姜莉敏，趙霞

0 引言

市場經濟環(huán)境下，原材料、能源和產品的價格經常變動，大型企業(yè)的生產狀況難以嚴格穩(wěn)定，工藝結構除了橫向的產品工序外，還有大量的中間物流的注入或抽取。流程工業(yè)的這種特性，需要不時的調整生產計劃，實現調度優(yōu)化，把握不斷出現的、稍縱即逝的機會利潤。因此，傳統(tǒng)的“事后算賬”的成本核算模式，已遠遠無法滿足工藝流程愈加復雜的要求，成本的控制永遠落后于成本的發(fā)生。為了控制在企業(yè)生產成本中，占有重要比例的物耗和能耗，在現有實時信息集成的MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）環(huán)境下，開發(fā)了基于投入產出算法的圖形化能耗實時監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用各種成本數據來源，使用友好的人機界面對產品生產過程建模，并加以分析計算，快速得到最終成本與能耗的相關信息，實現實時的能耗控制，對于大型工業(yè)企業(yè)的節(jié)能降耗也具有重大意義。

1 能耗管理的理論基礎

成本控制是企業(yè)管理中的核心，目前，在大多數工業(yè)企業(yè)中，成本控制均是在管理會計范疇內，通過報表等方式實施的靜態(tài)成本控制，無法實時跟蹤生產過程的各工序成本信息,實現成本在線控制，控制效果受到很大限制[1]。因此更好的對成本中占有最大變數的能耗進行管理尤為重要。

所謂的能耗實時監(jiān)控，指的就是在生產成本轉化為商品的過程中，實時地計算連續(xù)發(fā)生的各類中間產品和最終產品的成本，并在此基礎上，實時地計算出各類產品對公用工程（水、電、汽等原料）的消耗，然后將計算結果與理論值或者經驗值進行相應的比較，以此來作為調整生產流程的依據。

流程工業(yè)的產品具有很強的關聯性，是通過對原料的混合、分離、粉碎、加熱和化學反應等物理化學方法，生成新的分子結構的產品，許多產品既可以作為成品又可以作為其他產品的原料，如圖1所示。同時，流程工業(yè)還常常有副產品、回流物或廢物的循環(huán)使用。因此，流程工業(yè)的成本與能耗計算跟工藝流程的拓撲結構有著相當密切的關系。一個典型的化工產品可以跟幾十個、上百個節(jié)點和流股相關，而一個拓撲結構往往又表征了多個化工產品的生產過程。

圖1 流程工業(yè)產品工藝流程拓撲結構

如何準確計算出每一項產品的能耗，本文采用的是的投入產出算法。其結構如表1所示。

表1 投入產出表

表中的投入主要指原料、能源等投入，中間使用產品,指在生產中，出現的供其他生產使用的各種中間產品，產出則是最終的產品。投入產出表反映了原料、中間產品及產出間的數量聯系，其基本的數學模型，是以數學方程式的形式來反映生產運行過程和產品結構，根據投入產出表的內容，可以利用線性關系建立兩個線性方程。

行模型為:中間使用＋最終使用＝總產出，表示各產品的使用去向，其數學表達式為:

公式1

列模型為:中間投入＋增加值＝總投入，表示生產中的各種投入，其數學表達式為:

公式2

以投入產出算法為基礎，可以得到流程工業(yè)中各類產品與產品、產品與公用工程（水、電、汽等原料）間的直接消耗系數及完全消耗系數。然后再通過各類公用工程的對標準能耗的折標系數，繼而得到各類產品對公用工程的消耗。

2 系統(tǒng)開發(fā)的流程

如何在實時信息集成的MES環(huán)境下，實現在線的能耗估算、分析、預測和反饋，進行實時的能耗的控制，已經成為當今流程工業(yè)MES的重要課題。在實時條件下，反映節(jié)點（加工單元）的信息主要是公用工程（水、電、汽等原料）的消耗，而體現流股的信息則是原料或中間產品的數量，兩類信息以巨大的樣本（如幾十秒一批）采集到實時數據庫內，這樣就要求我們開發(fā)一個系統(tǒng)，使用友好的人機界面迅速處理依附于該拓撲結構的數據，得到各個中間產品和最終產品的能耗。

為了使系統(tǒng)更直觀、更易于操作，我們采用的是圖形化的設計開發(fā)，這樣就能將流程工業(yè)中的流程與實時的產品信息，有機的結合起來。

2.1 需求分析

本系統(tǒng)主要實現以下5點需求:

①以拓撲圖形構筑生產過程中的物料輸入輸出關系[2]。

②在圖形化環(huán)境下，對每個節(jié)點和流股采集和輸入數據。

③以拓撲圖形所映射的投入產出關系為基礎，計算中間產品和最終產品的物耗和公用工程消耗的系數。

④通過各類公用工程的對標準能耗的折標系數繼而得到各類產品的能耗。

⑤在物耗計算基礎上計算各個中間產品和最終產品的變動成本。

2.2 開發(fā)的平臺

系統(tǒng)的要求是有一系列的頁面可供工作人員繪制相關生產過程以及輸入相關數據，我們選擇微軟公司的Visio圖形控件在Microsoft Visual Studio .NET 2005軟件中進行開發(fā)，即在程序中需添加Visio，AxVisOcx，VisOcx等繪圖所需的COM組件的引用。Visio Drawing Control是Microsoft ActiveX空間，提供了Visio對象模型和用戶界面的完全訪問能力?？丶軌蚯度攵伍_發(fā)的宿主程序中，提供強大的繪圖支持。它響應用戶添加的節(jié)點（加工單元）和相應的流股連接線，跟蹤生成整個生產項目的抽象拓撲圖。

本圖形化軟件使用C/S(Client/Server)模式開發(fā)。程序將主要在客戶端完成大部分邏輯與運算過程，而由公共的服務器端提供物料信息和物耗量等信息。相對于B/S(Browser/Server)的架構，由客戶端來完成大部分運算過程效率較高，減少了網絡傳輸數據的安全隱患[3]，不需使用多余的web服務器，而且有助于降低數據庫服務器壓力。

2.3 程序架構

程序架構如圖2所示，采用多層結構，以實現面向對象的數據隱藏和提高代碼的強壯性，也使未來有可能的二次開發(fā)留有端口。

圖2 程序架構圖

程序中所有對數據庫的基本操作，如原料信息、節(jié)點信息、節(jié)點關系信息等的新增、查詢、編輯和刪除，都將封裝到數據庫操作類當中。矩陣計算類包括對實數矩陣類的定義和矩陣的求行列式、求逆、求秩、求轉置等方法。圖形操作類是整個能耗實時監(jiān)控計算軟件的核心，它負責與數據庫的交互，對用戶所建立的模型進行抽象化操作，根據數據庫信息重建項目拓撲圖，調用矩陣運算類進行成本運算等關鍵操作。Visio控件操作類完成流程圖中的復制、剪切、保存、載入等繪圖功能。建模操作類負責圖形操作類和visio控件操作類，實現用戶在新建項目、編輯項目、保存項目過程中所需的所有功能。

3 系統(tǒng)算法與功能介紹

主程序打開之后，先繪出工藝流程圖（所有中間產品與最終產品），然后配置公用工程相關數據（單價、單位、折標系數），如圖3所示。同時，對每個化工單元進行數據配置，編輯輸入節(jié)點原料表、輸出產品表，搭建節(jié)點間的流股，編輯節(jié)點間的投入產出數量和單位，包括每一樣產品對公用工程的使用量（見圖4）、每一樣產品對流程中前后相關產品的使用量（見圖5）。

圖3 建模界面

圖4 數據錄入1

圖5 數據錄入2

然后，由程序將上面所建模過程中的加工單元原料表和中間產品投入產出關系等信息提取出來，實時的對工廠生產線上的數據進行讀取，編制成適宜計算的矩陣形式，如表2所示。表2所呈現的是根據錄入的，數據生成的某一生產過程中一部分工藝流程間的直接消耗系數，分別將表2的上下兩部分數據定義為矩陣A和矩陣B。

建模過程中存儲于化工單元間連線中的流股信息（圖5）被提取出來，構成矩陣A（流股信息）；而存儲于化工單元中的公共工程原料信息（圖4）經過計算，構成矩陣B。矩陣A和矩陣B組成的直接消耗系數表表征了產品所有物耗情況，同時可以表征產品生產流程，用于能耗計算。比如直接消耗系數表中第3列表示產出1萬m3的100#凈化氣需要1.5萬m3的100#變換氣、421Kwh的電和349.5噸的循環(huán)水。

表2 直接消耗系數

然后分別定義矩陣A、B中的元素為aij和bkj，分別代表生產單位量第j種產品需要的第i種產品和第k種公用工程資源的量。然后根據投入產出理論可以得到:

公式3:

公式4:

簡化為:

公式5:

公式6:

其中X、Y、Z分別代表n種產品總產量、商品量和m種公用工程用量。

將2式進行變換可得:(I?A)?1Y=RY=X，代入得BX=Y，即:

公式7:

其中:

公式8:

公式9:

R和Q即是完全消耗系數矩陣。如表3所示，上下2部分數據分別為矩陣R和矩陣Q:

表3 完全消耗系數表

分別定義矩陣R、Q中的元素為rij和qkj，分別表示生產第j種產品完全消耗第i種自產產品的量和生產第j種產品所完全消耗的第k種公用工程的量。完全消耗系數矩陣R、Q是直接消耗系數的矩陣A、B的變換，它反映了產品消耗對所有關聯工序的完全聯系，它是直接消耗與間接消耗的總和。然后可以算出各個產品的變動成本和總成本。比如在表2中，產出1萬m3的100#凈化氣需要1.5萬m3的100#變換氣，而生產1萬m3的100#變換氣也需要0.82萬m3的德士古氣，因此在表3種可以得到100#凈化氣也需要消耗1.23萬m3的德士古氣。

以上2個步驟的計算為基礎，提取出對公用工程消耗系數的矩陣Q，然后乘以各個公用工程原料的折標系數（圖3），就可以對能耗進行計算了，得到表4的能耗消耗系數。

表4 能耗消耗系數

例如，生產1萬m3的100#凈化氣需要消耗5.9594tce的煤、1288.604tce的電、0.1445tce的循環(huán)水，然后相加即等到了生產1萬m3的100#凈化氣的總能耗858.9275tce。

之后，再根據公用工程（水、電、汽等原料）單價，也就是圖1中輸入的數據，即可等到每樣中間產品及最終產品的實時成本。

4 系統(tǒng)的特點

①直觀性，采用圖形化操作界面，適用于含有多層嵌套循環(huán)的復雜的化工過程拓撲結構的物耗和能耗的處理。

②解析性，深入到工藝過程的每一個環(huán)節(jié)，將影響成本變化因素都納入圖形之中。

③實時性，可以實時檢測每個生產環(huán)節(jié)的成本和能耗的漲落，區(qū)別于以往只能算總賬可以比以往更加及時、深切地感受到微操作上的調整所帶來的物耗、能耗和成本的變化。

④參考性，工藝人員可以根據預算結果，更加迅速、有效地對這些數據提煉和分析，探索如何通過改變工藝運行的策略和修正工藝指標來降低消耗成本，并立竿見影地觀察調整引起的消耗和成本的變化趨勢[4]。也可以利用此先進的數據采集及處理方式,加強數據管理和數據平衡計算,為生產和計劃經營管理提供依據[5]。

⑤靈活性和可擴展性，自適應隨時變化的工藝流程，根據最新的要求進行靈活的配置，采用的圖形建模方式極大簡化了企業(yè)工藝流程變化所帶來的數學模型修改過程，方便了業(yè)務種類擴展。

⑥易維護性，采用多層邏輯結構，各個層次相對獨立，對某層修改不會影響系統(tǒng)其余部分。每當有了新的功能需求，需要將后臺運行處理邏輯和前端顯示進行修改時，系統(tǒng)分層設計思想能夠使得修改代價最小化。

5 總結

流程工業(yè)是指在國民經濟中，占有重要經濟地位的石化、煉油、化工、冶金、制藥、建材、輕工、造紙、采礦、環(huán)保、電力等工業(yè)行業(yè)。這些行業(yè)普遍存在能耗大、自動化水平低、信息集成度低、綜合競爭力弱等現狀[6]。然而隨著信息技術飛速發(fā)展，全球經濟市場一體化趨勢不可逆轉。流程工業(yè)企業(yè)想要在如此競爭激烈的環(huán)境下生存與發(fā)展，必須進行信息化改革，提高對車間生產底層的實時控制的功能，對成本進行及時核算。對于流程工業(yè)工廠來說，本軟件可以對所有的物耗和能耗進行實時的計算和跟蹤，不時調整生產計劃，實現調度優(yōu)化。用戶還可以方便而及時地進行班與班、日與日、實際物耗與目標物耗、實際成本與目標成本的比較，分析差異的成因，尋找產生差異的環(huán)節(jié)，把握不斷出現的、稍縱即逝的機會利潤，這對企業(yè)控制生產成本、節(jié)能降耗的意義重大。本軟件已開始在某化工廠投入運行，并為工廠的成本控制提供了一個不可或缺的工具。

[1]劉威,初延剛,柴天佑.基于MES的動態(tài)成本控制系統(tǒng)設計及其應用[J].東北大學學報(自然科學版),2003,08:719-722.

[2]Denis R.Industrial dynamics modeling of supply chain[J].Logistics Information Management,1996,9(4):43-56.

[3]Abudayyeh O,Temel B.An intranet-based cost control system[J].Advances in Engineering Software,2001,32(2):87-94.

[4]Li X N,Chai T Y,Yu Z X.Dynamic cost control method in production process and its application[J].Barcelona,Spain:Elsevier Science Ltd,2002:238-243.

[5]于建國.數據管理—企業(yè)效益的關鍵[J].科協論壇,2007,10(下):152.

[6]祝雪妹,王樹青,岳東,LI Pu,WOZNY Guenter[J].華東理工大學學報(自然科學版)2006-07,32(7):852-855.