鉭鈮礦生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

曾令揮，宋曉梅，賈布衣

（1. 江西鎢業(yè)控股集團有限公司，江西 南昌 330096；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；3.礦冶過程自動控制技術(shù)國家重點實驗室，北京 100160；4.礦冶過程自動控制技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100160）

1 引言

企業(yè)信息化是指通過計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高企業(yè)的生產(chǎn)運營效率，降低企業(yè)運營風(fēng)險和成本，從而提高企業(yè)的整體管理水平，由于選礦行業(yè)地理環(huán)境、資源利用、國際化趨勢等因素影響，選礦信息化建設(shè)需求遠高于一般行業(yè)。同時，隨著礦山企業(yè)自動化、信息化發(fā)展，在選礦自動化建設(shè)基礎(chǔ)上，設(shè)備物聯(lián)、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)也為選礦行業(yè)數(shù)據(jù)的實時獲取分析提供了技術(shù)可行性。原有選礦廠進行了數(shù)字化車間改造，應(yīng)用設(shè)備操作自動化、控制智能化等改造升級技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制優(yōu)化管理，保障了工藝指標運行的穩(wěn)定性、可靠性，進而保障自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使生產(chǎn)具有抗干擾能力、自適應(yīng)能力。

選礦信息化管理是實現(xiàn)對自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，是對自動化系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和大量的歷史批次數(shù)據(jù)，按照業(yè)務(wù)需求在新的時間刻度下整合分析，對生產(chǎn)的成本、績效、利潤進行統(tǒng)計分析，進而優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度，實現(xiàn)對全礦山生產(chǎn)、安全的主要環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測、監(jiān)視，實現(xiàn)全礦山的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)調(diào)度、決策指揮的信息化、科學(xué)化。

2 宜春鉭鈮礦信息化建設(shè)需求

宜春鉭鈮礦是我國目前規(guī)模最大的鉭鈮鋰原料生產(chǎn)基地，礦床含鉭鈮鋰銣銫等多種金屬，具有開采條件好，儲量大，有價金屬多，綜合利用價值高的特點。為加快推進企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，利用智能制造發(fā)展培育壯大新動能，該企業(yè)實施了“宜春鉭鈮礦智能選廠試點示范”工程，項目主要對選礦廠進行數(shù)字化智能化改造與升級，其中生產(chǎn)信息化作為數(shù)字化升級改造的一部分內(nèi)容，其建設(shè)目標是建立一套本質(zhì)安全、數(shù)據(jù)完整、軟件智能的信息化管理系統(tǒng)。本質(zhì)安全需要工藝、設(shè)備、自動化多個專業(yè)設(shè)計的無縫鏈接，數(shù)據(jù)完整要求生產(chǎn)數(shù)據(jù)不落地，軟件智能要充分依靠復(fù)合專業(yè)知識群體和進行長期不斷的數(shù)據(jù)挖據(jù)。

鉭鈮礦信息化主要建設(shè)內(nèi)容包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、設(shè)備運行管理、能耗統(tǒng)計分析、生產(chǎn)報表管理等功能模塊，其目標是提供一套面向礦山企業(yè)的信息化解決方案，實現(xiàn)礦山企業(yè)的設(shè)備自動化、數(shù)據(jù)自動化，將生產(chǎn)決策與設(shè)備管理控制等信息有效集成，實現(xiàn)對關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)通過管理辦公網(wǎng)絡(luò)訪問生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)統(tǒng)一的用戶和權(quán)限管理。應(yīng)用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)，實現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)營、生產(chǎn)決策、生產(chǎn)管理和設(shè)備控制等信息的有機集成，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)安全調(diào)度、生產(chǎn)過程控制最優(yōu)化。

3 系統(tǒng)設(shè)計

生產(chǎn)管理系統(tǒng)需要基于一個成熟的企業(yè)軟件管理系統(tǒng)平臺，從而滿足生產(chǎn)管理系統(tǒng)規(guī)范的、標準的信息化管理需求。系統(tǒng)在信息化管理平臺基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)整套生產(chǎn)管理系統(tǒng)［1］，系統(tǒng)框架如圖1所示。DCS系統(tǒng)系統(tǒng)對工廠破碎、磨重、浮選等過程進行基礎(chǔ)控制，并將礦量、流量等生產(chǎn)模擬量、設(shè)備開關(guān)等離散信號采集并存儲在實時數(shù)據(jù)庫中［2］，在歷史數(shù)據(jù)庫Historian中形成了指標信息的時間標簽值，生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)平臺通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對礦量等實際生產(chǎn)參數(shù)、設(shè)備開關(guān)運時及水電等能耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計存儲，作為生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對設(shè)備運行管理、能耗統(tǒng)計分析、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)報表管理的集成以及對生產(chǎn)過程和關(guān)鍵生產(chǎn)指標進行監(jiān)視。

