同需求时引发的调整;当生产实绩与批量计划出现偏差时引发的调整。批量计划调整模块根据上述两种情况的不同特点对变化后的计划迅速做出调整,并传输至批量计划评价模块重新评估,为决策者提供智能的决策支持。

1.2.4 生产调度子系统(PS)

生产调度主要包括炼钢连铸调度、加热炉调度、轧制调度、后处理调度以及库存作业优化等。钢铁生产调度问题是一个多阶段、多机器、有多种工艺约束限制的多目标组合优化问题。生产调度的精度为天、实时,主要解决工件在生产单元内部的各个设备上的加工时间和加工顺序问题,同时考虑生产单元之间的衔接问题。钢铁生产过程存在诸多不稳定因素,需要快速捕获识别扰动并实时给出动态调度方案。生产调度包括以下几个功能模块。

1)炼钢作业计划模块:编制炼钢生产的作业计划。炼钢生产是钢铁生产的重要工序,包括炼钢、精炼和连铸三个阶段,可以抽象为多阶段、多作业和多并行机的混合流水车间调度问题(Hybrid Flow Shop Scheduling)。此外,炼钢连铸生产调度又具有特殊性,要求一定炉次范围内必须连续浇铸,且钢水只允许在各工序间等待较短时间,这使得炼钢调度更具复杂性。

2)加热炉作业计划模块:编制加热炉生产的作业计划。加热炉生产是衔接浇铸和热轧的关键工序,加热炉作业计划是根据轧制计划确定的板坯轧制顺序,在满足生产工艺要求的情况下,为每块板坯指派加热炉、确定板坯在加热炉上的加工顺序、实际加工时间以及入炉时间,以提高直装率,降低生产能耗。

(3)轧制作业计划模块:编制轧制生产的作业计划。要求严格按照轧制计划指定的板坯顺序对板坯进行加工,并根据加热炉作业计划的结果,确定板坯轧制的开始时间和结束时间。

(4)后处理作业计划模块:编制后处理生产的作业计划。在满足生产工艺约束和调度约束的前提下指定合理优化的后处理作业计划,使得生产节奏平衡、降低中间库存、减少生产流程时间。

1.2.5 冶金规范子系统(FM)

冶金规范也即工厂模型。钢铁产品具有工序过程复杂、品种规格繁多的特点,产品的工艺控制更是纷繁复杂,需建立特定工厂模型,来描述和管理这一复杂过程。工厂模型由产品规范、工艺规范、制造规范和排程规范等构成,表达了产品结构、工艺过程、产品制造规则及其排程约束规则等。工厂模型被应用于包括工艺设计、计划排程和生产执行等在内的整个计划管理过程之中。冶金规范子系统由以下四个模块实现。

1)冶金规范管理:对企业的组织机构和产品的质量规范、生产工艺规范等基础编码进行维护管理。

2)质量规范管理:维护产品生产过程中的物理性能、化学成分、公差标准等规范数据。

3)工艺规范管理:根据产品所要求的工艺流程确定产品在生产过程中应经过的实际工序,即将逻辑工艺与实际工序之间建立对应关系。

4)主数据管理:对企业的各分厂、各车间、设备以及产品相关信息进行编码,建立基础数据。

2 APS数据流图分析

以上对特钢企业APS的功能结构及功能实现进行了描述,现用数据流图为其建立业务过程模型,探讨各功能模块之间的信息交互关系。特钢企业APS数据流程如图4所示。

1)冶金规范FM为其他四个模块提供各种规范信息,包括:为需求与能力计划模块提供的能力规范;为合同计划模块提供的质量设计规范;为生产计划模块提供的材料设计规范;为生产调度与执行提供的冶金规范。同时该模块维持生产销售部合同科的合同管理系统与冶金规范的数据一致。

2)需求与能力RC的作用是对于整个系统的计划期间的维护和某期间内各分厂的需求和能力信息的录入与维护。能力计划包括工厂产能计划、机组产能计划、机组检修计划等。需求与能力为合同计划提供需求计划、能力计划,为生产订单模块和生产调度与执行模块提供能力计划,同时接收来自这些模块的能力计划的实绩信息。

3)合同计划OP是对于合同管理系统下发的合同信息进行管理的模块,接收能力计划和需求计划,将合同进行排产,将完成排产的合同下发给生产计划模块同时将排产占用的产能实绩返回给需求与能力计划模块。接收来自生产计划模块退回的生产订单和生产订单的生产实绩。

4)生产计划BP是对于经过OP排程后的生产订单进行管理的模块,从OP接收生产订单,从RC接收能力计划,根据FM提供的材料设计规范,对于生产订单进行材料设计,之后根据PS模块提供的库存数据进行库存替代,将替代后的坯料需求进行组批排序。将排序后的组批进行一体化的生产计划排程,将排程结果下发给生产调度与执行模块,同时接收来自PS的生产实绩的反馈。

5)生产调度与执行PS是对于生产进行调度的模块,采集产线和库存的各个相关生产信息,对于生产计划进行更加细分的调度,接收生产计划,将生产实绩返回给生产计划模块,为生产计划提供库存信息,接收生产计划返回的库存替代信息。向质量管理系统提交检化验的工单,接收检化验结果,以及同生产发运系统交换信息。

数据流程图能够体现APS如何通过各功能模块之间的协作和数据交换实现在整个信息化体系中的生产计划与调度的工程功能,为进一步的系统分析与设计提供了基础。

3 结束语

特殊钢铁的生产不同于普通钢铁,呈现多品种、小批量、生产工艺复杂的特点,产品需要经过多道工序且路径不唯一,这为特钢的生产组织带来了极大的困难,面对多变的市场环境,更加突显出了产销的矛盾。为了在生产中实现物流、产能的均衡以及订单交货的准时,需要更高级的生产计划手段,而依赖于信息技术的ERP、MES无法胜任高级计划排程的任务,现有的钢铁信息化体系结构出现了不足。APS基于约束优化技术,本文提出基于APS的特钢企业信息系统4层体系结构,将原体系中的生产计划与调度的功能提取出来由具有高级计划排程能力的APS完成。在此基础上,给出了APS与MES集成框架以及APS的功能机构,包括冶金规范子系统、能力计划子系统、订单计划子系统、生产计划子系统及生产调度子系统。在对APS各功能模块进行详细分析的基础上,以数据流程图对APS进行过程建模。

参考文献

[1]陈凯,路银北.钢铁企业信息化中MES与ERP的集成应用[J].自动化与仪表,2011,(11):1-4.

[2]施灿涛,尹静,李铁克.钢铁企业ERP与MES集成方法研究及应用[J].冶金自动化,2008,32(2):54-56,66.

[3]李铁克,张文新,崔建双.钢铁企业制造执行系统的体系结构[J].冶金自动化,2003,4:18-21.

[4]齐二石,刘亮.面向订单生产APS的关键流程分析及其应用方法研究[J].制造业自动化,2006,28(12):33-36,67.

[5]O Cederborg,M Rudberg.APS for tactical planning in asteel processing company[J].Industrial Management andData Systems,2011,111(4):608-28.

[6]施灿涛,杨国俊,李铁克.钢铁企业APS优化引擎的软件模型研究及应用[J].计算机应用研究,2011,28(2):606-608.

[7]V C S Wiers.A case study on the integration of APS andERP in a steel processing plant[J].Production Planning andControl,2002,13(6):552-560.

[8]周维,魏震.MES高级计划排程APS之炼钢调度TPS解决方案[J].信息技术与标准化,2010,9:49-53.

APS系统 篇2

钢铁生产过程是一个同时具有连续与离散特质的多阶段混合式生产方式,在高温高压状态下的整个生产过程中,被加工对象有时呈液态形式也时呈固态形式;生产过程既可能发生物理变化,也可能发生化学变化;除此之外,还需协调考虑生产资源的利用率和生产工艺的特殊约束。由此可知,钢铁生产过程是一个融温度、时间、空间和资源约束为一体的复杂动态系统[1]。在如此复杂的生产过程中,由于ERP系统无法实时采集生产数据,也不能对生产资源进行有效调度配置;MES系统虽具有计划排产功能,向上能为ERP系统实时传递管理与决策所需的车间运行数据,向下能为车间控制系统(PCS)传递生产指令,并收集相应的实际生产数据,但MES系统在计划精确性、功能细分、过度依赖人工进行计划排产等方面存在一定的局限性。由于MES系统计划的编制过于依靠人工来实现,因此其编制的效果和调整的效率较差。尤其在订单所需物料量较大时,过度依赖人工进行排产的MES系统,由于考虑不够全面仔细,容易造成资源利用不充分、库存量较大、不能准时交货等问题。基于以上所存在的问题,而设计和开发基于APS、ERP和MES集成的钢铁企业生产系统能够有效解决以上所存在的诸多弊端,因此,该课题的研究具有一定的理论价值和现实意义[2]。

