侯 錄，侯 江，伍憲玉，邱軍軍，高 志，王 欣，柳亞軍，閆 曄

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司，新疆 伊寧 835000；3.中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心，北京 100088)

隨著信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外礦山企業(yè)都將數(shù)字礦山的建設(shè)作為重點(diǎn)進(jìn)行研究。對(duì)中國地浸鈾礦而言，建設(shè)科技含量高、環(huán)境污染小、資源消耗少、經(jīng)濟(jì)效益好的數(shù)字化鈾礦，既符合“數(shù)字核工業(yè)”建設(shè)要求，也是“中國制造2025”國家戰(zhàn)略要求，是新形勢下鈾礦企業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是企業(yè)提高安全生產(chǎn)水平、生產(chǎn)效率和競爭力的必然選擇[1-2]，具有重要的研究意義。

經(jīng)過多年努力，中國地浸鈾礦生產(chǎn)自動(dòng)化水平顯著提高，實(shí)現(xiàn)了配液、井場抽注、集液、樹脂轉(zhuǎn)運(yùn)過程等的自動(dòng)控制；但由于工藝的特殊性，有些工序仍采用人工操作，沒有實(shí)現(xiàn)真正的礦山全流程自動(dòng)控制及智能管控。與其他相近礦山行業(yè)相比，中國鈾礦山在數(shù)字化、智能化建設(shè)方面和真正意義的數(shù)字化、智能化還有一定的差距。

筆者以地浸鈾礦井場生產(chǎn)過程為研究對(duì)象，在以往自動(dòng)化技術(shù)基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的儀表、控制、數(shù)字化管理技術(shù)完善控制功能，加強(qiáng)信息化管理功能，建立覆蓋地浸井場生產(chǎn)運(yùn)行全過程的智能管控系統(tǒng)，建成標(biāo)準(zhǔn)井場數(shù)字化集控室，進(jìn)一步提升地浸鈾礦的智能化建設(shè)水平，提高生產(chǎn)效率，降低能耗，防止地表、地下水污染，為建設(shè)數(shù)字化、智能化鈾礦山奠定基礎(chǔ)。

1 地浸鈾礦井場生產(chǎn)現(xiàn)狀和前景

中國地浸鈾礦井場浸出可分為酸性、堿性、中性，其中酸性、堿性生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備都比較成熟，經(jīng)多年實(shí)踐，生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平較高，能夠嚴(yán)格控制注液井和抽液井的流比，保證抽液流量大于注液流量，較好地控制地下水污染。大多數(shù)礦山井場抽注過程實(shí)現(xiàn)了流量監(jiān)測及抽液變頻器遠(yuǎn)程控制[3]；部分礦山應(yīng)用自整定算法實(shí)現(xiàn)了抽液變頻器PID控制參數(shù)的自動(dòng)整定，減少了人為操作，系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行[4]。為了解決井場潛水泵高損耗問題，核工業(yè)北京化工冶金研究院(以下簡稱化冶院)開發(fā)了抽液變頻器PID設(shè)定值動(dòng)態(tài)調(diào)整算法，及高低流量預(yù)警、高低電流報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)頻率運(yùn)行和連鎖停泵，降低了能耗和潛水泵的損壞率。在生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)[5]、自動(dòng)化與信息化系統(tǒng)融合[6]、生產(chǎn)與管理系統(tǒng)集成[7]等方面也取得了一定成果。

地浸鈾礦井場有百余口抽液井，為了掌握每個(gè)抽液井生產(chǎn)情況，除了監(jiān)測每口井的流量，還需要對(duì)浸出液的鈾濃度、酸堿度、氧化還原電位等參數(shù)進(jìn)行在線檢測。經(jīng)過多年的自動(dòng)化建設(shè)，礦山抽注井都配備了電磁流量計(jì)，能準(zhǔn)確測量抽注井的流量；并使每口抽液井流量之和與進(jìn)入水冶廠的總流量匹配，較好地實(shí)現(xiàn)水冶廠金屬衡算。部分礦山采用了化冶院研制的自動(dòng)巡回檢測裝置，能實(shí)時(shí)采集各抽液井的鈾濃度、酸堿度等參數(shù)，將監(jiān)測參數(shù)與抽液流量結(jié)合可以掌握井場百余口井的運(yùn)行情況，為井場分析過程的數(shù)字化、智能化打下了基礎(chǔ)。

