金屬礦山采—選型MES系統(tǒng)的框架實(shí)現(xiàn)與關(guān)鍵技術(shù)

宋 朋 許 暉，2 范學(xué)峰，2 舒先亮

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000；3.貴州盤江民爆有限公司；貴州貴陽(yáng)551400）

MES系統(tǒng)（Manufacturing Execution system）作為企業(yè)上層ERP系統(tǒng)和底層PCS系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，是至關(guān)重要的信息交互紐帶[1]。一方面MES系統(tǒng)將ERP下發(fā)的任務(wù)合理分配到各職能部門，另一方面及時(shí)上傳PCS的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息，并反饋給ERP分析決策，以便精細(xì)化管理流程進(jìn)度、成本核算、產(chǎn)品質(zhì)量、資源配置和財(cái)務(wù)信息等。金屬礦山行業(yè)投資巨大[2]、業(yè)務(wù)覆蓋面廣、收益率低、回收期長(zhǎng)，既包括單一類型的采礦、選礦、冶煉企業(yè)，也包括采選、選冶以及采選冶聯(lián)合企業(yè)[3]，行業(yè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管理水平相對(duì)制造業(yè)比較滯后，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著智慧礦山等現(xiàn)代礦山建設(shè)理念的深入[4-6]，近些年不少礦企也逐漸引進(jìn)MES，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)、計(jì)劃編排、人員調(diào)度及生產(chǎn)控制等的優(yōu)化，但是整體業(yè)務(wù)流程仍不盡合理，缺少統(tǒng)一規(guī)劃的信息平臺(tái)，部門之間“信息孤島”嚴(yán)重[7]，迫切需要開(kāi)發(fā)出適合現(xiàn)行行業(yè)特色的MES系統(tǒng)。

本文通過(guò)對(duì)金屬礦山全流程模型的研究，以采礦和選礦流程為例，整體設(shè)計(jì)執(zhí)行制造系統(tǒng)功能框架，探討關(guān)鍵技術(shù)解決方案，為采—選型金屬礦山MES系統(tǒng)的建設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 金屬礦山ERP/MES/PCS三層架構(gòu)的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)模型

1.1 金屬礦山采—選執(zhí)行制造流程分析

現(xiàn)代金屬礦山行業(yè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久的發(fā)展，從最初的采礦工作到最終選出精礦已經(jīng)擁有較為成熟的工藝流程和生產(chǎn)規(guī)范[8-10]，因此對(duì)于MES系統(tǒng)的建設(shè)具有相對(duì)明確的需求分析與較為全面的理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。分別分析MES整體協(xié)作流程和M執(zhí)行計(jì)劃流程，可以清晰地認(rèn)識(shí)整個(gè)流程過(guò)程，繪制對(duì)采—選型執(zhí)行制造系統(tǒng)流程如圖1所示。

（1）整體協(xié)作流程。ERP下發(fā)計(jì)劃指令，MES系統(tǒng)制作采礦、選礦、輔助作業(yè)環(huán)節(jié)協(xié)同執(zhí)行指令，過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)施指令。整個(gè)過(guò)程中，PCS系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備、人員、物料、資源、庫(kù)存、物流等詳細(xì)數(shù)據(jù)信息上傳到MES系統(tǒng)，MES系統(tǒng)經(jīng)過(guò)對(duì)比、統(tǒng)計(jì)、分析得出質(zhì)量、成本、進(jìn)度、資源等狀態(tài)信息反饋給ERP，ERP再通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的提取分析，針對(duì)整個(gè)過(guò)程再次下發(fā)計(jì)劃指令，促進(jìn)工序質(zhì)量?jī)?yōu)化、成本縮減、進(jìn)度控制，資源人員再分配，以達(dá)到全流程工序的優(yōu)化。

（2）MES執(zhí)行計(jì)劃流程。MES執(zhí)行計(jì)劃流程包括采礦作業(yè)計(jì)劃、選礦作業(yè)計(jì)劃、輔助環(huán)節(jié)計(jì)劃3個(gè)部分。在采礦流程中包含地質(zhì)勘測(cè)、穿孔、爆破、鏟運(yùn)、采破、車運(yùn)、皮帶運(yùn)輸、進(jìn)出礦倉(cāng)、排巖等工序，選礦流程包含破碎、篩分、磨礦、選別、分級(jí)、浮選、過(guò)濾、回收等工序，輔助環(huán)節(jié)包含機(jī)電、機(jī)修、點(diǎn)檢、運(yùn)輸、施工、人員調(diào)度、采礦與選礦輔助環(huán)節(jié)等。將事務(wù)流程按照合同工期或者項(xiàng)目管理要求制定執(zhí)行計(jì)劃，標(biāo)量化、可視化處理各個(gè)流程，提高生產(chǎn)管理效率。

