0 引言
制造执行系统(Manufacturing Execution System，简称MES)是美国先进制造研究机构AMR(Advanced Manufacturing Research)在90年代初提出的，是ERP／MES／SFC(企业资源计划系缈制造执行系缈现场控制系统)三层企业信息化模型的核心组成部分，是位于上层的经营管理系统(ERP)与底层的工业控制系统(SFC)之间的面向作业层的管理信息系统。MES根据企业的生产方法和生产工艺，将ERP的生产经营计划转化为各车间、各工序的生产作业计划，实现生产作业的高效组织和各工序的有机衔接；实时收集生产过程中设备的运行状态、工艺参数、以及产品的产量、质量等信息，为生产现场的动态跟踪、科学调度以及协调控制提供技术支撑。因此，MES是企业经营管理层与现场作业层之间信息沟通的桥梁，是实现企业经营管理信息化与生产自动化充分融合的关键技术举措。
目前，国外知名企业应用MES系统已经成为普遍现象，我国的钢铁、化工等行业走在了MES系统的应用前列，在经营管理与生产作业衔接、优化生产过程、提高产能、降低能耗、保障安全等方面均取得了良好的应用效果。近年来，我国煤矿行业的矿井综合自动化和经营管理信息化得到了长足的发展，在优化流程、提升效率、资源优化配置、远程监视、集中控制、保障安全、少人高效等方面取得了明显的应用效果。与此同时，我国煤矿安全生产执行系统(MES)的发展却严重滞后，导致经营管理信息系统与矿井综合自动化系统相互独立、信息割裂，以人工经验为主的作业计划编排方式、以报表为主的生产执行跟踪方式，导致地质构造预测、瓦斯抽放、巷道掘进、综机配套、安装准备、采面回采、末采回收等作业环节缺乏有效的衔接性以及与经营管理的联动性；矿井综合自动化系统采集的生产运行、设备工况、安全状况等信息，未能实时、准确传递至管理信息网，给各级管理人员的生产过程管控、应急指挥和管理决策带来了极大的制约。
由于煤矿安全生产的特殊性，导致煤矿无法完全照搬并应用流程行业或离散制造业的MES系统。因此，以MES为理论支撑，积极借鉴国内外其他行业的MES成功经验，结合煤矿安全生产与经营管理特点，研究并设计煤矿安全生产执行系统(C-MES)，对于促进经营管理信息化与矿井综合自动化的协调发展，加速煤矿行业的“两化融合”并有效实现“监、控、管”一体化，推动煤矿企业迈向安全、高产、高效的现代化发展阶段，均具有非常重要的指导意义。
1 煤矿企业安全生产的特点
煤矿属于典型的资源开采型企业，与传统制造业相比，煤矿生产具有以下显著的特点。
1)生产作业环境复杂多变。煤矿生产过程中随时会受到顶板、瓦斯、煤尘爆炸、自然发火、地质灾害等威胁，因此，采用智能化监测监控技术与设施，实现对煤矿生产环境的全面、实时监测，以及对重大危险源的有效预控，是煤矿实现安全生产的关键举措，是企业经济效益得以保证的基础。
2)煤矿生产过程中涉及到地质勘探及预测、瓦斯抽放、掘进、回采、通风、运输、供排水、供配电等多个专业，煤矿的安全高效生产取决于各专业作业计划的有序衔接，以及生产执行过程中各专业的紧密协同。
3)煤矿的现场控制系统由提升监控、运输监控、通风监控、供配电监控、供排水监控等系统构成，煤矿的安全高产取决于这些监测监控系统的全面整合和集中控制。
煤矿生产环境的特殊性、地质条件的多变性、生产组织的复杂性，决定了安全生产执行系统是煤矿信息化的建设重点。
2 煤矿MES系统应用架构
