0 引言
制造執行系統(Manufacturing Execution System，簡稱MES)是美國先進制造研究機構AMR(Advanced Manufacturing Research)在90年代初提出的，是ERP／MES／SFC(企業資源計劃系緲制造執行系緲現場控制系統)三層企業信息化模型的核心組成部分，是位于上層的經營管理系統(ERP)與底層的工業控制系統(SFC)之間的面向作業層的管理信息系統。MES根據企業的生產方法和生產工藝，將ERP的生產經營計劃轉化為各車間、各工序的生產作業計劃，實現生產作業的高效組織和各工序的有機銜接；實時收集生產過程中設備的運行狀態、工藝參數、以及產品的產量、質量等信息，為生產現場的動態跟蹤、科學調度以及協調控制提供技術支撐。因此，MES是企業經營管理層與現場作業層之間信息溝通的橋梁，是實現企業經營管理信息化與生產自動化充分融合的關鍵技術舉措。
目前，國外知名企業應用MES系統已經成為普遍現象，我國的鋼鐵、化工等行業走在了MES系統的應用前列，在經營管理與生產作業銜接、優化生產過程、提高產能、降低能耗、保障安全等方面均取得了良好的應用效果。近年來，我國煤礦行業的礦井綜合自動化和經營管理信息化得到了長足的發展，在優化流程、提升效率、資源優化配置、遠程監視、集中控制、保障安全、少人高效等方面取得了明顯的應用效果。與此同時，我國煤礦安全生產執行系統(MES)的發展卻嚴重滯后，導致經營管理信息系統與礦井綜合自動化系統相互獨立、信息割裂，以人工經驗為主的作業計劃編排方式、以報表為主的生產執行跟蹤方式，導致地質構造預測、瓦斯抽放、巷道掘進、綜機配套、安裝準備、采面回采、末采回收等作業環節缺乏有效的銜接性以及與經營管理的聯動性；礦井綜合自動化系統采集的生產運行、設備工況、安全狀況等信息，未能實時、準確傳遞至管理信息網，給各級管理人員的生產過程管控、應急指揮和管理決策帶來了極大的制約。
由于煤礦安全生產的特殊性，導致煤礦無法完全照搬并應用流程行業或離散制造業的MES系統。因此，以MES為理論支撐，積極借鑒國內外其他行業的MES成功經驗，結合煤礦安全生產與經營管理特點，研究并設計煤礦安全生產執行系統(C-MES)，對于促進經營管理信息化與礦井綜合自動化的協調發展，加速煤礦行業的“兩化融合”并有效實現“監、控、管”一體化，推動煤礦企業邁向安全、高產、高效的現代化發展階段，均具有非常重要的指導意義。
1 煤礦企業安全生產的特點
煤礦屬于典型的資源開采型企業，與傳統制造業相比，煤礦生產具有以下顯著的特點。
1)生產作業環境復雜多變。煤礦生產過程中隨時會受到頂板、瓦斯、煤塵爆炸、自然發火、地質災害等威脅，因此，采用智能化監測監控技術與設施，實現對煤礦生產環境的全面、實時監測，以及對重大危險源的有效預控，是煤礦實現安全生產的關鍵舉措，是企業經濟效益得以保證的基礎。
2)煤礦生產過程中涉及到地質勘探及預測、瓦斯抽放、掘進、回采、通風、運輸、供排水、供配電等多個專業，煤礦的安全高效生產取決于各專業作業計劃的有序銜接，以及生產執行過程中各專業的緊密協同。
3)煤礦的現場控制系統由提升監控、運輸監控、通風監控、供配電監控、供排水監控等系統構成，煤礦的安全高產取決于這些監測監控系統的全面整合和集中控制。
煤礦生產環境的特殊性、地質條件的多變性、生產組織的復雜性，決定了安全生產執行系統是煤礦信息化的建設重點。
2 煤礦MES系統應用架構
