金属矿山采—选型MES系统的框架实现与关键技术

2020-05-28范学峰舒先亮

金属矿山 2020年4期

宋朋许晖，2 范学峰，2 舒先亮

（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）

MES系统（Manufacturing Execution 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。

2 MES系统集成的关键因素与技术

2.1 MES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。

2.2 MES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、ControlNet、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。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。

3 MES系统开发的关键技术讨论

3.1 MES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。

3.2 MES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Microsoft.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。