金属矿山采—选型MES系统的框架实现与关键技术_宋朋.pdf

收稿日期2019-12-30 作者简介宋朋 （1991） ， 男， 硕士研究生。 金属矿山采选型MES系统的框架实现 与关键技术 宋朋 1 许晖 1， 2 范学峰 1， 2 舒先亮 31 （1. 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司， 安徽 马鞍山243000； 2. 金属矿山安全与国家重点实验室， 安徽 马鞍山243000； 3. 贵州盘江民爆有限公司； 贵州 贵阳551400） 摘要金属矿山智能信息化程度低， 生产过程中信息阻塞严重， 健全执行制造系统有利于信息的流通， 对智 慧矿山的建设进程具有重要意义。根据数家矿山企业调查研究， 阐述了 MES系统的关键性地位， 提出基于 ERP/ MES/PCS三层架构的金属矿山现代集成制造系统框架模型， 探讨了MES系统与ERP和PCS 集成的关键技术， 提出 了矿山MES系统功能模块架构， 分析归纳了J2EE与.net的开发平台的选用与各自开发架构， 建立E-R模型并设计 出关系数据库模型， 实现金属矿山采选型MES系统功能框架的顶层设计， 对MES系统的建设提供理论依据。 关键词金属矿山MES系统框架集成开发顶层设计 中图分类号TD672文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -04-135-07 DOI10.19614/ki.jsks.202004021 Framework Implementation and Key Technologies of MES System for Mining-Beneficiation in Metal Mines Song Peng 1 Xu Hui 1， 2 Fan Xuefeng 1， 2 Shu Xianliang3 （1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Maanshan 243000， China； 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines， Maanshan 243000， China； 3. Guizhou Panjiang Civil Explosive Co.， Ltd.， Guiyang 551400， China） AbstractDue to low efficiency in intelligent inationization of metal mines and serious ination blockage in the production process，the implementation of manufacturing system is conducive to the ination circulation，which is of great significance to the construction process of intelligent mines. According to the investigation and research of several min- ing enterprises，the key position of MES system is expounded. A framework model of modern integrated manufacturing sys- tem for metal mines based on three-tier architecture of ERP/MES/PCS is proposed. The key technologies of integration of MES system with ERP and PCS are discussed. Meanwhile，the functional module framework of MES system for mines is pro- posed and the selection of J2EE and. net development plats and their respective development frameworks are analyzed and summarized to establish the E-R model and then