1、前言

煤炭作為重要能源之一，在工業生產和人們日常生活中有著舉足輕重的影響。煤炭經濟收入占我國國民經濟總收入的很大份額。因此可以說，煤炭工業發展的優劣影響到了我國工業現代化的進程。我國煤礦多集中在山東、山西、內蒙古及甘肅等地，煤礦發展程度差異很大，煤礦的開采、運輸以及洗煤工業自動化應用程度也差別很大。除了少數大型煤礦采用自動化井下作業及地面洗煤外，多數煤礦自動化程度很低，還有煤礦利用人力或畜力來工作，即便是采用自動化的煤礦，也是在某個工段上采用，各個環節彼此獨立，形成了一個個自動化孤島。以至于煤炭生產中資源浪費嚴重，工作效率低下，各職能部門彼此推諉責任，管理力度不夠強，安全事故多。這些都阻礙了煤炭工業的發展。

針對煤炭工業中這些問題，國內外都在積極研究一種全新的煤炭工業發展模式。現在國外正研究把CIMS引入到煤礦生產中來，稱為計算機綜合煤礦綜合自動化（CIMAS:Computer Integrated Coal Mine Automation System），并取得了一定的成績。國際上CIMAS當前的發展動向有：通信網絡的標準化，智能傳感器與現場中線技術的應用及其標準化，專家系統的引入等。我國由于歷史的原因，這方面的研究和應用剛剛起步，在煤炭工業還沒有完全實現CIMS的應用。

2、CIMS

2.1.1 CIMS的基本概念

在談CIMS概念前，先了解一下CIM的概念。

CIM是一種企業生產制造與生產管理進行優化的哲理。這種哲理首先是在1974年美國Joseph Harrington博士在其論文《Computer Integrated Manufacturing》中提出的。其基本觀點是：這是針對企業所面臨的激烈市場競爭形勢而提出的組織企業生產的一種哲理。其基本思想是：①制造企業中的各個部分（即從市場分析、經營決策、工程設計、制造過程、質量控制、生產指揮到售后服務）是一個互相緊密相關的整體；②整個制造過程本質上可以抽象成一個數據的搜集、傳遞、加工和利用的過程，最終產品僅是數據的物化表現。前者體現了集成的思想，它將企業決策、經營管理、生產制造、銷售及售后服務有機地結合在一起；后者就是信息制造觀的思想。

CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)直譯為計算計綜合自動化，是基于CIM哲理構成的新型生產實體，是信息時代的一種新型生產制造模式。至今尚未有統一的定義，但對其基本看法是：CIMS是通過網絡數據庫支撐工具把計算機輔助設計、制造、管理等自動化孤島有機地結合起來，清除其接口間障礙，解決市場上多變的自動化生產的問題。

從上面表述可以看出CIM哲理的關鍵點是集成，CIMS的關鍵點也是集成。即通過計算機網絡技術、數據庫技術等軟硬件技術，把企業生產過程中經營管理、生產制造、售后服務等環節聯系在一起，構成了一個能適應市場需求變化和生產環境變化的大系統。 CIMS不僅僅把技術系統和經營生產系統集成在一起，而且把人（人的思想、理念及智能）也集成在一起，使整個企業的工作流程、物流和信息流都保持通暢和相互有機聯系，所以，CIMS是人、經營和技術三者集成的產物。

2.1.2 CIMS體系結構

CIMS體系結構是用來描述研究對象整個系統的各個部分和各個方面的相互關系和層次結構，從大系統理論角度研究，將整個研究對象分為幾個子系統，各個子系統相對獨立自治、分布存在、并發運行和驅動等。從功能層方面分析，CIMS可以由圖1表示出其組成及分層情況。

