1、前言

煤炭作为重要能源之一，在工业生产和人们日常生活中有着举足轻重的影响。煤炭经济收入占我国国民经济总收入的很大份额。因此可以说，煤炭工业发展的优劣影响到了我国工业现代化的进程。我国煤矿多集中在山东、山西、内蒙古及甘肃等地，煤矿发展程度差异很大，煤矿的开采、运输以及洗煤工业自动化应用程度也差别很大。除了少数大型煤矿采用自动化井下作业及地面洗煤外，多数煤矿自动化程度很低，还有煤矿利用人力或畜力来工作，即便是采用自动化的煤矿，也是在某个工段上采用，各个环节彼此独立，形成了一个个自动化孤岛。以至于煤炭生产中资源浪费严重，工作效率低下，各职能部门彼此推诿责任，管理力度不够强，安全事故多。这些都阻碍了煤炭工业的发展。

针对煤炭工业中这些问题，国内外都在积极研究一种全新的煤炭工业发展模式。现在国外正研究把CIMS引入到煤矿生产中来，称为计算机综合煤矿综合自动化（CIMAS:Computer Integrated Coal Mine Automation System），并取得了一定的成绩。国际上CIMAS当前的发展动向有：通信网络的标准化，智能传感器与现场中线技术的应用及其标准化，专家系统的引入等。我国由于历史的原因，这方面的研究和应用刚刚起步，在煤炭工业还没有完全实现CIMS的应用。

2、CIMS

2.1.1 CIMS的基本概念

在谈CIMS概念前，先了解一下CIM的概念。

CIM是一种企业生产制造与生产管理进行优化的哲理。这种哲理首先是在1974年美国Joseph Harrington博士在其论文《Computer Integrated Manufacturing》中提出的。其基本观点是：这是针对企业所面临的激烈市场竞争形势而提出的组织企业生产的一种哲理。其基本思想是：①制造企业中的各个部分（即从市场分析、经营决策、工程设计、制造过程、质量控制、生产指挥到售后服务）是一个互相紧密相关的整体；②整个制造过程本质上可以抽象成一个数据的搜集、传递、加工和利用的过程，最终产品仅是数据的物化表现。前者体现了集成的思想，它将企业决策、经营管理、生产制造、销售及售后服务有机地结合在一起；后者就是信息制造观的思想。

CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)直译为计算计综合自动化，是基于CIM哲理构成的新型生产实体，是信息时代的一种新型生产制造模式。至今尚未有统一的定义，但对其基本看法是：CIMS是通过网络数据库支撑工具把计算机辅助设计、制造、管理等自动化孤岛有机地结合起来，清除其接口间障碍，解决市场上多变的自动化生产的问题。

从上面表述可以看出CIM哲理的关键点是集成，CIMS的关键点也是集成。即通过计算机网络技术、数据库技术等软硬件技术，把企业生产过程中经营管理、生产制造、售后服务等环节联系在一起，构成了一个能适应市场需求变化和生产环境变化的大系统。 CIMS不仅仅把技术系统和经营生产系统集成在一起，而且把人（人的思想、理念及智能）也集成在一起，使整个企业的工作流程、物流和信息流都保持通畅和相互有机联系，所以，CIMS是人、经营和技术三者集成的产物。

2.1.2 CIMS体系结构

CIMS体系结构是用来描述研究对象整个系统的各个部分和各个方面的相互关系和层次结构，从大系统理论角度研究，将整个研究对象分为几个子系统，各个子系统相对独立自治、分布存在、并发运行和驱动等。从功能层方面分析，CIMS可以由图1表示出其组成及分层情况。

、装配设备、工业机器人及其他生产制造自动化技术，这一层以物流为中心，完成生产、加工、装配、包装等任务。

图1

第二层硬事务处理系统：这一层是生产/制造监控系统，通过计算机网络对第一层的设备进行综合控制与操作，实现对生产制造的监控。包含狭义的CAM、CAQ及CAT等。

第三层技术设计系统：这一层包含CAD（计算机辅助设计）、CAPP(计算机辅助工艺)，为生产制造系统产生信息。CAD用于产品设计、开发，它提供的是如何做的信息，而CAPP是依据CAD提供的信息指导如何作。

