【毕业学位论文】（Word原稿）MES系统在煤炭行业中的研究与实现-软件工程

图分类号： 学校代码： 10055 密级： 硕 士 专 业 学 位 论 文 中文题目： 统在煤炭行业中的研究与实现 in 文作者 杨成龙 指导教师 贾春福 申请学位 研究生 培养单位 学科专业 软件工程 研究方向 答辩委员会主席 评 阅 人 南开大学研究生院 二一二年十月 摘 要 I 摘 要 煤碳行业信息化建设是我国信息化建设的重要组成部分，现代工业自动化技术是实现信息化的关键技术之一。由于煤炭行业的生产环境复杂多变，行业个性化特点比较突出，局部生产最优安排和整体生产优化冲突比较明显，制造执行系统 (为广泛应用于 制造、电力、化工等行业的自动化技术在煤炭行业的应用比较匮乏。为了充分利用现代信息化技术，提升煤炭行业的管理水平和技术水平，结合煤炭行业自身特点和需求，本文提出了一种 统在煤炭行业应用的解决方案。 本文针对煤炭行业的生产工艺和流程，结合煤碳行业的整体信息化建设水平，及 细的分析了煤炭行业对 统的需求，构建了煤炭行业统的基本功能架构和系统总体架构，并对整个系统的总体功能模块进行了研究与分类。然后详细介绍了数据采集处理模块、生产统计管理模块、设备运行管理模块、设备绩效管理模块、生产成本管理模块和数据库的设计过程，并以 开发平台， 010 作为系统开发工具， 为报表开发工具，构建了浏览器 /服务器（ B/S）模式的系统体系架构。最后以某煤矿为例，在该煤矿的网络环境下，对 成了煤炭行业 统的实现与应用。 经 统在 某 煤炭企业的应用，本文设计的煤炭行业的 统切实可行，能够满足煤炭行业生产特点和功能需求，实现了矿山管控一体化的经营模式，起到了生产与经营活动、 优化运行、控制与管理的桥梁和纽带作用，在生产实践中已经取得了很好的效果，为该领域的信息化建设提供了参考，具有重要的现实意义。 关键词： 制造执行系统（ 煤炭行业 信息化I of is an of s is of of of is of of in is in of In to of of of a in of ES at ES in of ES of in of as 010 as as of of B / S) as an of a of ES ES in to ES in of in is of of a a of of in it a in of 录 录 第 1 章 绪论 . 1 题研究的背景及意义 . 1 . 2 . .文章节安排 . 5 第 2 章 制造执行系统（ 述 . 6 . 6 . 7 . .章小结 . 9 第 3 章 . 10 炭行业对 . 10 统实施的总体目标 . 信息系统集成需求 . 运营效率需求 .统总体功能设计 . 12 产模型 . 系统总体功能设计 .统总体架构 . 21 章小结 . 21 第 4 章 系统功能模块的详细设计 . 22 统配置管理模块设计 . 22 据采集与处理模块设计 . 23 据采集 . 录 数据捕获与处理 .产统计模块设计 . 25 备运行管理模块设计 . 26 备运行与停机事件管理 . 设备运行 停机时间分析 . 设备运行停机报表 .备绩效管理模块设计 . 35 修维护作业绩效 . 计算实时绩效信息 . 分析实时绩效信息 . 实时绩效信息的可视化 . 38 耗电平衡分析 . 设备用电分析 .据库设计 . 40 段表 . 审计表 . 数据表 .章小结 . 42 第 5 章 . 43 统运行的网络环境 . 43 . 43 . 系统开发平台 . 系统软件体系架构 .统的开发环境 . 46 统的开发工具 . 数据库的选择 . 50 统主界面 . 设备运行管理模块的实现 . 设备绩效管理模块的实现 . 录 V 产成本管理模块的实现 .统实施效果 . 74 章小结 . 75 第 6 章 总结与展望 . 76 文总结 . 76 题展望 . 76 参 考 文 献 . 