【毕业学位论文】（Word原稿）制造执行系统在煤炭行业的应用研究与实现-软件工程

中图分类号： 学校代码： 10055 密级： 硕 士 专 业 学 位 论 文 制造执行 系统在煤炭行业的 应用 研究与实现 in 要 I 摘 要 煤炭 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 （ 称 作为广泛应用于制造、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 统在国内外的发展现状，详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 II ES in to ES in of in is of of a a of of in it a in of 录 录 第一章 绪论 . 1 第一节 课题研究的背景及意义 . 1 第二节 国内外研究现状 . 2 国外发展 . 2 国内发展 . 4 第三节 本文章节安排 . 6 第二章 制造执行系统（ 述 . 7 第一节 基 本概念 . 7 第二节 框架模型 . 8 集成模型 . 8 通用功能模型 . 9 第三节 本章小结 . 10 第三章 统的总体方案设计 .一节 煤炭行业对 统需求分析 . 11 系统实施的总体目标 . 11 信息系统集成需求 . 11 运营效率需求 . 12 第二节 系统总体功能设计 . 13 生产模型 . 13 系统总体功能设计 . 21 第三节 系统总体架构 . 24 第四节 本章小结 . 25 第四章 系统功能模块的详细设计 . 26 目 录 V 第一节 系统配置管理模块设计 . 26 第二节 数据采集与处理模块设计 . 27 数据采集 . 27 数据捕获与处理 . 28 第三节 生产统计模块设计 . 30 第四节 设备运行管理模块设计 . 30 设备运行与停机事件管理 . 32 设备运行停机时间分析 . 37 设备运行停机报表 . 38 第五节 设备绩 效管理模块设计 . 42 维修维护作业绩效 . 42 计算实时绩效信息 . 42 分析实时绩效信息 . 43 实时绩效信息的可视化 . 44 第六节 生产成本管理模块设计 . 45 供耗电平衡分析 . 46 设备用电分析 . 47 第七节 数据库设计 . 47 字段表 . 48 审计表 . 48 数据表 . 49 第八节 本章小结 . 50 第五章 统的实现与应用 . 51 第一节 系统运行的网络环境 . 51 第二节 统的开发平台 . 51 统结构 . 51 系统开发平台 . 52 系统软件体系架构 . 53 目 录 三节 系统的开发环境 . 54 系统的开发工具 . 54 数据库的选择 . 56 第四节 系统主要功能 的实现 . 58 系统主界面 . 59 设备运行管理模块的实现 . 59 设备绩效管理模块的实现 . 73 生产成本管理模块的实现 . 78 第五节 系统实施效果 . 84 第六节 本章小结 . 85 第六章 总结与展望 . 87 第一节 全文总结 . 87 第二节 课题展望 . 88 参考文献 . 89 致 谢 . 91 个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果 . 92 第 一 章 绪论 1 第 一 章 绪论 第一节 课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。 近几年来，我国煤炭行业发展迅速，煤炭行业的生产设备和自动化水平较之以前都有了大幅度的提高。比如采煤机采用了以计算机为核心的电牵引采煤机，另外还采用了先进的配套的井下设备比如地面设备 监控系统、井下人员定位系统、井下安全与生产检测系统、井下设备控制系统等。这些设备的应用大大的提高了生产效率，减少了各种矿难发生的概率，方便了人们的管理。但是和国外发达国家相比，我国在煤炭生产管理、煤炭生产效率方面还远远落后与发达国家，我国的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 ，必须结合我国目前煤炭行业的发展现状综合运用计算机技术建立一个设备管理系统，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， 对世界上领先的煤炭企业进行企业诊断后得出如下结论：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 （ 一 章 绪论 2 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，煤炭行业仍然存在粗放的生产和管理模式，企业管理效率仍然没有得到最大限度的提高，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。 第二节 国内外研究现状 国外发展 展的几个阶段 如图 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，第一阶段的 要缺陷就在于集成度比较低，而且难以实现信息共享。 