1 钢铁生产流程特点及现有系统局限性分析

1.1 钢铁生产工艺流程介绍及特点分析

钢铁生产包含炼铁、炼钢、连铸、热轧和冷轧等多个生产阶段,各生产阶段使用的设备类型和加工方式(既有连续又有离散方式、既有化学又有物理变化)各不相同,且各生产阶段都有自身独特的工艺约束和优化目标,因此,钢铁生产是一个较为复杂的制造过程,其生产工艺流程具体如图1所示。由于钢铁生产过程极其复杂且具有以上流程特点,因此生产时必须解决以下三个问题:1)生产过程分段连续,且生产过程中会有相关的调度问题,而由于生产阶段和阶段之间有间歇,因此需对中间产成品的库存问题进行协调优化;2)现有的订单大都呈多品种小批量的特点,而钢铁生产却是大批量组合生产过程,因此需考虑订单生产的组合优化问题;3)生产过程既要追求设备的利用率和成材率,但同时又需兼顾交货期承诺。以上所述问题的有效解决,除了要求生产过程信息的实时采集与传递外,同样,对生产过程中生产计划与资源的调度方案要求也较高。

MES系统计划的编制,由于过度依赖于人工,采用“人机对话”方式来实现,因此,当所需处理的问题规模较大时,传统基于MES系统的生产方式,已无法兼顾生产厂家自身对设备利用率和成材率最大化追求的同时满足客户准时制交货要求,而APS系统研发的初衷正是为了有效解决ERP和MES系统在计划和排程方面的问题。现有的钢铁企业生产自动化过程都依靠ERP、MES、PCS等信息系统来实现的,而钢铁企业各阶段和层级间的生产系统并非孤立,需要进行信息共享,以实现无缝衔接。APS作为信息传递的纽带,可以实现承上启下,在一定程度上弥补钢铁企业管控层级间信息化断层这一弊端。基于以上分析可知,对APS及企业现有系统进行集成研究,以实现各系统间功能的分担和数据信息的共享具有重要的现实意义[3]。

1.2 现有系统的局限性及其集成的必要性分析

1)ERP系统计划编制上的局限性

虽然包含主生产计划、物料需求计划、粗能力计划和细能力计划,但ERP系统在计划编制时,仍然以MRP和MPS来计算、发布和补充所需的物料,同时在电脑的辅助下,按生产工艺流程和物料需求清单逐级推演,以得到“静态”生产环境下理想的生产计划方案。该方法将实际动态的生产环境“静态”化,因此,存在以下弊端:1)系统排产时仅考虑交货期这一影响因素,而现实生产中还需权衡考虑库存量、机器负载及成材率等诸多因素;2)系统假设产品工艺路线唯一不变,而生产中依据车间环境和资源的变化有多条可选工艺方案;3)所有生产均未考虑资源的限制,而现实资源却有一定约束;4)系统生产计划的制定缺乏柔性,更改难度较大,更改时间较长;5)排产功能相对较弱,排产精确度不高,对排产精确度要求较高的产品生产难以满足;6)排产更多的借助人工,无法实现自动化排产。

由于存在以上诸多弊端,因此,ERP系统在计划与排程方面的准确性及其对环境变动的调适性能力较差,尤其在当今竞争激烈且环境多变的国际化市场面前,传统的ERP系统更不能满足企业精益化生产的需求。因此,寻找替代或扩展的ERP系统已势在必行[4]。

2)MES系统在计划编制上的不足

由上可知,ERP系统在计划编制上具有较大局限性,为了研发出替代或扩展的ERP系统,MES系统于上世纪80年代应运而生。它是对从订单下达开始到产成品生产结束的全过程进行优化管理,对生产过程中所出现的突发事件,及时分析并做出相应的调整。它虽然具有较强的一体化计划编制和实时动态抗干扰自优化功能,但在计划的编制上,也有其自身的不足,具体主要表现在以下三点[5]:

(1)计划编制的精确性:由于MES在计划排程方面,其算法主要来源于MRP/MRPII,且计划的编制基于工艺路线固定,资源不受约束,产品生产以交货期先后进行排产等理想前提,因此其排产方案与实际有出入,容易导致在制品增加、交货期延迟、机器超负荷运行等。

(2)功能无法细分:现有MES系统中的主生产计划模块只能完成粗略产能计划,而粗略产能计划只能用于了解关键资源的能力需求,比较关键资源的可用性,总体掌握关键资源的情况,而无法细分如何进行关键资源的有效利用。

(3)排程过于依赖人工:由于MES是由ERP衍生而得到,其计划和排产在一定程度上依赖于人工来完成。因此,MES系统仍存在计划编制耗时较长,编制和调整效率较低,其排产的优劣很大程度仍取决于人工的经验等弊端。

3)系统集成的必要性

ERP系统是一个包含生产计划与控制、物料管理、销售与财务、成本控制与分析、人力资源管理等诸多功能模块集成的信息系统,它重点关注的是企业内部资源的合理利用与整合,是企业信息化建设前提和基础。MES的主要功能包括:信息实时采集、资源有效配置、生产计划和调度、维护管理、过程管理和质量管理等。ERP系统由于在采购管理、销售与订单管理和财务管理等方面具有较好的管理效益和规范;而MES系统在车间级调度管理、生产数据的实时采集与分析方面具有其他信息化系统无法实现的功能,但在计划编制优化方面,MES系统仍存在一定的不足,达不到APS系统所提供的优化功能的整体水平; 但是作为专注于计划编制的APS系统无法独立运行, 需要借助于已有的ERP和MES系统所提供的静态和动态数据,才能实现计划的编制与排程功能。APS无法完全取代ERP、MES系统,ERP和MES系统又不能满足目前生产实际的需要,因此,只有充分发挥各自的优势,将APS、ERP和MES三者协调优化,才能发挥集成的1+1+1>3的协同效应[6]。

2 APS系统介绍及模块功能分析

2.1 APS系统介绍

由于钢铁企业现有系统在计划编制与排程优化等方面仍存在一定的不足,作为ERP和MES系统的补充,人们开始重点就解决生产计划与调度问题的APS系统进行研究。APS是一种包含了大量数学模型、智能优化和模拟仿真技术的先进计划与排产工具,迄今为止,国际上对它还没有一种明确的定义,美国运营管理协会(APICS) 将其定义为:任何能够利用高级算法来实现有限能力调度、资源计划、预测和需求管理的优化仿真程序,该程序能实现在满足生产工艺和资源约束前提下,提供实时计划与调度、决策支持、可承诺交货量和可承诺交货能力等功能[7]。

有关APS的发展历程,可以概括为以下四个阶段:1)APS思想的萌芽阶段。APS思想早在20世纪50年代,计算机尚未问世以前就已出现,对早期APS的形成贡献较大的两个方面主要包括:首先是甘特图的出现,它可以让人们很直观的看到事情随时间的进展,且可以交互式更新;其次用于解决计划问题的数学规划模型,以上思想和方法对于APS的早期萌芽起了奠基性的作用;2)APS与计算机技术相结合。上世纪50~70年代,伴随着计算机的出现,具有一定规模的企业开始用电脑来对少数关键性材料能否平衡产品的需求,以及在工艺和资源等约束下,为产品生产寻找最优生产工艺方案等进行优化;3)APS系统雏形的形成。上世纪60~70年代,随着大型企业对基于产品结构分解的MRP系统的开发,以及进一步的发展到闭环的MRP系统,此时,真正意义上的APS系统雏形才逐渐形成;3)80年代初期,开始研究基于APS与OPT/MRPII/ERP的系统集成;4)90年代后期,学术界开始探讨APS与供应链管理思想相结合,而进入21世纪,APS与以互联网为代表的信息技术和以供应链为代表的管理思想相结合,具有跨越整个供应链进行计划协调的能力。

2.2 钢铁企业APS模块功能分析

以面向订单生产的钢铁企业计划于排程过程中,首先需协调考虑的是企业整体目标和相关的工艺和资源约束条件进行协调安排。APS最大的特点就是计划的层次性,它将计划任务按功能划分为几大模块,具体应用到钢铁企业生产中,APS可划分为能力与需求、订单计划、批量计划和生产调度四个层次。具体如图2所示,四个层次由上到下是一个从宏观到微观、上层指导下层、逐步细化精确的计划过程;从下至上是一个从实绩到计划、下层影响上层,使计划更趋合理的回馈过程。

1)能力与需求:根据公司战略规划、市场需求预测和生产能力计划等确定的公司中长期计划,精度为年、季度、月,逐步细化精确。一旦确定月能力与需求计划,各产线产能规划即确定。后续生产根据此产能月计划确定订单接收,执行ATP/CTP,并进行交货期应答和有限产能排产。其中能力计划设计的优化问题主要包括产品需求计划优化、工序产能计划优化、能力平衡计划优化、生产与销售计划优化、以及能力计划的决策与调整;需求计划主要是对市场需求预测的编制与管理。通过综合考虑各产品系列在各区域市场的有效合同量、市场预期量、运费补贴、运力限制和新产品开发量等,制定各类产品针对不同区域市场的优化方案。