78 致 谢 . 错误 !未定义书签。 个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果 . 80 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪论 题研究的背景及意义 随着社会的进步，现代管理技术和信息化技术都得到了较快的发展，以金字塔模式而被大家广为接受的流程工业的发展模式也随之发生了较大变化，扁平化的流程工业模式形成并快速发展，于是研究者开始关注扁平化的流程工业在工业自动化高技术中的应用，并逐渐成为研究热点。 20 世纪 90 年代，对计算机集成生产系统的研究就成为了自动化高技术领域中的研究热点。 目前，我国煤炭行业的平均生产效率仍较低、管理方式还比较落后，虽然经过长期的发展，煤炭企业生产的综合机械化和自动化程度均有了很大的提高，如综采工作面以计算机为核心的电牵引采煤机、电液控制的液压支架和掘进工作面的连采机、井下设备监控系统、井下人员定位系统、井下安全与生产监测监控系统、地面设备监控系统等，这些系统独立运行，在调度室集中监视，在煤炭企业安全生产中发挥了一定的作用，但是这些昂贵设备综合利用率较低，重要原因是企业普遍“重 硬轻软”。 随着煤炭企业设备机电一体化水平的提高，设备结构、性能越来越向大型化、精密化、高效低耗化方面发展。企业占用的设备资金也越来越多，设备管理已成为企业管理的主要内容，设备管理的好坏直接影响着企业其他各项管理水平。 因 此，我国迫切需要构建一个适用于煤炭业并运用计算机信息技术的综合集成系统，利用数据库技术和计算机网络技术来实现连接各个应用系统成为统一的整体，实现企业生产安全的自动化，达到矿山地质、安全、生产管理信息的共享，实现决策支持与优化调度，企业内的沟通交流畅通和各类信息资源的共享。 2011 年 ，麦肯锡 运用其具有全球性视野的企业 “ 诊断原理，对标世界领先煤炭企业，以价值链的生产运营主线为切入点对 某煤炭企业 进行诊断后得出， 虽然 该煤炭企业创造了 74 项全国乃至世界纪录，工效达到 的 不俗成绩 ，但其下属各煤炭企业因计划维修时间、故障停机时间、非设备停机时间 等因素的 影响 ，每日用于例行维护的时间非常多，导致设备综合运行效率 （ 低于标杆标准 1。另外，下属各煤炭企业管理人员从思想观念到日常管理，粗放式管理的烙印并未完全根除，一些 影响管理效率因素的依然存在，生产效率仍然存在可观的提升空间。 鉴于煤炭企业目前存在的问题及麦肯锡的诊断结论， 煤炭行业 统的研究具有重要的意义。 统在煤炭企业中的应用，可以实时自动记录所有生产线停机事件以及将低效运行的设备做出统计，通过数据统计，凸显故障停机的重点，管理者可以从动态的统计数据中对停机、影响生产的原因进行全面深入的分析，进而优化生产与检修组织方第 1 章 绪 论 2 式、挖掘生产时间、提高检修效率，最终实现节能减排、精益生产 1。 国内外研究现状 国外发展 展的 几个阶段 : 图 术的发展历程 第一阶段 :专用 P 70 年代 功能作用 : 该系统自成一体，可以针对特定的问题选择对应的软件进行解决，其优势就是解决问题具有针对性，实现起来比较方便，比如产品生产过程中的过程控制不完善、较低的设备利用率、产品质量问题、产品库存过多、制造周期启发竞争力等等，其不足就是信息的共享与集成方面欠缺。 第二阶段 ： 集成 80 90 年代 功能作用 ： 该系统是针对规范化、特定的的环境而设计出来的，具有整体性强、功能多样，且能够在一 定的范围内达到信息共享和集成的优势，比如食品、半导体、配置、航空等行业，如今已经达到了三层的信息的集成，其功能丰富，能够同时解决多个问题，是基于先前的 P 统而改进来的，其系统内采用一样的逻辑数据库，每一个车间都只有一个产品且构建出了系统的过程模型，所有这些都使得 品快速发展起来，其不足之处就是对于制造环境较为敏捷的环境很难适应，不适合对其进行扩充和修改，缺乏柔性，可重构性、开发性、模块化差。 