浸出液處理過程的自動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)整個(gè)地浸鈾礦數(shù)字化、智能化的重要組成部分。離子交換工序的吸附尾液鈾濃度是控制吸附過程穿透率的最佳指標(biāo)，通過化冶院研發(fā)的鈾濃度在線分析儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)吸附工序和淋洗工序的自動(dòng)控制；通過料位檢測儀表、壓力檢測儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了樹脂提升過程的自動(dòng)控制；通過相關(guān)的檢測儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了淋洗、轉(zhuǎn)型、沉淀等過程的自動(dòng)控制。

對(duì)地浸鈾礦生產(chǎn)過程中地下水、地表污染控制進(jìn)行了許多研究[8-11]。地浸礦山井場周圍都建有監(jiān)測井用于監(jiān)測地下污染情況。為了更好地監(jiān)測相關(guān)參數(shù)，嚴(yán)格控制地下水污染問題，需要進(jìn)一步安裝分析測量裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了防止抽液井抽出的浸出液在地表滲漏，化冶院研制了抽液井口污染監(jiān)測裝置，采用無線遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測分布于井場的各個(gè)井的滲漏情況，該技術(shù)已進(jìn)行推廣應(yīng)用。

綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)地浸鈾礦生產(chǎn)過程的數(shù)字化、智能化，需要繼續(xù)研發(fā)和應(yīng)用各類可靠穩(wěn)定的過程檢測儀表、在線分析裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)，構(gòu)建安全穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保證信號(hào)的可靠傳輸；并根據(jù)礦山實(shí)際情況制定相應(yīng)的管理制度、操作章程，配備專業(yè)維護(hù)人員保證整個(gè)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

2 井場數(shù)字化集控室結(jié)構(gòu)

采用先進(jìn)的智能儀表、控制系統(tǒng)、管理平臺(tái)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化集控室，達(dá)到對(duì)地浸井場工藝過程相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備、能源智能管控的目的，提高地浸井場生產(chǎn)效率與管理水平。根據(jù)地浸鈾礦井場工藝[12]，井場數(shù)字化集控室管控范圍主要包括：抽液流量、注液流量的在線監(jiān)測及調(diào)節(jié)，注液壓力的在線監(jiān)測及自動(dòng)調(diào)節(jié)，各抽液支管鈾濃度、pH、溶解氧、碳酸根、鈣離子、鎂離子的在線監(jiān)測，室外抽液井滲漏情況在線監(jiān)測；以及抽注流量、壓力及分析過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及歷史趨勢分析，抽注總量統(tǒng)計(jì)及對(duì)比分析，設(shè)備故障在線診斷及統(tǒng)計(jì)分析，生產(chǎn)計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)度對(duì)比分析，能耗統(tǒng)計(jì)分析，生產(chǎn)過程視頻監(jiān)控及歷史查詢等。

數(shù)字化集控室采用模塊化集裝箱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。數(shù)字化集控室分為抽液間、注液間、變頻配電間，控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，在各個(gè)集裝箱分別設(shè)置1套控制系統(tǒng)子站模塊，各站點(diǎn)之間用工業(yè)以太網(wǎng)連接，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度、穩(wěn)定性、兼容性、擴(kuò)展性和復(fù)用性。主站通過光纖將信號(hào)傳輸至控制中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理。數(shù)字化集控室結(jié)構(gòu)上分為現(xiàn)場設(shè)備層、過程控制層、監(jiān)控層和生產(chǎn)執(zhí)行管理層。

