建设煤矿MES实验室，培养具有矿业特色的创新型人才*

杨克虎 邹 甲 程 红

中国矿业大学 北京 100083

建设煤矿MES实验室，培养具有矿业特色的创新型人才*

杨克虎 邹 甲 程 红

中国矿业大学 北京 100083

本文阐述了建设面向煤矿的制造执行系统专业实验室对煤矿企业从“大量生产、大量消耗、大量废弃”向“循环化、集约化、生态化”的生产模式转型以及培养具有矿业特色的创新型人才的必要性和迫切性，提出了我校煤矿MES实验室的建设思路以及具体的建设方案。

制造执行系统；MES；实验室建设

制造执行系统(Manufacturing Execution System,以下简称MES)的概念是美国咨询公司AMR(Advanced Manufacturing Research)于1990年首次提出的。MES是位于上层计划管理与底层工业控制之间，面向车间制造过程管理与控制的信息系统。MES一经提出便得到了学术界和工业界的广泛关注，近年来国内外围绕MES所进行的研究和应用已取得不少成果。自动化领域的国际著名厂商(例如施耐德电气、西门子、Honeywell等)也都提出了面向各种行业应用的MES解决方案,并以此为契机，逐渐向上层的管理信息系统领域延伸自己的产品线。就目前国内的情况来看，MES领域仍然以研究居多，大都为实验室产品，离商品化还有较长一段距离；从应用方面来看,MES已经使用在了石油、化工、烟草、造纸等行业，在煤炭行业也有相关的应用报道，然而这些应用仍然属于示范试验性质的，尚不具备大规模推广的条件。制造业运行模式的演变和信息技术的进步必将使得MES逐步成为企业实现生产活动和经营活动有效集成、优化运行、控制与管理的桥梁和纽带,是提高企业核心竞争力的重要技术之一。

一、建设煤矿MES实验室的必要性和迫切性

在21世纪前50年内，世界能源的发展趋势仍将以化石燃料为主。根据我国资源状况的基本特点（富煤、贫油、少气）和煤炭在能源生产及消费结构中的比例，以煤炭为主体的能源结构在相当长一段时间内不会改变。建国以来，煤炭在我国一次能源生产和消费中的比例长期占70%以上，在将来相当长的一段时期内，我国仍然会持续加大对煤矿的投资和建设。中国煤炭行业规划在2010年建立6～8个亿吨级企业集团、8～10个5000万吨级企业集团，其中10个千万吨的现代化矿井以及10个千万吨的现代化露天矿。为了确保2010年大型煤炭基地产量达到22.4亿吨，要求大型煤矿的生产机械化水平达到95%，中型煤矿达到80%。因而目前煤炭以及矿业面临着从“大量生产、大量消耗、大量废弃”向“循环化、集约化、生态化”的生产模式转型的挑战和发展机遇。国内大中型煤炭生产企业，在实施以资本投资拉动的跨越式增长的同时，越来越关注稳定矿区生产规模基础上的精细化运营管理。

中国矿业大学作为我国煤炭行业的最高学府，在国内煤炭行业的生产模式转型的过程中应当发挥指导作用。实验室的申建单位——中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院信息与电气工程系在矿山供电、矿山综合自动化以及矿山智能监控等领域有着较强的实力；而合作方—施耐德电气作为全球电力及自动化控制行业的领袖，致力于通过生产管理系统及持续改善的技术来帮助煤炭和矿业客户提升商业竞争力。他们所倡导的MES以及生产管理解决方案、服务及产品能够帮助客户有效地实现生产效率、设备利用率持续改善等目标，提高生产过程的可视化水平。通过此次强强联手，希望能为国内煤炭行业的生产模式转型提供助力，为煤炭行业实现“节能、高效”的目标服务。

因此，建设面向煤炭行业的MES专业实验室，培养掌握MES技术的具有矿业特色的创新型人才，对我国煤炭以及矿业从“大量生产、大量消耗、大量废弃”向“循环化、集约化、生态化”的生产模式转型具有重要的意义，同时也是我校着力打造“能源工业精英教育体系”所不可或缺的一环。

二、实验室建设思路

结合中国矿业大学建设一流能源科技大学的社会定位，体现煤炭行业特色，模拟实际生产情况，结合特色专业以及北京市实验教学示范中心的教学科研要求，配合“煤矿综采工作面生产控制系统”实验室的设计思路，提出了以MES矿业综合配电及自动化解决方案为基础的联合实验室建设方案。该方案有以下一些特点：

1.体现行业特色，把MES系统平台引入到“煤矿综采工作面生产控制系统”中，作为矿井监控系统的平台。

2.涵盖信息与电气工程系的几个特色专业，如电力系统及其自动化、电力电子与电力传动、检测技术与自动化装置、控制理论与控制工程等。

3.矿山自动化高端实验平台和中低压配电实验平台相结合。

4.模拟实际的生产情况，对学生或者煤矿现场工作人员起到认知、参观演示、培训及科研等作用。

以节能增效为目标，结合MES系统平台对生产过程的各个环节进行智能决策，优化资源配置，提高煤矿整体的信息化与自动化水平。

三、实验室建设方案

根据合作方施耐德电气提供的设备清单，结合透明化矿山自动化控制系统理念，建设针对矿井监控的系统平台，其结构如图1所示。具体的结构说明如下：

1.MES系统以及SCADA服务器处于企业信息管理层，通过以太网连接运行层各操作位。

2.监控和操作平台由多台微机组成，内装MES客户端软件，通过以太网连接控制层PLC以及低压配电设备，对整个矿井设备数据进行监控和操作。

3.控制层使用施耐德电气高端的Quantum双机热备系统作为现场控制设备，通过Modbus TCP/IP总线连接设备层控制单元，同时现场HMI可以实时对现场数据进行采集和修改。