第三阶段 ： 传统 T 功能作用：该系统的开发基础就是 一阶段的软件系统，具有很大的风险隐患，比如系统的稳定性较差，一旦遇到细小的过程改变就极有可能致使系统运行异常，敏捷性第 1 章 绪 论 3 差、重构能力差、缺乏互造作性、可集成性弱、通用性差。 第四阶段 :可集成 I 可集成 概念首次正式提出是在 20 世纪 90 年代的一个先进制造研究咨询报告中出现的，该咨询报告是由 供给 2。 功能作用：该系统的开发设计的基础是 三阶段的信息系统，首次在 统内使用了模块化应用组件技术，即拥有集成 特性，又 具备 P 特性，而且能够达到三层信息的集成，有一些控制该功能的可重用组件能够单独存在。通常会应用范的分布式对象技术构建 架。 可集成 统在进行系统的开发设计时，使用了效率较高的基础框架技术，并融入了组件技术、消息机制和面向对象技术的设计理念，实现了系统对关键事物的解决能力的提高，且极大地提高了系统的适应性和集成性。 会给整个 用领域提出了一个信息交换和分布式对象模型 (如图 1 2)，呈现出了发展中 技术模型。从模型中可看出，这种 技术模型中，功能逻辑中的知识管理，产品数据管理，工作流管理等均可被分离出 3。在面向对象的应用中，通过对象请求代理 (例如使各个软件商的对象间的信息互操作信息共享。每一个对象均能应用自身的方法和功能进行数据的操作，执行系统的各个功能。 每个系统都有各自的通信机制，数据模型，数据库和处理逻辑。然而 此系统就不容易随技术的更新而进行升级。为了 达到同外部系统的集成，通常采用通信机制技术，联机分析处理 (术和应用编程接口 ( 术，从某个方面来看，这些技术实际上也是 核心功能部分。其中，外部应用系统的插入及调用应用 方式，而外部环境进行数据交换和应用电子数据交换 (都会降低整个系统的重构性，极难根据业务过程的改变而进行动态变化和 功能配置。为了消除这一不足，越来越多的学者开始专注于 研究 3。 但是该系统的优势就是能够较容易的达到各个系统的集成和厂商间的集成，可以实现客户化，且其扩展性较好，重构性较好，是当下 发展方向。 第五阶段 ： 智能第二代解决方案 (I) 该阶段的重点目标就是为企业的生产管理提供方便，采用在各个设备中配置智能，从而实现生产的自动化，确保过程状态的精准和数据记录的完善。 以智能的断开和联结，控制系统具有人工 智能 3。 第 1 章 绪 论 4 图 集成 架 国内发展 我国早在 20 世纪 70 年代到 80 年代的工厂主要是采用自动化生产模式，在随后的 10年里，发生了转变，成为以信息化管理为主，直到 21 世纪初，仍然是以上两种模式为主，并出现了 渐被广泛应用，之后由开发 向推广普及主。 开发设计研究仍然只是局限于体系结构、内涵和思想方面，开发出的应用系统功能单一 2。于海斌等人针对可集成的 术体系进行了深入探讨；宋海生等人研究了网络联盟企业中 基于 分布式生产单元 件体系的结构；张书亭、周华、杨建军等人依据构建敏捷制造企业的车间生产管理系统的设计思想，分析和探讨了制造执行系统的应用及功能特点，提出可以运用先进的软件和 想辅助构建敏捷车间的系统，他们还试图创建出基于全能体概念的 架结构，从而解决 敏捷性问题，并指出这种系统具有分布式和集中式控制相结合、动态性、自适应性、虚拟性、自治性等特点；“九五”期间，受国家 863 计划的资金支撑，北京航空航天大学、东南大学、南京理工大学等单位在 论与应用系统开发方面进行了一定的 研究，如陈杰、夏敬华等人提出面向敏捷制造的车间先进管理控制系统 (试图构建车间级的敏捷制造系统。总体看来，国内大多是在软件开发和软件建模方面研究了 是对 息本质及其运动规律的系统深入研究还很少。在产品的应用方面，如食品、烟草、石化、冶金等行业已有应用，但仍属先行者。尽管如此，像浙大中控的 会发展成为有前途、有影响、 有规模、相对成熟和成型。