第四层软事务处理系统：这一层主要通过计算机网络实时地处理各种软事务，譬如，财务、供销、售后服务等方面的管理，实现电子化记账。

第五层信息服务系统：以狭义的MIS为主，主要对前面各层的信息进行收集、存储、加工、传输、使用、查询，为各级管理者与下层提供数据。

第六层决策管理系统:这一层是企业经营管理规划的决策层，主要有MRP-II(制造资源计划) 、ERP(企业资源计划) 、决策支持系统DSS、专家系统ES、系统模拟系统等组成。他根据企业总体路线、企业内部条件、市场信息等因素，产生生产经营活动的计划与方案、各种资源的需求计划，包括人、物、资金的需求计划。

2.1.3 CIMS的功能结构还可以用图2来理解

图2

Ⅰ、ERP(Enterprise Resource Planning)即企业资源计划。它的基本思想是将制造业的制造流程看作是一个紧密连结的供应链，供应链中包括了供应商、制造工厂、分销网络和客户，ERP强调对完整供应链整体管理，是制造过程以更加有效的方式运行，使企业流程更加紧密地集成在一起。ERP是一种制造战略，是以生产计划为主线，以本企业利润为中心，将于本企业供、产、销活动有关的一切资源进行统筹安排的单一企业的管理模式，均为企业所运用。

Ⅱ、MRPII(Manufacturing Resource Planning)是制造资源计划，是当今世界制造业普遍采用的，以企业整体与控制为主体的计算及辅助管理模式。MRPII的中心思想基于把制造业的物料流程看作一个“供给链”，即

图3

该链表示了采购、生产到销售是一条密切联系、相互影响和不可分割的链条结构，并从企业内部沿两个方向延展到企业外部。MRPII以产品结构为基础，生成物料清单，并同时间、规定的地点、按照规定的数量，得到真正需要的物件。从而实现按时交货，消除短缺，合理利用资源，减少库存，消除浪费，降低成本，达到提高企业竞争力的目的。

图4 ERP组织结构图

因此，为了为企业提供更新更好的管理模式和管理工具，ERP还在不断地吸收先进的管理技术和IT技术，如人工智能、精良生产、并行工程、Internet/Intranet、数据仓库等等。其最大的成功就在于它很好地应用了C/S这种最新网络技术。

（2）协调管理层是介于决策规划层和生产制造控制层（车间层），起到上传下达的作用。车间为制造业的物化中心，它不仅是制造计划的具体执行者，也是制造信息的反馈者，更是大量制造实施的集散地，因此车间层的资源管理、车间管理与控制系统的敏捷性在一定程度上决定着整个企业的敏捷性。为适应敏捷的制造环境，近十几年来逐步形成并发展了制造执行系统MES（Manufacturing Execution System）。

MES是位于企业上层生产计划（MRPII/ERP）和底层工业控制之间，面向车间层的生产管理技术与实时信息系统，MES强调制造计划的执行，它在计划管理层和底层工业控制之间架起了一座桥梁，以达到整个系统的信息流畅。MES的任务是根据上级下达的生产计划，充分利用车间的各种生产资源、生产方法和丰富的实时现场信息，快速、低成本地制造出高质量的产品，其生产活动涉及到订单管理、设备管理、库存跟踪、物料流动、数据采集，以及维护管理、质量控制、性能分析及人力资源等。

MES的实质是一个信息管理系统，它把上层的命令信息经过加工、处理后下放到基层执行系统，指导基层系统如何完成任务，同时把下层的信息反馈给决策层，是上级及时了解执行情况，对决策进行调整、进一步规划等。

（3）生产过程控制系统是底层执行系统，又称为基层过程控制自动化（PCS），执行决策层的生产计划生产要求，在信息管理层的协调和指导下，按照具体控制要求和生产质量标准，最终生产出合格产品。在基层自动化系统中，常用到DCS(Distributed Control System) 、PLC、及现场总线技术（Field Bus）等先进自动化控制技术。

DCS系统和PLC控制技术已得到了广泛应用，在自动化控制领域已相当熟悉，这里不再赘述。现场总线技术是近几年兴起的控制技术，目前还处在推广研发阶段，其应用范围还不广。但是可以肯定的说，现场总线技术会取代传统的自动控制技术，成为控制领域的主力。下面对其概念和特点作一介绍。

Ⅰ、现场总线是指在生产现场的测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信、完成测量控制任务的系统，这种开放型的工厂底层控制网络构造了新一代的网络集成式全分布控制系统，因而又被誉为自控领域的局域网。

Ⅱ、现场总线的技术特点：现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络；通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性；功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性；控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。