現(xiàn)場設(shè)備層由壓力變送器、電磁流量計(jì)、變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、無線滲漏監(jiān)測裝置、自動(dòng)取樣分析裝置，以及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等組成。在各抽注液支管，安裝電磁流量計(jì)進(jìn)行流量監(jiān)測；在注液主管，安裝壓力變送器及電磁流量計(jì)進(jìn)行注液總流量及壓力檢測；變頻器控制潛水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽液流量的調(diào)節(jié)；在注液支管，安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)注液流量的調(diào)節(jié)；在抽液井口安裝無線滲漏監(jiān)測模塊，完成滲漏信號(hào)的檢測傳輸；在抽液支管安裝電磁閥順序采樣，通過在線分析裝置完成對(duì)相關(guān)指標(biāo)的在線分析。

過程控制層主要由DCS系統(tǒng)構(gòu)成，完成現(xiàn)場設(shè)備的信號(hào)采集、處理、命令的下發(fā)及自動(dòng)程序的運(yùn)行。采用分布式DCS系統(tǒng)，包括主站和多個(gè)子站，各站點(diǎn)配置AI/AO、DI/DO、通訊模塊完成對(duì)流量、壓力信號(hào)的采集和對(duì)閥門、變頻器的控制。CPU結(jié)合控制算法實(shí)現(xiàn)抽液動(dòng)態(tài)控制、注液壓力恒壓控制，以及注液恒流量控制等。

監(jiān)控層采用WINCC組態(tài)軟件開發(fā)相應(yīng)的監(jiān)測、控制界面，結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)井場生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。

生產(chǎn)執(zhí)行管理層主要是通過OPC接口技術(shù)獲取自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，根據(jù)工藝過程采用快速開發(fā)平臺(tái)開發(fā)生產(chǎn)、設(shè)備、能源等管理模塊，構(gòu)建MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)備、能源、過程優(yōu)化等管理功能。

3 井場數(shù)字化集控室主要功能

井場數(shù)字化集控室主要功能包括生產(chǎn)過程智能控制、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控和管理智能化。

3.1 生產(chǎn)過程智能控制

生產(chǎn)過程智能控制通過DCS系統(tǒng)結(jié)合控制算法，以現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)井場抽液、注液、分析等過程的智能控制。通過壓力變送器、流量計(jì)、智能在線分析儀表，實(shí)現(xiàn)抽注液過程壓力、流量等數(shù)據(jù)采集，采用控制算法結(jié)合變頻器、閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程恒壓、恒流量控制。

3.1.1 抽液流量動(dòng)態(tài)跟蹤控制

通過抽液流量動(dòng)態(tài)跟蹤算法對(duì)潛水泵進(jìn)行PID變頻控制，該方法通過算法動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)整PID設(shè)定值。PID動(dòng)態(tài)跟蹤控制原理如圖2所示。

圖2 抽液流量PID動(dòng)態(tài)跟蹤控制原理Fig. 2 Dynamic tracking control principle for pumping flow PID

為了提高控制精度和響應(yīng)速度，DCS系統(tǒng)采用485總線采集多臺(tái)抽液支管瞬時(shí)流量，用以太網(wǎng)通信代替以往變頻器Modbus通訊[13]，同時(shí)控制多臺(tái)變頻器，將瞬時(shí)值與PID設(shè)定值比較、運(yùn)算，輸出頻率控制變頻器，從而調(diào)節(jié)潛水泵轉(zhuǎn)速，使抽液支管流量保持連續(xù)穩(wěn)定。在控制過程中，設(shè)定值自動(dòng)調(diào)整，有效防止了潛水泵的欠載運(yùn)行或空轉(zhuǎn)，降低了潛水泵能耗并保護(hù)潛水泵的運(yùn)行安全。變頻器啟動(dòng)15 min后，啟動(dòng)動(dòng)態(tài)跟蹤程序，每10 s采集1個(gè)流量值，連續(xù)采樣10 min，對(duì)采樣值求平均后賦予PID設(shè)定值；同時(shí)在線監(jiān)測流量平均值變化趨勢，如趨勢持續(xù)下降則停泵檢修，趨勢上升則復(fù)位設(shè)定值為初始值。運(yùn)行過程中，若變頻器電流持續(xù)(根據(jù)工況時(shí)間可設(shè))高或低，則停機(jī)。