design the relational database model. By this way ，the top-level design of MES system functional framework for mining-type selection in metal mines can be realized，thus providing theoretical ba- sis for the construction of MES system. KeywordsMetal mine， MES system framework， Integration， Development， Top-level design MES 系统 （Manufacturing cution system） 作为 企业上层ERP系统和底层PCS系统的中间环节， 是 至关重要的信息交互纽带 ［1］。一方面 MES 系统将 ERP下发的任务合理分配到各职能部门， 另一方面及 时上传PCS的现场数据信息， 并反馈给ERP分析决 策， 以便精细化管理流程进度、 成本核算、 产品质量、 资源配置和财务信息等。金属矿山行业投资巨大 ［2］、 业务覆盖面广、 收益率低、 回收期长， 既包括单一类 型的采矿、 选矿、 冶炼企业， 也包括采选、 选冶以及采 选冶联合企业 ［3］， 行业结构复杂， 管理水平相对制造 业比较滞后， 资源浪费严重。随着智慧矿山等现代 矿山建设理念的深入 ［4-6］， 近些年不少矿企也逐渐引 进MES， 实现工艺设计、 计划编排、 人员调度及生产 控制等的优化， 但是整体业务流程仍不尽合理， 缺少 总第 526 期 2020 年第 4 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 526 April 2020 135 ChaoXing 统一规划的信息平台， 部门之间 “信息孤岛” 严重 ［7］， 迫切需要开发出适合现行行业特色的MES系统。 本文通过对金属矿山全流程模型的研究， 以采 矿和选矿流程为例， 整体设计执行制造系统功能框 架， 探讨关键技术解决方案， 为采选型金属矿山 MES系统的建设提供设计依据。 1金属矿山ERP/MES/PCS三层架构的现代 集成制造系统模型 1. 1金属矿山采选执行制造流程分析 现代金属矿山行业经过长久的发展， 从最初的 采矿工作到最终选出精矿已经拥有较为成熟的工艺 流程和生产规范 ［8-10］， 因此对于MES系统的建设具有 相对明确的需求分析与较为全面的理论设计基础。 分别分析MES整体协作流程和M执行计划流程， 可 以清晰地认识整个流程过程， 绘制对采选型执行 制造系统流程如图1所示。 （1） 整体协作流程。ERP下发计划指令， MES系 统制作采矿、 选矿、 辅助作业环节协同执行指令， 过 程控制系统实施指令。整个过程中， PCS系统将现场 的设备、 人员、 物料、 资源、 库存、 物流等详细数据信 息上传到MES系统， MES系统经过对比、 统计、 分析 得出质量、 成本、 进度、 资源等状态信息反馈给ERP， ERP再通过对数据的提取分析， 针对整个过程再次下 发计划指令， 促进工序质量优化、 成本缩减、 进度控 制， 资源人员再分配， 以达到全流程工序的优化。 （2） MES执行计划流程。MES执行计划流程包括 采矿作业计划、 选矿作业计划、 辅助环节计划3个部 分。在采矿流程中包含地质勘测、 穿孔、 爆破、 铲运、 采破、 车运、 皮带运输、 进出矿仓、 排岩等工序， 选矿流 程包含破碎、 筛分、 磨矿、 选别、 分级、 浮选、 过滤、 回收 等工序， 辅助环节包含机电、 机修、 点检、 运输、 施工、 人员调度、 采矿与选矿辅助环节等。将事务流程按照 合同工期或者项目管理要求制定执行计划， 标量化、 可视化处理各个流程， 提高生产管理效率。 1. 2金属矿山采选型MES系统功能设计 根据模块化设计方法， 综合考虑MES系统流程， 将金属矿山MES系统分为面向PCS过程功能、 面向 ERP过程功能， 面向MES自身过程功能， 主干功能结 构如图2所示。 （1） 面向PCS过程功能。事务计划排程 包括项 金属矿山2020年第4期总第526期 136 ChaoXing 宋朋等 金属矿山采选型MES系统的框架实现与关键技术 目算法管理与甘特图绘制、 流程事务规则制定与走 向、 流程事务容量与能力核算、 订单组批与事务编排 计划优化、 辅助事务管理等， 主要作用是制定、 评估 计算、 编排、 优化单个事务过程。