圖1 系統(tǒng)實現(xiàn)整體框架

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 礦山泛在數(shù)據(jù)采集技術(shù)

系統(tǒng)涉及對鉭鈮礦工業(yè)現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理工作，包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。建立異構(gòu)數(shù)據(jù)倉庫，適應(yīng)對海量異構(gòu)生產(chǎn)經(jīng)營、圖像等各類數(shù)據(jù)進行存儲、管理，為生產(chǎn)管理系統(tǒng)整合數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)資源。將工業(yè)現(xiàn)場的SCADA監(jiān)控軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)倉庫中，采用SQL數(shù)據(jù)庫作為中轉(zhuǎn)，存儲在基于Hadoop構(gòu)建的HDFS中，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

生產(chǎn)管理系統(tǒng)基于自動化的統(tǒng)計運算方式，通過Sqlserver數(shù)據(jù)庫相關(guān)的算法分析將歷史數(shù)據(jù)庫中秒級、毫秒級的時間變量進行采集、統(tǒng)計分析，實現(xiàn)了將DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集到生產(chǎn)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，最大程度地減少生產(chǎn)過程運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計的人力投入和人工勞動強度，提高生產(chǎn)指標數(shù)據(jù)的及時性、準確性和可靠性。

4.2 多源數(shù)據(jù)處理技術(shù)

鉭鈮礦礦山的多源數(shù)據(jù)主要歸納為三大類。

（1）一手數(shù)據(jù)，包括直接采集的礦山內(nèi)部運行數(shù)據(jù)，包括DCS運行數(shù)據(jù)，通過接口機等采集到歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器進行存儲歸檔后，通過Sqlserver、Hadoop等大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)將秒級數(shù)據(jù)進行采集、存儲和統(tǒng)計分析，實現(xiàn)具體數(shù)據(jù)的靈活、快速存儲，為決策者提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)測和統(tǒng)計分析報表。

（2）二手數(shù)據(jù)，包括化驗數(shù)據(jù)等第三方數(shù)據(jù)的采集、整理，系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口，可以通過ODBC等數(shù)據(jù)接口采集ERP、化驗數(shù)據(jù)等集成到生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫中，通過周期性的主被動讀取技術(shù)，分析整合后實現(xiàn)第三方數(shù)據(jù)的集成與數(shù)據(jù)展示。

（3）科學(xué)數(shù)據(jù)，包括模型算法等，由于此類數(shù)據(jù)是不定期的，因此系統(tǒng)提供被動存儲和提交接口，實現(xiàn)模型算法數(shù)據(jù)的收集和整合。

5 系統(tǒng)功能介紹及實現(xiàn)

5.1 開發(fā)框架

系統(tǒng)采用基于基于SpringMVC的Java EE架構(gòu)，是一套請求驅(qū)動類型的輕量級架構(gòu)，采用XML配置的注解方式實現(xiàn)前后端映射關(guān)系，該架構(gòu)在實際業(yè)務(wù)運行期間能夠在維持服務(wù)器穩(wěn)定的前提下，適用于礦冶大數(shù)據(jù)量的業(yè)務(wù)需求。

5.2 功能介紹

系統(tǒng)主要建設(shè)內(nèi)容包括生產(chǎn)報表管理、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備運行、能源統(tǒng)計、數(shù)據(jù)信息管理等功能模塊。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理：基于WinCC歷史數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)選礦生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的自動采集、統(tǒng)計、存儲，并進行小時、班、日、月、年等多時間尺度的運算統(tǒng)計和存儲［2］，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊主要實現(xiàn)了對破碎工段、磨重工段、回收工段的開車時間、停車時間、計劃處理量、實際處理量、交接班電表數(shù)、用電量等瞬時量和累積量的計算分析，對濃度、流量等工藝參數(shù)數(shù)據(jù)的小時值的計算統(tǒng)計。