根据煤矿安全生产特点，煤矿安全生产执行系统位于作业控制层与经营管理层之间，向上与经营管理信息系统有机集成，实时、准确获取企业经营计划信息，并按照煤矿安全生产规程以及生产方式和生产工艺，辅助矿井编排地质构造预测、瓦斯抽放、巷道掘进、综机配套、安装准备、采面回采、末采回收等各环节的生产作业计划，指导生产过程中各专业、各环节的有机衔接和紧密配合，实现安全生产的整体优化并保证均衡生产；向下与矿井综合自动化系统连接，实时采集各工业自动化、安全监测监控、井下人员、产量监控、工业视频等信息，使企业可以全面、实时、准确掌握安全生产动态，提高企业对作业现场的调度指挥与协调控制能力。
煤矿安全生产执行系统是在矿井综合自动化和经营管理信息化的基础支撑下，由数据集成层、业务执行层和综合监管层共三层应用架构组成，详见图1。
图1 煤矿安全生产执行系统应用架构
1)数据集成层由工业数据采集和经营数据交换组成，其中：工业数据采集主要负责对矿井综合自动化系统中各监控系统运行状态、安全状况、设备工况等信息的实时采集、加工处理，形成生产运行实时监管的真实依据。经营数据交换负责经营管理信息系统与安全生产执行系统之间的数据交换和应用集成，实现经营管理与生产作业的信息融合和管理联动。
2)在业务执行层，通过生产衔接计划，完成经营目标向生产作业计划的有机转化，实现煤矿安全生产各专业、各环节的有机衔接与协同作业；通过生产调度管理，及时收集产量、进尺、洗选加工、运量、销量等生产进度信息以及安全状况信息，并与生产计划对比分析，及时发现生产作业衔接问题以促进作业过程协同；通过安全风险预控，实现对重大危险源的识别与跟踪；通过安全隐患管理，实现对安全监督检查与隐患排查的闭环处理；通过不安全行为管理，全面收集不安全行为并进行预警和处理结果跟踪；通过生产运行监视，对采集的工业自动化运行状态、设备运行参数、环境安全状况和井下人员动态等信息进行加工处理，并以图形化方式全方位、直观展示矿井各监控系统的运行状态、设备工况以及安全状况，为现场运行监管和调度指挥提供全面的技术支撑。
3)在综合监管层构建安全生产管理驾驶舱，通过对生产经营计划、生产作业计划、生产运行与安全状况的综合分析，及时发现经营与生产的衔接、配合问题并协调控制，及时预测设备运行、环境安全、井下人员等风险并有效防控，以提高煤矿的风险预控能力和协调控制能力，进而实现煤矿的“监、控、管”一体化。
3 煤矿MES系统应用功能
根据煤矿安全生产执行系统的应用架构设计，煤矿安全生产执行系统由工程项目管理、生产区队管理、生产装备管理、生产衔接计划、生产调度管理、安全风险预控、安全隐患管理、不安全行为管理、生产运行监视、管理者驾驶舱、工业数据采集、经营数据交换等功能组成，详见图2的煤矿MES功能组成。
图2 煤矿MES系统功能组成
3.1 工程项目管理
根据煤矿安全生产特点，帮助企业根据矿井地质条件，工作面、巷道布局以及工程设计，将矿井生产活动划分成互为关联、相互支撑的地质构造预测、瓦斯抽放、巷道掘进、综机配套、安装准备、采面回采、末采回收等工程项目，并根据各专业、各环节的施工特点进行施工规划，作为生产衔接计划编制和生产作业组织的依据。
3.2 生产区队管理
实现生产区队的信息化，并根据各生产区队的岗位职责、生产能力，并结合工程施工要求，为各工程安排生产区队，实现各区队承担工程的有序衔接并最大化发挥区队生产能力。
3.3 生产装备管理
实现生产装备的信息化，并根据各工程的专业特点及其施工要求进行生产装备的接续安排，实现生产装备在各工程之间的有效接续，提高装备的利用率。
3.4 生产衔接计划
根据煤矿生产经营目标，采用工程项目管理思想，将生产经营目标分解为互为关联的各专业、各工序的安全生产作业计划，指导日常安全生产活动的组织与管理，以各专业、各工序作业计划之间的联动控制机制促进生产作业全过程的协同。