有关于 章 绪 论 5 的自主产品研发也是处于初始阶段，虽然仅仅有少部分的国内 司展开了对国外的相关模式的模仿，但还是能够总结出中国工业企业在 面的经验，不过大多数产品还是以实验室产品，还不具备大规模生产的商品化能力 ; 随着车间自动化水平的不断提高和 发展以及行业和经济规模的发展，对车间生产管理的敏捷化、智能化和集成化的需求，将会促进相当部分的 商同制造型企业、自动化厂商紧密合作或者合并，在未来的几年内， 商极有可能会如雨后春笋般出现，其实施手段和技术也必将日趋成熟， 极大地推进国内 品在我国深层次的应用。 文章节安排 第一章绪论，介绍课题的研究背景及意义、国内外关于 研究现状。 第二章制造执行系统（ 述，从 基本概念入手，介绍了 集成模型和通用模型。 第三章 统的总体方案设计，分析了煤炭行业对 统的需求，在此基础上，结合煤炭生产经营的特点，提出了系统的总体设计方案，给出了系统要实现的总体功能模型和系统总体架构。 第四章系统功能模块的详细设计，对 统总体功能分析的基础上，详细梳理了各模块要实现的具体功能，完成了系 统各功能块的详细设计。 第五章 统的系统的实现与应用，分析了系统运行的网络环境，搭建了系统开发的平台和体系架构，介绍了系统的开发工具和数据库的选择，展示了系统主要功能模块的实现，并对 统的实施对实际生产过程起到的成效进行了说明。 第六章总结与展望。第 2 章 制造执行系统（ 述 6 第 2 章 制造执行系统（ 述 基本概念 美国先进制造研究机构 将 义为“面向车间层的管理信息系统、位于底层工业控制和上层计划管理系统之间的”，为管理、 操作人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源（客户、需求、物料、仪器、人等方面）的当前状态信息。 制造执行系统协会 定义是：“ 过信息传递，对从订单下达到产品完成整个生产过程进行优化管理。当工厂里面有实时事件发生时， 用当前的准确数据对它们进行指导和处理，并对此及时做出反应、报告。这种状态变化的迅速响应使得 善物料的流通性能，减少企业内部没有附加值的活动，提高工厂及时交货活动，有效地指导工厂的生产动作过程。 通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有 关产品行为的关键任务信息 5。” 于 定义强调了以下三点： （ 1） 要与控制层和计划层进行信息传递和交换，根据企业的连续信息流来实现企业的信息集成。 美国国家标准研究院（ 予 定义为：为了优化管理活动在接受订货到制成最终产品的整个过程，搜集软件、硬件的各种状态和数据信息。 （ 2） 要具备实时收集生产过程的数据的功能，并对此数据进行一定的处理与分析。 （ 3） 化的是工业的整个车间的制造过程，并不仅仅是针对某一个生产瓶颈进行的优化。 由此可知，尽管对于 定义各种意见不一，但有以下几点共识还是普遍得到认可的： （ 1） 集自接受订货到制成最终产品整个过程的数据和状态信息，从而为管理活动的优化服务。它注重的是当前视角，即精准的实时数据。 （ 2）从对实时的要求来分析，假若控制层要求的实时的时间系数是 1，则 时间系统就是 100， 时间系统就是 10。 （ 3） 整个企业信息集成系统中起到承上启下的作用，是管理活动与生产活动信息沟通的纽带。 第 2 章 制造执行系统（ 述 7 框架模型 集成模型 企业信息集成模型分为 3 层。 计划层：承担企业 全面管理，以 主，包括 。 执行层：承担工厂级协调 /跟踪发现并监控趋势的执行层 控制层：承担工厂生产控制的控制层 括先进控制、实时数采等。 在三层企业集成模型中， 于中间层，起到了非常关键的承上启下的作用，它承担着生产管理的各个方面，同时还要与上下两层的系统进行信息沟通。 