楊克虎 鄒 甲 程 紅

中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 北京 100083

建設(shè)煤礦MES實(shí)驗(yàn)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(guó)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(shí)驗(yàn)室對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室建設(shè)

制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,以下簡(jiǎn)稱MES)的概念是美國(guó)咨詢公司AMR(Advanced Manufacturing Research)于1990年首次提出的。MES是位于上層計(jì)劃管理與底層工業(yè)控制之間，面向車間制造過(guò)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(lái)國(guó)內(nèi)外圍繞MES所進(jìn)行的研究和應(yīng)用已取得不少成果。自動(dòng)化領(lǐng)域的國(guó)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(jī)，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(guó)內(nèi)的情況來(lái)看，MES領(lǐng)域仍然以研究居多，大都為實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，離商品化還有較長(zhǎng)一段距離；從應(yīng)用方面來(lái)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(bào)道，然而這些應(yīng)用仍然屬于示范試驗(yàn)性質(zhì)的，尚不具備大規(guī)模推廣的條件。制造業(yè)運(yùn)行模式的演變和信息技術(shù)的進(jìn)步必將使得MES逐步成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)活動(dòng)和經(jīng)營(yíng)活動(dòng)有效集成、優(yōu)化運(yùn)行、控制與管理的橋梁和紐帶,是提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要技術(shù)之一。

一、建設(shè)煤礦MES實(shí)驗(yàn)室的必要性和迫切性

在21世紀(jì)前50年內(nèi)，世界能源的發(fā)展趨勢(shì)仍將以化石燃料為主。根據(jù)我國(guó)資源狀況的基本特點(diǎn)（富煤、貧油、少氣）和煤炭在能源生產(chǎn)及消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例，以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。建國(guó)以來(lái)，煤炭在我國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)中的比例長(zhǎng)期占70%以上，在將來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，我國(guó)仍然會(huì)持續(xù)加大對(duì)煤礦的投資和建設(shè)。中國(guó)煤炭行業(yè)規(guī)劃在2010年建立6～8個(gè)億噸級(jí)企業(yè)集團(tuán)、8～10個(gè)5000萬(wàn)噸級(jí)企業(yè)集團(tuán)，其中10個(gè)千萬(wàn)噸的現(xiàn)代化礦井以及10個(gè)千萬(wàn)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(dá)到22.4億噸，要求大型煤礦的生產(chǎn)機(jī)械化水平達(dá)到95%，中型煤礦達(dá)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(jī)遇。國(guó)內(nèi)大中型煤炭生產(chǎn)企業(yè)，在實(shí)施以資本投資拉動(dòng)的跨越式增長(zhǎng)的同時(shí)，越來(lái)越關(guān)注穩(wěn)定礦區(qū)生產(chǎn)規(guī)?；A(chǔ)上的精細(xì)化運(yùn)營(yíng)管理。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)作為我國(guó)煤炭行業(yè)的最高學(xué)府，在國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)發(fā)揮指導(dǎo)作用。實(shí)驗(yàn)室的申建單位——中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)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(dòng)化以及礦山智能監(jiān)控等領(lǐng)域有著較強(qiáng)的實(shí)力；而合作方—施耐德電氣作為全球電力及自動(dòng)化控制行業(yè)的領(lǐng)袖，致力于通過(guò)生產(chǎn)管理系統(tǒng)及持續(xù)改善的技術(shù)來(lái)幫助煤炭和礦業(yè)客戶提升商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率、設(shè)備利用率持續(xù)改善等目標(biāo)，提高生產(chǎn)過(guò)程的可視化水平。通過(guò)此次強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，希望能為國(guó)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(shí)現(xiàn)“節(jié)能、高效”的目標(biāo)服務(wù)。

因此，建設(shè)面向煤炭行業(yè)的MES專業(yè)實(shí)驗(yàn)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(duì)我國(guó)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(shí)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(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路

結(jié)合中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建設(shè)一流能源科技大學(xué)的社會(huì)定位，體現(xiàn)煤炭行業(yè)特色，模擬實(shí)際生產(chǎn)情況，結(jié)合特色專業(yè)以及北京市實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路，提出了以MES礦業(yè)綜合配電及自動(dòng)化解決方案為基礎(chǔ)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案。該方案有以下一些特點(diǎn)：

1.體現(xiàn)行業(yè)特色，把MES系統(tǒng)平臺(tái)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(tái)。

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

3.礦山自動(dòng)化高端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和中低壓配電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合。

4.模擬實(shí)際的生產(chǎn)情況，對(duì)學(xué)生或者煤礦現(xiàn)場(chǎng)工作人員起到認(rèn)知、參觀演示、培訓(xùn)及科研等作用。