、裝配設備、工業機器人及其他生產制造自動化技術，這一層以物流為中心，完成生產、加工、裝配、包裝等任務。

圖1

第二層硬事務處理系統：這一層是生產/制造監控系統，通過計算機網絡對第一層的設備進行綜合控制與操作，實現對生產制造的監控。包含狹義的CAM、CAQ及CAT等。

第三層技術設計系統：這一層包含CAD（計算機輔助設計）、CAPP(計算機輔助工藝)，為生產制造系統產生信息。CAD用于產品設計、開發，它提供的是如何做的信息，而CAPP是依據CAD提供的信息指導如何作。

第四層軟事務處理系統：這一層主要通過計算機網絡實時地處理各種軟事務，譬如，財務、供銷、售后服務等方面的管理，實現電子化記賬。

第五層信息服務系統：以狹義的MIS為主，主要對前面各層的信息進行收集、存儲、加工、傳輸、使用、查詢，為各級管理者與下層提供數據。

第六層決策管理系統:這一層是企業經營管理規劃的決策層，主要有MRP-II(制造資源計劃) 、ERP(企業資源計劃) 、決策支持系統DSS、專家系統ES、系統模擬系統等組成。他根據企業總體路線、企業內部條件、市場信息等因素，產生生產經營活動的計劃與方案、各種資源的需求計劃，包括人、物、資金的需求計劃。

2.1.3 CIMS的功能結構還可以用圖2來理解

圖2

Ⅰ、ERP(Enterprise Resource Planning)即企業資源計劃。它的基本思想是將制造業的制造流程看作是一個緊密連結的供應鏈，供應鏈中包括了供應商、制造工廠、分銷網絡和客戶，ERP強調對完整供應鏈整體管理，是制造過程以更加有效的方式運行，使企業流程更加緊密地集成在一起。ERP是一種制造戰略，是以生產計劃為主線，以本企業利潤為中心，將于本企業供、產、銷活動有關的一切資源進行統籌安排的單一企業的管理模式，均為企業所運用。

Ⅱ、MRPII(Manufacturing Resource Planning)是制造資源計劃，是當今世界制造業普遍采用的，以企業整體與控制為主體的計算及輔助管理模式。MRPII的中心思想基于把制造業的物料流程看作一個“供給鏈”，即

圖3

該鏈表示了采購、生產到銷售是一條密切聯系、相互影響和不可分割的鏈條結構，并從企業內部沿兩個方向延展到企業外部。MRPII以產品結構為基礎，生成物料清單，并同時間、規定的地點、按照規定的數量，得到真正需要的物件。從而實現按時交貨，消除短缺，合理利用資源，減少庫存，消除浪費，降低成本，達到提高企業競爭力的目的。

圖4 ERP組織結構圖

因此，為了為企業提供更新更好的管理模式和管理工具，ERP還在不斷地吸收先進的管理技術和IT技術，如人工智能、精良生產、并行工程、Internet/Intranet、數據倉庫等等。其最大的成功就在于它很好地應用了C/S這種最新網絡技術。

（2）協調管理層是介于決策規劃層和生產制造控制層（車間層），起到上傳下達的作用。車間為制造業的物化中心，它不僅是制造計劃的具體執行者，也是制造信息的反饋者，更是大量制造實施的集散地，因此車間層的資源管理、車間管理與控制系統的敏捷性在一定程度上決定著整個企業的敏捷性。為適應敏捷的制造環境，近十幾年來逐步形成并發展了制造執行系統MES（Manufacturing Execution System）。

MES是位于企業上層生產計劃（MRPII/ERP）和底層工業控制之間，面向車間層的生產管理技術與實時信息系統，MES強調制造計劃的執行，它在計劃管理層和底層工業控制之間架起了一座橋梁，以達到整個系統的信息流暢。MES的任務是根據上級下達的生產計劃，充分利用車間的各種生產資源、生產方法和豐富的實時現場信息，快速、低成本地制造出高質量的產品，其生產活動涉及到訂單管理、設備管理、庫存跟蹤、物料流動、數據采集，以及維護管理、質量控制、性能分析及人力資源等。