3.5 生产调度管理
提供生产汇报的信息化功能，帮助调度人员及时收集各班次的原煤产量、掘进进尺、洗选加工、煤炭外运等生产执行情况以及作业安全状况，作为煤矿安全生产实际动态的真实依据。提供调度报表的自动生成和传递功能，依据生产汇报信息自动生成调度日报、调度旬报、调度月报，并依据岗位职责完成各报表的自动传递，为煤矿各级管理者及时掌握安全生产动态并进行管理决策提供支持。
3.6 安全风险预控
建立风险数据库，以及风险识别、风险监测、风险评估、风险预警、风险处理跟踪的闭环管理机制，通过对重大危险源的有效识别、实时监测、评估预警和处理跟踪，实现对安全风险的超前预控，以预防各种安全事故的发生。
3.7 安全隐患管理
建立安全隐患认定、分类、分级、排查处理的标准数据库，实现对安全隐患的科学认定、智能归类、自动上报、实时跟踪的闭环管理机制，帮助煤矿全面、及时收集安全监督检查所反馈的各类安全隐患信息，并对排查结果进行实时跟踪，指导隐患消除，提高安全隐患管理水平。
3.8 不安全行为管理
通过与人员定位系统集成，实现对领导跟班、带班情况以及作业人员脱岗情况动态管理，以加强领导跟班带班制度的贯彻落实，保证重要岗位的人员值守。及时收集各级安监人员发现的三违情况，通过对三违信息的多维分析，帮助企业发现不安全行为的发生规律与趋势，以便针对性治理。
3.9 生产运行监视
实时组织、加工、处理数据采集器采集的各工业自动化运行状态和设备运行参数等信息，提供各级管理者在管理网中以Web方式随时监视主运输监控、副井提升监测、井下排水泵房监控、主通风监控压风机监控、矿井水处理监控、综采工作面监控、火灾束管监测、矿压在线监测等系统的运行动态和相关设备运行参数，进而提高作业现场的管控能力和应急指挥能力。
3.10 工业数据采集
数据采集平台提供OPC、ODBC／JDBC和文件共三种数据采集引擎，通过基于OPC协议的数据采集与转换引擎，实时读取矿井提升、运输、供电、压风等自动化系统的控制信号以及设备工况参数，通过加工、转换并存储于关系型数据库，作为运行监管和工况分析的依据；通过基于ODBC／JDBC协议的数据交换引擎，实现对安全监测监控系统、井下人员定位系统的数据采集和加工处理。通过基于文件读写协议，实现对产量监控等系统数据的采集和利用。
3.11 经营数据交换
提供基于JMS异步消息机制的数据交换引擎，实时获取经营管理信息系统的经营管理、物资供应、煤炭运销等信息，作为安全生产执行系统中生产作业计划编制、生产调度指挥和执行过程跟踪的依据；及时将安全生产动态执行信息反馈至经营管理信息系统，以便煤矿根据生产作业安排进行物资供应、运输安排、经营考核。
3.12 管理者驾驶舱
根据煤矿企业安全生产特点，构建融综合分析、预警处理于一体的安全生产管理驾驶舱。通过安全管理驾驶舱，对工业自动化运行状态、设备运行参数、环境安全状况和井下人员动态进行综合分析和风险预警，提醒管理人员及时检查并针对性的预防处理，将安全隐患消灭于萌芽中，促使安全生产管理从被动管理向主动管理转变。同时，建立数据仓库，实现对生产产量、进尺、运输销售、大型设备以及其他生产过程管理信息化数据的全面分析，掌握生产动态规律，为各级管理者全面、直观、准确掌握安全生产动态并进行组织协调和调度指挥提供技术支撑。
4 煤矿MES系统实现技术
根据煤矿安全生产与经营特点，煤矿安全生产执行系统的技术实现，采用OPC技术实现对生产自动化运行动态及设备工况数据的实时采集，采用JMS技术实现对安全监测监控、人员定位的数据采集以及与经营管理信息系统的数据交换，采用FLEX技术实现对生产运行动态的图形化展现，采用OLAP技术实现对安全生产数据的多维分析。