2)订单计划:是对系统接收到的客户合同进行订单评审、质量设计、工艺设计和有限能力排产等处理,并根据有限产能排产结果给出初步的交货期,为制定详细批量计划作准备,重点考虑在有限产能前提下如何优化订单交货期。因此,该模块主要考虑以下两个问题:(1)库存匹配,即考虑如何将接收的客户订单集合与库存现有的资源进行合理匹配,匹配结果是为了尽量满足客户要求的同时追求企业利润的最大化;(2)能力匹配,即在库存匹配之后,对尚未匹配成功的订单,考虑是否有足够的生产能力进行生产的安排;

3)批量计划:是指针对冶、铸和轧等生产工序,如何把待生产的多品种、小批量订单在满足技术、工艺、现有生产设备产能约束的基础上,进行组炉、组浇、组轧,并编制相应的炉次、浇次和轧次作业等批量计划,必要时还需给出相应批量计划的初始调度方案。该模块以生产订单为输入数据,确定待生产的坯料,编制协调一致的批量计划,主要包括炼钢批量计划(炉次计划)、连铸批量计划(浇次计划)、轧制批量计划(轧制单元)等。批量计划是钢铁企业APS的关键环节,编制的优劣直接影响到作业调度能否合理编制,以及生产组织过程的全局优化。

4)生产调度:主要解决各工件在生产过程中的加工时间和加工顺序问题,同时考虑生产单元之间的衔接问题,对批量计划进行生产调度,并对所出现的各种扰动问题给出快速的动态调度结果,以确保计划的完成和生产的正常进行。由于钢铁生产调度问题通常有多个加工阶段、多个加工设备和多工艺约束的多目标优化问题,且生产过程生产过程中各加工阶段有着完全不同的工艺约束和优化目标。因此,按钢铁生产加工阶段特点将其划分为热轧调度和炼钢—连铸调度两部分。前者多被描述为多旅行商问题,采用遗传算法、禁忌搜索算法、模拟退火算法等求解;后者归结为混合流水车间模型,可用启发式方法、线性规划方法等进行求解。

3 钢铁企业APS、ERP和MES系统集成架构分析

ERP系统在钢铁生产过程中主要支持财务、采购和销售管理;MES系统则主要负责作业、质量和库存管理等;其他模块的主要功能则主要由APS系统来提供,以弥补ERP和MES系统功能上的不足。已有文献中对APS和ERP系统、APS与MES系统集成研究较多,但针对钢铁企业生产过程的APS、ERP和MES三者进行整合研究的文献较少。文章将APS系统作为对企业现有ERP和MES系统的补充和优化,三者间集成的目标主要是转变传统经营方式、节约运营中的业务成本、提升工作效率的同时实现企业快速发展;三者集成的思想是以数据标准化为基础,以信息共享为平台,实现关键业务的协同效应;三者集成主要集中在系统的交互层上,具体表现在梳理、优化整合企业业务流程,真正的体现高效协同、敏捷快速、灵活自如等特点,以实现生产管理精细化、企业运作高效化和企业信息共享化、透明化等特点。集成后的系统越往上越宏观,越往下越具体,三者集成架构如图3所示:

首先,ERP系统面向客户,在总体层面上把控财务、销售、采购及整个企业层面生产计划的制定,但由于ERP本身的限制,以及车间层面环境的实时变化好生产过程中大量的不确定性,使得管理层的总体计划与工厂层的实际情况常脱节。因此,它需实时捕捉生产实际信息;MES可以通过从PCS中获取的车间实时信息,为ERP系统提供关键信息联接;APS则可以将车间生产和调度情况实现与ERP系统共享。除此之外,APS和MES系统的能力和需求计划模块可以从ERP订单输入中获取相关的客户的实际需求,并通过自身的实际数据及相关算法预测生产计划,并传回给ERP系统的主生产计划模块。

通过与PCS的衔接,MES系统一方面可以将作业计划及相关工艺控制参数直接下达到PCS系统,实现管控一体;另一方面,PCS系统可以实时的将车间生产实际情况自动上传到MES系统,以降低人工操作所带来的操作误差,提升工作效率。

APS系统基于有限产能排程,具备强大的优化功能,是MES系统在计划于排程方面一个非常好的补充,它可以从MES中获取各阶段的合同、物料和已编制的计划信息等数据,通过物料需求计划,进行匹配和生产,并将批量计划和调度实际反馈给MES。

4 集成的关键技术分析

在钢铁企业APS、ERP和MES系统集成的过程中,涉及到以下集成的技术问题。

4.1 数据集成的平台技术

APS系统与ERP、MES系统可能采用的不同的数据平台,为了实现集成,必须建立不同数据库间的数据传递方式,通常的做法是采用开放式的数据库互联标准和产品,如可以采用多层分布式架构,内置智能优化引擎,基于Microsoft .NET Framework,数据库采用OracleDBMS,客户端支持Winform或IE浏览器。当然也可以采用特殊的传递机制和技术。

4.2 智能优化引擎

由于钢铁生产计划问题大都是NP难问题,该类问题描述虽简单,但求解过程却相当复杂,尤其当问题规模较大时,其求解时间随问题规模成指数递增。因此,对于钢铁企业APS、ERP和MES集成的智能优化引擎,我们针对不同问题,可以集成各种智能优化算法和求解技术。具体包括:1)启发式方法:启发式规则方法、专家系统法和拉格朗日松弛法;2)智能优化算法:神经网络(NN)、模拟退火(SA)、遗传算法(GA)禁忌搜索(TS)和粒子群算法(PSO)等。

4.3 数据传递技术

由于在APS、ERP和MES系统的集成过程中,数据间传递的速度和效率对集成的效果影响较大,其中APS对数据的实时性视情况有时要求比较高,而MES和ERP系统却不同。因此可以根据需要,选择以下的数据传递方式:1)数据实时传递方式。该方式能满足APS实时传递数据的要求,但当所需数据的传输量较大时,数据传输效率较低;2)数据的批量传递方式。该传递方式速度慢、但效率非常高,因此,当APS对数据实时性要求不高时,可选择此传递方式。3)数据的混合传递方式。该方式是针对问题特点,将数据的实时和批量传递两者柔性结合在一起,对实时性要求比较高的数据采用实时传递, 比如能力数据。对实时性要求不高或数据的变化频率不高的数据,则采用批量数据传递的方式, 如工艺路线、BOM信息等。

5 结论

文章以钢铁企业为背景,设计了APS、ERP和MES系统整合的模型架构,通过集成的方式,将钢铁企业现有系统所涉及的相关问题进行整合分析,以期在功能上实现以下优化:1)优化钢铁生产流程的同时实现数据的无缝衔接与信息共享,真正达到准时化生产、灵活地应对紧急订单、特殊订单以及订单变更、加强对产品生产周期的掌控,从而为企业赢得更加广泛的市场;2)最大限度地化解个性化的客户需求与生产效率之间的矛盾,使钢铁生产过程更加趋于精益、敏捷;3)为生产计划科学制定提供技术支持,使生产运行向精细化方向发展,提升管理效率,和合同履约率。

摘要：针对ERP与MES系统在生产过程中不能生成详细的生产调度方案;各系统间管控断层,不能有效衔接,实现工序协同;无法协调控制库存量、客户交货期和整个生产流程等问题。文章以钢铁生产为背景,首先对钢铁生产工艺流程特点及现有系统的局限性进行了简要分析,在此基础上给出了基于APS、ERP和MES集成的钢铁企业信息化总体架构,并对系统的层次模型及关键技术进行了详细分析。

关键词：APS,ERP,MES,集成研究

参考文献

[1]王雷,李铁克.钢铁企业无缝钢管生产中ERP和APS整合系统设计研究[J].制造业自动化,2012,34(10):85-88.

[2]魏震.钢铁企业APS系统与MES的整合方案及实现[J].冶金自动化,2013,37(5):25-30.

[3]齐二石,刘亮.面向订单生产APS的关键流程分析及其应用方法研究[J].制造业自动化,2006,28(12):33-36.

[4]潘贻芳,霍艳芳.钢铁企业ERP需求分析及冶金ERP关键技术问题研究[J].科学学与科学技术管理,2003,(12):104-106.

[5]毕英杰.M E S的整体构架及在钢铁行业的应用[J].控制工程,2005(6):29-31.

[6]钟金宏,黄玲,李兴国,杨善林.钢铁制造业信息化集成方案与优化技术研究[J].计算机应用研究,2008,25(8):2305-2308.

[7]Lin,,C.H.,Hwang,S.-L.and Wang,M.-Y.A reappraisal on advanced planning andscheduling systems[J].Industrial Management&Data Systems,2007,107(8):1212-1226.

