金屬礦山采一選型MES系統的框架實現與關鍵技術，天心天思助力企業信息化，智慧化，數字化，可視化

1 前言

MES系統(Manufacturing Execution system)作為企業上層ERP系統和底層PCS系統的中間環節，是至關重要的信息交互紐帶。一方面MES系統將ERP下發的任務合理分配到各職能部門，另一方面及時上傳PCS的現場數據信息，并反饋給ERP分析決策，以便精細化管理流程進度、成本核算、產品質量、資源配置和財務信息等。金屬礦山行業投資巨大，業務覆蓋面廣，收益率低，回收期長，既包括單一類型的采礦、選礦、冶煉企業，也包括采選、選冶以及采選冶聯合企業，行業結構復雜，管理水平相對制造業比較滯后，資源浪費嚴重。隨著智慧礦山等現代礦山建設理念的深入，近些年不少礦企也逐漸引進MES，實現工藝設計、計劃編排、人員調度及生產控制等的優化，但是整體業務流程仍不盡合理，缺少統一規劃的信息平臺，部門之間“信息孤島”嚴重，迫切需要開發出適合現行行業特色的MES系統。
本文通過對金屬礦山全流程模型的研究，以采礦和選礦流程為例，整體設計執行制造系統功能框架，探討關鍵技術解決方案，為采一選型金屬礦山MES系統的建設提供設計依據。
2 金屬礦山ERP/MES/PCS三層架構的現代集成制造系統模型
2.1 金屬礦山采一選執行制造流程分析
現代金屬礦山行業經過長久的發展，從最初的采礦工作到最終選出精礦已經擁有較為成熟的工藝流程和生產規范，因此對于MES系統的建設具有相對明確的需求與較為全面的理論設計基礎，可以作為統籌金屬礦山MES系統工作流程的依據，總體可以從MES整體協作流程和MES執行計劃流程進行分析。
1)整體協作流程。
ERP下發計劃指令，MES系統制作采礦、選礦、輔助作業環節協同執行指令，過程控制系統實施指令。整個過程中，PCS系統將現場的設備、人員、物料、資源、庫存、物流等詳細數據信息上傳到MES系統，MES系統經過對比、統計、分析得出質量、成本、進度、資源等狀態信息反饋給ERP，ERP再通過對數據的提取分析，針對整個過程再次下發計劃指令，促進工序質量優化、成本縮減、進度控制，資源人員再分配，以達到全流程工序的優化。
2)MES執行計劃流程。
MES執行計劃流程包括采礦作業計劃、選礦作業計劃、輔助環節計劃三個部分。在采礦流程中包含地質勘測、穿孔、爆破、鏟運、采破、車運、皮帶運輸、進出礦倉、排巖等工序，選礦流程包含破碎、篩分、磨礦、選別、分級、浮選、過濾、回收等工序，輔助環節包含機電、機修、點檢、運輸、施工、人員調度、采礦與選礦輔助環節等。將事務流程按照合同工期或者項目管理要求制定執行計劃，標量化、可視化處理各個流程，提高生產管理效率。
根據常規礦山流程結構，可以繪制出采一選型執行制造系統流程分析圖如圖l所示。

 

