数字地浸铀矿山顶层设计研究

2021-05-24关键，侯江，邢妍

铀矿冶 2021年2期

关键，侯江，邢妍

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中国铀业有限公司，北京 100013)

关键字：地浸铀矿山；数字化；顶层架构；ISA95

在国家大力推动互联网、大数据、人工智能与实体经济深度融合的大背景下，中国核工业集团有限公司(以下简称中核集团)在“数字核工业”发展战略基础上进一步提出“2030要初步建成智慧核工业”的战略目标。数字铀矿山作为“数字核工业”的重要组成部分，近年来在地浸采铀生产自动化和管理信息化方面成果显著；但是数字化水平仍处于单项应用的两化融合初级阶段，尚未开展数字化矿山顶层设计研究，系统建设缺乏统一规划，存在重复投资和系统孤岛问题。“十三五”期间，核工业北京化工冶金研究院以内蒙古某砂岩型铀矿为研究对象，开展数字地浸铀矿山顶层设计研究，旨在规范、明确设计内涵、建设范围和系统架构，为建设集成提升水平的数字地浸铀矿山夯实基础。

1 数字矿山顶层架构研究现状

从“十五大”提出“推进国民经济信息化”到将“推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”写入“十九大”报告，国家逐步完善制造业数字化转型发展思路，理清了数字化与工业化的辩证关系，并在“十三五”期间建成一批两化融合示范企业。随着数字化技术在矿山行业的逐步推广，国内外能源矿产企业纷纷提出数字矿山、智能矿山甚至智慧矿山发展思路；但行业内对数字矿山的内涵和架构尚未形成统一的认识。

1.1 数字矿山内涵

“数字矿山”源自美国前副总统戈尔提出的数字地球，是对真实矿山整体及相关现象的统一认识和数字化再现，是一个“硅质矿山”[1]7。数字矿山的内涵已从矿体数字建模扩大到矿山企业管理模式，以矿山数据仓库为核心，通过专用信息系统对矿山运营管理全过程进行可视化、精细化管控，实现矿山安全、高效、环保的可持续发展[2]241。“智能矿山”源于中国制造2025和德国工业4.0等发展战略提出的“智能制造”[3]26，其实质是将不同层面的IT系统和生产控制系统集成到一起，实现企业的集成提升。“智慧矿山”衍生自IBM公司提出的智慧地球，是对生产、职业健康与安全、技术和后勤保障等进行主动感知、自动分析、快速处理的无人矿山[4]3。

对比数字矿山、智能矿山和智慧矿山的概念不难发现，三者的实质都是以数字化技术为基础，通过构建并应用一系列信息化管理系统，全方位提升矿山的运营效率和安全生产水平。与数字矿山相比，智能矿山更加侧重建立数字化无人工厂和实现矿山行业全寿期的高效运行，是当前数字矿山建设的目标；而智慧矿山更注重大数据、人工智能等先进信息技术与矿山产业的融合发展，是数字矿山发展的更高阶段。

1.2 数字矿山发展现状

随着数字经济对全球经济增长的贡献越来越大，国内外大型能源企业纷纷加大数字矿山投资力度，根据自身发展现状设计了符合企业自身发展的数字化顶层规划。

美国埃克森美孚公司作为涉猎全球石油开发上下游全产业链的跨国集团，一直致力于利用先进管理思想，设计矿业全寿期数字化产业链条，建立一个能够使其全球的工厂共享数据和管理信息的信息平台，将分布全球的数字化冶炼厂，通过集成设计系统、制造过程管理系统、生产运行系统和企业资源管理系统，实现从工厂设计、工厂建设、生产运营全过程数字化管理。

国内大型能源央企一贯重视数字化规划工作。其中，中石油在“十一五”就开始设计并不断优化企业信息化系统架构，大力推进以信息管理系统(ERP)为核心的经营管理平台和以生产执行系统(MES)为核心的生产营运平台建设，到“十三五”已建成包含7大类87个项目的信息化系统总体框架，如图1所示。

图1 中石油信息化系统总体框架

2 数字铀矿山业务架构

天然铀是国家重要战略资源，目前中核集团是国内唯一拥有天然铀全寿期开发产业链的企业，为了支撑“数字核工业”发展战略，需要以自动化水平较高的地浸铀矿山为抓手，梳理数字地浸铀矿山内涵，借鉴国际先进设计理念，开展符合自身特点的地浸铀矿山数字化顶层设计研究。

中国铀业有限公司(以下简称中国铀业)是中国铀矿勘查、采冶的国家队、主力军，肩负打造天然铀产业链的重要使命，在探采一体化的基础上规范了数字铀矿山内涵。数字铀矿山是以先进信息技术为基础，通过数据、业务和管控集成，打通铀矿勘查、设计、运营(采冶)和退役产业链，实现铀矿资源数字化、技术装备智能化、生产过程自动化、信息传输网络化、运营管理可视化和决策支持科学化的集团式信息化管理平台，是实体铀矿山面对开发全寿期的数字孪生体。数字铀矿山业务架构如图2所示。