根據煤礦安全生產特點，煤礦安全生產執行系統位于作業控制層與經營管理層之間，向上與經營管理信息系統有機集成，實時、準確獲取企業經營計劃信息，并按照煤礦安全生產規程以及生產方式和生產工藝，輔助礦井編排地質構造預測、瓦斯抽放、巷道掘進、綜機配套、安裝準備、采面回采、末采回收等各環節的生產作業計劃，指導生產過程中各專業、各環節的有機銜接和緊密配合，實現安全生產的整體優化并保證均衡生產；向下與礦井綜合自動化系統連接，實時采集各工業自動化、安全監測監控、井下人員、產量監控、工業視頻等信息，使企業可以全面、實時、準確掌握安全生產動態，提高企業對作業現場的調度指揮與協調控制能力。
煤礦安全生產執行系統是在礦井綜合自動化和經營管理信息化的基礎支撐下，由數據集成層、業務執行層和綜合監管層共三層應用架構組成，詳見圖1。
圖1 煤礦安全生產執行系統應用架構
1)數據集成層由工業數據采集和經營數據交換組成，其中：工業數據采集主要負責對礦井綜合自動化系統中各監控系統運行狀態、安全狀況、設備工況等信息的實時采集、加工處理，形成生產運行實時監管的真實依據。經營數據交換負責經營管理信息系統與安全生產執行系統之間的數據交換和應用集成，實現經營管理與生產作業的信息融合和管理聯動。
2)在業務執行層，通過生產銜接計劃，完成經營目標向生產作業計劃的有機轉化，實現煤礦安全生產各專業、各環節的有機銜接與協同作業；通過生產調度管理，及時收集產量、進尺、洗選加工、運量、銷量等生產進度信息以及安全狀況信息，并與生產計劃對比分析，及時發現生產作業銜接問題以促進作業過程協同；通過安全風險預控，實現對重大危險源的識別與跟蹤；通過安全隱患管理，實現對安全監督檢查與隱患排查的閉環處理；通過不安全行為管理，全面收集不安全行為并進行預警和處理結果跟蹤；通過生產運行監視，對采集的工業自動化運行狀態、設備運行參數、環境安全狀況和井下人員動態等信息進行加工處理，并以圖形化方式全方位、直觀展示礦井各監控系統的運行狀態、設備工況以及安全狀況，為現場運行監管和調度指揮提供全面的技術支撐。
3)在綜合監管層構建安全生產管理駕駛艙，通過對生產經營計劃、生產作業計劃、生產運行與安全狀況的綜合分析，及時發現經營與生產的銜接、配合問題并協調控制，及時預測設備運行、環境安全、井下人員等風險并有效防控，以提高煤礦的風險預控能力和協調控制能力，進而實現煤礦的“監、控、管”一體化。
3 煤礦MES系統應用功能
根據煤礦安全生產執行系統的應用架構設計，煤礦安全生產執行系統由工程項目管理、生產區隊管理、生產裝備管理、生產銜接計劃、生產調度管理、安全風險預控、安全隱患管理、不安全行為管理、生產運行監視、管理者駕駛艙、工業數據采集、經營數據交換等功能組成，詳見圖2的煤礦MES功能組成。
圖2 煤礦MES系統功能組成
3.1 工程項目管理
根據煤礦安全生產特點，幫助企業根據礦井地質條件，工作面、巷道布局以及工程設計，將礦井生產活動劃分成互為關聯、相互支撐的地質構造預測、瓦斯抽放、巷道掘進、綜機配套、安裝準備、采面回采、末采回收等工程項目，并根據各專業、各環節的施工特點進行施工規劃，作為生產銜接計劃編制和生產作業組織的依據。
3.2 生產區隊管理
實現生產區隊的信息化，并根據各生產區隊的崗位職責、生產能力，并結合工程施工要求，為各工程安排生產區隊，實現各區隊承擔工程的有序銜接并最大化發揮區隊生產能力。
3.3 生產裝備管理
實現生產裝備的信息化，并根據各工程的專業特點及其施工要求進行生產裝備的接續安排，實現生產裝備在各工程之間的有效接續，提高裝備的利用率。
3.4 生產銜接計劃
根據煤礦生產經營目標，采用工程項目管理思想，將生產經營目標分解為互為關聯的各專業、各工序的安全生產作業計劃，指導日常安全生產活動的組織與管理，以各專業、各工序作業計劃之間的聯動控制機制促進生產作業全過程的協同。