1.2 金屬礦山采—選型MES系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)方法，綜合考慮MES系統(tǒng)流程，將金屬礦山MES系統(tǒng)分為面向PCS過(guò)程功能、面向ERP過(guò)程功能，面向MES自身過(guò)程功能，主干功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）面向PCS過(guò)程功能。事務(wù)計(jì)劃排程：包括項(xiàng)目算法管理與甘特圖繪制、流程事務(wù)規(guī)則制定與走向、流程事務(wù)容量與能力核算、訂單組批與事務(wù)編排計(jì)劃優(yōu)化、輔助事務(wù)管理等，主要作用是制定、評(píng)估計(jì)算、編排、優(yōu)化單個(gè)事務(wù)過(guò)程。執(zhí)行監(jiān)控管理：包括流程事務(wù)所有數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)、預(yù)警與存儲(chǔ)、生產(chǎn)與安全視頻監(jiān)控管理、門禁管理等，主要作用是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與視頻信息的提取，為分析管理提供支持。綜合調(diào)度：包括調(diào)度優(yōu)化算法、現(xiàn)場(chǎng)需求調(diào)度、緊急事務(wù)調(diào)度、資源故障調(diào)度、人力資源調(diào)度等，主要作用是保障正常與非正常事務(wù)需求，輔助作業(yè)計(jì)劃。

（2）面向自身過(guò)程功能。資源管理：包括資源數(shù)據(jù)庫(kù)管理（名目、出入庫(kù)量、庫(kù)存、去向、回收、折損等信息報(bào)表）、設(shè)備狀態(tài)總覽信息、設(shè)備遷移與維修保養(yǎng)記錄等，主要作用是實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源的點(diǎn)檢與全生命周期的跟蹤管理，使設(shè)備具有可追溯性，減少資源浪費(fèi)。成本管理：包括成本管理數(shù)據(jù)庫(kù)（成品單耗、輔助物料成本、直接成本、間接成本、價(jià)格管理、成本分析、成本核算、成本報(bào)表等）、成本信息總覽與調(diào)控，主要是為了明確工序成本支出，優(yōu)化成本比例，使生產(chǎn)過(guò)程消費(fèi)“有本可依”。質(zhì)量管理：包括質(zhì)量管理數(shù)據(jù)庫(kù)（質(zhì)量樣本采集、質(zhì)量檢測(cè)、質(zhì)量結(jié)果、質(zhì)量問(wèn)題分類、質(zhì)量報(bào)表等）、質(zhì)量問(wèn)題控制、解決、反饋等，確保質(zhì)量合格和質(zhì)量問(wèn)題得以有效解決。進(jìn)度管理：包括進(jìn)度管理數(shù)據(jù)庫(kù)（計(jì)劃進(jìn)度、實(shí)際進(jìn)度、進(jìn)度比較、進(jìn)度控制、進(jìn)度甘特圖等）、進(jìn)度算法調(diào)整、緊急跟進(jìn)方案等，確保工程進(jìn)度按時(shí)跟進(jìn)，保證項(xiàng)目工期穩(wěn)定。

（3）面向ERP過(guò)程功能。ERP指令計(jì)劃：包括訂單信息獲取、ERP計(jì)劃指令讀取、任務(wù)分配計(jì)劃制定、數(shù)據(jù)信息交換等，主要用來(lái)和ERP連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，獲取下發(fā)訂單任務(wù)與分配訂單任務(wù)。大數(shù)據(jù)分析：包括統(tǒng)計(jì)報(bào)表與圖表管理、大數(shù)據(jù)分析等，為決策提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)支持。智慧決策：包括匯總大數(shù)據(jù)分析結(jié)果、各項(xiàng)考核標(biāo)準(zhǔn)算法的制定與調(diào)整、為考核和決議提供最有效參考資料。

2 MES系統(tǒng)集成的關(guān)鍵因素與技術(shù)

2.1 MES系統(tǒng)集成關(guān)鍵因素

金屬礦山企業(yè)生產(chǎn)區(qū)域大、危險(xiǎn)性大、信息化程度低[11]，涉及到的系統(tǒng)設(shè)備多而龐雜、互通性差、冗余度低，集成難度大，受到諸多因素制約，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中的情況[12-14]，完成整個(gè)MES系統(tǒng)的集成，需要著重從以下三個(gè)方面入手。