流量平均值作為PID設(shè)定值，可以反映抽孔在該時(shí)間段整體流量變化趨勢。系統(tǒng)自動(dòng)判斷流量趨勢走向，發(fā)現(xiàn)流量減小，自動(dòng)調(diào)小設(shè)定值，既降低了能耗，也避免了泵的空轉(zhuǎn)及燒泵情況的發(fā)生。

地浸工藝需要保證注液壓力的平穩(wěn)運(yùn)行，為了實(shí)現(xiàn)注液過程的恒壓自動(dòng)控制，在管道上安裝壓力變送器，在線監(jiān)測注液主管壓力。通過DCS系統(tǒng)的PID功能，將注液主管壓力變化的反饋值與設(shè)定值比較，并輸出電流信號(hào)控制泵運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)恒壓閉環(huán)控制。整個(gè)過程不需要操作人員干預(yù)，節(jié)省了人力，提高了控制精度及響應(yīng)速度，控制原理如圖3所示。

圖3 注液總管恒壓控制原理Fig. 3 Constant pressure control principle for liquid injection main pipe

根據(jù)工藝的不同可調(diào)整控制算法，如中性浸出需要在總管進(jìn)行注氧、注二氧化碳等操作，可以將注液壓力反饋值作為注氣壓力的設(shè)定值，從而保證工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。

同上述恒壓控制原理類似，在注液支管上安裝電磁流量計(jì)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，利用電磁流量計(jì)對(duì)注液支管流量進(jìn)行檢測；將信號(hào)通過485總線傳輸至DCS系統(tǒng)，采用輪詢的方式，比較各支管流量瞬時(shí)值與設(shè)定值；通過PID控制算法輸出信號(hào)給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)注液支管的恒流量控制。

3.1.2 井孔的自動(dòng)化監(jiān)測管理

地浸鈾礦井場抽注井?dāng)?shù)量多、分布面廣，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常通過人工巡井方式對(duì)每個(gè)井進(jìn)行巡檢，查看是否存在管道破裂、連接處漏液等問題。這種方式消耗大量勞動(dòng)力，且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏液事故。

本研究將LoRa技術(shù)[14]應(yīng)用于水浸監(jiān)測信號(hào)傳輸，將滲漏檢測繩用于漏水檢測，解決了人工巡井耗時(shí)耗力、信息反饋不及時(shí)等問題，方便了企業(yè)對(duì)生產(chǎn)井的自動(dòng)化監(jiān)測管理。井場集控室安裝LoRa網(wǎng)關(guān)，每個(gè)井口安裝1臺(tái)滲漏監(jiān)測裝置，檢測繩安裝于法蘭連接處下方。當(dāng)滲漏的溶液滴落在檢測繩上時(shí)，感應(yīng)電纜之間的電阻會(huì)發(fā)生變化；CPU處理信號(hào)，然后通過無線模塊發(fā)射信號(hào)至LoRa網(wǎng)關(guān)；LoRa網(wǎng)關(guān)將接收的信號(hào)通過TCP/IP方式傳輸至控制中心，發(fā)出報(bào)警，實(shí)現(xiàn)滲漏的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測報(bào)警。