MES的實質是一個信息管理系統，它把上層的命令信息經過加工、處理后下放到基層執行系統，指導基層系統如何完成任務，同時把下層的信息反饋給決策層，是上級及時了解執行情況，對決策進行調整、進一步規劃等。

（3）生產過程控制系統是底層執行系統，又稱為基層過程控制自動化（PCS），執行決策層的生產計劃生產要求，在信息管理層的協調和指導下，按照具體控制要求和生產質量標準，最終生產出合格產品。在基層自動化系統中，常用到DCS(Distributed Control System) 、PLC、及現場總線技術（Field Bus）等先進自動化控制技術。

DCS系統和PLC控制技術已得到了廣泛應用，在自動化控制領域已相當熟悉，這里不再贅述。現場總線技術是近幾年興起的控制技術，目前還處在推廣研發階段，其應用范圍還不廣。但是可以肯定的說，現場總線技術會取代傳統的自動控制技術，成為控制領域的主力。下面對其概念和特點作一介紹。

Ⅰ、現場總線是指在生產現場的測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信、完成測量控制任務的系統，這種開放型的工廠底層控制網絡構造了新一代的網絡集成式全分布控制系統，因而又被譽為自控領域的局域網。

Ⅱ、現場總線的技術特點：現場控制設備具有通信功能，便于構成工廠底層控制網絡；通信標準的公開、一致，使系統具備開放性，設備間具有互可操作性；功能塊與結構的規范化使相同功能的設備間具有互換性；控制功能下放到現場，使控制系統結構具備高度的分散性。

Ⅲ、現場總線的優點：現場總線使自控設備與系統步入了信息網絡的行列，為其應用開拓了更為廣闊的領域；一對雙絞線上可掛接多個控制設備，便于節省安裝費用；節省維護開銷；提高了系統的可靠性；為用戶提供了更為靈活的系統集成主動權。

現場總線發展迅速，現處于群雄并起、百家爭鳴的階段。目前已開發出有40多種現場總線，如Interbus、Bitbus、Device Net、Modbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具影響力的有5種，分別是FF、Profibus、HART、CAN和LonWorks。各種現場總線性能特點不同，其應用行業也不同。下面簡要介紹一下這5種。

FF（Foundation Fieldbus現場基金會總線）由美國儀器協會（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要應用于石油化工、連續工業過程控制中的儀表。FF的特色是其通訊協議在ISO的OSI物理層、數據鏈路層和應用層3層之上附加了用戶層，通過對象字典OD（Object Dictionary）和設備描述語言DDL（Device Description Language）實現可互操作性。

Profibus（Process Fieldbus）德國西門子公司1987年推出，主要應用于PLC。產品有三類：FMS用于主站之間的通訊；DP用于制造行業從站之間的通訊；PA用于過程行業從站之間的通訊。由于Profibus開發生產的現場總線產品開發時間早至十年前，限于當時計算機網絡水平，大多建立在IT網絡標準基礎上，隨著應用領域不斷擴大和用戶要求越來越高，現場總線的產品只能在原有IT協議框架上進行局部的修改和補充，以致在控制系統內增加了很多的轉換單元（如各種耦合器），這為該產品今后的進一步發展帶來了一定的局限性。

HART（Highway Addressable Remote Transducer可尋址遠程傳感器數據通路）美國Rosemount公司1989年推出，主要應用于智能變送器。HART為一過渡性標準，它通過在4-20mA電源信號線上疊加不同頻率的正弦波（2200HZ表“0”，1200HZ表“1”）來傳送數字信號，從而保證了數字系統和傳統模擬系統的兼容性，預計其生命周期為最近20年。

CAN（Controller Area Network控制局域網絡）德國Bosch 6公司1993年推出，應用于汽車監控、開關量控制、制造業等。介質訪問方式為非破壞性位仲裁方式，適用于實時性要求很高的小型網絡，且開發工具廉價。CAN型總線產品有AB公司的DeviceNet、臺灣研華的ADAM數據采集產品等。