4.1 采用OPC技术实现对工业数据的实时采集
实时采集提升、通风、运输、供配电等生产自动化系统的运行动态和设备工况，是煤矿安全生产执行系统实现对生产运行动态可视化监管的关键。通过对煤矿主流生产自动化系统应用现状的调查分析，煤矿安全生产执行系统应采用OPC技术，完成对矿井综合自动化信息的实时采集。
OPC(OLE for Process Control，用于过程控制的OLE)是一个工业标准，管理这个标准国际组织是OPC基金会，OPC基金会现有会员已超过220家。遍布全球，包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司。基于微软的OLE(现在的Active X)、COM(部件对象模型)和DCOM(分布式部件对象模型)技术。OPC包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统。
4.2 采用JMS技术实现与经营信息的共享与交换
采用JMS技术，实现煤矿安全生产执行系统与经营管理信息系统的数据交换和应用集成，实时获取经营信息，有效指导生产作业的组织与安排，及时反馈生产执行动态信息，形成从经营计划、作业计划到作业执行动态反馈、再到调度控制的信息流闭环控制体系，是煤矿安全生产执行系统实现“监、控、管”一体化的核心目标。
JMS即Java消息服务(Java Message Service)，是Java平台中关于面向消息中间件(MOM)的API，用于在两个应用程序之间，或分布式系统中发送消息，进行异步通信。Java消息服务是一个与具体平台无关的API，绝大多数MOM提供商都对JMS提供支持，能够有效解决煤矿异构系统间的数据交换问题。
4.3 采用Flex技术实现对运行动态的可视化展现
充分利用实时采集的生产自动化运行动态、设备工况、安全状况等信息，按照煤矿安全生产方式和生产工艺，采用Flex技术构建图形化的安全生产运行监管平台，以实现安全生产的过程可视化。
Flex是一个高效、免费的开源框架，可用于构建具有丰富表现力的Web应用程序，利用Adobe Flash Player和Adobe AIR，可以方便构建图形化展示界面，并支持跨浏览器、桌面和操作系统的一致性部署。因此，Flex的图形化展示与界面组织能力可以有效解决煤矿生产自动化系统多、信息组织难等问题。
4.4 采用OLAP技术实现对安全生产数据的多维分析
采用OLAP数据分析技术，通过对实时采集的安全生产动态以及经营管理信息的全方位分析，帮助企业及时发现安全生产执行过程中的各种问题与风险，以加强生产过程的调度协调能力以及风险预控能力。
5 结语
煤矿是国民经济的基础产业，生产过程中涉及到地质勘探及预测、瓦斯抽放、掘进、回采、通风、运输、供排水、供配电等多个专业的协同与配合。同时，煤矿是高危行业，生产过程中会受到顶板、瓦斯、煤尘爆炸、自然发火、地质灾害等威胁，因此，装备现代化、监测智能化、生产自动化、管理信息化是煤矿安全高产高效的根本出路。以MES为理论支撑，积极借鉴国内外先进行业MES成功应用经验，结合煤矿安全生产特点，研究并实施煤矿安全生产执行系统，通过矿井综合自动化与经营管理信息化的有机融合，实现煤矿安全生产各专业、各环节的有机衔接并紧密配合，实时、全面、准确掌握安全生产动态并对作业过程进行有效管控和整体优化，既是煤矿安全高产高效的需要，也是煤矿企业信息化的发展方向。
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