Ⅲ、现场总线的优点：现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。

现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、Device Net、Modbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具影响力的有5种，分别是FF、Profibus、HART、CAN和LonWorks。各种现场总线性能特点不同，其应用行业也不同。下面简要介绍一下这5种。

FF（Foundation Fieldbus现场基金会总线）由美国仪器协会（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要应用于石油化工、连续工业过程控制中的仪表。FF的特色是其通讯协议在ISO的OSI物理层、数据链路层和应用层3层之上附加了用户层，通过对象字典OD（Object Dictionary）和设备描述语言DDL（Device Description Language）实现可互操作性。

Profibus（Process Fieldbus）德国西门子公司1987年推出，主要应用于PLC。产品有三类：FMS用于主站之间的通讯；DP用于制造行业从站之间的通讯；PA用于过程行业从站之间的通讯。由于Profibus开发生产的现场总线产品开发时间早至十年前，限于当时计算机网络水平，大多建立在IT网络标准基础上，随着应用领域不断扩大和用户要求越来越高，现场总线的产品只能在原有IT协议框架上进行局部的修改和补充，以致在控制系统内增加了很多的转换单元（如各种耦合器），这为该产品今后的进一步发展带来了一定的局限性。

HART（Highway Addressable Remote Transducer可寻址远程传感器数据通路）美国Rosemount公司1989年推出，主要应用于智能变送器。HART为一过渡性标准，它通过在4-20mA电源信号线上叠加不同频率的正弦波（2200HZ表“0”，1200HZ表“1”）来传送数字信号，从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性，预计其生命周期为最近20年。

CAN（Controller Area Network控制局域网络）德国Bosch 6公司1993年推出，应用于汽车监控、开关量控制、制造业等。介质访问方式为非破坏性位仲裁方式，适用于实时性要求很高的小型网络，且开发工具廉价。CAN型总线产品有AB公司的DeviceNet、台湾研华的ADAM数据采集产品等。

LonWorks（LON Local Operating System局部操作系统）美国Echelon公司1991年推出，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力行业等。LonTalk的全部7层协议，介质访问方式为P-P CSMA（预测P-坚持载波监听多路复用），采用网络逻辑地址寻址方式，优先权机制保证了通讯的实时性，安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制系统。

2.2.1 CIMAS提出和背景

通常把机械制造领域的计算机综合自动化叫做CIMS，对于流程工业领域的计算机综合自动化称为CIPS(Computer Integrated Process System),同样把应用在煤矿行业的计算机综合自动化叫做CIMAS。实际上，不论CIPS还是CIMAS，其基本哲理都是基于CIM，体系结构大致相似，尤其对综合信息管理级没有太大的区别，差异多在基层自动化技术应用方面，因为各行业的生产环境、产品性质、控制要求等因素的不同，具体自动化控制技术存在差异。实质上都是CIMS。

CIMS是以机械制造业为先导产业发展起来，并显示出强大的生命力而受关注。很快，它的应用范围也从离散型生产为特征的机械制造业迅速扩展到起它的流程企业和二者兼具的混合型生产企业。

我国在1986年制定了863/CIMS计划，并将其归为自动化技术领域。目前我国的CIMS研究与应用已步入世界先进水平，已有60多家骨干企业应用CIMS ，覆盖了机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、石油、化工、冶金、通信、水泥、兵器等行业。在煤炭行业也有应用的例子，如兖矿集团南屯煤矿洗煤厂，作为国家863/CIMS的示范工程于1996年立项，开创了国内外煤炭行业应用CIMS的历史。但在整个煤矿大系统内，应用CIMS的企业国内很少。现在我国陕西省神木县境内的大柳塔煤矿为首家实现了煤矿综合自动化，也只局限于控制和监控实现自动化，实现的是生产环节的集成。

考虑主要受以下因素影响：

煤矿工业是一个复杂的行业，工作环节多，工种多，既有流程工业的特点，如地面生产系统的洗煤工业、井下采煤系统的综采工作面的运输系统等，又有离散制造业的特点，如机械加工车间和机械维修车间中，生产皮带输送机、刮板输送机的工序，体现了制造业的特点。因此说，煤矿工业是一个混合型企业。

从大系统理论的观点来说，具体到一个煤矿企业，把它视为一个大系统，按照工作环境分，下面可分为地面生产系统、井下生产系统、提升运输系统三个子系统，每个子系统又有许多子系统，如井下生产系统又可分为采煤系统、掘进系统、局部通风系统、局部排水系统及运输系统等。各个子系统在地理位置上跨距很大，从海拔+100多米到海拔-1000米左右，平面位置相距多达十几公里。这对整体规划和管理相当困难。

