建設(shè)煤礦MES實驗室，培養(yǎng)具有礦業(yè)特色的創(chuàng)新型人才*

楊克虎 鄒 甲 程 紅

中國礦業(yè)大學(xué) 北京 100083

建設(shè)煤礦MES實驗室，培養(yǎng)具有礦業(yè)特色的創(chuàng)新型人才*

楊克虎 鄒 甲 程 紅

中國礦業(yè)大學(xué) 北京 100083

本文闡述了建設(shè)面向煤礦的制造執(zhí)行系統(tǒng)專業(yè)實驗室對煤礦企業(yè)從“大量生產(chǎn)、大量消耗、大量廢棄”向“循環(huán)化、集約化、生態(tài)化”的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型以及培養(yǎng)具有礦業(yè)特色的創(chuàng)新型人才的必要性和迫切性，提出了我校煤礦MES實驗室的建設(shè)思路以及具體的建設(shè)方案。

制造執(zhí)行系統(tǒng)；MES；實驗室建設(shè)

制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,以下簡稱MES)的概念是美國咨詢公司AMR(Advanced Manufacturing Research)于1990年首次提出的。MES是位于上層計劃管理與底層工業(yè)控制之間，面向車間制造過程管理與控制的信息系統(tǒng)。MES一經(jīng)提出便得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，近年來國內(nèi)外圍繞MES所進行的研究和應(yīng)用已取得不少成果。自動化領(lǐng)域的國際著名廠商(例如施耐德電氣、西門子、Honeywell等)也都提出了面向各種行業(yè)應(yīng)用的MES解決方案,并以此為契機，逐漸向上層的管理信息系統(tǒng)領(lǐng)域延伸自己的產(chǎn)品線。就目前國內(nèi)的情況來看，MES領(lǐng)域仍然以研究居多，大都為實驗室產(chǎn)品，離商品化還有較長一段距離；從應(yīng)用方面來看,MES已經(jīng)使用在了石油、化工、煙草、造紙等行業(yè)，在煤炭行業(yè)也有相關(guān)的應(yīng)用報道，然而這些應(yīng)用仍然屬于示范試驗性質(zhì)的，尚不具備大規(guī)模推廣的條件。制造業(yè)運行模式的演變和信息技術(shù)的進步必將使得MES逐步成為企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)活動和經(jīng)營活動有效集成、優(yōu)化運行、控制與管理的橋梁和紐帶,是提高企業(yè)核心競爭力的重要技術(shù)之一。

一、建設(shè)煤礦MES實驗室的必要性和迫切性

在21世紀前50年內(nèi)，世界能源的發(fā)展趨勢仍將以化石燃料為主。根據(jù)我國資源狀況的基本特點（富煤、貧油、少氣）和煤炭在能源生產(chǎn)及消費結(jié)構(gòu)中的比例，以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)在相當長一段時間內(nèi)不會改變。建國以來，煤炭在我國一次能源生產(chǎn)和消費中的比例長期占70%以上，在將來相當長的一段時期內(nèi)，我國仍然會持續(xù)加大對煤礦的投資和建設(shè)。中國煤炭行業(yè)規(guī)劃在2010年建立6～8個億噸級企業(yè)集團、8～10個5000萬噸級企業(yè)集團，其中10個千萬噸的現(xiàn)代化礦井以及10個千萬噸的現(xiàn)代化露天礦。為了確保2010年大型煤炭基地產(chǎn)量達到22.4億噸，要求大型煤礦的生產(chǎn)機械化水平達到95%，中型煤礦達到80%。因而目前煤炭以及礦業(yè)面臨著從“大量生產(chǎn)、大量消耗、大量廢棄”向“循環(huán)化、集約化、生態(tài)化”的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇。國內(nèi)大中型煤炭生產(chǎn)企業(yè)，在實施以資本投資拉動的跨越式增長的同時，越來越關(guān)注穩(wěn)定礦區(qū)生產(chǎn)規(guī)模基礎(chǔ)上的精細化運營管理。

中國礦業(yè)大學(xué)作為我國煤炭行業(yè)的最高學(xué)府，在國內(nèi)煤炭行業(yè)的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型的過程中應(yīng)當發(fā)揮指導(dǎo)作用。實驗室的申建單位——中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院信息與電氣工程系在礦山供電、礦山綜合自動化以及礦山智能監(jiān)控等領(lǐng)域有著較強的實力；而合作方—施耐德電氣作為全球電力及自動化控制行業(yè)的領(lǐng)袖，致力于通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)及持續(xù)改善的技術(shù)來幫助煤炭和礦業(yè)客戶提升商業(yè)競爭力。他們所倡導(dǎo)的MES以及生產(chǎn)管理解決方案、服務(wù)及產(chǎn)品能夠幫助客戶有效地實現(xiàn)生產(chǎn)效率、設(shè)備利用率持續(xù)改善等目標，提高生產(chǎn)過程的可視化水平。通過此次強強聯(lián)手，希望能為國內(nèi)煤炭行業(yè)的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型提供助力，為煤炭行業(yè)實現(xiàn)“節(jié)能、高效”的目標服務(wù)。