3.5 生產調度管理
提供生產匯報的信息化功能，幫助調度人員及時收集各班次的原煤產量、掘進進尺、洗選加工、煤炭外運等生產執行情況以及作業安全狀況，作為煤礦安全生產實際動態的真實依據。提供調度報表的自動生成和傳遞功能，依據生產匯報信息自動生成調度日報、調度旬報、調度月報，并依據崗位職責完成各報表的自動傳遞，為煤礦各級管理者及時掌握安全生產動態并進行管理決策提供支持。
3.6 安全風險預控
建立風險數據庫，以及風險識別、風險監測、風險評估、風險預警、風險處理跟蹤的閉環管理機制，通過對重大危險源的有效識別、實時監測、評估預警和處理跟蹤，實現對安全風險的超前預控，以預防各種安全事故的發生。
3.7 安全隱患管理
建立安全隱患認定、分類、分級、排查處理的標準數據庫，實現對安全隱患的科學認定、智能歸類、自動上報、實時跟蹤的閉環管理機制，幫助煤礦全面、及時收集安全監督檢查所反饋的各類安全隱患信息，并對排查結果進行實時跟蹤，指導隱患消除，提高安全隱患管理水平。
3.8 不安全行為管理
通過與人員定位系統集成，實現對領導跟班、帶班情況以及作業人員脫崗情況動態管理，以加強領導跟班帶班制度的貫徹落實，保證重要崗位的人員值守。及時收集各級安監人員發現的三違情況，通過對三違信息的多維分析，幫助企業發現不安全行為的發生規律與趨勢，以便針對性治理。
3.9 生產運行監視
實時組織、加工、處理數據采集器采集的各工業自動化運行狀態和設備運行參數等信息，提供各級管理者在管理網中以Web方式隨時監視主運輸監控、副井提升監測、井下排水泵房監控、主通風監控壓風機監控、礦井水處理監控、綜采工作面監控、火災束管監測、礦壓在線監測等系統的運行動態和相關設備運行參數，進而提高作業現場的管控能力和應急指揮能力。
3.10 工業數據采集
數據采集平臺提供OPC、ODBC／JDBC和文件共三種數據采集引擎，通過基于OPC協議的數據采集與轉換引擎，實時讀取礦井提升、運輸、供電、壓風等自動化系統的控制信號以及設備工況參數，通過加工、轉換并存儲于關系型數據庫，作為運行監管和工況分析的依據；通過基于ODBC／JDBC協議的數據交換引擎，實現對安全監測監控系統、井下人員定位系統的數據采集和加工處理。通過基于文件讀寫協議，實現對產量監控等系統數據的采集和利用。
3.11 經營數據交換
提供基于JMS異步消息機制的數據交換引擎，實時獲取經營管理信息系統的經營管理、物資供應、煤炭運銷等信息，作為安全生產執行系統中生產作業計劃編制、生產調度指揮和執行過程跟蹤的依據；及時將安全生產動態執行信息反饋至經營管理信息系統，以便煤礦根據生產作業安排進行物資供應、運輸安排、經營考核。
3.12 管理者駕駛艙
根據煤礦企業安全生產特點，構建融綜合分析、預警處理于一體的安全生產管理駕駛艙。通過安全管理駕駛艙，對工業自動化運行狀態、設備運行參數、環境安全狀況和井下人員動態進行綜合分析和風險預警，提醒管理人員及時檢查并針對性的預防處理，將安全隱患消滅于萌芽中，促使安全生產管理從被動管理向主動管理轉變。同時，建立數據倉庫，實現對生產產量、進尺、運輸銷售、大型設備以及其他生產過程管理信息化數據的全面分析，掌握生產動態規律，為各級管理者全面、直觀、準確掌握安全生產動態并進行組織協調和調度指揮提供技術支撐。
4 煤礦MES系統實現技術
根據煤礦安全生產與經營特點，煤礦安全生產執行系統的技術實現，采用OPC技術實現對生產自動化運行動態及設備工況數據的實時采集，采用JMS技術實現對安全監測監控、人員定位的數據采集以及與經營管理信息系統的數據交換，采用FLEX技術實現對生產運行動態的圖形化展現，采用OLAP技術實現對安全生產數據的多維分析。