APS系统 篇3

发电厂机组自启停系统 (APS) 为机组级高度自动化的控制系统, 它是基于单元机组整机自动启停控制思想, 建立在电厂基本系统:机组协调控制系统 (CCS) 、汽机电液调节系统 (DEH) 、锅炉燃烧管理系统 (BMS) 和锅炉、汽机及相应辅机顺序控制 (SCS) 等系统之上的机组级自动控制系统, 在机组启动和停止时, APS为机组控制系统的中心, 它根据机组启停要求、曲线, 按规定好的程序发出各个系统、子系统、设备的启停指令, 同时接收各系统的反馈信息, 进行综合分析与判断, 完成实现单元机组的自动启动或停止控制。因此APS是机组启停调度、信息管理与指令控制中心。

一、APS硬件配置

由于APS系统涉及到大量设备启停和自动控制, 一般来说APS系统配制一对独立控制器, APS系统的公用逻辑和断点逻辑放置在APS控制器。各子系统、功能组、子功能组将按控制功能与过程工艺系统相结合的原则, 分配到各系统的控制器中, 如把给水泵启停功能组设计在给水泵系统的控制器。这样保证了功能组与控制设备的紧密结合, 同时实现控制的分散控制原则, 提高了分散性, 降低了危险程度。

二、APS总体设计思想

1. 采用断点启停控制, APS采用断点的启停控制策略。

对于火电机组来说, 采用断点的启停控制策略实现机组自启停是目前最成功的方式。国内外成功的例子, 火电机组都是采用断点的控制方式的。断点方式, 就是根据机组工艺特点和运行特点, 将机组的启停过程分成若干个阶段, 每个阶段间设置断点。每个断点的执行均需要人为地检查和确认才开始执行, 保证了机组启停的安全性, 同时实现了机组的自启停控制。采用断点的控制方式, 各个断点既相互联系, 又相互独立, 只要条件满足, 各个断均可独立执行, 前续断点已启动完成, 可以直接启动后续断点, 满足了火电机组多种多样的运行方式, 体现了很好的灵活性。

2. 逻辑设计模块化。

根据阶段单元、步骤单元、信号单元、状态显示等各种完成特定功能的控制逻辑设计成模块化。

3. 步骤阶段化。

大型火电机组的启停自动化是一个综合性很强的复杂的顺序控制系统, 通过合理而有效地控制设备程序的阶段和步骤, 以及对危及机组安全的反向判据的连续监视, 使机组的启停程序综合考虑了安全性和经济性, 从而使APS不仅是启停装置, 同时也是安全装置。

4. 判据条理化。

一次判据、二次判据、反向判据、指令时间、允许时间、等待时间、判据的在有效区及其对程序重定位的影响, 确保了机组启停的安全性以及任务的准确完成。

三、APS系统功能

APS系统功能主要包括机组自动启动与自动停止。

(1) 机组自动启动。自动启动有冷态方式、温态方式、热态方式和极热态方式四种启动方式, 对于汽机来说, 其区别主要在于汽轮机自动开始冲转时对主蒸汽参数的要求不同, 因而汽轮机冲转前锅炉升压时间不同。对于锅炉来说, 区分以上4种启动方式, 主要由汽包壁温、汽包压力和停炉时间来决定。此过程包括以下操作:锅炉:点火准备, 包括风烟系统的启动、炉膛吹扫、检漏、锅炉上水、点火、油枪投切、制粉等系统启停等;汽机:循环水、凝结水、抽汽疏水系统启动, 真空上升操作, 汽机冲转, 辅机系统启动等操作;发电机:励磁和自动并网操作、厂用电自动切换操作。

(2) 机组自动停止。机组自动停止包括以下操作:锅炉:燃烧器停止操作;汽机:汽机停机操作;发电机:解列操作。

对于自动启动和自动停止来说, 每种方式都可分为若干步, 每步设计为1个断点。只有在前一步完成的条件下, 通过所提供的按钮确认启动下一步, APS才会开始下一步, 在每一步的执行过程中, 均设计“GO/HOLD”逻辑。

断点设置是APS设计需考虑的一个主要问题, 合理的断点设置将给APS系统的带来很大巨大的好处。APS断点设置主要有以下原则:根据电厂工艺系统的流程特点划分;根据电厂工艺系统启停运行特点与要求划分;考虑到控制系统设计的合理性与灵活性;考虑到系统的阶段性与连贯性。

四、APS系统结构

实现机组级自启停要通过一个渐进的过程来实现。如何在较短时间内不但较高水平地完成DCS各个功能, 又能实现APS功能且不影响DCS其它功能的实现, APS的结构方案成了关键。机组级自启停 (APS) 采用多层级功能组结构, 最高层为机组级自启停功能组。这样做不但使APS对下层DCS功能的影响较小, 而且还可以把APS拆开分步试投。

APS对电厂的控制是应用电厂常规控制系统与上层控制逻辑共同实现的。常规控制系统是指:闭环控制系统 (MCS/CCS) 、锅炉炉膛安全监视系统 (FSSS) 、顺序控制系统 (SCS) 、数据采集系统 (DAS) 、给水泵汽轮机数字电液调节系统 (MEH) 、汽轮机旁路控制系统 (BPC) ;给水全程控制系统;汽轮机数字电液控制系统 (DEH) 及电气控制部分 (ECS) 等。在没有投入APS的情况下, 常规控制系统独立于APS实现对电厂的控制;在APS投入时, 常规控制系统给APS提供支持, 实现对电厂的自动启/停控制。

机组自启停系统可分为三层:第一层为操作管理逻辑, 其作用为选择和判断APS是否投入, 是选择启动模式还是停止模式, 选择哪个断点及判断该断点允许进行条件是否成立。如果条件成立则产生一信号使断点进行。可以直接选择最后一断点 (如升负荷断点) , 其产生的指令会判断前面的断点是否已完成, 如没有完成则先启动最前面的未完成断点, 具有判断选择断点功能, 从而实现机组的整机启动。第二层为步进程序, 是APS的构成核心内容, 每个断点都具有逻辑结构大致相同的步进程序, 步进程序结构分为允许条件判断 (与门) , 步复位条件产生 (或门) 及步进计时。当该断点启动命令发出而且该断点无结束信号, 则步进程序开始进行, 每一步需确认条件是否成立, 当该步开始进行时同时使上一步复位。如果发生步进时间超时, 则发出该断点不正常的报警。第三层为各步进行产生的指令。指令送到各个顺序控制功能组实现各个功能组的启动/停止, 各个组启动/停止完毕后, 均返回一完毕信号到APS。

五、APS和系统的接口关系

1. SCS系统与APS系统的接口关系。

SCS系统采用多层次的结构, 分为功能组级、子功能组级和设备控制级等, 从结构上来看, APS实现上也是SCS系统的一个功能组, SCS是APS的一个子功能组。SCS系统是构成APS系统的核心部分, SCS系统的成功投运是APS系统投运的关键所在, 设计完善合理的SCS系统是APS投运最主要基础。

在APS的各断点, SCS系统以功能组级、子功能组级和设备级的控制方式接受APS的控制指令, 完成设备的启停。

2. CCS系统与APS的接口关系。

CCS机组闭环自动控制系统完成机组模拟量的自动控制, 其控制过程必须是全程自动, 并且具有设定值跟踪、自动变化设定曲线, 平滑改变设定值等功能, 以满足系统全程自动的要求。当系统工艺未满足自动投入条件时, 系统应处于备用的自动状态, 并与SCS系统配合自动跟踪输出以满足工艺要求。待满足投入系统自动时, 系统应能由自动备用状态切换到自动运算状态, 而无须人为干预。

3. FSSS系统与APS系统的接口关系。

FSSS系统接受APS的控制指令信号, 完成锅炉点火前的炉膛吹扫、燃油泄露试验、燃烧器点火的控制功能。另外FSSS与CCS结合, 设计一个燃烧器台数的自动控制逻辑, 根据机组的升/降负荷, 自动投/切燃烧设备, 实现全程负荷自动调节。

4. 旁路系统与APS系统的接口关系。

旁路系统根据APS系统的指令, 完成高压旁路、低压旁路的控制。实现旁路系统启动过程中对压力的定压控制、滑压控制、汽机冲转过程的定压控制。并将旁路PCV阀的控制状态发送给CCS系统, 共同完成启动过程的升负荷控制。

5. DEH系统与APS系统的接口关系。

DEH中的ATC (AUTOMATIC TURBINE START) 程序接受APS系统的指令, 使汽机自动完成从盘车、冲转到带负荷整个过程的平稳、高效的控制系统。

摘要：机组自启停控制系统APS是是实现机组启动和停止过程自动化的系统, 它是热工自动化技术的最新发展方向之一。本文通过对APS系统的硬件配置、设计思想、系统功能、系统结构及与其他系统的接口关系的探讨, 简要地介绍了APS系统在大型机组上的设计。

关键词：APS技术,设计

参考文献

[1]陈世和, 朱亚清, 潘凤萍, 等.1000MW超超临界机组自启停控制技术[J].南方电网技术, 2010 (S1) .

[2]陈厚肇.热工自动化[M].中国电力出版社, 2006.

[3]吴志远.机组自启停系统 (APS) 在大型火电机组上设计的探讨[J].自动化博览, 2009 (S1) .

[4]潘凤萍, 陈世和, 陈锐明.火力发电机组自启停控制技术及应用[M].科学出版社, 2011.

