黃湘俊 許同樂 杜華程 侯蒙蒙 宋洪宇

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049 ；2.山東中礦集團(tuán)有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265401)

基于CAN總線的尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

黃湘俊1許同樂1杜華程1侯蒙蒙1宋洪宇2

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049 ；2.山東中礦集團(tuán)有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265401)

目前基于RS-485總線的數(shù)據(jù)通信存在效率低、可靠性低、應(yīng)用不靈活、后期維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，難以滿足尾礦庫工程監(jiān)測抗干擾性強(qiáng)、多節(jié)點(diǎn)、長距離傳輸?shù)囊?。為了解決基于RS-485總線的尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集傳輸方面的不足，比較了RS-485總線與CAN總線的基本特性，并提出了在尾礦庫工程中采用CAN總線用于監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)與監(jiān)測設(shè)備通信，建立了一種基于CAN總線的尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，詳述了該監(jiān)測系統(tǒng)的組成和監(jiān)測軟件的基本功能。在實(shí)際尾礦庫工程應(yīng)用中，建立浸潤線監(jiān)測系統(tǒng)，對尾礦壩各橫斷面內(nèi)水位進(jìn)行監(jiān)測，通過對監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行情況和各監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表明基于CAN總線的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，可以有效地監(jiān)測尾礦壩地下水位狀態(tài)，實(shí)時(shí)可靠，滿足惡劣環(huán)境下的尾礦庫在線監(jiān)測要求，在尾礦庫安全監(jiān)測中具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

CAN總線 RS-485總線 尾礦庫 監(jiān)測系統(tǒng)

當(dāng)前，我國尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)中主要采用RS-485總線網(wǎng)絡(luò)通信，但RS-485 總線本身存在的許多局限性，RS-485 的總線利用效率低、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差、可靠性低、通信出錯(cuò)率高、節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)、錯(cuò)誤檢測能力差、后期維護(hù)成本高等缺點(diǎn)在環(huán)境十分惡劣的尾礦庫監(jiān)測中已慢慢地顯露出來。

CAN(控制器局域網(wǎng))是Bosch公司為解決汽車上儀器儀表設(shè)備之間的通信問題而設(shè)計(jì)的多主局部網(wǎng)絡(luò)。比較CAN總線與RS-485總線特性，可知RS-485總線網(wǎng)絡(luò)除了在單點(diǎn)成本、開發(fā)難度上比CAN總線網(wǎng)絡(luò)具有一定的優(yōu)勢外，RS-485在通訊等全方面的性能都劣于CAN總線，其中CAN總線在訪問機(jī)制、節(jié)點(diǎn)容量、通訊實(shí)時(shí)性可靠性、通訊速度和距離上有突出的優(yōu)勢。因此采用CAN總線代替RS-485總線運(yùn)用于尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)中，可以解決RS-485總線傳輸在尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)中的問題，提高監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性，減少尾礦庫事故的發(fā)生。

1 尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)

尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)由CAN智能型傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸通訊設(shè)備、供電防雷系統(tǒng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)軟硬件等設(shè)備互聯(lián)而成。

1.1 尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)組成

采用分級框架結(jié)構(gòu)，主要由現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、現(xiàn)場監(jiān)控中心和管理中心等部分組成。

(1)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備。監(jiān)測系統(tǒng)采用靜力水準(zhǔn)儀、測斜儀、沉降儀、滲壓計(jì)、雨量計(jì)和超聲波水位計(jì)等高智能精密型傳感器分布于尾礦庫壩體重要監(jiān)測位置，對尾礦庫壩體變形、浸潤線、庫水位等情況在線實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在尾礦庫的重要部位安裝視頻設(shè)備，通過現(xiàn)場攝像，全方位實(shí)時(shí)在線監(jiān)測尾礦庫安全運(yùn)行狀況。

(2)現(xiàn)場監(jiān)控站。一般設(shè)置在現(xiàn)場監(jiān)控室，采用CAN總線傳輸方式，將多個(gè)CAN智能型傳感器掛到CAN-bus上，通過數(shù)據(jù)采集箱與現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)之間實(shí)現(xiàn)雙向通信，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、處理、智能分析、顯示和查詢，便于現(xiàn)場操作人員了解尾礦庫的運(yùn)行狀態(tài)；在系統(tǒng)的供電線路、傳感器到測控裝置的入口、通信線路及計(jì)算機(jī)房等重要部位均設(shè)有防雷設(shè)備，采取了三級防雷保護(hù)措施，確保系統(tǒng)在雷擊和電源波動(dòng)等情況下能正常工作。

(3)安全監(jiān)管中心?，F(xiàn)場監(jiān)控站與監(jiān)控管理中心一般距離比較遠(yuǎn)，采用光纜或無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。監(jiān)管中心可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，其他部門工作人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入監(jiān)測系統(tǒng)，對尾礦庫的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。

圖1為在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖1 尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)Fig.1 The online monitoring and early-warning system of tailing reservoir

1.2 在線監(jiān)測軟件功能

安全監(jiān)測中心配備安全監(jiān)測預(yù)警軟件，主要具有以下幾方面功能。

(1)數(shù)據(jù)管理功能：對尾礦壩的位移、滲流、滲壓、干灘等各類項(xiàng)目監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化管理和分析，并將各種監(jiān)測數(shù)據(jù)通過過程線、分布線顯示，報(bào)警狀態(tài)可以在檢測中心的大屏幕上或通過個(gè)人數(shù)字助理(PDA)顯示；信息可以保存至數(shù)據(jù)庫，以便于日后查詢，也可直接輸出打印。