圖1 金屬礦山采一選執行制造流程分析圖

2.2 金屬礦山采一選型MES系統功能設計
根據模塊化設計方法，綜合考慮MES系統流程，將金屬礦山MES系統分為面向PCS過程功能、面向ERP過程功能、面向MES自身過程功能。
1)面向PCS過程功能。
事務計劃排程：包括項目算法管理與甘特圖繪制、流程事務規則制定與走向、流程事務容量與能力核算、訂單組批與事務編排計劃優化、輔助事務管理等，主要作用是制定、評估計算、編排、優化單個事務過程。
執行監控管理：包括流程事務所有數據的采集、統計、預警與存儲、生產與安全視頻監控管理、門禁管理等，主要作用是現場數據與視頻信息得提取，為分析管理提供支持。
綜合調度：包括調度優化算法、現場需求調度、緊急事務調度、資源故障調度、人力資源調度等，主要作用是保障正常與非正常事務需求，輔助作業計劃。
2)面向自身過程功能。
資源管理：包括資源數據庫管理（名類、出入庫量、庫存、去向、回收、折損等信息報表）、設備狀態總覽信息、設備遷移與維修保養記錄等，主要作用是實現設備資源的點檢與全生命周期的跟蹤管理，使設備具有可追溯性，減少資源浪費。
成本管理：包括成本管理數據庫（成品單耗、輔助物料成本、直接成本、間接成本、價格管理、成本分析、成本核算、成本報表等）、成本信息總覽與調控，主要是為了明確工序成本支出，優化成本比例，使生產過程消費“有本可依”。
質量管理：包括質量管理數據庫（質量樣本采集、質量檢測、質量結果、質量問題分類、質量報表等）、質量問題控制、解決、反饋等，確保質量合格和質量問題得以有效解決。
進度管理：包括進度管理數據庫（計劃進度、實際進度、進度比較、進度控制、進度甘特圖等）、進度算法調整、緊急跟進方案等，確保工程進度按時跟進，保證項目工期穩定。
3)面向ERP過程功能。
ERP指令計劃：包括訂單信息獲取、ERP計劃指令讀取、任務分配計劃制定、數據信息交換等，主要用來和ERP連接進行數據交換，獲取下發訂單任務與分配訂單任務。
大數據分析：包括統計報表與圖表管理、大數據分析等，為決策提供現場實際數據支持。
智慧決策：包括匯總大數據分析結果、各項考核標準算法的制定與調整、為考核和決議提供最有效參考資料。
3 MES系統集成的關鍵因素與技術
3.1 MES系統集成關鍵因素
金屬礦山企業生產區域大，危險性大，信息化程度低，涉及到的系統設備多而龐雜，互通性差，冗余度低，集成難度大，受到諸多因素制約，根據現場與開發過程中的情況，完成整個MES系統的集成，需要著重從以下三個方面入手。
1)需要各廠商協助提供MES系統相關系統和設備的技術參數和規范，這就對他們的原生系統或設備的運作帶來一定潛在風險，很多情況下系統和設備廠商拒絕合作，這就需要有效的溝通和技術公關才能克服。
2)需要甲方單位提供相應的足夠詳細的需求規范，現有系統設備清單，配備具備一定素質水平的對接人員、輔助工具等，跟蹤掌握系統集成方向和進度，提高效率。
3)需要經驗豐富且專業的系統集成工程師團隊以及先進的集成技術與項目管理理念，保障系統集成的可靠性。
3.2 MES系統集成難點與解決方案
根據系統功用性劃分，現有企業一般具有若干特定功能的執行系統，針對采礦、選礦過程涉及到的工序都可能有相應的管理系統，將這些離散型的系統作為子系統進行統一規劃集成，讓系統間相互關聯，就能有效解決信息孤島的問題，以此提出金屬礦山MES系統縱向系統集成與橫向系統集成的難題，并給出解決方案。
1)MES縱向系統集成問題。
MES縱向系統主要面向PCS與ERP過程，生產過程中有大量的原生數據且都是多源異構數據，而礦山信息化標準嚴重滯后，表現為不同廠商間通訊接口和傳輸協議不統一，系統平臺不一致等問題。來自現場有大量機電設備群、各類傳感器、RFID標簽、移動端輸入等，涉及到的EIP(Ethernet/IP)協議、RJ45、RS485、ControINet、CAN、PROFITBUS等多種總線與ZigBee、RFID、WIFI、4G、5G等無線通訊制式。按照點對點的集成方式，異構設備與應用需要不同驅動，異構系統間或系統與應用需要不同的API，整體構成了一個復雜的通信網，并且需要大量驅動與API支撐，勢必給集成帶來很大麻煩。
2)MES橫向系統集成問題。
MES橫向系統集成，包括SCADA、OEE、EMS、PHM、ECM、WMS以及各類輔助設計制造系統等集成，這些系統是已經存在并單獨運行的系統，為MES拓展系統或者平行系統，主要是增強MES執行制造系統的適用性與實用性。MES系統往往引用部分系統功能及數據，作為決策參考依據，集成難點在于跨平臺，平臺間通訊受阻。
現有的系統通訊與數據連接的方式也有多種，主要分為硬件連接與軟件連接兩類。硬件連接一般是通過若干組多功能網關，將異構的通訊協議轉換為統一的通訊協議，統一發送上位機處理，這種方式簡單易行，但是需要鋪設大量線路，成本較高，周期較長。軟件連接是通過軟件直接將異構的通訊協議轉化并發送，這種方式好處在于故障點較少且易于排查。目前廣泛使用的是MQTT、ODBC、OPC等通訊，其中OPC-UA是一種很好的解決方案，具有以下好處。
a)OPC-UA是一個不依賴平臺的工業標準，其隧道技術很好地解決DCOM限制問題。
b)可以映射、編碼各種協}義，標準化各個廠家的系統和設備接口，使它們可以在網絡中無障礙通訊。
c)支持復雜的數據結構，保證通訊不丟失數據，對數據授權加密保護。
根據金屬礦山MES系統的特點，提出OPC-UA的通訊連接拓撲圖，如圖2所示。