（1）需要各廠商協(xié)助提供MES系統(tǒng)相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和規(guī)范，這就對(duì)他們的原生系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)作帶來(lái)一定潛在風(fēng)險(xiǎn)，有的情況下系統(tǒng)和設(shè)備廠商拒絕合作，這就需要有效的溝通和技術(shù)公關(guān)才能克服。

（2）需要甲方單位提供相應(yīng)的足夠詳細(xì)的需求規(guī)范，現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備清單，配備具有一定素質(zhì)水平的對(duì)接人員、輔助工具等，跟蹤掌握系統(tǒng)集成方向和進(jìn)度，提高效率。

（3）需要經(jīng)驗(yàn)豐富且專業(yè)的系統(tǒng)集成工程師團(tuán)隊(duì)以及先進(jìn)的集成技術(shù)與項(xiàng)目管理理念，保障系統(tǒng)集成的可靠性。

2.2 MES系統(tǒng)集成難點(diǎn)與解決方案

根據(jù)系統(tǒng)功用性劃分，現(xiàn)有企業(yè)一般具有若干特定功能的執(zhí)行系統(tǒng)，針對(duì)采礦、選礦過(guò)程涉及到的工序都可能有相應(yīng)的管理系統(tǒng)，將這些離散型的系統(tǒng)作為子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃集成，讓系統(tǒng)間相互關(guān)聯(lián)，就能有效解決信息孤島的問(wèn)題，以此提出金屬礦山MES系統(tǒng)縱向系統(tǒng)集成與橫向系統(tǒng)集成的難題，并給出解決方案。

（1）MES縱向系統(tǒng)集成問(wèn)題。MES縱向系統(tǒng)主要面向PCS與ERP過(guò)程，生產(chǎn)過(guò)程中有大量的原生數(shù)據(jù)且都是多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，而礦山信息化標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重滯后[15]，表現(xiàn)為不同廠商間通訊接口和傳輸協(xié)議不統(tǒng)一，系統(tǒng)平臺(tái)不一致等問(wèn)題。來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)有大量機(jī)電設(shè)備群、各類傳感器、RFID標(biāo)簽、移動(dòng)端輸入等，涉及到的EIP（Ethernet/IP）協(xié)議、RJ45、RS485、ControlNet、CAN、PROFIT-BUS 等多種總線與 ZigBee、RFID、WIFI、4G、5G等無(wú)線通訊制式。按照點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的集成方式，異構(gòu)設(shè)備與應(yīng)用需要不同驅(qū)動(dòng)，異構(gòu)系統(tǒng)間或系統(tǒng)與應(yīng)用需要不同的API，整體構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的通信網(wǎng)，并且需要大量驅(qū)動(dòng)與API支撐，勢(shì)必給集成帶來(lái)很大麻煩?？v向通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

（2）MES橫向系統(tǒng)集成問(wèn)題。MES橫向系統(tǒng)集成，包括SCADA、OEE、EMS、PHM、ECM、WMS以及各類輔助設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)等集成，這些系統(tǒng)是已經(jīng)存在并單獨(dú)運(yùn)行的系統(tǒng)，為MES拓展系統(tǒng)或者平行系統(tǒng)，主要是增強(qiáng)MES執(zhí)行制造系統(tǒng)的適用性與實(shí)用性。MES系統(tǒng)往往引用部分系統(tǒng)功能及數(shù)據(jù)，作為決策參考依據(jù)，集成難點(diǎn)在于跨平臺(tái)。橫向通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示。

現(xiàn)有的系統(tǒng)通訊與數(shù)據(jù)連接的方式也有多種，主要分為硬件連接與軟件連接2類。硬件連接一般是通過(guò)若干組多功能網(wǎng)關(guān)，將異構(gòu)的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的通訊協(xié)議，統(tǒng)一發(fā)送上位機(jī)處理，這種方式簡(jiǎn)單易行，但是需要鋪設(shè)大量線路，成本較高，周期較長(zhǎng)。軟件連接是通過(guò)軟件直接將異構(gòu)的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)化并發(fā)送，這種方式好處在于故障點(diǎn)較少且易于排查。目前廣泛使用的是MQTT、ODBC、OPC等通訊，其中OPC-UA是一種很好的解決方案，具有以下好處。

