伍憲玉，侯 江，侯 錄,關 鍵,伍玉娜

(核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149)

地浸采鈾生產過程中，井場集控室內管線、儀表設備等要素集中，檢測和控制環(huán)節(jié)較多，實現(xiàn)自動化監(jiān)控對于降本增效有重要意義[1-2]。目前，地浸礦山中自動化系統(tǒng)存在的問題主要有：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)不完善，個別采區(qū)仍需就地計量、人工抄表；控制站之間采用總線結構，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)各自獨立，缺乏集中生產管控系統(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)保預警信息系統(tǒng)和統(tǒng)一的信息化平臺，信息傳遞滯后，管理決策效率低。這些問題的存在直接影響信息化和自動化融合實施。

針對某地浸鈾礦山自動化、信息化中存在的問題，研究開發(fā)兩化融合信息集成平臺，以期提高信息資源共享水平，提升管理決策效率與質量。

1 自動化系統(tǒng)設計

礦山原有自動化系統(tǒng)涉及井場采區(qū)集控室、集液泵房、配液泵房及浸出液處理廠房等。各區(qū)之間自動化通信網(wǎng)絡采用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；在線檢測系統(tǒng)不完善，只檢測采區(qū)抽、注液流量，通過各采區(qū)觸摸屏監(jiān)視數(shù)據(jù)，且部分采區(qū)檢測儀表為非智能儀表；未建立廠級統(tǒng)一調度監(jiān)控中心，未實現(xiàn)生產自動化監(jiān)控一體化。因此，需要對原有自動化系統(tǒng)進行3方面改進：1)完善在線檢測和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和記錄；2)總線通信網(wǎng)絡升級為工業(yè)以太網(wǎng)；3)建立廠級調度監(jiān)控中心，實現(xiàn)生產自動化統(tǒng)一監(jiān)管。

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

根據(jù)控制需求和點數(shù)規(guī)模，選用自動化水平較高、技術成熟、應用廣泛的DCS系統(tǒng)(Distributed Control System)采集和監(jiān)控過程參數(shù)，各分站負責分散控制，廠級調度中心集中管理。DCS系統(tǒng)包括水冶廠主站和井場各分站。水冶廠主站設置于浸出液處理廠房控制室，井場分站設置于井場控制中心?？刂普局g通過光纖以太網(wǎng)連接，DCS信號引至生活區(qū)、辦公樓、廠級調度中心。自動化系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 自動化系統(tǒng)架構

完善后的井場控制系統(tǒng)與原有井場控制系統(tǒng)相比：實現(xiàn)了流量、壓力等工藝參數(shù)的在線檢測；采用RS-485總線全面采集潛水泵變頻器的各項參數(shù)，實現(xiàn)了數(shù)百臺變頻器的遠程監(jiān)控，既保證了信號的可靠性，又節(jié)約了成本[6]；選用科里奧利質量流量計，高精度在線檢測CO2和O2質量流量，增加CO2和O2報警控制功能，確保了生產的長期穩(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，且需讀取井場各分站數(shù)據(jù)，因此在控制主站設計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儀表；對樹脂計量罐采用料位和壓力雙重控制，避免單一信號失真導致控制失誤進而引發(fā)樹脂堵塞和冒槽。

2 信息化系統(tǒng)設計

2.1 數(shù)據(jù)信息特征

地浸生產、管理、經(jīng)營等業(yè)務中涉及到的數(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、多時空性和獲取手段多樣性等特點，數(shù)據(jù)表達復雜多樣[7]。

自動化系統(tǒng)中的監(jiān)控軟件有多個版本，不同版本使用的數(shù)據(jù)庫類型不盡相同，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)庫不同，數(shù)據(jù)存儲格式和交換方式也各異。

一些分析、經(jīng)營和管理數(shù)據(jù)以文件、表格等非數(shù)據(jù)庫形式存在不便調取，若要實現(xiàn)信息資源共享[8]，解決多源異構數(shù)據(jù)的融合問題，需對這些數(shù)據(jù)進行預處理、存儲與管理、分析與挖掘。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理包括數(shù)據(jù)抽取、轉換和加載(ETL)。抽取不同的網(wǎng)絡、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫中分散、異構的數(shù)據(jù)進行合并、清洗、集成、轉換、分類、分揀和檢索等，將其轉換為各業(yè)務所需的目標數(shù)據(jù)格式，然后對這些數(shù)據(jù)進行匯總，再將匯總后的數(shù)據(jù)加載到服務器的目標數(shù)據(jù)庫或存儲系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)存儲、分析和挖掘做好準備[9]。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲及管理

利用文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等對數(shù)據(jù)進行有效存儲和管理，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)計方法、機器學習、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)庫、可視化等對數(shù)據(jù)進行高度自動化分析，完成歸納性推理，挖掘數(shù)據(jù)內在價值，提取有用信息，通過圖片、映射關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