4.1 采用OPC技術實現對工業數據的實時采集
實時采集提升、通風、運輸、供配電等生產自動化系統的運行動態和設備工況，是煤礦安全生產執行系統實現對生產運行動態可視化監管的關鍵。通過對煤礦主流生產自動化系統應用現狀的調查分析，煤礦安全生產執行系統應采用OPC技術，完成對礦井綜合自動化信息的實時采集。
OPC(OLE for Process Control，用于過程控制的OLE)是一個工業標準，管理這個標準國際組織是OPC基金會，OPC基金會現有會員已超過220家。遍布全球，包括世界上所有主要的自動化控制系統、儀器儀表及過程控制系統的公司。基于微軟的OLE(現在的Active X)、COM(部件對象模型)和DCOM(分布式部件對象模型)技術。OPC包括一整套接口、屬性和方法的標準集，用于過程控制和制造業自動化系統。
4.2 采用JMS技術實現與經營信息的共享與交換
采用JMS技術，實現煤礦安全生產執行系統與經營管理信息系統的數據交換和應用集成，實時獲取經營信息，有效指導生產作業的組織與安排，及時反饋生產執行動態信息，形成從經營計劃、作業計劃到作業執行動態反饋、再到調度控制的信息流閉環控制體系，是煤礦安全生產執行系統實現“監、控、管”一體化的核心目標。
JMS即Java消息服務(Java Message Service)，是Java平臺中關于面向消息中間件(MOM)的API，用于在兩個應用程序之間，或分布式系統中發送消息，進行異步通信。Java消息服務是一個與具體平臺無關的API，絕大多數MOM提供商都對JMS提供支持，能夠有效解決煤礦異構系統間的數據交換問題。
4.3 采用Flex技術實現對運行動態的可視化展現
充分利用實時采集的生產自動化運行動態、設備工況、安全狀況等信息，按照煤礦安全生產方式和生產工藝，采用Flex技術構建圖形化的安全生產運行監管平臺，以實現安全生產的過程可視化。
Flex是一個高效、免費的開源框架，可用于構建具有豐富表現力的Web應用程序，利用Adobe Flash Player和Adobe AIR，可以方便構建圖形化展示界面，并支持跨瀏覽器、桌面和操作系統的一致性部署。因此，Flex的圖形化展示與界面組織能力可以有效解決煤礦生產自動化系統多、信息組織難等問題。
4.4 采用OLAP技術實現對安全生產數據的多維分析
采用OLAP數據分析技術，通過對實時采集的安全生產動態以及經營管理信息的全方位分析，幫助企業及時發現安全生產執行過程中的各種問題與風險，以加強生產過程的調度協調能力以及風險預控能力。
5 結語
煤礦是國民經濟的基礎產業，生產過程中涉及到地質勘探及預測、瓦斯抽放、掘進、回采、通風、運輸、供排水、供配電等多個專業的協同與配合。同時，煤礦是高危行業，生產過程中會受到頂板、瓦斯、煤塵爆炸、自然發火、地質災害等威脅，因此，裝備現代化、監測智能化、生產自動化、管理信息化是煤礦安全高產高效的根本出路。以MES為理論支撐，積極借鑒國內外先進行業MES成功應用經驗，結合煤礦安全生產特點，研究并實施煤礦安全生產執行系統，通過礦井綜合自動化與經營管理信息化的有機融合，實現煤礦安全生產各專業、各環節的有機銜接并緊密配合，實時、全面、準確掌握安全生產動態并對作業過程進行有效管控和整體優化，既是煤礦安全高產高效的需要，也是煤礦企業信息化的發展方向。
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