因此，建設(shè)面向煤炭行業(yè)的MES專業(yè)實驗室，培養(yǎng)掌握MES技術(shù)的具有礦業(yè)特色的創(chuàng)新型人才，對我國煤炭以及礦業(yè)從“大量生產(chǎn)、大量消耗、大量廢棄”向“循環(huán)化、集約化、生態(tài)化”的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型具有重要的意義，同時也是我校著力打造“能源工業(yè)精英教育體系”所不可或缺的一環(huán)。

二、實驗室建設(shè)思路

結(jié)合中國礦業(yè)大學(xué)建設(shè)一流能源科技大學(xué)的社會定位，體現(xiàn)煤炭行業(yè)特色，模擬實際生產(chǎn)情況，結(jié)合特色專業(yè)以及北京市實驗教學(xué)示范中心的教學(xué)科研要求，配合“煤礦綜采工作面生產(chǎn)控制系統(tǒng)”實驗室的設(shè)計思路，提出了以MES礦業(yè)綜合配電及自動化解決方案為基礎(chǔ)的聯(lián)合實驗室建設(shè)方案。該方案有以下一些特點：

1.體現(xiàn)行業(yè)特色，把MES系統(tǒng)平臺引入到“煤礦綜采工作面生產(chǎn)控制系統(tǒng)”中，作為礦井監(jiān)控系統(tǒng)的平臺。

2.涵蓋信息與電氣工程系的幾個特色專業(yè)，如電力系統(tǒng)及其自動化、電力電子與電力傳動、檢測技術(shù)與自動化裝置、控制理論與控制工程等。

3.礦山自動化高端實驗平臺和中低壓配電實驗平臺相結(jié)合。

4.模擬實際的生產(chǎn)情況，對學(xué)生或者煤礦現(xiàn)場工作人員起到認知、參觀演示、培訓(xùn)及科研等作用。

以節(jié)能增效為目標，結(jié)合MES系統(tǒng)平臺對生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)進行智能決策，優(yōu)化資源配置，提高煤礦整體的信息化與自動化水平。

三、實驗室建設(shè)方案

根據(jù)合作方施耐德電氣提供的設(shè)備清單，結(jié)合透明化礦山自動化控制系統(tǒng)理念，建設(shè)針對礦井監(jiān)控的系統(tǒng)平臺，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體的結(jié)構(gòu)說明如下：

1.MES系統(tǒng)以及SCADA服務(wù)器處于企業(yè)信息管理層，通過以太網(wǎng)連接運行層各操作位。

2.監(jiān)控和操作平臺由多臺微機組成，內(nèi)裝MES客戶端軟件，通過以太網(wǎng)連接控制層PLC以及低壓配電設(shè)備，對整個礦井設(shè)備數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和操作。

3.控制層使用施耐德電氣高端的Quantum雙機熱備系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制設(shè)備，通過Modbus TCP/IP總線連接設(shè)備層控制單元，同時現(xiàn)場HMI可以實時對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集和修改。

圖1 基于MES系統(tǒng)的礦井監(jiān)控系統(tǒng)平臺

4.另外5套M340中端PLC可以連接多種設(shè)備，通過Modbus TCP/IP總線進多種實驗。

5.設(shè)備層的自動化平臺部分：

(1)ATV61，ATV71變頻器，Tesys U電機控制器作為施耐德主流的電機控制設(shè)備，可以對礦井提升機，風機等多種傳動設(shè)備進行有效控制；

(2)對變頻器以及電機端有相應(yīng)的斷路器，接觸器等電機控制和保護配電系統(tǒng)；

(3)另外通過Quantum遠程IO連接井筒傳感器，接近開關(guān)，限位開關(guān)等設(shè)備，全方位對礦井系統(tǒng)進行監(jiān)控。

6.設(shè)備層的低壓配電平臺部分：

(1)NSX是施耐德電氣先進的智能塑殼斷路器，具有能源損耗檢測，電網(wǎng)能源管理，內(nèi)置電能測量表計，通訊與人機界面等功能，可以對礦井配電系統(tǒng)進行“4遙”；

(2)PM800系列電力參數(shù)測量儀是高性能的監(jiān)測儀表，可提供監(jiān)測電氣設(shè)備所需的各種測量功能。它具有易讀的大液晶顯示屏，可同時監(jiān)視三相和中性線。顯示屏具有抗反光和刮擦的特性，直觀界面上有帶自導(dǎo)功能的菜單。

7.設(shè)備層可以下掛不同的實驗?zāi)Ｐ?，單獨控制或者通過網(wǎng)絡(luò)組成大型系統(tǒng)進行整體控制。

8.在設(shè)備層的底部，可以根據(jù)學(xué)校實驗室的現(xiàn)有礦井模擬控制對象以及將來需要開發(fā)的內(nèi)容進行調(diào)整變化。