 

圖2 OPC-UA網絡拓撲圖

4 MES系統的開發的關鍵技術討論
4.1 MES軟件開發方法與模型
軟件系統的開發常用的方法有原型化方法、結構化方法、面向對象方法、面向服務方法等方法，軟件生命周期模型有瀑布模型、螺旋模型、迭代式模型等，軟件開發需要選擇適合的方法與模型，才能最大效率完成整個開發過程。
金屬礦山行業工況復雜、系統與設備種類較多且分布散亂、管理手段落后、用戶需求不明確等因素，宜選用原型化方法與結構化方法結合開發，提高開發效率與實用性，以螺旋模型實現風險控制，采用B/S(瀏覽器/服務器)架構模式，實現系統多用戶異地訪問和控制，滿足現代智能化管理的需求。
4.2 MES軟件開發平臺與框架
目前主流的B/S模式軟件開平臺是J2EE與Microsoft.Net，在實際生產都有很多應用案例，且能發揮很好的作用，它們的系統架構相似，很難說出二者的優劣，使用過程主要取決于現場環境與開發團隊偏好，通過對整體性能與典型網站框架做比較可以得出以下結論，可供開發人員選擇。
1)集成的金屬礦山企業MES系統需要跨平臺，如現場有大量Android、IOS、Windows、DOS、UNIX、XENIX、LINUX、NETWARE等系統，采用J2EE平臺則會有明顯優勢。
2)對性能要求高，開發團隊熟悉.Net的情況下，選擇.NET做出來的系統更加流暢。
3)大多數能用.NET情況下都可以用J2EE，需要綜合培訓、進度成本等因素綜合考量。
4.3 據庫模型設計
數據庫設計是建立數據庫及其應用系統的基礎，是信息系統開發和建設中的核心技術，通常需要通過繪制E-R(Entity Relationship Diagram)圖，建立相對應邏輯數據結構，并對邏輯數據結構設計反復進行優化，再創建MES系統數據庫表格，構建出金屬礦山數據庫模型，金屬礦山MES系統E-R圖如圖3所示，對應數據庫表圖如圖4所示。

 

圖3 金屬礦山MES系統E-R圖

 

圖4 金屬礦山MES系統數據表圖

5 結論
本文基于幾家制造業MES系統的現場工程實踐研究，結合金屬礦山采礦和選礦所涉及到的工藝過程，提出金屬礦山行業MES系統建設方案，旨在為金屬礦山執行制造管理提供思路，助力智慧礦山建設歷程，做了以下工作。
1)實現了采礦與選礦全流程分析模型，預設計了MES系統主干功能與詳細功能，為系統開發的系統規劃階段提供參考。
2)總結出MES系統集成過程的難點，重點討論了通訊過程中以OPC-UA為基礎的解決方案，為系統實施階段提供依據。
3)總結了軟件開發平臺與系統框架的選用原則，建立了金屬礦山采一選型MES系統數據庫模型，為軟件開發的分析與設計階段提供思路。