APS系统 篇4

风烟系统是保证锅炉燃烧安全运行的基本系统[1]。风烟系统的基本功能是:向锅炉炉膛提供一定有热量的风量,使煤粉在炉膛内充分燃烧;使引风量与送风量相适应,保持炉膛负压在规定的范围内;将充分利用后的炉膛内燃烧产物经除尘处理后抽入烟囱排向大气。基于以上功能,风烟系统一般包括空预器子系统、送风机子系统、引风机子系统[2]。

随着火电厂自动化水平的不断提高,基于整机自启停系统APS(Automatic Plant start-up and shu-down System)先进的控制思想应用到大型电厂的控制系统中[3,4,5,6,7,8]。而风烟系统作为一个功能相对独立且完整的系统,完全可以设计成一个功能级组实现自身系统的启停和自动控制,并纳入整个机组的APS控制体系,完成机组级协调功能组对其的调用,共同实现机组的全程自启停控制。

国内真正能实现机组自启停的仅为少数全进口的引进机组[9],机组自启停是电厂自动化控制发展的一个趋势[10]。

华能海门电厂2×1000 MW超超临界机组是国内首台真正实现APS功能的国产百万千瓦级机组,本文以该电厂风烟系统功能组为实例介绍了风烟系统全程自动控制策略,研究了整个风烟系统功能组的设计和闭环控制回路投自动等关键技术问题。

1 控制策略的难点和分析

作为APS控制体系中一个子系统的华能海门电厂风烟系统功能组真正具有全过程自动、全工况应用的实际运行效果,其设计思路值得研究借鉴。纵观整个控制策略,风烟系统的全程控制策略解决了以下3个关键问题。

a.功能组整体以顺序控制为依托。要实现全程控制,控制系统必须能自动顺序启停/转换设备,这是实现全程控制的基础和前提。因此控制策略应能根据工艺流程的需要和特点,按照预定的顺序、时序和逻辑条件的要求进行判断和运算,发送指令控制设备完成特定的动作。

b.功能组能对故障进行监视和处理。若当前执行步序过程中有设备出现故障且执行该步序已经超时,则功能组应能自动中断步序执行并报警,及时提醒运行人员,以避免继续无效的操作,继而导致联锁和保护动作。为了灵活起见,若一些故障暂时无法立即处理但得到确认后,功能组应能通过超驰功能让功能组从下一步直接继续执行下去。此外,功能组还应设有断点功能,使运行人员在重要操作之前进行确认。

c.最关键的就是功能组能让顺序控制与过程控制2种不同的控制方式平稳衔接。有了顺序自动控制作为基础,全程自动便有了可能,但要真正实现全程控制必须使功能组能够拟人化地判断当时系统所处的工况,在特定的许可条件下自主、连贯地投入相应系统“自动”,使得离散控制和模拟量控制无扰衔接,共同完成风烟功能组的全程控制。

2 控制策略设计

2.1 顺序控制设计

由于风烟系统包括了许多子系统,因此实际顺序控制功能设计采用了分级控制结构,即把顺控功能结构分为设备级、单元级和功能组级。分级结构不仅使系统结构清晰严谨,同时有利于系统在投运后的运行管理和热工维护,运行人员可根据系统的具体情况选择各级控制[11]。通过分级控制,运行人员可以单操启停某台引风机电机或油泵、阀门,完成设备级控制,实现单设备操作;也可以启动引风机子组,完成引风机组相应单元级的控制;甚至可以通过风烟功能组,协调引风机子组、送风机子组、空预器子组的关系共同完成整个功能组级的控制。

2.1.1 设备级

设备级是顺序控制的基本元素,是控制指令的执行层。它完成对具体设备的控制,设计中设备级不仅接收上级的控制指令驱动设备,还必须接收保护信号完成对设备的保护。

2.1.2 单元级

重要的辅机设备和与之相应的辅助设备、阀门等构成了单元级。例如,送风机单元级包括了油泵、进出口阀门、动叶等设备。单元级顺序控制的设计原则是根据该单元组所包括的设备情况,按照特定的工艺流程顺序逐一实现设备的启停和控制。

华能海门电厂风烟系统引风机、送风机单元级顺序控制如图1、2所示。设计与常规机组控制相似,都是根据各自系统包含的设备情况,按照相应工艺流程顺序安全地启动设备完成该单元级的启动。但由于单元级是功能组的构成元素,必须设计接口提供给上层功能组自动调用,因此华能海门电厂顺序控制单元级设计了“Auto Start”接口,当该单元功能组启动允许条件满足时,通过该接口可实现自动调用该单元组启动设备。

2.1.3 功能组级

功能组是整个风烟系统的最高控制层,它对风烟系统的运行工况进行全面监视,且能根据风烟组启停过程中不同阶段的需要,向风烟系统的各个子系统发出控制指令,并根据系统的工况协调各子系统间的控制,以保证在少量人工干预甚至完全不用人工干预的情况下,完成对风烟系统的全程自动控制。和单元级顺序控制设计最大的区别是,作为最高层控制的功能组不仅要处理好各子系统之间的调用关系,还必须解决与协调控制系统(CCS)相应闭环控制回路接口的问题,真正实现全程自动控制。系统配有华能海门电厂运行实际使用的风烟系统功能组界面图。

为了灵活适应各种机组运行工况,功能组提供风烟系统A侧或B侧单独运行的选择按钮,运行人员可通过按钮选择启动A侧、B侧或双侧运行,空预器相应地有单侧与双侧运行的工况选择。当运行方式确定后,功能组将根据组合情况自行判断并调用相应的单元级组完成启动。如此设计可让功能组适应面更广,提高功能组的利用率。实际使用中,当风机单侧检修时,仍可通过功能组选择另一侧来启动风烟系统。

现结合风烟系统功能组界面图说明功能组设计中几个关键的控制点。功能组中第3步启动引风机A顺序控制步骤中设计延时24 s是为了让运行人员确认风机启动正常。第6步功能组会结合送风机运行台数控制送风机动叶开度并投入自动。这一步中送风机动叶开度的设置按锅炉约25%的额定风量来确定,此时炉膛还没有进行炉膛吹扫复位主燃料跳闸MFT(Master Fuel Trip)信号,因此只要保证最小通风量即可。由于改变送风机的动叶开度会改变炉膛风量,为了确保功能组设计的充分合理性需考虑各种工况情况的出现,该歩会综合判断送风机此时状态来决定是否执行改变送风机动叶的操作,而不是无条件改变送风机的动叶开度。

第1种工况:若功能组执行前2台送风机都未运行,这种工况最常出现,即首次恢复风烟功能组。这种工况比较简单,此时第6控制步序只需通过指令自动按一定速率把送风机A动叶开至15%。

第2种工况:功能组在执行前B侧送风机已运行且动叶开度较大,此类工况代表B侧风机已带有负荷运行,这种比较典型的情况即为送风机快速减负荷RB(Run Back)某侧风机发生跳闸后,现要重新启动另一侧风机。此时到该步若不进行判断,则因为满足2台送风机已运行,另一侧开度大的送风机动叶也将被减至10%,势必会对锅炉运行产生很大的扰动。因此,这里必须判断另一侧风机B开度是否大于20%,若开度大于该值则第6歩不执行。此时,虽然送风机A、B动叶开度相差较大,但功能组会通过闭环控制回路接口,利用电流找平回路闭环缓慢调平2台风机出力(这在下一节有介绍)。

总结华能海门电厂1 000 MW风烟系统功能组设计,有3个特点。

a.第1功能组提供了风机运行工况方式的选择,这样让功能组能通过每步反馈条件的判断来决定是否调用相应的子功能组完成单侧风机或双侧风机的启动。如此设计使功能组的适用工况很广,在华能海门电厂实际投运中单侧风机运行的工况经常被应用到。

b.第2功能组能完成整个风烟系统重要参数闭环控制,其中离散控制与过程控制的接口衔接尤为重要。这体现在功能组第4、6、10步中负责动叶操作的步骤上,逻辑上设计的合理性使得功能组在对风机操作动叶时机组重要模拟量参数,如炉膛负压、风量参数等平稳过渡。

c.第3功能组对执行过程中操作处理的设计比较灵活,这体现在运行人员对功能组操作方式的多样性。当功能组启动条件满足后,运行人员既可在面板上选择“P1自动”按钮将功能组投入自动,然后点“P3启动”按钮启动功能组;也可通过机组级断点直接启动功能组。另外,即使在运行人员已选择两侧风机运行且已发出启动功能组指令后,因机组条件的临时变化无法完全启动两侧风机时,运行人员仍可以在功能组启动完A侧风机后程序执行到第6步时点击“P2手动”按钮让功能组暂停,等待B侧风机启动条件具备后继续往下执行。当条件具备后运行人员既可以选择投入“P1自动”和“P3启动”重新自动执行第6步直到完成功能组,也可直接选择“P4步进”按钮逐步往下执行。在功能组执行过程中,任何时候都可以点击“P6复位”按钮紧急停止功能组的执行。“P7确认”按钮用于运行人员对超时报警信息的确认。