煤矿工作环境差，井下时常有瓦斯、煤尘等易燃、易爆气体，还会有突水、自燃火、冒顶、塌方等危险，这对信息检测、数据采集和设备控制提出了高的要求，信息难于集成。

此外，煤矿长期以来被人们误解，认为煤矿是劳动密集型的行业，只需要力气，不需要太多的技术，而且对传统技术改造来应用CIMS技术要花费大量资金，使用后短期内很难见效益，包括煤矿内部高层管人员都有这种看法，这对推广和应用先进自动化技术带来很大的困难，更谈不上CIMS的应用。

不过，由于煤矿工业在国民经济中占重要地位，煤炭消费85%集中在电力、冶金、化工、建材等行业，煤炭工业的兴衰直接影响到基础工业的发展，影响到整个国民经济的健康稳定发展，影响到人民生活的安康。因此煤炭工业长期以来作为重点行业发展。2002年国家经贸委提出了“十五”期间推广应用信息技术改造提升煤炭工业的重点项目：

１．全矿井信息化网络系统；

２．工作面自动化关键技术与装备；

３．矿井安全生产综合自动化监测监控系统；

４．煤炭运销系统信息化技术；

５．煤炭洗选加工过程自动化测控技术；

６．全国煤矿安全生产信息管理技术。

上面的内容覆盖了CIMS的基本内涵，可以看出研究、开发煤矿工业CIMS势在必行。

2.2.2 CIMAS应用的目标

CIMAS应用的最终目标是使矿井生产管理的全过程全面实现自动化控制与管理，即“采煤、掘进、运输、通风、供排水、供电”六个生产环节实现综合自动化。其中“采煤”环节实现工作面生产自动化控制，地面集中监测;“运输、掘进”环节实现地面集中控制，无固定岗位工；“通风、供排水、供电”环节实现三遥控制，无人值守；建立灵敏、准确的信息系统，把企业生产、管理和经营在网络的层次上集成化，实现网络化、信息化管理；实现煤炭订货、销售、财务管理、煤质调查等环节的信息集成；通过管理控制一体化，实现生产自动化系统的实时数据库与管理信息系统关系数据库之间的数据集成，提高管理信息系统中有关生产的原始数据的准确性、实时性；同时通过对设备参CIMAS的具体内涵和应用

3.1 CIMAS的概念

在2.2中已提到CIMAS实质上也是CIMS ，是计算机综合自动化在煤矿工业中的应用。可以表述为：将煤矿工业的过程控制与企业管理有机地结合的多级分布式计算机网络。通过计算机网络把煤炭企业的管理、计划、决策和煤炭销售、设备购置及底层设备控制、设备维护等信息结合起来，消除传统煤炭工业生产、管理、控制中的信息孤岛。充分利用资源、减少浪费、降低生产成本，提高煤炭企业的全员效益，在最大程度上创造高利润。

3.2 CIMAS的体系结构

根据CIMS的体系结构，结合煤矿具体的特点，CIMAS的体系结构一般分为三级：综合信息管理级，监督控制级和现场控制级。第一级由管理计算机，管理信息系统（MIS）、生产自动化系统、办公自动化系统(OA) 、决策支持系统（DSS）等构成，对生产经营进行综合管理和调度。这一级体现了MRPII和ERP的管理理念；第二级由监控计算机、工程师站、操作员站等构成，完成对生产过程的监视、指挥、高级控制策略的实现等。在这一级中具体完成了MES系统的功能；第三级包括各种传感器、执行机构，对现场设备进行调节、控制等，完成对数据的采集和信息的传递。

3.3 CIMAS的通信网络

CIMAS的通信网络也可分为三级，即管理局网、过程控制局网和现场总线网。由于CIMAS的运行环境有别于一般工业，在网络上选择由它的特点，主要表现在过程控制网和现场总线网两级。

（1）管理局网可采用MAP(Manufacturing Automation Protocol)协议。该协议是由即非标准化组织、也非计算机制造厂家的美国通用汽车公司提出，完全采用了ISO/OSI的七层参考模型。

