地浸鈾礦山自動(dòng)化和信息化系統(tǒng)融合設(shè)計(jì)及應(yīng)用

伍憲玉，侯 江，侯 錄,關(guān) 鍵,伍玉娜

(核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149)

地浸采鈾生產(chǎn)過(guò)程中，井場(chǎng)集控室內(nèi)管線、儀表設(shè)備等要素集中，檢測(cè)和控制環(huán)節(jié)較多，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控對(duì)于降本增效有重要意義[1-2]。目前，地浸礦山中自動(dòng)化系統(tǒng)存在的問(wèn)題主要有：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)不完善，個(gè)別采區(qū)仍需就地計(jì)量、人工抄表；控制站之間采用總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸速率低，穩(wěn)定性差；數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)各自獨(dú)立，缺乏集中生產(chǎn)管控系統(tǒng)；信息化水平及覆蓋率仍較低[3]，距離數(shù)字化還有很大差距；缺乏有效的安全環(huán)保預(yù)警信息系統(tǒng)和統(tǒng)一的信息化平臺(tái)，信息傳遞滯后，管理決策效率低。這些問(wèn)題的存在直接影響信息化和自動(dòng)化融合實(shí)施。

針對(duì)某地浸鈾礦山自動(dòng)化、信息化中存在的問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)兩化融合信息集成平臺(tái)，以期提高信息資源共享水平，提升管理決策效率與質(zhì)量。

1 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦山原有自動(dòng)化系統(tǒng)涉及井場(chǎng)采區(qū)集控室、集液泵房、配液泵房及浸出液處理廠房等。各區(qū)之間自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)采用Profibus DP總線，相比工業(yè)以太網(wǎng)，通信傳輸速率低，穩(wěn)定性較差；在線檢測(cè)系統(tǒng)不完善，只檢測(cè)采區(qū)抽、注液流量，通過(guò)各采區(qū)觸摸屏監(jiān)視數(shù)據(jù)，且部分采區(qū)檢測(cè)儀表為非智能儀表；未建立廠級(jí)統(tǒng)一調(diào)度監(jiān)控中心，未實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化監(jiān)控一體化。因此，需要對(duì)原有自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行3方面改進(jìn)：1)完善在線檢測(cè)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和記錄；2)總線通信網(wǎng)絡(luò)升級(jí)為工業(yè)以太網(wǎng)；3)建立廠級(jí)調(diào)度監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化統(tǒng)一監(jiān)管。

地浸—移動(dòng)床吸附淋洗自動(dòng)化系統(tǒng)包括井場(chǎng)和水冶廠兩部分的過(guò)程檢測(cè)與控制[4-5]。其中：井場(chǎng)設(shè)施主要有集控室、配液池與泵房、二級(jí)泵池與泵房、集液池、氣體站等；水冶廠設(shè)施有浸出液處理廠房和鹽酸庫(kù)。

根據(jù)控制需求和點(diǎn)數(shù)規(guī)模，選用自動(dòng)化水平較高、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的DCS系統(tǒng)(Distributed Control System)采集和監(jiān)控過(guò)程參數(shù)，各分站負(fù)責(zé)分散控制，廠級(jí)調(diào)度中心集中管理。DCS系統(tǒng)包括水冶廠主站和井場(chǎng)各分站。水冶廠主站設(shè)置于浸出液處理廠房控制室，井場(chǎng)分站設(shè)置于井場(chǎng)控制中心。控制站之間通過(guò)光纖以太網(wǎng)連接，DCS信號(hào)引至生活區(qū)、辦公樓、廠級(jí)調(diào)度中心。自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)

完善后的井場(chǎng)控制系統(tǒng)與原有井場(chǎng)控制系統(tǒng)相比：實(shí)現(xiàn)了流量、壓力等工藝參數(shù)的在線檢測(cè)；采用RS-485總線全面采集潛水泵變頻器的各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)百臺(tái)變頻器的遠(yuǎn)程監(jiān)控，既保證了信號(hào)的可靠性，又節(jié)約了成本[6]；選用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，高精度在線檢測(cè)CO2和O2質(zhì)量流量，增加CO2和O2報(bào)警控制功能，確保了生產(chǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定安全。