四、實驗室課程設(shè)置

根據(jù)施耐德電氣提供的建設(shè)方案，結(jié)合信電系自身的專業(yè)特色，初步設(shè)想實驗室開設(shè)如下幾大類的課程：

1.結(jié)合礦山自動化高端實驗平臺，滿足電力系統(tǒng)及其自動化、電力電子與電力傳動、檢測技術(shù)與自動化裝置等電氣專業(yè)高年級本科、研究生的教學(xué)科研要求；同時滿足煤炭企業(yè)相關(guān)的自動化、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、傳動等培訓(xùn)要求。擬開設(shè)的課程如下：

(1)《可編程邏輯控制器》類相關(guān)課程；

(2)《檢測技術(shù)》類相關(guān)課程；

(3)《電力電子與電力拖動》類相關(guān)課程；

(4)《運動控制》和《現(xiàn)場總線》類相關(guān)課程；

(5)通過管理型工業(yè)以太網(wǎng)交換機，與上層MES系統(tǒng)形成工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)體系，模擬實際的礦井控制系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)控制，作為課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、學(xué)生競賽平臺使用。

2.結(jié)合煤礦低壓配電監(jiān)控實驗平臺，通過Modbus總線將電網(wǎng)相關(guān)的執(zhí)行、保護、測量單元連接成網(wǎng)絡(luò)，可供相關(guān)專業(yè)高年級本科生，研究生進行煤礦供電系統(tǒng)研究，NSX智能型塑殼開關(guān)可下掛底層的礦山配電系統(tǒng)（照明，電機）模擬對象。PM表對電網(wǎng)進行繼保以及電能質(zhì)量管理等實驗。擬開設(shè)的課程如下：

(1)《電力設(shè)備》和《輸配電技術(shù)》類相關(guān)課程；

(2)《礦山供電》類相關(guān)課程；

(3)《電力系統(tǒng)自動化》類相關(guān)課程。

3.結(jié)合MES高級研發(fā)平臺，通過環(huán)形以太網(wǎng)，將由MES平臺和功能不同的若干服務(wù)器組成的管理系統(tǒng)與下層的設(shè)備連接起來，聯(lián)接成一個完整的、大型的控制平臺，組成具有研發(fā)性質(zhì)的高端礦井系統(tǒng)監(jiān)控平臺，充分體現(xiàn)MES在礦業(yè)生產(chǎn)中的核心價值，用于本科生畢業(yè)設(shè)計、研究生課題、以及教師科研平臺，并可作為“煤礦綜采工作面生產(chǎn)控制系統(tǒng)”的一個重要的，具有行業(yè)特色的有機組成部分。

4.結(jié)合RFID無線射頻識別系統(tǒng)，展開與井下物料、設(shè)備、人員跟蹤與定位的科研與課程教學(xué)工作。

五、結(jié)束語

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）—施耐德電氣MES實驗室的籌建工作正在進行當中，相信該實驗室的建成，必將對我校實現(xiàn)培養(yǎng)具有煤礦特色的高技術(shù)人才的目標具有重要的推動作用，同時也可以作為煤炭行業(yè)技術(shù)人員和管理人員的培訓(xùn)基地，為我國煤炭以及礦業(yè)從“大量生產(chǎn)、大量消耗、大量廢棄”向“循環(huán)化、集約化、生態(tài)化”的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型提供助力。

[1]Bill Swanton.MES five years later: prelude to phase Ⅲ. AMR report 13725, 1995

[2]李玉斌,王增國,何其英，等.MES系統(tǒng)在海上油氣田的實施與應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修,2009, 9: 8～9

[3]周晶，莊宇，王曉楓.MES在大慶石化實施的可行性分析[J].煉油與化工，2007，18（2）：37～39

[4]崔江波，呂希勝，姜瀅，等.面向煙草行業(yè)的MES系統(tǒng)模型研究與設(shè)計[J].制造業(yè)自動化, 2009, 31（6）：136～138

[5]張成磊,侯書慶.MES系統(tǒng)在中國紙業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中華紙業(yè), 2009, 30（8）： 18～21

[6]陳權(quán).神東煤炭分公司MES系統(tǒng)方案初探[C].第18屆全國煤礦自動化與信息化學(xué)術(shù)會議論文集, 2008, 349～354

[7]孟凡強，張勝軍，高建峰.基于MES原理的煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)[J].自動化理論、技術(shù)與應(yīng)用, 2009,3：277～280

[8]李暉,王征.煤礦引入生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的心要性[J].中國煤炭,2006,32（4）：29～31

Construct a MES laboratory for coal mine, cultivate creative talents for mining industry

Yang Kehu, Zou Jia, Cheng Hong
China university of mining and technology, Beijing, 100083,China

This paper points out that it is essential and urgent to construct a MES laboratory which may helpful for the coal mine’s production mode transformation from “massive production, massive consumption, massive waste” to “recyclable, intensification, ecologization” and the cultivation of the creative talents for mining industry. The construction plot and the specific construction scheme for the MES laboratory of our university are proposed.

manufacturing execution system; MES; laboratory construction

2010-03-29

楊克虎，博士，講師。

*本文獲北京市教育委員會共建項目專項資助（北京市特色專業(yè)基金及北京市實驗教學(xué)示范中心基金）。