现在多采用TCP/IP协议。TCP/IP协议(Transfer Control Protocol/Internet Protocol)叫做传输控制/网际协议，又叫网络通讯协议，这个协议是Internet国际互联网络的基础。TCP/IP是网络中使用的基本的通信协议。TCP/IP是同ISO/OSI模型等价的。其基本原理是：当一个数据单元从网络应用程序下流到网络接口卡，它通过了一列的TCP/IP模块。这其中的每一步，数据单元都会同网络另一端对等TCP/IP模块所需的信息一起打成包。这样当数据最终传到网卡时，它成了一个标准的以太帧(假设物理网络是以太网)。而接收端的TCP/IP软件通过剥去以太网帧并将数据向上传输过TCP/IP栈来为处于接收状态的应用程序重新恢复原始数据。TCP具有三种主要特征：

I、 TCP协议是面向联接的。这意味着在任何数据实施交换之前，TCP协议首先要在两台主机之间建立进程。

II、由于使用了序列号和返回通知，TCP协议使用户确信传输的可靠性。序列号允许TCP协议的数据段被划分成多个数据包传输，然后在接收端重新组装成原来的数据段。返回通知验证了数据已收到。

III、 TCP协议使用字节流通讯。这意味着数据被当作没有信息边际的字节序列来对待。

（2）过程控制网可采用IEC955标准PROWAY C（Process Data Highway），PROWAY是一种专门用于过程控制的网络协议，它可互连输入/输出设备、控制设备、人机接口设备等。特别强调实时性和可靠性。

可靠性：无论系统中个别联网设备发生什么故障，都不应导致整个网络瘫痪。为此一般的联网设备都要准备多个接口，并采用两套传输介质。

实时性：对某些具有高优先权的用户，其获得传输介质的等待时间不大于2ms。

主要结构参数：

总线拓扑结构：总线长达2000米，传输速率1M位/秒，最大可容纳100个功能站。采用双总线冗余。令牌传递存取控制方式：完全的检测手段。

表3 PROWAY协议层次结构与OSI模型的关系

（3）现场总线技术已在前面2.1.3提到，这里只简单说一下，对现场总线协议采用Profibus协议，其中的Profibus DP协议用于设备层，Profibus PA协议用于现场智能仪表。

煤矿的“生产线”（矿井和地面工业广场）监控目标分散，相距可达10公里以上，各部分之间的信息联系相对较少，工作环境又恶劣。国内外针对这些特点，曾开发了一些监控系统，如KJ1、KJ2、KJ4、KJ—90，但由于这系统缺少标准化，没有统一通信协议，不能用在CIMAS中来。

图5所示根据上述CIMAS体系结构和通信协议提出的CIMAS系统简图。在地面工业广场中，主通风机、空压机、矿井提升机、变电所、洗煤厂等子系统各位生产过程监控网中的一个节点。井下轨道运输信息集闭系统和生产安全系统各为一个节点。皮带运输系统根据具体情况，把它单独化为一个子系统或并入井下轨道运输系统。

3.4 CIMAS现场总线的性能要求

现场总线技术是伴随着传感器和现场控制装置的智能化而发展起来的，是当今自动化领域中研究的热点。20世纪80年代以前，大多采用4~20mA的电流标准进行通信，煤矿井下采用1~5mA、5~15Hz、200~1000Hz的模拟信号通信，还有采用基于HART协议的仪表。在智能传感器出现以后，应该首先考虑用数字化的仪表通信。

图5 CIMAS体系结构

3.5 煤矿井下的现场总线

目前，矿用传感器已进入了智能化阶段，它们直接挂在一条现场总线上。模拟信号值的传感器也可通过信号变送器挂到总线上。现在国内外有多家开发智能传感器的厂家，相信开发智能传感器和现场总线技术在煤矿的应用必将迅速发展。

在煤矿井下一般采用两极现场总线，这是因为：

（1）如果采用一级总线，其传输速率在10Kb/s以上，这样高的速率不允许总线有长分支线，电缆在井下分支巷道将出现较多的返走线。如果采用两级总线，第一级总线可采用低速率，允许较长的分支。

（2）因为使用主从式总线存取协议，在井下距离远、条件恶劣的情况下，一旦总线中断，市区主站的总线段会失去控制。从网络可靠性来考虑，使用二级总线能减少这种危险。

当然现在可以采用一级总线冗余的方案。

4、结束语

在知识成为经济增长的重要因素的知识经济时代，CIMAS技术是煤矿自动化的发展方向，它的应用正如在机械和其他行业取得显著成果一样，肯定也将为我国煤炭工业的健康发展带来新的希望。