2.2 闭环控制回路接口设计

有了顺序控制作为支撑,全程自动控制才具备可能,但顺序控制与过程控制是针对不同的控制变量而进行的,因此要实现全程自动就必须使2种不同的控制方式平稳衔接[12,13,14,15]。为了解决全过程自动控制对过程量的调节,系统除了常规的手动操作外,还设计了自动备用(auto standby)以及自动调节(auto control)2种状态。自动备用状态为过程量进入PID自动调节前的备用状态,它与手动状态的最大差别是手动/自动(M/A)站状态已在auto位,而手动状态时为manual位。虽然M/A站状态已在auto位,但自动备用状态下执行机构接收的指令仍不是PID调节器的输出,而是根据某个工况下需要的设定值,这个设定值可以是常数或某个函数的输出,是否接收PID调节器指令输出是自动备用状态和自动调节状态的本质差别。调节系统由自动备用状态转化到自动调节状态则是靠控制逻辑拟人化地根据当时系统所处的具体工况,判断出控制方式转换的许可条件。当满足自动完成控制方式的无扰切换的条件时,最终由离散控制转换为过程控制。其许可条件不仅包括重要的模拟量参数,如总风量、炉膛负压达到期望值,还包括了开关量,如送风机投自动的条件之一取决于引风机是否在自动位等。

引风机静叶自动调节状态的触发条件是引风机运行60 s后,若没有优先开/关和预置值指令,且出口电动门不在全关位,则延时15 s后进入静叶自动调节方式,对炉膛负压进行PID自动调节。因此,风烟功能组第4步和第8步将完成引风机进入自动调节方式。之前若机组存在MFT信号需要引风机强制通风,打开动叶100%指令则是在自动备用状态下通过预设值完成的。炉膛负压设定值由锅炉燃烧方式自动设定,油枪点火时为-600 Pa,燃煤时切换为-100 Pa,切换过程有速率限制,实现无扰。进入自动调节方式后,由PID进行自动调节将炉膛负压调节过渡到设定值。因此,只要引风机静叶无故障信号和炉膛压力信号故障存在的情况下,引风机静叶完全可以一直处于自动状态,实现真正的炉膛压力全程自动控制。

送风机自动调节方式的触发条件是吹扫指令发出和送风机启动延时60 s后,两者信号相与后产生。当送风机不在自动调节方式时,风量设定跟踪实际总风量值;进入自动调节方式后,风量设定值在当前风量值下,以一定速率缓慢过渡到最小风量设定值。设定最小风量在吹扫时为35%,吹扫完成后为30%,锅炉点火后为投运燃烧器数量的函数。而风烟系统功能组第6步和第10步则是在自动备用状态下通过预设值完成的。

因为送风机和引风机通常都是2台风机并列运行且启动有一定先后顺序,因此还存在着风机的自动并退控制过程。通常在没有实现全程控制时,以上操作都是通过运行人员将动叶调到与之前运行的风机动叶开度相近后方可投入自动。华能海门电厂的风烟系统通过偏置回路实现风机的无扰自动并入和退出。在前面介绍的风烟功能组执行的第2种工况中就会应用到这种自动调平动叶控制功能,当送风机B侧已经在高负荷运行时(动叶开度>20%或已在自动调节控制方式时),功能组第6步为了防止启动过程对锅炉造成风量扰动,将不执行将2台风机动叶开度都置10%,而是由送风机动叶自动平衡系统控制,实现2台送风机出力平衡。其过程为当第2台风机启动完成且2台风机都在自动调节控制方式下,风机动叶开度的偏置回路不再进行跟踪运算,而是以一定速率缓慢减小至零,在动叶平衡回路的作用下一侧风机动叶减少的同时,另一侧风机的动叶指令会相应地增加,使总的动叶指令不变。而且在偏置变零的过程中,平衡回路自动监视炉膛负压和风量参数的变化,当参数波动过大时自动降低偏置、减少速率或者暂停,从而实现闭环调整使风机稳定可靠地并入或退出控制。

3 风烟系统APS功能组的实际投运

通过在华能海门电厂2×1000 MW超超临界机组APS调试期间的实践应用,风烟系统功能组真正实现了风烟功能组全程自动控制,并最终成为了整个APS体系中的重要组成部分,而且在整个启动过程中重要模拟量参数的调节品质均满足规程要求,整个启动记录曲线如图3所示(图中,K为开度;曲线1为送风机A静叶指令,2为送风机A静叶反馈,3为送风机B静叶指令,4为送风机B静叶反馈,5为引风机A静叶指令,6为引风机A静叶反馈,7为引风机B静叶指令,8为引风机B静叶反馈)。

图3中各组记录曲线描绘了风烟功能组系统整个启动过程,在风烟系统功能组启动前由于存在MFT信号还没有吹扫复位,需要进行通风,所以4大风机动叶都是处于100%的开度;当风烟功能组启动指令发出后,引风机A静叶按一定速率关至最小位满足启动条件后启动引风机A,曲线5为引风机A静叶控制指令。送风机A动叶也是和引风机A过程一样,曲线1为送风机A静叶指令,可看出风烟系统功能组第6步将送风机A动叶缓慢开至在15%开度后保持不变,这和当只有1台送风机A运行时会把已运行的送风机A动叶开度开至15%维持最小风量的功能组设计思路一致。随后功能组第7、8步启动引风机B、送风机B,并在第10步通过动叶平衡回路把2台风机间动叶指令偏差缓慢消除。图中,曲线5引风机A静叶指令和曲线7引风机B静叶指令最终汇合成为一条直线,同理送风机曲线1和曲线2最后也处于同一直线。每次启动1台风机都对炉膛负压产生一定扰动,但由于引风机A静叶已处于自动调节控制方式,因此,整个启动过程炉膛压力波动处于合理范围之内。整个启动过程运行人员需要做的工作仅仅是在风烟系统功能组启动前通过选择按钮对功能组的运行工况进行预先评估,这里因为是要恢复整个风烟系统,所以选择了双侧风机运行。在随后的整个风烟系统恢复建立并最终投入闭环控制的整个过程中,运行人员并未进行任何操作,这极大减轻了运行人员的操作强度,达到了预期的效果。

4 总结

城市轨道交通APS无网供电技术 篇5

关键词：接触网,有轨电车,APS系统

1 概述

有轨电车是一种历史悠久的公共交通工具, 现在仍然有不少城市保留有轨电车, 并且在技术上不断改进。但是近年来很多人认为市中心区的架空线很不美观。巴黎、布鲁塞尔、纽约、伦敦、华盛顿特区的市中心都将轨道交通设在地下, 到郊区再上地面。然而地下的建设费用太高, 往往是地面架空供电的3倍, 而且维修费用也很高。

有轨电车牵引供电方式一般采用架空接触网供电, 钢轨回流。虽然架空接触网供电方式结构简单、技术成熟, 具有非常成功的工程应用业绩, 但是对城市景观和形象有较坏的影响, 如图1所示。

为解决接触网带来的景观影响, 经过国内外有轨电车系统供应商共同努力, 有轨电车接触网美化和无接触网技术有了长足进展。针对传统架空接触网对景观的负面影响, 主要有三种解决思路。

1) 接触网景观化:在既有的架空接触网基础上弱化其负面影响, 即对架空接触网本身进行景观设计, 将架空接触网作为周围景观的一部分, 完美地融合到周围环境中, 最大程度地降低架空接触网对周围环境的冲击。

2) 地面嵌入式第三轨:将有轨电车的沿线供电设施设置于地面, 即采用沿地面敷设有轨电车第三轨供电设施。

3) 车载储能:车辆牵引供电通过蓄电池、超级电容等车载储能装置提供电能代替实时受流, 取消沿线架设的供电设施。

如需去除整个线路的架空接触网, 地面嵌入式第三轨技术是一种能真正替代架空接触网的方案。就目前的技术而言, 主要为阿尔斯通的APS系统, 安萨尔多的Tramwave系统和庞巴迪的Primove系统。其中APS系统已于2003年6月在法国波尔多市进行了路面供电系统试验, 是一种成熟可靠的技术。

2 阿尔斯通APS供电系统

APS供电系统是地面嵌入式第三轨供电的典型代表, 采用地面接触轨供电, 钢轨回流制式。APS系统主要由接触轨 (含导电轨与绝缘轨) 、支架、直流配电单元、直流监控柜等组成, 其构成如图2所示。

2.1 APS系统原理

在地面两条走行轨中间埋设第三轨, 第三轨按8 m长度分段敷设, 二段之间为3 m长的绝缘段 (由车辆的长度和最高运行速度决定) 。电能从第三轨通过二个受电靴传送到列车上。沿第三轨每隔22 m设一个接触轨控制箱, 只有当列车进入相应的第三轨时, 在接触轨控制箱内的控制单元接收到列车上发来的编码信号后即向该接触轨供电, 其余接触轨依旧接地, 以保证行人的安全。如图2所示, 红色区域接触轨有电, 绿色区域接触轨依旧接地, 灰色区域为绝缘段, 白色方块为接触轨控制箱。

在沿街路段展设常规的供电轨是很危险的。APS地面供电方式则消除了这一危险, 由于通电的轨段仅仅限于车辆的车体下方并被车体所包围。探测回路处于供电轨之内, 接收来自围绕在车辆中心下方集电靴四周的天线的信号, 以激活供电系统。