图1 基于MES系统的矿井监控系统平台

4.另外5套M340中端PLC可以连接多种设备，通过Modbus TCP/IP总线进多种实验。

5.设备层的自动化平台部分：

(1)ATV61，ATV71变频器，Tesys U电机控制器作为施耐德主流的电机控制设备，可以对矿井提升机，风机等多种传动设备进行有效控制；

(2)对变频器以及电机端有相应的断路器，接触器等电机控制和保护配电系统；

(3)另外通过Quantum远程IO连接井筒传感器，接近开关，限位开关等设备，全方位对矿井系统进行监控。

6.设备层的低压配电平台部分：

(1)NSX是施耐德电气先进的智能塑壳断路器，具有能源损耗检测，电网能源管理，内置电能测量表计，通讯与人机界面等功能，可以对矿井配电系统进行“4遥”；

(2)PM800系列电力参数测量仪是高性能的监测仪表，可提供监测电气设备所需的各种测量功能。它具有易读的大液晶显示屏，可同时监视三相和中性线。显示屏具有抗反光和刮擦的特性，直观界面上有带自导功能的菜单。

7.设备层可以下挂不同的实验模型，单独控制或者通过网络组成大型系统进行整体控制。

8.在设备层的底部，可以根据学校实验室的现有矿井模拟控制对象以及将来需要开发的内容进行调整变化。

四、实验室课程设置

根据施耐德电气提供的建设方案，结合信电系自身的专业特色，初步设想实验室开设如下几大类的课程：

1.结合矿山自动化高端实验平台，满足电力系统及其自动化、电力电子与电力传动、检测技术与自动化装置等电气专业高年级本科、研究生的教学科研要求；同时满足煤炭企业相关的自动化、工业网络、传动等培训要求。拟开设的课程如下：

(1)《可编程逻辑控制器》类相关课程；

(2)《检测技术》类相关课程；

(3)《电力电子与电力拖动》类相关课程；

(4)《运动控制》和《现场总线》类相关课程；

(5)通过管理型工业以太网交换机，与上层MES系统形成工业以太网环形网络体系，模拟实际的矿井控制系统和复杂系统控制，作为课程设计、毕业设计、学生竞赛平台使用。

2.结合煤矿低压配电监控实验平台，通过Modbus总线将电网相关的执行、保护、测量单元连接成网络，可供相关专业高年级本科生，研究生进行煤矿供电系统研究，NSX智能型塑壳开关可下挂底层的矿山配电系统（照明，电机）模拟对象。PM表对电网进行继保以及电能质量管理等实验。拟开设的课程如下：

(1)《电力设备》和《输配电技术》类相关课程；

(2)《矿山供电》类相关课程；

(3)《电力系统自动化》类相关课程。

3.结合MES高级研发平台，通过环形以太网，将由MES平台和功能不同的若干服务器组成的管理系统与下层的设备连接起来，联接成一个完整的、大型的控制平台，组成具有研发性质的高端矿井系统监控平台，充分体现MES在矿业生产中的核心价值，用于本科生毕业设计、研究生课题、以及教师科研平台，并可作为“煤矿综采工作面生产控制系统”的一个重要的，具有行业特色的有机组成部分。

4.结合RFID无线射频识别系统，展开与井下物料、设备、人员跟踪与定位的科研与课程教学工作。

五、结束语

中国矿业大学（北京）—施耐德电气MES实验室的筹建工作正在进行当中，相信该实验室的建成，必将对我校实现培养具有煤矿特色的高技术人才的目标具有重要的推动作用，同时也可以作为煤炭行业技术人员和管理人员的培训基地，为我国煤炭以及矿业从“大量生产、大量消耗、大量废弃”向“循环化、集约化、生态化”的生产模式转型提供助力。

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

[2]李玉斌,王增国,何其英，等.MES系统在海上油气田的实施与应用[J].设备管理与维修,2009, 9: 8～9

[3]周晶，庄宇，王晓枫.MES在大庆石化实施的可行性分析[J].炼油与化工，2007，18（2）：37～39

[4]崔江波，吕希胜，姜滢，等.面向烟草行业的MES系统模型研究与设计[J].制造业自动化, 2009, 31（6）：136～138

[5]张成磊,侯书庆.MES系统在中国纸业的应用现状与发展[J].中华纸业, 2009, 30（8）： 18～21

[6]陈权.神东煤炭分公司MES系统方案初探[C].第18届全国煤矿自动化与信息化学术会议论文集, 2008, 349～354

[7]孟凡强，张胜军，高建峰.基于MES原理的煤矿安全生产调度管理系统[J].自动化理论、技术与应用, 2009,3：277～280

[8]李晖,王征.煤矿引入生产执行系统(MES)的心要性[J].中国煤炭,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

杨克虎，博士，讲师。

*本文获北京市教育委员会共建项目专项资助（北京市特色专业基金及北京市实验教学示范中心基金）。