执行监控管理 包 括流程事务所有数据的采集、 统计、 预警与存储、 生 产与安全视频监控管理、 门禁管理等， 主要作用是现 场数据与视频信息的提取， 为分析管理提供支持。 综合调度 包括调度优化算法、 现场需求调度、 紧急 事务调度、 资源故障调度、 人力资源调度等， 主要作 用是保障正常与非正常事务需求， 辅助作业计划。 （2） 面向自身过程功能。资源管理 包括资源数 据库管理 （名目、 出入库量、 库存、 去向、 回收、 折损等 信息报表） 、 设备状态总览信息、 设备迁移与维修保 养记录等， 主要作用是实现设备资源的点检与全生 命周期的跟踪管理， 使设备具有可追溯性， 减少资源 浪费。成本管理 包括成本管理数据库 （成品单耗、 辅助物料成本、 直接成本、 间接成本、 价格管理、 成本 分析、 成本核算、 成本报表等） 、 成本信息总览与调 控， 主要是为了明确工序成本支出， 优化成本比例， 使生产过程消费 “有本可依” 。质量管理 包括质量 管理数据库 （质量样本采集、 质量检测、 质量结果、 质 量问题分类、 质量报表等） 、 质量问题控制、 解决、 反 馈等， 确保质量合格和质量问题得以有效解决。进 度管理 包括进度管理数据库 （计划进度、 实际进度、 进度比较、 进度控制、 进度甘特图等） 、 进度算法调 整、 紧急跟进方案等， 确保工程进度按时跟进， 保证 项目工期稳定。 （3） 面向ERP过程功能。ERP指令计划 包括订 单信息获取、 ERP计划指令读取、 任务分配计划制定、 数据信息交换等， 主要用来和ERP连接进行数据交 换， 获取下发订单任务与分配订单任务。大数据分 析 包括统计报表与图表管理、 大数据分析等， 为决 策提供现场实际数据支持。智慧决策 包括汇总大 数据分析结果、 各项考核标准算法的制定与调整、 为 考核和决议提供最有效参考资料。 2MES系统集成的关键因素与技术 2. 1MES系统集成关键因素 金属矿山企业生产区域大、 危险性大、 信息化程 度低 ［11］， 涉及到的系统设备多而庞杂、 互通性差、 冗 余度低， 集成难度大， 受到诸多因素制约， 根据现场 与开发过程中的情况 ［12-14］， 完成整个 MES系统的集 成， 需要着重从以下三个方面入手。 （1） 需要各厂商协助提供MES系统相关系统和 设备的技术参数和规范， 这就对他们的原生系统或 设备的运作带来一定潜在风险， 有的情况下系统和 设备厂商拒绝合作， 这就需要有效的沟通和技术公 关才能克服。 （2） 需要甲方单位提供相应的足够详细的需求 规范， 现有系统设备清单， 配备具有一定素质水平的 对接人员、 辅助工具等， 跟踪掌握系统集成方向和进 度， 提高效率。 （3） 需要经验丰富且专业的系统集成工程师团 队以及先进的集成技术与项目管理理念， 保障系统 集成的可靠性。 2. 2MES系统集成难点与解决方案 根据系统功用性划分， 现有企业一般具有若干 特定功能的执行系统， 针对采矿、 选矿过程涉及到的 工序都可能有相应的管理系统， 将这些离散型的系 统作为子系统进行统一规划集成， 让系统间相互关 联， 就能有效解决信息孤岛的问题， 以此提出金属矿 山MES系统纵向系统集成与横向系统集成的难题， 并给出解决方案。 （1） MES 纵向系统集成问题。MES 纵向系统主 要面向PCS与ERP过程， 生产过程中有大量的原生 数据且都是多源异构数据， 而矿山信息化标准严重 滞后 ［15］， 表现为不同厂商间通讯接口和传输协议不 统一， 系统平台不一致等问题。来自现场有大量机 电设备群、 各类传感器、 RFID标签、 移动端输入等， 涉及到的EIP （Ethernet/IP）协议、 RJ45、 RS485、 Con- trolNet、 CAN、 PROFIT-BUS 等多种总线与 ZigBee、 RFID、 WIFI、 4G、 5G 等无线通讯制式。按照点对点 的集成方式， 异构设备与应用需要不同驱动， 异构系 统间或系统与应用需要不同的 API， 整体构成了一 个复杂的通信网， 并且需要大量驱动与API支撑， 势 必给集成带来很大麻烦。纵向通信网络拓扑图如图 3所示。 （2） MES横向系统集成问题。MES横向系统集 成， 包括SCADA、 OEE、 EMS、 PHM、 ECM、 WMS以及各 类辅助设计制造系统等集成， 这些系统是已经存在 并单独运行的系统， 为MES拓展系统或者平行系统， 主要是增强MES执行制造系统的适用性与实用性。 