3.1.3 抽液自動(dòng)取樣分析

在抽液支管上安裝電磁閥，設(shè)置就地控制器定時(shí)自動(dòng)順序開啟各支管閥門，抽液自動(dòng)進(jìn)入取樣罐；通過在線分析裝置自動(dòng)進(jìn)行取樣分析，將鈾濃度、pH、電位、溶解氧、鈣鎂離子等分析結(jié)果上傳至調(diào)度中心，進(jìn)行集中存儲(chǔ)與管理。

通過上述功能，從數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)到設(shè)備控制、取樣分析，整個(gè)井場生產(chǎn)過程無需操作人員干預(yù)，都由在線儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、分析裝置完成，節(jié)省了人力，極大提高了生產(chǎn)效率。

3.2 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控

遠(yuǎn)程智能監(jiān)控包括組態(tài)軟件開發(fā)的人機(jī)交互系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，操作員和管理員可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)時(shí)全面了解和掌握地浸鈾礦所有采區(qū)集控室的生產(chǎn)運(yùn)行情況。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)攝像頭、傳輸網(wǎng)絡(luò)、視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、顯示系統(tǒng)組成，生產(chǎn)監(jiān)視畫面如圖4所示。人機(jī)交互系統(tǒng)主要包括各采區(qū)抽注井分布動(dòng)態(tài)監(jiān)控界面(圖5)、集控室生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面(圖6)、控制參數(shù)設(shè)定界面、報(bào)警設(shè)定查詢界面、實(shí)時(shí)和歷史趨勢查詢界面等。

圖4 生產(chǎn)監(jiān)視畫面Fig. 4 Production monitoring screen

圖5 某采區(qū)抽注井分布動(dòng)態(tài)監(jiān)視界面Fig. 5 Dynamic monitoring interface of pumping and injection well distribution in a mining area

圖6 某礦山井場集控室生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面Fig. 6 Production real-time monitoring interface of a digital centralized control room in a mining area

3.3 管理智能化

通過開發(fā)平臺(tái)研發(fā)滿足地浸鈾礦井場工藝需求的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，并結(jié)合自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)及其他信息，實(shí)現(xiàn)井場生產(chǎn)管理過程的智能化。研發(fā)的井場生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)功能構(gòu)成如圖7所示。

圖7 生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)功能構(gòu)成Fig. 7 Functional composition of production execution system

采用OPC、數(shù)據(jù)庫技術(shù)將井場生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)、視頻、分析等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，規(guī)范化處理后集中存儲(chǔ)，打通生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)與自動(dòng)化系統(tǒng)、其他系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流。通過開發(fā)生產(chǎn)管理模塊(圖8)、設(shè)備管理模塊、能耗管理模塊，以及其他管理模塊，實(shí)現(xiàn)鈾礦企業(yè)資源優(yōu)化配置、過程優(yōu)化管理，提高設(shè)備管理水平與能源利用效率，降低生產(chǎn)成本[15]，實(shí)現(xiàn)井場生產(chǎn)智能管控。

圖8 生產(chǎn)管理模塊Fig. 8 Production management module

井場生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)作為鈾礦決策系統(tǒng)和過程自動(dòng)化系統(tǒng)的中間層，起著承上啟下的作用，可以把鈾礦生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備、信息、資源等串聯(lián)，打通生產(chǎn)計(jì)劃、過程數(shù)據(jù)流，構(gòu)成集計(jì)劃、控制、反饋、調(diào)節(jié)于一體的閉環(huán)智能管控系統(tǒng)，使生產(chǎn)管理、控制命令等各類信息在生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)中相互傳輸，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)統(tǒng)一調(diào)度及生產(chǎn)過程優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)井場生產(chǎn)過程的數(shù)字化。

4 結(jié)論

采用先進(jìn)的檢測儀表、在線分析裝置、DCS系統(tǒng)、OPC技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、開發(fā)平臺(tái)建立井場數(shù)字化集控室。數(shù)字化集控室實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、工藝流程可視化操作、全流程智能管控，達(dá)到無人值守的目的，提高了井場生產(chǎn)效率，降低了人員成本。