第二阶段：第二阶段的 生于上世纪 80 年代，属于集成的 第 一 章 绪论 3 功能作用：该系统的设计针对的是具体的特定的环境，而且比较规范化，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。 架一般是由分布式对象来创建的，而 要用来对分布式对象进行规范。 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。会提出了一个分布式对象和信息交换的模型，如图 模型是针对 用领域的。根据该模型，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 37。 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。第 一 章 绪论 4 然而 设计目的一般都是完成关键任务，所以，一旦技术出现了更新，系统升级起来是比较困难度。为了进一步实现和外部系统的集成，通常采用的技术有联机分析处理技术、通信机制技术、和应用编程接口 ( 术，从某个方面来看，这些技术实际上也是 里需要说明的是外部应用系统采用 方式进行系统调用和插入，而应用电子数据交换和外部环境数据交换则会大大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 810。 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 1113。 图 可集成 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第 一 章 绪论 5 于体系结构、内涵和思想方面，开发出的应用系统功能单一 14。对于 术体系的集成问题，于海斌等人进行了深入的探讨 12；对于以 基础且存在于网络联盟企业中的分布式生产单元 件体系的结构，宋海生等人对其进行了深入的研究 15；并通过以建立敏捷制造业车间生产管理系统的设计思想为根据，杨建军、张书亭、周华等人对执行系统的制造的功能特点和应用进行了详细的探讨和分析 16，提出了在进行敏捷车间系统的构建时 想和先进软件在过程中可以起到辅助的作用，同时为了很好的解决 敏捷性问题，他们还试着构建出创建出一种 架是以全能体概念为基础的，并提出该系统所具有的一些特点，例如集中式和分布式控制的互相结合、自适应性、动态性、自治性、虚拟性等；在我国进行“九五”计划的期间，由于国家 863计划对于这一方面提供了很多支持和资金援助，因此一些单位在开发系统应用方面和 论方面都取得了一定的研究进展，例如东南大学、南京理工大学、北京航空航天大学等，其中比较著名的是由陈杰、夏敬 华等人所提出的 是这一种先进的控制管理系统，主要面向对象就是制造敏捷车间，并希望基于此创建出一套车间级的敏捷制造系统 1720。总而言之，在我国国内的情况是在所研究的 是注重于软件建模和软件开发方面，然而很少深入的、系统的对其本身的运动规律和信息特点进行研究。在烟草、食品、冶金、石化等行业已经有一些产品的应用，然而依然属于先行者的行列。虽然如此，但是在未来如浙大中控的 然会发展的更为有影响、有前景、有规模、并且会逐步的相对成熟直到最终成型。目前研究开发的基于 自主产品仍是处在一个初始的阶段，尽管只有不多的国内 司着手模仿国外的相关模式，但是在中国工业企业的 面仍然可以总结出一些经验，可惜目前绝大部分产品依然是实验室产品，对于大规模生产来说，还是不具备这种商品化的能力 。 随着日益提高的车间自动化水平以及不断发展的经济规模、行业、 间生产管理更需要满足大体趋势下的需求，这就要求管理能够更为集成化和智 能化以及敏捷化，这也就促使越来越多的 商与自动化厂商和制造型企业的合作更加紧密甚至是做到合并，未来几年之间，很有可能会出现越来越多的商，其技术和实施手段也定然会日益完善、成熟，对于 品在国内深入的应用一定会起到非常大的推动作用。 第 一 章 绪论 6 第三节 本文章节安排 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 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 二 章 制造执行系统（ 述 7 第 二 章 制造执行系统（ 述 第 一节 基本概念 “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”，这是由美国先进制造研究机构 进行的定义，这也为操作人员和管理人员提供了执行计划和跟踪及人、客户、需求、仪器、物料等所有方面资源的当前所具有的状态信息。 造执行系统协会）的定义是：“ 以通过传递信息，优化管理从下达订单到产品完成一系列的生产过程。当有实时事件在工厂里出现时，以通过利用当前准确的数据处理和指导这 些事件，并及时对此做出反应同时报告。