浸出液處理廠房控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理量較大，且需讀取井場(chǎng)各分站數(shù)據(jù)，因此在控制主站設(shè)計(jì)中選用高端冗余控制器，并配備流量、壓力、液位、濃度、酸度等多種在線檢測(cè)儀表；對(duì)樹(shù)脂計(jì)量罐采用料位和壓力雙重控制，避免單一信號(hào)失真導(dǎo)致控制失誤進(jìn)而引發(fā)樹(shù)脂堵塞和冒槽。

2 信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)信息特征

地浸生產(chǎn)、管理、經(jīng)營(yíng)等業(yè)務(wù)中涉及到的數(shù)據(jù)類型包括音頻、視頻和文本。數(shù)據(jù)信息具有多源性、多時(shí)空性和獲取手段多樣性等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)表達(dá)復(fù)雜多樣[7]。

自動(dòng)化系統(tǒng)中的監(jiān)控軟件有多個(gè)版本，不同版本使用的數(shù)據(jù)庫(kù)類型不盡相同，如Wincc5.0使用的是Sybase，而Wincc6.0使用的是SQL Server。雖然都是西門子組態(tài)軟件，但因數(shù)據(jù)庫(kù)不同，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式和交換方式也各異。

一些分析、經(jīng)營(yíng)和管理數(shù)據(jù)以文件、表格等非數(shù)據(jù)庫(kù)形式存在不便調(diào)取，若要實(shí)現(xiàn)信息資源共享[8]，解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合問(wèn)題，需對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、存儲(chǔ)與管理、分析與挖掘。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換和加載(ETL)。抽取不同的網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)中分散、異構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并、清洗、集成、轉(zhuǎn)換、分類、分揀和檢索等，將其轉(zhuǎn)換為各業(yè)務(wù)所需的目標(biāo)數(shù)據(jù)格式，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，再將匯總后的數(shù)據(jù)加載到服務(wù)器的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)或存儲(chǔ)系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和挖掘做好準(zhǔn)備[9]。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理

利用文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)和管理，使之能被快速、有效處理和利用。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析與挖掘

數(shù)據(jù)分析與挖掘是利用統(tǒng)計(jì)方法、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)庫(kù)、可視化等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高度自動(dòng)化分析，完成歸納性推理，挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)在價(jià)值，提取有用信息，通過(guò)圖片、映射關(guān)系或表格等清晰直觀地呈現(xiàn)給用戶[10-12]。

2.3 C/S與B/S軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)有C/S(Client/Server，客戶端/服務(wù)器)和B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器)兩種模式。C/S模式基于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，主要供操作和分析人員使用，響應(yīng)速度快，系統(tǒng)相對(duì)封閉，安全性好，且可以根據(jù)需求定制界面；但維護(hù)操作涉及每個(gè)客戶端，且每個(gè)客戶端都需安裝客戶端軟件，維護(hù)成本較高。B/S模式基于Web應(yīng)用展現(xiàn)形式，通過(guò)IE瀏覽器完成操作，主要供決策者或管理人員使用，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)維簡(jiǎn)便，可完成不同人員、不同地點(diǎn)、以不同接入方式訪問(wèn)和操作；缺點(diǎn)是客戶界面不夠豐富，依托瀏覽器，客戶端功能有限，不適合復(fù)雜系統(tǒng)。研究中將C/S和B/S模式相結(jié)合實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)的應(yīng)用。

2.4 信息安全架構(gòu)

參照《信息安全技術(shù)信息安全等級(jí)保護(hù)基本要求》及礦山信息安全需求，構(gòu)建“分區(qū)分級(jí)、綜合防護(hù)、縱深防御”安全防護(hù)體系。信息安全架構(gòu)如圖2所示。

圖2 信息安全架構(gòu)

根據(jù)信息資源特點(diǎn)，將信息系統(tǒng)劃分為生產(chǎn)控制區(qū)、廠級(jí)管理信息區(qū)和公司專網(wǎng)信息區(qū)。通過(guò)正向隔離保證生產(chǎn)控制區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；廠級(jí)管理信息區(qū)和公司專網(wǎng)信息區(qū)通過(guò)防火墻進(jìn)行物理隔離；軟、硬件結(jié)合綜合防護(hù)網(wǎng)絡(luò)、主機(jī)及應(yīng)用等；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，在分區(qū)邊界部署網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)控制設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)入侵防范、網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)等，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)縱深防御。