軟件架構有C/S(Client/Server，客戶端/服務器)和B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務器)兩種模式。C/S模式基于企業(yè)內部網(wǎng)絡，主要供操作和分析人員使用，響應速度快，系統(tǒng)相對封閉，安全性好，且可以根據(jù)需求定制界面；但維護操作涉及每個客戶端，且每個客戶端都需安裝客戶端軟件，維護成本較高。B/S模式基于Web應用展現(xiàn)形式，通過IE瀏覽器完成操作，主要供決策者或管理人員使用，優(yōu)點是運維簡便，可完成不同人員、不同地點、以不同接入方式訪問和操作；缺點是客戶界面不夠豐富，依托瀏覽器，客戶端功能有限，不適合復雜系統(tǒng)。研究中將C/S和B/S模式相結合實現(xiàn)不同層級的應用。

2.4 信息安全架構

參照《信息安全技術信息安全等級保護基本要求》及礦山信息安全需求，構建“分區(qū)分級、綜合防護、縱深防御”安全防護體系。信息安全架構如圖2所示。

圖2 信息安全架構

根據(jù)信息資源特點，將信息系統(tǒng)劃分為生產控制區(qū)、廠級管理信息區(qū)和公司專網(wǎng)信息區(qū)。通過正向隔離保證生產控制區(qū)自動化控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行；廠級管理信息區(qū)和公司專網(wǎng)信息區(qū)通過防火墻進行物理隔離；軟、硬件結合綜合防護網(wǎng)絡、主機及應用等；通過網(wǎng)絡分區(qū)，在分區(qū)邊界部署網(wǎng)絡訪問控制設備，網(wǎng)絡入侵防范、網(wǎng)絡安全審計等，實現(xiàn)信息系統(tǒng)縱深防御。

3 自動化和信息化融合

根據(jù)地浸鈾礦山信息資源層級特點，整體規(guī)劃對信息資源的采集與集成。設計了集現(xiàn)場層、控制層、管理層、信息決策層于一體的信息集成平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和業(yè)務協(xié)同。信息集成架構如圖3所示。

圖3 信息集成架構

1)現(xiàn)場層?，F(xiàn)場層是信息化系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)生成單元，包括在線檢測儀表、執(zhí)行機構、PLC等。依靠測量、傳感等在線檢測儀表和PLC邏輯控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理及網(wǎng)絡通信功能等綜合手段[13]，建立精確、動態(tài)和全面的自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為控制層提供高質量數(shù)據(jù)信息。

2)控制層?？刂茖硬杉O備實時運行數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控和分析生產過程，并將數(shù)據(jù)信息自動存儲至數(shù)據(jù)庫中。控制層是底層實時數(shù)據(jù)存儲單元，數(shù)據(jù)信息分散存儲于各自的控制站數(shù)據(jù)庫中?？刂茖訑?shù)據(jù)定時或根據(jù)數(shù)值變化進行記錄，數(shù)據(jù)量大，表達能力差，需匯總處理。

3)管理層。管理層對控制層數(shù)據(jù)進行抽取、過濾、清洗等加工。控制層各個控制系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)經(jīng)加工后存儲于服務器統(tǒng)一規(guī)劃的數(shù)據(jù)庫中，為管理系統(tǒng)提供準確的基礎數(shù)據(jù)信息。通過匯總與處理生產管理過程中生成的數(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)務需求對數(shù)據(jù)進行加工處理，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，通過分析與挖掘信息資源尋找數(shù)據(jù)的潛在價值模式，并在此基礎上進行自動預測。對相關數(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)務對信息調用的需求，確定數(shù)據(jù)的集成度和維度，提高調用效率，通過多維分析與查詢，實現(xiàn)智能化信息決策。

4 工程應用效果評價

該設計通過融合自動化與信息化，實現(xiàn)了生產過程自動化、監(jiān)控可視化、管理決策信息化和辦公自動化，在某地浸鈾礦山已得到成功應用，運行效果良好。主要體現(xiàn)在以下方面：

1)實現(xiàn)了多種儀表同時在線檢測，特別是科里奧利質量流量計對CO2和O2的準確計量使得地浸生產自動化控制技術更趨完善；料位和壓力雙重控制使樹脂倒運實現(xiàn)了自動控制，避免了樹脂堵塞和冒槽事故。

2)集生產管理、工業(yè)監(jiān)控、視頻會議和調度指揮于一體的綜合信息平臺實現(xiàn)了多點異地協(xié)同網(wǎng)絡辦公、信息資源網(wǎng)絡互通，保證了信息實時上傳、下達及工作人員之間的及時溝通，為管理層實時協(xié)同決策提供了支持，實現(xiàn)了由傳統(tǒng)管理向網(wǎng)絡數(shù)字化管理、紙質模式向無紙化模式的轉變。

3)通過生產過程自動化、監(jiān)控可視化、管理信息化，為礦山安全生產提供了有效的預警信息。

5 結論

自動化和信息化系統(tǒng)的融合改變了生產運行以人為管理為主的傳統(tǒng)模式，生產數(shù)據(jù)實時輸入、實時處理、實時調用，解決了信息系統(tǒng)多源異構數(shù)據(jù)有效融合問題，實現(xiàn)了“分區(qū)分級、綜合防護、縱深防御”的信息傳輸安全性，集現(xiàn)場層、控制層、管理層、信息決策層于一體，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和業(yè)務協(xié)同，大大提升了決策和管理效率與質量。