这种快速响应各种状态的变化使得 以实现生产回报率的提高，优化物料流通性，对于企业内部的一些不具有附加值的活动也可以实现减少，提升工厂的及时交货活动，工厂生产动作过程可以得到有效地指导。同时在整个产品供应链和企业内部中 过直接的双方向通讯提供关于产品的行为的重要任务信息 5。” 进行的定义主要强调了以下三点： （ 1） 要同计划层和控制层之间传递信息和交换信息，以企业连续信息流为根据完成企业信息的集成。 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） 要在生产过程中拥有实时收集数据的功能，并在一定程度上分析和处理此数据。 （ 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 定义各种意见不同，但普遍被认可的有以下几点共识： （ 1） 集从接受订货直到最终产品的制作完成完整过程的状态信息以及数据信息，以达到服务优化管理活动的目的。它看重的是当前阶段，也就是精细准确的实时数据。 第 二 章 制造执行系统（ 述 8 （ 2）在实时要求的角度上来进行分析，如果控制层所要求的实时时间系数为 1，那么 时间系统分别就是 100 和 10。 （ 3）在完整的企业的信息集成系统中， 起到的作用就是承上启下，是管理与生产两种活动之间沟通信息的纽带。 第二节 框架模型 集成模型 企业信息集成模型划分为三层。 计划层：承担对企业进行全面的管理，以 主，包括 。 执行层：承担工厂级协调和跟踪发现同时对趋势进行监控的执行层 控制层：承担工厂控制生产的控制层 括采集实时数据、先进控制等。 以上三层的企业集成模型中是处于中间层位置的，所起到的承上启下的作用是非常重要的，在管理生产的各个不同方面都需要它承担，并且还要同上层与下层的系统沟通、交流信息。 在企业信息系统集成中 统所起到的作用可以被称为信息集线器，是整个生产制造系统的核心，其他应用系统所需要的生产现场实时数据都是由其提供的，与此同时其所需要的数据也可以从其他系统中获得。 统的功能同其他分系统的功能之间存在重叠关系，例如，在 也都具有管理调度功能， 者都具有人力资源管理功能， 同样 者都具有控制文档的功能等。每一个系统所重叠的范围大小是相关于工厂实际执行情况的，然而每一个系统所具有的价值都是唯一的。 企业有物流、资金流和信息流三大资源， 是全面集成管理这些资源的系统，是企业级的信息管理系统。其核心是财务管理，包括管理计划、采购、库存、销售、人力资源、设备等一系列相关的功能模块。 接收的如成本、周期时间、产出和其他实际生产数据是由 提供的。 需要的实时数据是由自动化控制系统所提供的，自动化控制系统包括 布式数控）、 其他计算机化控制装置，控制系统所需的在一定时间内整个生产设备通过采取优化方式来实行生产的配方、工艺规程、指令等 2127是由 提供的。 第 二 章 制造执行系统（ 述 9 将 者连接起来是 起到的作用，处理并分析采集的数据，实现数据与信息的良好交换，使得通过数据采集系统而采集出来的数据可以被本企业 统有效的利用，完成信息系统的无缝集成，提高整体的系统效率。 风险评估有助于识别存在于 务动作中的的潜在威胁和脆弱环节，防止中断业务这种现象的发生。 企业信息化实质就是对企业 的全部管理和业务过程进行网络化以及计算机化，利用各种不同的信息系统、网络对信息资源进行新的加工并生成新的信息资源，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 身是集合了各种不同的生产管理功能软件的，并通过其各成员的实践总结出了包括数据采集、产品跟踪和产品清单管理、文档控制、质量管理、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 283211 个主要的功能模块 。 每个模块的功能如下： （ 1）数据采集（ 底层的控制操作数据、工序和物料的信息、人员的信息、机器的信息进行搜集和组织以及监视。这些数据的获得可以通过一些自动的方式来实现，也可以通过车间手工录入的方式达到获得数据的目的。 （ 2）质量管理（ 工程目标为根据对加工产品过程中的实时记录和质量以及跟踪进行分析，以达到保证产品质量控制的目的，同时通过此发现在生产 过程中需要留意的一些问题。 （ 3）过程管理（ 导工厂的工作流程需要一些活动的制造，这些活动就是以计划和实际产品为基础的。该模块的功能的实现是可以通过分配质量管理的生产单元来完成的，在这里是通过一个独立的系统使该模块功能得以实现的。 （ 4）维护管理（ 过监控和活动指导使机器和其他资产设备正常运作得以保证，直到最终完成工厂期望的生产目标。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第 二 章 制造执行系统（ 述 10 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（ 工的工时、缺勤等状态通过设置分为单位来提供并显示这一方面的信息数据，以工作模式，业务需求，职员资历的变动为基础来进行人员的指导工作。 （