3 自動(dòng)化和信息化融合

根據(jù)地浸鈾礦山信息資源層級(jí)特點(diǎn)，整體規(guī)劃對(duì)信息資源的采集與集成。設(shè)計(jì)了集現(xiàn)場(chǎng)層、控制層、管理層、信息決策層于一體的信息集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。信息集成架構(gòu)如圖3所示。

圖3 信息集成架構(gòu)

1)現(xiàn)場(chǎng)層。現(xiàn)場(chǎng)層是信息化系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生成單元，包括在線檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC等。依靠測(cè)量、傳感等在線檢測(cè)儀表和PLC邏輯控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理及網(wǎng)絡(luò)通信功能等綜合手段[13]，建立精確、動(dòng)態(tài)和全面的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為控制層提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)信息。

2)控制層?？刂茖硬杉O(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析生產(chǎn)過(guò)程，并將數(shù)據(jù)信息自動(dòng)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中?？刂茖邮堑讓訉?shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)信息分散存儲(chǔ)于各自的控制站數(shù)據(jù)庫(kù)中。控制層數(shù)據(jù)定時(shí)或根據(jù)數(shù)值變化進(jìn)行記錄，數(shù)據(jù)量大，表達(dá)能力差，需匯總處理。

3)管理層。管理層對(duì)控制層數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、過(guò)濾、清洗等加工。控制層各個(gè)控制系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)加工后存儲(chǔ)于服務(wù)器統(tǒng)一規(guī)劃的數(shù)據(jù)庫(kù)中，為管理系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。通過(guò)匯總與處理生產(chǎn)管理過(guò)程中生成的數(shù)據(jù)信息形成管理所需的數(shù)據(jù)信息。管理層根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，因此具有一定周期性和邏輯性。

4)信息決策層。智能化信息決策需要以多維度數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，通過(guò)分析與挖掘信息資源尋找數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值模式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)預(yù)測(cè)。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)加以集合建立數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心根據(jù)各業(yè)務(wù)對(duì)信息調(diào)用的需求，確定數(shù)據(jù)的集成度和維度，提高調(diào)用效率，通過(guò)多維分析與查詢，實(shí)現(xiàn)智能化信息決策。

4 工程應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

該設(shè)計(jì)通過(guò)融合自動(dòng)化與信息化，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、監(jiān)控可視化、管理決策信息化和辦公自動(dòng)化，在某地浸鈾礦山已得到成功應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。主要體現(xiàn)在以下方面：

1)實(shí)現(xiàn)了多種儀表同時(shí)在線檢測(cè)，特別是科里奧利質(zhì)量流量計(jì)對(duì)CO2和O2的準(zhǔn)確計(jì)量使得地浸生產(chǎn)自動(dòng)化控制技術(shù)更趨完善；料位和壓力雙重控制使樹(shù)脂倒運(yùn)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，避免了樹(shù)脂堵塞和冒槽事故。

2)集生產(chǎn)管理、工業(yè)監(jiān)控、視頻會(huì)議和調(diào)度指揮于一體的綜合信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)異地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)辦公、信息資源網(wǎng)絡(luò)互通，保證了信息實(shí)時(shí)上傳、下達(dá)及工作人員之間的及時(shí)溝通，為管理層實(shí)時(shí)協(xié)同決策提供了支持，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)管理向網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化管理、紙質(zhì)模式向無(wú)紙化模式的轉(zhuǎn)變。

3)通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、監(jiān)控可視化、管理信息化，為礦山安全生產(chǎn)提供了有效的預(yù)警信息。

5 結(jié)論

自動(dòng)化和信息化系統(tǒng)的融合改變了生產(chǎn)運(yùn)行以人為管理為主的傳統(tǒng)模式，生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入、實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)調(diào)用，解決了信息系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)有效融合問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了“分區(qū)分級(jí)、綜合防護(hù)、縱深防御”的信息傳輸安全性，集現(xiàn)場(chǎng)層、控制層、管理層、信息決策層于一體，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，大大提升了決策和管理效率與質(zhì)量。