图2 数字铀矿山业务架构

数字铀矿山代表的是铀矿勘查采冶全寿期的数字化，发展总体目标是以数字勘查和智慧运营为抓手，建成天然铀产业链数字化体系，实现铀资源勘查的高效化、天然铀开采和铀矿冶设施退役监管的智能化，初步实现智慧铀矿山建设。

数字地浸铀矿山作为数字铀矿山体系中智慧运营的一部分，以企业信息化管理和铀矿智能化生产为主线，围绕企业经营管理、井场抽注平衡和水冶最优控制等核心业务，借助大数据、物联网等信息技术，形成全面感知、实时分析、集成协同、可视管控和精准执行五大功能，助力地浸铀矿山降本增效，提升企业核心竞争力。

3 数字地浸铀矿山顶层架构设计

数字地浸铀矿山顶层架构设计借鉴ISA95层级模型，设计涵盖自动化生产系统和信息化管理系统两大领域的5层架构，明确了各层级系统建设内容。

3.1 ISA95层级

2000年美国仪器、系统和自动化协会颁布了ISA95系列标准，为企业控制管理系统的集成建模和开发提供依据[5]9。该模型自下而上可分为5层：第0层为物理过程层，实现对生产对象的加工改造；第1层为传感操作层，涉及监控仪表和执行机构；第2层为监视控制层，涉及生产自控系统，如SACDA[6]11、DCS[7]137等系统；第3层为工作流程层，涉及一线车间的生产调度安排，主要指MES系统；第4层为业务层，指企业运营管理的相关工作，包括ERP等系统，如图3所示。

图3 ISA95功能层级模型

3.2 数字地浸铀矿山系统架构

数字地浸铀矿山架构分为自动化生产系统和信息化管理系统两部分，自下而上分为设备控制层、过程控制层、生产执行层、经营管理层和决策支持层，如图4所示。在数字铀矿山架构中，自动化生产系统是底层基础，通过中间件数据采集系统或OPC数据接口，为上层应用程序提供基础数据支撑；信息化管理系统是数字化技术在铀矿采冶领域的具体应用，从车间排产、日常运营和战略决策层面为各级用户提供信息化管理工具，通过统计分析自控系统数据，调整车间生产计划，不断调整、优化自控系统控制参数。

图4 数字地浸铀矿山架构

3.2.1 自动化生产系统

自动化生产系统包括设备控制层和过程控制层，为天然铀高效开发提供全面感知和精准执行能力。设备控制层包括生产一线的监测仪表、智能装备和执行机构。过程控制层包括井场集控室、水冶车间的生产控制系统以及能源监控(高压变电站)、称重计量(地磅)和视频监控等辅助系统。过程控制层利用PLC采集在线监测仪表的实时数据，通过SACDA或DCS系统对全厂生产过程进行统一可视化管理，利用PID[8]147等控制算法，实现对阀门、潜水泵等执行机构或智能装备的自动调整，最终实现地浸采铀生产的无人值守。

3.2.2 信息化管理系统

信息化管理系统包括生产执行层、经营管理层和决策支撑层，为用户提供实时分析、集成协同和可视化管控服务。

生产执行层是沟通自动化生产系统和信息化管理系统的桥梁，其中生产执行系统(MES)肩负着打通数据壁垒的使命，一方面定时采集自控生产数据进行汇总分析；另一方面分解经营管理层月度生产计划，向车间下达周、日排产任务，指挥操作人员根据排产计划调整生产控制参数。地浸铀矿山属于标准的流程制造行业，与成熟应用于离散制造行业的MES系统不同，地浸铀矿山MES系统主要包括车间生产计划、车间调度指挥、生产统计、安全监控、工艺过程监控、设备保养维护和能源计量7个模块。另外，生产执行层还包括可视化规划设计，利用三维建模等技术，对地下资源储量、液体运移等情况进行预测分析，通过开采模拟和三维储量计算，为井场自控系统调整参数提供参考，实现井场抽注平衡和精细化管控。

经营管理层是信息化管理系统的主体，主要包括OA、ERP和MOM[9]28系统。OA办公自动化系统作为企业信息化建设的入门级系统，已在地浸采铀领域广泛应用；针对铀矿企业多矿点异地办公的现状，通过管理流程的线上审批，提高了企业日常管理效率，大幅降低了时间成本。ERP企业资源管理系统是经营管理层核心，承担着企业人、财、物“三流”管理任务。与传统的ERP供销存管理模式不同，铀矿企业因行业的特殊性，ERP系统建设以物资采购为核心，形成从采购申请、计划审批、物资出入库到财务核算的闭环管理模式。MOM制造运营管理系统，管理内容与MES类似，但是管控角度不同。MES系统主要指导车间一线生产人员排产等安排；而MOM通过数据接口采集MES系统数据，并与ERP库存管理进行数据同步，在安全环保职业卫生(SHE)、能源、质量和设备管理等方面为企业管理者提供计划制定、进度跟踪和数据统计分析等服务。

决策支持层是企业信息化系统的大脑，一般指BI智能商业系统。决策支持层通过汇总经营管理层数据，以数据大屏和领导驾驶舱的形式，为决策者以图表等形式直观地展现企业预算、计划和业绩等发展状况，并通过数据分析功能为各级管理人员提供决策支撑，实现企业数据的可视化、透明化管理。