2020年第4期 137 ChaoXing MES系统往往引用部分系统功能及数据， 作为决策 参考依据， 集成难点在于跨平台。横向通信网络拓 扑图如图4所示。 现有的系统通讯与数据连接的方式也有多种， 主要分为硬件连接与软件连接2类。硬件连接一般 是通过若干组多功能网关， 将异构的通讯协议转换 为统一的通讯协议， 统一发送上位机处理， 这种方式 简单易行， 但是需要铺设大量线路， 成本较高， 周期 较长。软件连接是通过软件直接将异构的通讯协议 转化并发送， 这种方式好处在于故障点较少且易于 排查。目前广泛使用的是 MQTT、 ODBC、 OPC 等通 讯， 其中OPC-UA是一种很好的解决方案， 具有以下 好处。 （1） OPC-UA 是一个不依赖平台的工业标准， 其 隧道技术很好地解决DCOM限制问题。 （2） 可以映射、 编码各种协议， 标准化各个厂家 的系统和设备接口， 使它们可以在网络中无障碍通 讯 ［16］。 （3） 支持复杂的数据结构， 保证通讯不丢失数 据， 对数据授权加密保护。 根据金属矿山MES系统的特点， 提出OPC-UA的 通讯连接拓扑图， 如图5所示。 3MES系统开发的关键技术讨论 3. 1MES软件开发方法与模型 软件系统的开发常用的方法有原型化方法、 结 构化方法、 面向对象方法、 面向服务方法等， 软件生 命周期模型有瀑布模型、 螺旋模型、 迭代式模型 等 ［17］， 软件开发需要选择适合的方法与模型， 才能最 大效率完成整个开发过程。 金属矿山行业存在工况复杂、 系统与设备种类 较多且分布散乱 ［18］、 管理手段落后、 用户需求不明确 等因素， 宜选用原型化方法与结构化方法结合开发， 提高开发效率与实用性， 以螺旋模型实现风险控制， 采用B/S （浏览器/服务器） 架构模式， 实现系统多用户 异地访问和控制， 满足现代智能化管理的需求。 3. 2MES软件开发平台与框架 目前主流的 B/S模式软件开平台是 J2EE与 Mi- crosoft.Net， 在实际生产都有很多应用案例， 且能发挥 很好的作用， 它们的系统架构相似， 很难说出二者的 优劣， 使用过程主要取决于现场环境与开发团队偏 好， 通过对整体性能与典型网站框架做比较可以得 出以下结论， 可供开发人员选择。 （1） 集成的金属矿山企业MES系统需要跨平台， 如现场有大量 Android、 IOS、 Windows、 DOS、 UNIX、 XENIX、 LINUX、 NETWARE等系统， 采用J2EE平台则 会有明显优势。 （2） 对性能要求高， 开发团队熟悉.Net的情况下， 选择.NET做出来的系统更加流畅。 （3） 大多数能用 .NET情况下都可以用 J2EE， 需 要对综合培训、 进度成本等因素综合考量。 表 1 为综合性能比较表， 图 6 为 J2EE 平台 MES 系统架构， 图7为Microsoft.Net平台MES系统架构。 3. 3数据库模型设计 数据库设计是建立数据库及其应用系统的基 础， 是信息系统开发和建设中的核心技术 ［19］， 通常需 要通过绘制 E-R （Entity Relationship Diagram） 图， 建 金属矿山2020年第4期总第526期 138 ChaoXing 立相对应逻辑数据结构， 并对逻辑数据结构设计反 复进行优化， 再创建 MES 系统数据库表格， 构建出金 属矿山数据库模型， 图 8 为金属矿山 MES 系统 E-R 图， 图9为对应数据库表图。 4结论 基于几家制造业 MES 系统的现场工程实践研 究， 结合金属矿山采矿和选矿所涉及到的工艺过程， 提出金属矿山行业MES系统建设方案， 旨在为金属 矿山执行制造管理提供思路， 助力智慧矿山建设历 程， 做了以下工作。 宋朋等 金属矿山采选型MES系统的框架实现与关键技术2020年第4期 139 ChaoXing （1） 实现了采矿与选矿全流程分析模型， 预设计 了MES系统主干功能与详细功能， 为系统开发的系 统规划阶段提供参考。 （2） 总结出MES系统集成过程的难点， 重点讨论 了通讯过程中以OPC-UA为基础的解决方案， 为系统 实施阶段提供依据。 （3） 总结 了软件开发平台与系统框架的选用原 则， 建立了金属矿山采选型MES系统数据库模型， 为软件开发的分析与设计阶段提供思路。 参 考 文 献 余建国， 冯梅琳. 金属矿山制造执行管理系统的设计与开发研 究 ［J］ .制造业自动化， 2014， 36 （4） 52-57. 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