LonWorks（LON Local Operating System局部操作系統）美國Echelon公司1991年推出，主要應用于樓宇自動化、工業自動化和電力行業等。LonTalk的全部7層協議，介質訪問方式為P-P CSMA（預測P-堅持載波監聽多路復用），采用網絡邏輯地址尋址方式，優先權機制保證了通訊的實時性，安全機制采用證實方式，因此能構建大型網絡控制系統。

2.2.1 CIMAS提出和背景

通常把機械制造領域的計算機綜合自動化叫做CIMS，對于流程工業領域的計算機綜合自動化稱為CIPS(Computer Integrated Process System),同樣把應用在煤礦行業的計算機綜合自動化叫做CIMAS。實際上，不論CIPS還是CIMAS，其基本哲理都是基于CIM，體系結構大致相似，尤其對綜合信息管理級沒有太大的區別，差異多在基層自動化技術應用方面，因為各行業的生產環境、產品性質、控制要求等因素的不同，具體自動化控制技術存在差異。實質上都是CIMS。

CIMS是以機械制造業為先導產業發展起來，并顯示出強大的生命力而受關注。很快，它的應用范圍也從離散型生產為特征的機械制造業迅速擴展到起它的流程企業和二者兼具的混合型生產企業。

我國在1986年制定了863/CIMS計劃，并將其歸為自動化技術領域。目前我國的CIMS研究與應用已步入世界先進水平，已有60多家骨干企業應用CIMS ，覆蓋了機械、電子、航空、航天、輕工、紡織、石油、化工、冶金、通信、水泥、兵器等行業。在煤炭行業也有應用的例子，如兗礦集團南屯煤礦洗煤廠，作為國家863/CIMS的示范工程于1996年立項，開創了國內外煤炭行業應用CIMS的歷史。但在整個煤礦大系統內，應用CIMS的企業國內很少。現在我國陜西省神木縣境內的大柳塔煤礦為首家實現了煤礦綜合自動化，也只局限于控制和監控實現自動化，實現的是生產環節的集成。

考慮主要受以下因素影響：

煤礦工業是一個復雜的行業，工作環節多，工種多，既有流程工業的特點，如地面生產系統的洗煤工業、井下采煤系統的綜采工作面的運輸系統等，又有離散制造業的特點，如機械加工車間和機械維修車間中，生產皮帶輸送機、刮板輸送機的工序，體現了制造業的特點。因此說，煤礦工業是一個混合型企業。

從大系統理論的觀點來說，具體到一個煤礦企業，把它視為一個大系統，按照工作環境分，下面可分為地面生產系統、井下生產系統、提升運輸系統三個子系統，每個子系統又有許多子系統，如井下生產系統又可分為采煤系統、掘進系統、局部通風系統、局部排水系統及運輸系統等。各個子系統在地理位置上跨距很大，從海拔+100多米到海拔-1000米左右，平面位置相距多達十幾公里。這對整體規劃和管理相當困難。

煤礦工作環境差，井下時常有瓦斯、煤塵等易燃、易爆氣體，還會有突水、自燃火、冒頂、塌方等危險，這對信息檢測、數據采集和設備控制提出了高的要求，信息難于集成。

此外，煤礦長期以來被人們誤解，認為煤礦是勞動密集型的行業，只需要力氣，不需要太多的技術，而且對傳統技術改造來應用CIMS技術要花費大量資金，使用后短期內很難見效益，包括煤礦內部高層管人員都有這種看法，這對推廣和應用先進自動化技術帶來很大的困難，更談不上CIMS的應用。

不過，由于煤礦工業在國民經濟中占重要地位，煤炭消費85%集中在電力、冶金、化工、建材等行業，煤炭工業的興衰直接影響到基礎工業的發展，影響到整個國民經濟的健康穩定發展，影響到人民生活的安康。因此煤炭工業長期以來作為重點行業發展。2002年國家經貿委提出了“十五”期間推廣應用信息技術改造提升煤炭工業的重點項目：