统在企业信息系统集成中起到了信息集线器的作用， 为生产制造系统的核心为其他应用系统提供生产现场的实时数据，同时它也从其他系统获取需要的数据。其他分系统之间有功能重叠的 关系，例如， 都有人力资源管理， 者都具有文档控制功能， 也同样有调度管理等。各系统重叠范围的大小与工厂的实际执行情况有关，但每个系统的价值又是唯一的。 对企业三大资源（物流、资金流和信息流）进行全面集成管理的企业级管理的信息系统。它以财务管理为核心，包括销售管理、采购管理、库存管理、计划管理、设备管理、人力资源管理等相关功能模块。 供实际生产数据，如成本、周期时间、产出和其他生产数据。自动化控制系统包括 布式数控），以及其他计算机化控制装置， 控制系统提供一定时间内使整个生产设备以优化方式进行生产的工艺规程、配方和指令等 5。自动化控制系统向 供实时数据。 作用是将 接起来，对采集的数据进行分析处理，完成数据和信息交换，使得数据采集系统采集上来的数据可以有效地为企业的 统利用，实现信息系统无缝集成，提高系统整体效率。 风险评估可以帮助识别 务动作中存在的薄弱环节和潜在的威胁，避免业务中断的发生。 企业信息化实质上是将企业的所有业务过程和管理过程计算机化 和网络化，通过各种网络、信息系统加工生成新的信息资源，使企业资源合理配置，以利于企业做出生产要素组合优化的决策，提供给各层次的人们观察、洞悉各类动态业务中的一切信息，并能求得最大的经济效益，适应瞬息万变的市场经济竞争环境。 通用功能模型 身也是各种生产管理功能软件的集合， 过其各成员的实践归纳了 11个主要的 能模块，包括数据采集、产品跟踪和产品清单管理、文档控制、质量管第 2 章 制造执行系统（ 述 8 理、维护管理、人力资源管理、过程管理、生产单元分配、性能分析、状态管理和资源分配、工序详细调度 5。 各模块的功能简述如下： （ 1）数据采集（ 织、搜集和监视来自物料、工序信息、底层控制操作数据、机器以及人员的信息。这些数据可通过各种自动获取或者车间手工录入的方式来获取。 （ 2）质量管理（ 据工程目标来分析产品加工过程的质量、跟踪和实时记录，从而确保产品的质量控制，并由此找到生产中需要留意的问题。 （ 3）过程管理（ 于实际产品和计划制造活动来指导工厂的工作流程。这一模块 的功能实际上也能够通过质量管理生产单元分配来实现。在此是作为一个单独的系统来实现的。 （ 4）维护管理（ 过活动指导及监控来确保机器和其他资产设备的正常运转，最终达到工厂的生产目标。它根据历史维修事件的记录为新问题的解决提供帮助，提供了有日程管理及生产能力的装备，并实时跟踪对工具的维修行为的指示情况。 （ 5）劳工管理（ 分为单位提供的员工状态（缺勤、工时等）的信息数据，基于业务需求，工作模式，职员资历的改变来指导人员的工作。 （ 6）性能分析（ 实际制造过程测定的结果同之前的客户的要求、企业制定的目标及历史记录进行比较分析。其在线显示出的报告亦或者是输出的报告可以起到提高辅助性能的作用。执行分析结果包括标准遵守的测试值、日程遵守、生产单元的周期、资源可靠性及资源费用。 （ 7）产品清单管理和产品跟踪（ 据监视工件在各个时间段的状态（警报状态、生产状态）与位置来获得各个产品的详细的历史记录，这一记录可以用来追溯各个产品的最终运用状况并为用户 进行推荐。 （ 8）文档控制（ 发和管理与作业指示、处方、设计、工艺流程或产品相关的信息，而且还搜集记录同工作和环境相关的标准信息。 （ 9）生产单元分配（ 过生产指令将加工命令或者物料输送到某一加工单元并开始工步或者工序的操作。分配信息需要依据现场发生的事件来执行作业的实时变化顺序来提供的。 （ 10）资源分配和状态管理（ 踪劳动者、物料等的工作状态和刚刚完工的情 况，提供资源的详细历史，指导物料、工具、仪器设备和劳动者等资源如何协调地进行生产。 （ 11）工序详细调度（ 提供以生产单元表述的优先顺序、计划生产时间及生产方案，并能根据有限的资源能力的作业调度和排序，实现对车间功能的优化。 