2.2 APS系统供电轨基本构成

APS供电轨的模块化结构, 包括工形绝缘轨、接触轨、DC750V电缆、接地电缆和检测回路;遇道岔区和交叉道, 供电轨模块需作相应的变化。工形绝缘轨为玻璃纤维, 与电缆连接的2根金属板条安装在“工”形轨的表面。“工”形轨的中心是4条狭槽, 用于展设DC750 V的铜线、绝缘节回线、通讯和辅助设备。“工”形轨的高度为17 cm, 导电段长8 m, 被3 m长的绝缘节所分隔。绝缘节安装有平行塑料接触板条, 向集电靴提供连续的行走表面。供电轨控制装置之间的间隔为22 m, 当轻轨车辆驶过期, 轨旁控制装置便激活带电段。APS地面供电轨的基本构成如图3所示。

与正常的有轨电车相比, 列车上需增加以下设备:二个受电靴和受电靴控制箱;编码信号发生装置和发射装置;紧急蓄电池;电力转换控制箱。车辆底部安装的下部受流受电靴如图4所示, 受电靴采用石墨制成。设计这种受电靴的目的是在接触板条上施加10 kg的作用力。当受电弓工作时, 受电靴被抬起。每一辆车辆的顶部配备一个蓄电池组。当地面供电系统发生故障, 车载蓄电池可提供电源, 使车辆能在低速条件下运行1 km。

2.3 APS系统优缺点分析

APS地面供电系统采用地面实时分段接触式供电, 实现了实时接触式供电, 取消了沿线的架空接触网, 彻底解决了现代有轨电车的景观问题。目前APS的应用多采用与常规架空接触网相结合的方式, 即在对景观有特别要求的局部区段采用APS系统, 其余区段采用架空接触网供电。法国的波尔多是世界上第一个选择APS的城市, 在长约44 km的有轨电车网络中的14 km上使用, 如图5所示。

虽然APS系统解决了架空接触网对景观的不利影响, 但需要沿线埋设大量的分区供电轨旁设备, 对沿线的设备的安全性、可靠性、防水性和沿线市政排水系统提出了非常高的要求。现有项目整条线路的造价将比采用架空接触网增加6.3%, 此外, APS系统导致车辆重量增加约1 000 kg, 将增大车辆能耗;线路和车辆后期维护也比接触网受电方式复杂。

3 结语

对于有轨电车来说, 采用架空弓网是目前最可靠的受电形式。但考虑到城市景观和视觉需求, APS系统是一种不错且通过实际验证的解决方案。APS系统适宜与常规架空接触网相结合使用, 在局部区段对景观要求较高的地方采用APS系统, 其余区段采用常规架空接触网。

参考文献

APS系统 篇6

关键词：C型伽玛刀,APS故障,医疗设备维修

医科达Leksell-C型伽玛刀拥有先进的计算机系统, 对程序和精度有严格的控制, 可提供大量直观准确的报警信息[1,2]。现将使用中遇到的APS故障维修过程解析供同仁参考。

1 故障现象

在开机执行TEST RUN (自检程序) 时, APS的x、y、z坐标轴移动第一位置后机器停止工作出现报警如下:

System error :Left-Right mismatch ( 系统错误:左右不匹配) ;

System error :tripped by APS (系统错误:APS错误) ;

COUCH CONTROL:System error alarm报警灯亮;

SAFETY SYSTEM: System error alarm报警灯亮;

APS Computer报警灯亮。多次重新启动均出现此现象, 机器脱机无法工作。

2 分析与检修

2.1 伽玛刀工作原理

医科达Leksell-C型伽玛刀利用201 颗放射性同位素60C0在衰变过程中发射 γ 射线破坏机体, 达到损毁病灶治疗的目的[3]。

“伽玛刀”通过CT和磁共振等现代影像技术精确靶点, 定位极准确, 误差常< ±0.3 mm ;每条伽玛射线剂量梯度极大, 对正常组织几乎没有损伤。γ 射线的主要剂量分布在病灶的边缘曲线内, 而周围的正常组织仅有极小剂量的γ 射线照射, 201 条射线从不同位置聚集在一起可致死性地摧毁靶点组织。其工作过程是由一套先进的计算机控制系统 (APS Computer) 根据计划设计系统的患者肿瘤的治疗数据对APS的x、y、z轴的运动进行自动移动控制。在治疗时将患者头部及定位框架固定在APS上。每个患者根据肿瘤的大小不同, 可能有N个靶点, APS Computer根据治疗计划系统自动优化靶点的序列, 自动完成每个靶点的摆位, 然后屏蔽门打开, 治疗床载人到达目的位置, 内外准直器吻合后, 进行伽玛射线治疗。替代每个治疗靶点都要进行一次人工摆位的过程, 减少了摆位误差, 大大缩短了治疗的时间, 同时提高了治疗的摆位精度, 保证了治疗的重复性。

2.2 故障处理

机器每次治疗前都要求做TEST RUN自检程序, 如果准确无误, 机器会提示“TEST RUN OK (检测运行通过) ”。在本次做自检时APS自检第一个位置未完成机器停止工作, 出现上述报警信息, 说明机器检测到APS的x、y、z坐标轴左侧和右侧的移动刻度不一致。多次重启机器均无法通过自检, 出现故障时用肉眼观察对比左右3 个坐标轴的刻度, 没有发现刻度出现明显误差, 用APS移动检测工具测试, APS的左、右侧3 个坐标轴都能顺利移动, 在治疗系统计算机开机时进入维修模式, 用户名:“administrator (管理员) ”, 密码:“administrator”, 进入系统后按F6, 屏幕上会出现实时显示各坐标轴刻度信息的界面, 再次操作摇控手柄执行TEST RUN程序, 通过左侧APS的数据和右侧APS的数据比较, 发现右侧坐标值稳定并随APS位置移动而变化, 而左侧坐标轴移动时坐标值闪动, 数据也出现不准确的现象。根据此现象初步判断:1 左侧APS线路传输方面故障;2 左侧APS内部数据位置检测部分故障[4,5,6]。

为分析故障原因做进一步检查。首先排除左侧传输线路接触不良或干扰现象, 将左侧的数据传输线的所有插件都重新接插一遍, 再次开机故障依旧。经查图纸等资料分析, 比较左侧和右侧的传输线路相同, 将右侧的传输线与左侧传输线交换, 再次执行自检试机, 发现异常的数据现象转移到了APS的右侧, 由此判断APS内部数据位置检测部分正常, 判断故障原因是由线路传输部分引起的。打开机器护板, 用随机钥匙打开床下接线盒, 将左侧信号传输的cabel aps left console ( 左侧APS信号传输排线) 和cabel32 aps left/left两条50 根多芯线用万用表一一测量, 与右侧测量结果比较, 发现左侧APS信号传输排线中的标红色的1 根线有虚接现象, 更换Console Left线。更换排线步骤如下:首先将治疗床升至最高位置, 移开床板, 然后松开床头盖板的下的6 个螺丝, 取下床头盖板。再松开床尾盖板的2 个螺丝, 取下床尾盖板。然后打开床下护板, 打开治疗床手动锁, 将治疗床拉到最后位置, 在床头的下方可看到链条盒, 用螺丝刀打开链条盒, 两根线的接插件在里边, 移出原来的故障线, 然后将新线沿原线槽路径装回, 安装时要小心谨慎。接好插件, 开机自检, 执行TEST RUN程序, 故障排除。

参考文献

[1]李巍, 荆斌, 查玉华, 等.LUNATM-260型伽玛刀的原理与升级改造[J].中国医疗设备, 2012, 27 (5) :104-107.

[2]刘江齐.深圳澳沃产体部伽玛刀维修一例[J].医疗装备, 2004, 17 (1) :26.

[3]明星, 徐微, 高卫国.OUR—QGD型伽玛刀三维治疗床故障检查与排除[J].医用放射技术杂志, 2006, (7) :31.

[4]马文生.OUR—XGD旋转式伽玛刀屏蔽门故障检修[J].中外医用放射技术, 1999, (3) :4-5.

[5]王若峥, 张国庆.肿瘤放射治疗学[M].北京:科学出版社, 2010.