１．全礦井信息化網絡系統；

２．工作面自動化關鍵技術與裝備；

３．礦井安全生產綜合自動化監測監控系統；

４．煤炭運銷系統信息化技術；

５．煤炭洗選加工過程自動化測控技術；

６．全國煤礦安全生產信息管理技術。

上面的內容覆蓋了CIMS的基本內涵，可以看出研究、開發煤礦工業CIMS勢在必行。

2.2.2 CIMAS應用的目標

CIMAS應用的最終目標是使礦井生產管理的全過程全面實現自動化控制與管理，即“采煤、掘進、運輸、通風、供排水、供電”六個生產環節實現綜合自動化。其中“采煤”環節實現工作面生產自動化控制，地面集中監測;“運輸、掘進”環節實現地面集中控制，無固定崗位工；“通風、供排水、供電”環節實現三遙控制，無人值守；建立靈敏、準確的信息系統，把企業生產、管理和經營在網絡的層次上集成化，實現網絡化、信息化管理；實現煤炭訂貨、銷售、財務管理、煤質調查等環節的信息集成；通過管理控制一體化，實現生產自動化系統的實時數據庫與管理信息系統關系數據庫之間的數據集成，提高管理信息系統中有關生產的原始數據的準確性、實時性；同時通過對設備參CIMAS的具體內涵和應用

3.1 CIMAS的概念

在2.2中已提到CIMAS實質上也是CIMS ，是計算機綜合自動化在煤礦工業中的應用。可以表述為：將煤礦工業的過程控制與企業管理有機地結合的多級分布式計算機網絡。通過計算機網絡把煤炭企業的管理、計劃、決策和煤炭銷售、設備購置及底層設備控制、設備維護等信息結合起來，消除傳統煤炭工業生產、管理、控制中的信息孤島。充分利用資源、減少浪費、降低生產成本，提高煤炭企業的全員效益，在最大程度上創造高利潤。

3.2 CIMAS的體系結構

根據CIMS的體系結構，結合煤礦具體的特點，CIMAS的體系結構一般分為三級：綜合信息管理級，監督控制級和現場控制級。第一級由管理計算機，管理信息系統（MIS）、生產自動化系統、辦公自動化系統(OA) 、決策支持系統（DSS）等構成，對生產經營進行綜合管理和調度。這一級體現了MRPII和ERP的管理理念；第二級由監控計算機、工程師站、操作員站等構成，完成對生產過程的監視、指揮、高級控制策略的實現等。在這一級中具體完成了MES系統的功能；第三級包括各種傳感器、執行機構，對現場設備進行調節、控制等，完成對數據的采集和信息的傳遞。

3.3 CIMAS的通信網絡

CIMAS的通信網絡也可分為三級，即管理局網、過程控制局網和現場總線網。由于CIMAS的運行環境有別于一般工業，在網絡上選擇由它的特點，主要表現在過程控制網和現場總線網兩級。

（1）管理局網可采用MAP(Manufacturing Automation Protocol)協議。該協議是由即非標準化組織、也非計算機制造廠家的美國通用汽車公司提出，完全采用了ISO/OSI的七層參考模型。

現在多采用TCP/IP協議。TCP/IP協議(Transfer Control Protocol/Internet Protocol)叫做傳輸控制/網際協議，又叫網絡通訊協議，這個協議是Internet國際互聯網絡的基礎。TCP/IP是網絡中使用的基本的通信協議。TCP/IP是同ISO/OSI模型等價的。其基本原理是：當一個數據單元從網絡應用程序下流到網絡接口卡，它通過了一列的TCP/IP模塊。這其中的每一步，數據單元都會同網絡另一端對等TCP/IP模塊所需的信息一起打成包。這樣當數據最終傳到網卡時，它成了一個標準的以太幀(假設物理網絡是以太網)。而接收端的TCP/IP軟件通過剝去以太網幀并將數據向上傳輸過TCP/IP棧來為處于接收狀態的應用程序重新恢復原始數據。TCP具有三種主要特征：