生產(chǎn)報表管理：供了日常生產(chǎn)管理作業(yè)中的數(shù)據(jù)集成和報表展示功能，實現(xiàn)了日報表、月報表、年報表等根據(jù)時間尺度的查詢和報表展示、導(dǎo)出功能。系統(tǒng)將破碎、磨重、回收工段生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)（開車時間、停車時間、運行時間、計劃處理量、實際處理量、交接班電表數(shù)、用電量和用水量）等集成在報表系統(tǒng)中統(tǒng)一呈現(xiàn)和查看，實現(xiàn)了多時間尺度多維度的數(shù)據(jù)查詢以及報表導(dǎo)出功能，如圖3所示破碎工段生產(chǎn)報表，將破碎、磨重工段的數(shù)字化礦山生產(chǎn)指標數(shù)據(jù)進行采集計算，包括粒度、溫度、壓力等信息采集后集成到生產(chǎn)報表中為各生產(chǎn)作業(yè)進行指導(dǎo)，系統(tǒng)根據(jù)WinCC歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，采集后自動生成相關(guān)的報表數(shù)據(jù)，支持靈活的公式自定義，能夠為選礦指標的歷史數(shù)據(jù)追溯和統(tǒng)計分析帶來便利性。

圖3 破碎工段生產(chǎn)報表

能源統(tǒng)計模塊：基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，對破碎工段、磨浮工段、回收工段以及各車間及主要生產(chǎn)裝置的能源介質(zhì)進行計量統(tǒng)計，根據(jù)業(yè)務(wù)需求定制自動生成各類相關(guān)的報表，圖4所示各班組用電量統(tǒng)計信息，實現(xiàn)了根據(jù)選定日期查詢中時間范圍內(nèi)小時值統(tǒng)計值和瞬時值以及月度范圍內(nèi)每日的能耗分析數(shù)據(jù)。能源統(tǒng)計報表為分析管理以及車間考核等提供了數(shù)據(jù)支撐，并且可以作為信息管理系統(tǒng)的重要參考數(shù)據(jù)來源，同時為數(shù)字化礦山上一級系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)的能源數(shù)據(jù)，為用戶追溯歷史能耗信息，提供查詢、統(tǒng)計和打印功能，一方面可以根據(jù)報表信息作為管理制定的依據(jù)，另一方面可以根據(jù)班組能耗進行生產(chǎn)考核，為礦企提供了監(jiān)測并降低生產(chǎn)能耗的信息化手段。

圖4 選礦廠電能平衡日報表

5.3 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)實施上線后，礦山的數(shù)字化率提高了百分之八十，計算機報告代替了紙質(zhì)報告，實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與辦公數(shù)據(jù)分離的信息孤島，減輕了報告轉(zhuǎn)換及計算的勞動量，數(shù)據(jù)的及時性提高到小時級別甚至分鐘級別，管理人員能夠?qū)崟r掌握現(xiàn)場情況及現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)和管理帶來了便利性、準確性和實時性。

6 結(jié)論

生產(chǎn)管理系統(tǒng)滿足了鉭鈮礦生產(chǎn)選礦過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)了web頁面的數(shù)據(jù)分析與在線優(yōu)化，為各層管理部門提供共享的現(xiàn)場工作進展統(tǒng)計信息匯總，促進各部門面向生產(chǎn)過程的主動預(yù)防性管理，實現(xiàn)了生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的自動匯總分析與監(jiān)測，提升選礦生產(chǎn)中指標統(tǒng)計、生產(chǎn)計劃、設(shè)備運行、化驗數(shù)據(jù)、能源管理等過程的效率，提高了生產(chǎn)效率，降低了工人勞動強度，使礦山維持在最優(yōu)狀態(tài)和最佳水平。

通過統(tǒng)一的鉭鈮礦生產(chǎn)管理信息編碼，采用數(shù)據(jù)清洗、存儲、計算處理和分析等技術(shù)提供企業(yè)級管控信息，實現(xiàn)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)全礦山的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)調(diào)度、決策指揮的信息化、科學(xué)化，為礦山安全生產(chǎn)、有效預(yù)防和及時處理各種突發(fā)事故和自然災(zāi)害提供有效手段。通過數(shù)字化選礦廠信息化建設(shè)，保障了設(shè)備和工藝流程運行的穩(wěn)定性、可靠性，進而保障了自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，形成一個數(shù)字化選礦廠建設(shè)與維護技術(shù)團隊，使得信息化選礦建設(shè)的成果充分發(fā)揮與繼承。