APS系统 篇7

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2009年10月至2011年10月在我院进行维持性血液透析皮肤瘙痒患者, 共80例, 其中男48例, 女32例, 年龄32～73岁, 平均 (48.32±10.78) 岁。原发病为慢性肾炎34例, 高血压性肾病28例, 糖尿病肾病14例, 痛风性肾病3例, 过敏性紫癜性肾炎1例。全部患者无合并严重心脏、肝脏、肺部疾病及其他严重慢性疾病, 未妊娠, 均伴有皮肤瘙痒经药物或其他非透析治疗无效。

1.2 方法

1.2.1 仪器与设备

80例患者分为治疗组和对照组, 两组均使用Fresenius 4008B容量控制透析机。治疗组使用APS-13U空心纤维透析器 (旭化成可乐丽医疗珠式会社大分工厂生产) , APS-13U为一次性透析器, 毛细血管膜由ASAHI的聚砜制成, 膜面积为1.3m2, 血室容量为80±8mL, 超滤系数为37mL/hr/mmHg) , 对照组使用REXEED-15L低通量一次性空心纤维透析器 (薄膜, REXBRANETM (聚砜/PVP) , 超滤率为11mL/hr/mmHg) 。

注:组内比较:△P<0.05, 组间比较#P>0.05, *P<0.05

1.2.2 方法

对所选病例采用数字随机方法按1∶1随机分为对照组和治疗组。治疗组使用APS-13U空心纤维透析器进行血液透析:先将APS-13U放托内, 连接透析液导管, 装好血路管并与透析器连接好, 血路管动脉端插头接上灌注架上悬挂的1000mL生理盐水袋上, 先用500mL生理盐水充分润洗管路及透析器并循环10～20min, 防止发生首次使用综合征, 然后将剩余500mL (加入肝素钠2500u) 盐水预冲管道及透析器, 调节治疗所需各项参数。建立动静脉通路, 采用全身肝素化, 肝素首次剂量遵医嘱一般为0.5～1mg/kg, 以后每60分钟追加肝素5～10mg (肝素剂量视患者个体情况而定) , 连接体外循环, 开始透析, 初始血流量100～150m L/min, 病情稳定后血流量调至250～300m L/min, 每次透析4h, 每周2～3次。对照组予常规血液透析治疗, 使用REXEED-15L低通量一次性空心纤维透析器, 薄膜, REXBRANETM (聚砜/PVP) , 超滤率为11mL/hr/mmHg) , 两组透析2h时均予50%GS40mL+葡萄糖酸钙10mL静脉注射1次, 每次透析4h, 每周2-3次。两组均以4周为1疗程, 一般为2个疗程。

1.3 观察指标及评价方法

1.3.1 观察指标

每种治疗模式前后均采血进行实验室检查, 检测血红蛋白 (HGB) 、血尿素氮 (BUN) 、肌酐 (Scr) 、血磷 (P) 、β2微球蛋白 (β2-MG) , 甲状旁腺素 (PTH) 。治疗过程每小时监测并记录患者血压、心率, 出现低血压时随时测量并记录伴随症状、护理干预方式及次数。

1.3.2 皮肤瘙痒程度评分

采用可视模拟评分法 (visualanalogue scales, VAS) 对皮肤瘙痒程度进行评分。使用一条长约10cm标有10个刻度的游动标尺, 0分表示无瘙痒, 10分表示难以忍受的瘙痒。评测时将有刻度的一侧背向患者, 由患者根据自己的感觉, 在0～10分之间标出自己的瘙痒程度, 0～2分为优, 3～5分为良, 6～8分为中, >8分为差。每个患者评分3次并取其平均值作为VAS评分。

1.3.3 标本采集方法

全部患者在治疗前均进行空针采血及结束前10min在透析管路动脉端取血标本, 结束前将血流量减至100mL/min, 停超滤和旁路维持30S以上, 以避免通路再循环。

1.3.4 统计学方法

采用SPSS 13.0统计软件进行分析, 计量资料用表示, 单组治疗前后的数据比较采用配对t检验, 2组之间比较用两独立样本检验进行分析, 以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 治疗组和对照组均能有效清除肌酐 (Scr) 、尿素氮 (BUN) 、β2-MG, 治疗前后比较, 差异有统计学意义 (P<0.05) 患者HGB均有升高 (P<0.05) , 但两组相比, 差异无统计学意义 (P>0.05) 。治疗组清除P、PTH的程度显著大于对照组 (P<0.05) , 见表1。

2.2 对照组和治疗组治疗后均能改善皮肤瘙痒程度 (P<0.05) , 但两组相比, 治疗组皮肤瘙痒程度改善较明显, 差异有统计学意义 (P<0.05) , 见表2。

3 护理

3.1 心理护理

患者由于皮肤瘙痒, 易出现焦虑、烦躁、悲观、精神困扰等心理问题。做好心理护理十分必要, 多和患者沟通, 充分做好患者的思想工作, 使患者树立战胜疾病的信心。

3.2 饮食护理

患者一般要求优质低蛋白饮食。饮食尽量选择低磷食物。奶制品、动物内脏、花生、巧克力等含磷较高的食物应避免食用。荤菜汤中含磷较高, 应嘱患者不要喝汤。此外, 尽量不食用海鲜、牛羊肉等以及酒类、辛辣、油腻食物。

3.3 生活护理

患者常因瘙痒自觉或不自觉的抓挠, 而导致皮肤破溃感染, 因此指导患者进行皮肤护理非常重要。要劝导患者注意卫生, 做到勤洗手, 勤剪指甲, 保持皮肤清洁、湿润, 避免使用刺激性洗剂以免加重皮肤瘙痒, 穿衣以全棉宽松为主;用冷水或冰毛巾冷敷有止痒效果, 切忌用热水烫;晚上由于迷走神经兴奋, 往往瘙痒加剧, 故夜间护理尤为重要, 可利用电视、收音机或太极拳等措施转移其注意力, 同时指导患者温水泡脚、穴位按摩、催眠疗法等以减轻瘙痒症状。保证充足的睡眠, 防止精神过度紧张。

3.4 密切观察体外循环

严格无菌操作, 保证各管道连接紧密、妥善固定, 防滑脱出或空气进入引起空气栓塞。注意静脉压和TMP是否持续升高, 体外循环管道及静脉壶内血液颜色变化, 是否凝血, 保持体外循环通畅, 以保证治疗的顺利进行, 确保治疗效果。

3.5 观察病情变化

严密观察血压、脉搏和心率。开始时每30min测量血压, 脉搏、呼吸1次, 必要时15min一次, 如血压稳定, 根据患者情况可改为每小时测1次, 若中途血压下降可减慢血流速度、去枕平卧、补充血容量、必要时遵医嘱使用升压药。

4 讨论

皮肤瘙痒是维持性血液透析患者常见的临床症状, Pisoni[2]曾针对11819例透析患者做了多中心临床研究, 发现66%的患者有皮肤瘙痒症状。其发生机制尚未完全明了, 可能与皮肤肥大细胞增多, 血清PTH水平增高及中大分子毒素滞留有关[3,4]。透析器是用来代替肾脏功能, 透析器的性能是决定透析效果的主要因素, 因此透析器的选择对血液透析的效果起着重要作用。一次性透析器是经过环氧乙烷消毒, 无化毒剂残留, 杜绝了细菌污染及其他致病因子的感染, 容易放置, 保证了透析器的性能, 长期使用一次性透析器可使尿毒症患者皮肤瘙痒症状减轻[5]。目前报道高通量透析、血液灌流串联透析器及血液透析滤过在清除中大分子毒素、改善皮肤瘙痒症状方面均优于一次性低通量透析器[6,7,8]。APS-13U空心纤维透析器为中通量一次性透析器, 在清除小分子物质的同时清除中大分子毒素。本研究显示APS-13U透析器能有效降低血尿素氮 (BUN) 、肌酐 (Scr) 、磷 (P) 、β2微球蛋白 (β2-M) 及甲状旁腺素 (PTH) 水平, 在清除P、β2-M方面优于一次性低通量透析器, 对维持性血液透析患者皮肤瘙痒症状改善取得较满意效果, 与使用高通量透析器透析及血液灌流相比价格较便宜, 操作可行性较强, 临床上有推广前景。皮肤瘙痒的患者多伴有焦虑、烦躁等心理障碍, 多存在睡眠障碍等, 生活质量较差, 因此应做好心理、饮食生活护理, 多和患者沟通, 对患者进行饮食指导, 重视皮肤护理, 穿衣以宽松棉质衣服为主, 以配合透析和药物提高治疗效果。

参考文献

[1]Goiceechea M, de Sequera P, Ochando A, et al.Uremic pruritus:an unresolved problem in hemodialysis patients[J].Nephron, 1999, 82 (1) :73-74.

[2]Pisoni RL, Wikstrom B, Elder SJ, et al.Pruritus in haemodialysis-patients:international results from the Dialysis Outcomes and Practice Patterns Study (DOPPS) [J].Nephrol Dial Transplant, 2006, 21 (12) :3495-3505.

[3]范闻奎.尿毒症皮肤瘙痒的病因与治疗[J].实用医学杂志, 2001, 17 (增刊) :130.

[4]刁良彪, 邱艳萍, 詹俊夫.血液透析滤过治疗尿毒症皮肤瘙痒临床观察[J].现代中西医结合杂志, 2009, 18 (20) :2422.

[5]钟捷英, 黄海燕, 黄海玲.改善血液透析器对防治患者皮肤瘩痒的探讨[J].护理实践与研究, 2008, 5 (18) :19.

[6]毕会, 张敏, 尹彩兰, 等.高通量透析膜对维持性血液透析过程中溶质清除及皮肤瘙痒的作用[J].中国组织工程研究与临床康复, 2011, 15 (29) :5493-5496.

[7]钟雪飞, 霍新, 姜皓.血液灌流对长期血液透析病人各项指标改善的临床研究和护理体会[J].吉林医学, 2006, 27 (8) :893-894.