（1）OPC-UA是一個(gè)不依賴平臺(tái)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其隧道技術(shù)很好地解決DCOM限制問(wèn)題。

（2）可以映射、編碼各種協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)化各個(gè)廠家的系統(tǒng)和設(shè)備接口，使它們可以在網(wǎng)絡(luò)中無(wú)障礙通訊[16]。

（3）支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保證通訊不丟失數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)授權(quán)加密保護(hù)。

根據(jù)金屬礦山MES系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出OPC-UA的通訊連接拓?fù)鋱D，如圖5所示。

3 MES系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)討論

3.1 MES軟件開(kāi)發(fā)方法與模型

軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)常用的方法有原型化方法、結(jié)構(gòu)化方法、面向?qū)ο蠓椒ā⒚嫦蚍?wù)方法等，軟件生命周期模型有瀑布模型、螺旋模型、迭代式模型等[17]，軟件開(kāi)發(fā)需要選擇適合的方法與模型，才能最大效率完成整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程。

金屬礦山行業(yè)存在工況復(fù)雜、系統(tǒng)與設(shè)備種類較多且分布散亂[18]、管理手段落后、用戶需求不明確等因素，宜選用原型化方法與結(jié)構(gòu)化方法結(jié)合開(kāi)發(fā)，提高開(kāi)發(fā)效率與實(shí)用性，以螺旋模型實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)控制，采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多用戶異地訪問(wèn)和控制，滿足現(xiàn)代智能化管理的需求。

3.2 MES軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)與框架

目前主流的B/S模式軟件開(kāi)平臺(tái)是J2EE與Microsoft.Net，在實(shí)際生產(chǎn)都有很多應(yīng)用案例，且能發(fā)揮很好的作用，它們的系統(tǒng)架構(gòu)相似，很難說(shuō)出二者的優(yōu)劣，使用過(guò)程主要取決于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)偏好，通過(guò)對(duì)整體性能與典型網(wǎng)站框架做比較可以得出以下結(jié)論，可供開(kāi)發(fā)人員選擇。

（1）集成的金屬礦山企業(yè)MES系統(tǒng)需要跨平臺(tái)，如現(xiàn)場(chǎng)有大量 Android、IOS、Windows、DOS、UNIX、XENIX、LINUX、NETWARE等系統(tǒng)，采用J2EE平臺(tái)則會(huì)有明顯優(yōu)勢(shì)。

（2）對(duì)性能要求高，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)熟悉.Net的情況下，選擇.NET做出來(lái)的系統(tǒng)更加流暢。

（3）大多數(shù)能用.NET情況下都可以用J2EE，需要對(duì)綜合培訓(xùn)、進(jìn)度成本等因素綜合考量。

表1為綜合性能比較表，圖6為J2EE平臺(tái)MES系統(tǒng)架構(gòu)，圖7為Microsoft.Net平臺(tái)MES系統(tǒng)架構(gòu)。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)模型設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是建立數(shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和建設(shè)中的核心技術(shù)[19]，通常需要通過(guò)繪制 E-R（Entity Relationship Diagram）圖，建立相對(duì)應(yīng)邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并對(duì)邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化，再創(chuàng)建MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)表格，構(gòu)建出金屬礦山數(shù)據(jù)庫(kù)模型，圖8為金屬礦山MES系統(tǒng)E-R圖，圖9為對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)表圖。

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4 結(jié) 論

基于幾家制造業(yè)MES系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐研究，結(jié)合金屬礦山采礦和選礦所涉及到的工藝過(guò)程，提出金屬礦山行業(yè)MES系統(tǒng)建設(shè)方案，旨在為金屬礦山執(zhí)行制造管理提供思路，助力智慧礦山建設(shè)歷程，做了以下工作。

（1）實(shí)現(xiàn)了采礦與選礦全流程分析模型，預(yù)設(shè)計(jì)了MES系統(tǒng)主干功能與詳細(xì)功能，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)規(guī)劃階段提供參考。

（2）總結(jié)出MES系統(tǒng)集成過(guò)程的難點(diǎn)，重點(diǎn)討論了通訊過(guò)程中以O(shè)PC-UA為基礎(chǔ)的解決方案，為系統(tǒng)實(shí)施階段提供依據(jù)。

（3）總結(jié)了軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)與系統(tǒng)框架的選用原則，建立了金屬礦山采—選型MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)模型，為軟件開(kāi)發(fā)的分析與設(shè)計(jì)階段提供思路。