I、 TCP協議是面向聯接的。這意味著在任何數據實施交換之前，TCP協議首先要在兩臺主機之間建立進程。

II、由于使用了序列號和返回通知，TCP協議使用戶確信傳輸的可靠性。序列號允許TCP協議的數據段被劃分成多個數據包傳輸，然后在接收端重新組裝成原來的數據段。返回通知驗證了數據已收到。

III、 TCP協議使用字節流通訊。這意味著數據被當作沒有信息邊際的字節序列來對待。

（2）過程控制網可采用IEC955標準PROWAY C（Process Data Highway），PROWAY是一種專門用于過程控制的網絡協議，它可互連輸入/輸出設備、控制設備、人機接口設備等。特別強調實時性和可靠性。

可靠性：無論系統中個別聯網設備發生什么故障，都不應導致整個網絡癱瘓。為此一般的聯網設備都要準備多個接口，并采用兩套傳輸介質。

實時性：對某些具有高優先權的用戶，其獲得傳輸介質的等待時間不大于2ms。

主要結構參數：

總線拓撲結構：總線長達2000米，傳輸速率1M位/秒，最大可容納100個功能站。采用雙總線冗余。令牌傳遞存取控制方式：完全的檢測手段。

表3 PROWAY協議層次結構與OSI模型的關系

（3）現場總線技術已在前面2.1.3提到，這里只簡單說一下，對現場總線協議采用Profibus協議，其中的Profibus DP協議用于設備層，Profibus PA協議用于現場智能儀表。

煤礦的“生產線”（礦井和地面工業廣場）監控目標分散，相距可達10公里以上，各部分之間的信息聯系相對較少，工作環境又惡劣。國內外針對這些特點，曾開發了一些監控系統，如KJ1、KJ2、KJ4、KJ—90，但由于這系統缺少標準化，沒有統一通信協議，不能用在CIMAS中來。

圖5所示根據上述CIMAS體系結構和通信協議提出的CIMAS系統簡圖。在地面工業廣場中，主通風機、空壓機、礦井提升機、變電所、洗煤廠等子系統各位生產過程監控網中的一個節點。井下軌道運輸信息集閉系統和生產安全系統各為一個節點。皮帶運輸系統根據具體情況，把它單獨化為一個子系統或并入井下軌道運輸系統。

3.4 CIMAS現場總線的性能要求

現場總線技術是伴隨著傳感器和現場控制裝置的智能化而發展起來的，是當今自動化領域中研究的熱點。20世紀80年代以前，大多采用4~20mA的電流標準進行通信，煤礦井下采用1~5mA、5~15Hz、200~1000Hz的模擬信號通信，還有采用基于HART協議的儀表。在智能傳感器出現以后，應該首先考慮用數字化的儀表通信。

圖5 CIMAS體系結構

3.5 煤礦井下的現場總線

目前，礦用傳感器已進入了智能化階段，它們直接掛在一條現場總線上。模擬信號值的傳感器也可通過信號變送器掛到總線上。現在國內外有多家開發智能傳感器的廠家，相信開發智能傳感器和現場總線技術在煤礦的應用必將迅速發展。

在煤礦井下一般采用兩極現場總線，這是因為：

（1）如果采用一級總線，其傳輸速率在10Kb/s以上，這樣高的速率不允許總線有長分支線，電纜在井下分支巷道將出現較多的返走線。如果采用兩級總線，第一級總線可采用低速率，允許較長的分支。

（2）因為使用主從式總線存取協議，在井下距離遠、條件惡劣的情況下，一旦總線中斷，市區主站的總線段會失去控制。從網絡可靠性來考慮，使用二級總線能減少這種危險。

當然現在可以采用一級總線冗余的方案。

4、結束語

在知識成為經濟增長的重要因素的知識經濟時代，CIMAS技術是煤礦自動化的發展方向，它的應用正如在機械和其他行業取得顯著成果一樣，肯定也將為我國煤炭工業的健康發展帶來新的希望。