第 2 章 制造执行系统（ 述 9 出了 通用模型，没有区分是离散行业还是流程行业，但因每个行业的流通与生产流程各不相同，还有其特定的行规，行业不同则其对 要求和着重点也是完全不一样的。 章小结 本章从 基本概念入手，介绍 了 集成模型和通用模型。第 3 章 统的总体方案设计 10 第 3 章 统的总体方案设计 本章以某矿井群为例，在煤炭企业市场调研的基础上，分析矿山企业的特点，结合企业发展的长远目标，针对现有 品并不适合采掘企业现状，给出该矿井群 统的总体设计方案，并确定了系统的体系结构。 炭行业对 统需求分析 统实施的总体目标 针对煤炭企业当前存在的问题 ,并考虑企业的发展及系统升级的要求 ,通过实施矿山采掘设备效能管理系统需达到如下目标 : （ 1）通过信息化手段， 掌握设备动态情况，保障设备运行的高可靠性，使得 故障停机时间与计划检修时间之和最小，保证正常生产时间并使之最大化， 以提高产能稳定性和设备 利用率 ，使 设备负荷趋于均衡 ，实现均衡生产； （ 2） 建立科学、合理设备管理指标体系 ， 建立科学合理的煤炭生产设备运行管理指标体系，自动计算关键性能指标 在保证设备运行高可靠性的前提下，降低运营成本，包括：设备使用费及折旧费、备件及材料费、维修成本 、电耗、水耗、工资及福利费等； （ 3） 通过持续改善实现精益生产， 采用基准比对（横向：相同地质条件、各矿井、各区队 /班组、同类型设备等，纵向：历史数据及趋势）方法，总结、提炼全 矿区最佳生产实践，在各矿井、各生产区队之间实现知识共享， 提高资产利用率 ，提高全公司的绩效和竞争力，实现矿井群的生产运营模式创新。 息系统集成需求 目前，煤炭行业 信息化系统发展突飞猛进，企业己经拥有如 质安全管理系统等信息系统，这些系统都己经在企业中得到了很好的应用，甚至成为了煤炭行业的行业标准。本文研究的设备效能管理系统，作为 统中的组成部分，为了充分发挥系统的作用，需要将设备效能管理系统与其他信息系统有机地集成起来，从而避免企业“信息孤岛”现象的发生 7。 煤炭行业 统，应该是一个符合煤炭行业特点的集成架构，采用统一的标准，保证业务的完整性，具备安全性、可靠性。伴随着矿井群区域自动化的实施，为建立数字矿区安全生产实时数据集成提供平台，保障基础数据的一致性和可视化。从整个矿区的角第 3 章 统的总体方案设计 11 度出发，对来自生产现场实时数据进行统一有效的管理 准化、存储，其范围包括生产过程信息、故障信息、用电信息、设备运行信息、设备状态信息、井下人员信息、安全监测监控信息；构建统一的、覆盖全公司的实时数据库和历史数据库，实现实时数据向关系型数据的转化，搭建控制系统与信息系统的桥梁；降低企业 础设施的总体持有成本（ 营效率需求 （ 1）如何提高煤炭行业综采面回采周期内的效率 综采工作面的生产组织和管理，也就是一个综采面回采周期内的效率，缺乏有效的管理手段和系统支持。现状是领导只能听取口头汇报，依靠以往的经验和感性认识来指挥生产。 建立高产高效综采工作面，需要有 2 个方面的技术保障：提高系统运行可靠性和设备运行效能。影响工作面效率的因素除过采矿地质因素和技术因素之外，还有： 1）故障影响。包括设备的机电故障、顶板故障、片帮、瓦斯超限等。 2）辅助作业的时间影响。主要包括 ：采煤机进刀时间、机头机尾的移置耗费时间、端头维护占用的时间、班首班末的准备 （ 2）如何实现煤炭产量逐年递增、成本逐年递减的目标 企业运营的目标是： 优化资源配置，提高生产效率，降低投资及运营成本， 实现效率、效益最大化， 增强企业竞争力 。 作为煤炭行业，产量的逐年递增，成本逐年递减是一个盈利模式。随着信息化的快速发展，走出投资驱动模式，借助信息化实现企业的精细化管理，通过将 企业的战略目标具体化和量化并定义到信息化管理系统中去 ，对绩效的执行情况进行监控和管理，是实现产量逐年递增、成本递减的有效手段。 （