以節(jié)能增效為目標(biāo)，結(jié)合MES系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)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(dòng)化水平。

三、實(shí)驗(yàn)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(dòng)化控制系統(tǒng)理念，建設(shè)針對(duì)礦井監(jiān)控的系統(tǒng)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體的結(jié)構(gòu)說(shuō)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(guò)以太網(wǎng)連接運(yùn)行層各操作位。

2.監(jiān)控和操作平臺(tái)由多臺(tái)微機(jī)組成，內(nèi)裝MES客戶端軟件，通過(guò)以太網(wǎng)連接控制層PLC以及低壓配電設(shè)備，對(duì)整個(gè)礦井設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和操作。

3.控制層使用施耐德電氣高端的Quantum雙機(jī)熱備系統(tǒng)作為現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，通過(guò)Modbus TCP/IP總線連接設(shè)備層控制單元，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)HMI可以實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)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(tái)

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

5.設(shè)備層的自動(dòng)化平臺(tái)部分：

(1)ATV61，ATV71變頻器，Tesys U電機(jī)控制器作為施耐德主流的電機(jī)控制設(shè)備，可以對(duì)礦井提升機(jī)，風(fēng)機(jī)等多種傳動(dòng)設(shè)備進(jìn)行有效控制；

(2)對(duì)變頻器以及電機(jī)端有相應(yīng)的斷路器，接觸器等電機(jī)控制和保護(hù)配電系統(tǒng)；

(3)另外通過(guò)Quantum遠(yuǎn)程IO連接井筒傳感器，接近開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)等設(shè)備，全方位對(duì)礦井系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

6.設(shè)備層的低壓配電平臺(tái)部分：

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

(2)PM800系列電力參數(shù)測(cè)量?jī)x是高性能的監(jiān)測(cè)儀表，可提供監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備所需的各種測(cè)量功能。它具有易讀的大液晶顯示屏，可同時(shí)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，單?dú)控制或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組成大型系統(tǒng)進(jìn)行整體控制。

8.在設(shè)備層的底部，可以根據(jù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有礦井模擬控制對(duì)象以及將來(lái)需要開(kāi)發(fā)的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整變化。

四、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)如下幾大類的課程：

1.結(jié)合礦山自動(dòng)化高端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，滿足電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、電力電子與電力傳動(dòng)、檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置等電氣專業(yè)高年級(jí)本科、研究生的教學(xué)科研要求；同時(shí)滿足煤炭企業(yè)相關(guān)的自動(dòng)化、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、傳動(dòng)等培訓(xùn)要求。擬開(kāi)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(cè)技術(shù)》類相關(guān)課程；

(3)《電力電子與電力拖動(dòng)》類相關(guān)課程；

(4)《運(yùn)動(dòng)控制》和《現(xiàn)場(chǎng)總線》類相關(guān)課程；

(5)通過(guò)管理型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，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(shí)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(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)生競(jìng)賽平臺(tái)使用。

2.結(jié)合煤礦低壓配電監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)Modbus總線將電網(wǎng)相關(guān)的執(zhí)行、保護(hù)、測(cè)量單元連接成網(wǎng)絡(luò)，可供相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生，研究生進(jìn)行煤礦供電系統(tǒng)研究，NSX智能型塑殼開(kāi)關(guān)可下掛底層的礦山配電系統(tǒng)（照明，電機(jī)）模擬對(duì)象。PM表對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行繼保以及電能質(zhì)量管理等實(shí)驗(yàn)。擬開(kāi)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(dòng)化》類相關(guān)課程。

3.結(jié)合MES高級(jí)研發(fā)平臺(tái)，通過(guò)環(huán)形以太網(wǎng)，將由MES平臺(tái)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(lái)，聯(lián)接成一個(gè)完整的、大型的控制平臺(tái)，組成具有研發(fā)性質(zhì)的高端礦井系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)，充分體現(xiàn)MES在礦業(yè)生產(chǎn)中的核心價(jià)值，用于本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)、研究生課題、以及教師科研平臺(tái)，并可作為“煤礦綜采工作面生產(chǎn)控制系統(tǒng)”的一個(gè)重要的，具有行業(yè)特色的有機(jī)組成部分。

4.結(jié)合RFID無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)，展開(kāi)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(yǔ)

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）—施耐德電氣MES實(shí)驗(yàn)室的籌建工作正在進(jìn)行當(dāng)中，相信該實(shí)驗(yàn)室的建成，必將對(duì)我校實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)具有煤礦特色的高技術(shù)人才的目標(biāo)具有重要的推動(dòng)作用，同時(shí)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(guó)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。

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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(huì)共建項(xiàng)目專項(xiàng)資助（北京市特色專業(yè)基金及北京市實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心基金）。