(2)報(bào)警功能：通過綜合分析壩體變形、浸潤線、庫水位、干灘長度等數(shù)據(jù)的變化，判斷尾礦庫的運(yùn)行是否穩(wěn)定，做出各級單項(xiàng)預(yù)警，為管理者提供決策依據(jù)，及時(shí)地采取相應(yīng)措施，確保尾礦庫的安全運(yùn)行。

(3)其他功能：提供豐富的圖形和報(bào)表功能，使整個(gè)分析過程窗口化、分析結(jié)果圖形化，并支持各種分析圖形的無極縮放功能；設(shè)置不同操作人員管理權(quán)限等。

2 在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

根據(jù)壩體的結(jié)構(gòu)、筑壩特點(diǎn)和對尾礦庫的運(yùn)行狀況的調(diào)查與研究，綜合考慮尾礦庫壩體設(shè)計(jì)要求、成本、周邊村莊安全，做出尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，下面以浸潤線監(jiān)測為例對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 浸潤線在線監(jiān)測

尾礦庫潰壩事故的發(fā)生，大多是由于壩體地下水影響了壩坡抗滑穩(wěn)定性。尾礦壩地下水的自由水面即浸潤線，是影響尾礦壩穩(wěn)定性最重要因素之一，因此需要對浸潤線進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。在尾礦壩各重要位置的橫斷面上設(shè)置浸潤線觀測孔,每個(gè)孔內(nèi)埋設(shè)1個(gè)滲壓計(jì)，通過測量測壓管內(nèi)滲水壓力情況計(jì)算出滲水高度，通過CAN總線電線將數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器并保存到數(shù)據(jù)庫中，生成圖形顯示各個(gè)測點(diǎn)浸潤線的位置變化，結(jié)合庫水位即可得出浸潤線曲線。也可以根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)建立浸潤線時(shí)間序列模型，并根據(jù)此模型來預(yù)測浸潤線發(fā)展趨勢。圖2所示為潤線監(jiān)測基本原理。

圖2 浸潤線監(jiān)測基本原理Fig.2 The basic principle schematic diagram of saturation line monitoring

各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)要根據(jù)尾礦庫等級、筑壩壩型、斷面尺寸等進(jìn)行合理布設(shè)。一般將尾礦壩上最大斷面、有代表性且能控制主要滲流情況的壩體橫斷面以及預(yù)計(jì)有可能出現(xiàn)異常滲流的橫斷面作為監(jiān)測剖面。根據(jù)預(yù)計(jì)浸潤線的最大變幅，沿每個(gè)監(jiān)測剖面的不同高程至少布設(shè)3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。將各個(gè)重要部位的監(jiān)測情況連接起來，形成全方位的監(jiān)測系統(tǒng)，科學(xué)地反映尾礦庫壩體內(nèi)部浸潤線的情況。

2.2 浸潤線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對某金屬尾礦壩在2012年5月至11月期間的浸潤線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化與浸潤線的位置變化趨勢基本吻合，能真實(shí)反映壩體內(nèi)水位的變化。例如，在尾礦排放或降雨后的一段時(shí)間內(nèi)，部分浸潤線監(jiān)測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)有明顯變化，表明壩體內(nèi)水位升高。在數(shù)據(jù)變化較大的浸潤線監(jiān)測點(diǎn)附近，用水平鉆機(jī)在下游坡面上向壩內(nèi)頂管設(shè)置水平濾管，管中有水流出，一段時(shí)間后監(jiān)測點(diǎn)水位下降，說明檢測的浸潤線深度與孔揭露情況基本一致。在該尾礦庫主壩體上布置了4個(gè)斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)置6個(gè)浸潤線監(jiān)測點(diǎn)，共有6個(gè)滲壓計(jì),這6個(gè)滲壓計(jì)在不同時(shí)間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表1。

表1 某監(jiān)測斷面部分原始浸潤線監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 1 The monitoring data of saturation line at a monitoring section at different times

對于測出的不同時(shí)間的浸潤線變化量，利用MATLAB仿真得到整個(gè)斷面各個(gè)浸潤線監(jiān)測點(diǎn)各自的最小二乘擬合曲線，如圖3所示，整個(gè)斷面各個(gè)浸潤線監(jiān)測點(diǎn)變化趨勢比較平緩，實(shí)測浸潤線均低于設(shè)計(jì)浸潤線，在此期間監(jiān)測到的浸潤線的擬合曲線可以真實(shí)地反映壩體內(nèi)地下水位線。

圖3 某監(jiān)測斷面浸在不同時(shí)期的浸潤線擬合曲線Fig.3 The saturation line fitting curves of a monitoring section at different time

3 結(jié) 論

(1)通過比較可以得知，相對于RS-485總線，基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能高速有效地采集、傳遞和處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并能夠在惡劣環(huán)境下保證通信速率和極低的出錯(cuò)率。

(2)在尾礦庫工程運(yùn)用中，CAN總線的應(yīng)用使遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警服務(wù)器可以與尾礦壩各個(gè)測量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行良好的數(shù)據(jù)通信，浸潤線在線監(jiān)測數(shù)據(jù)真實(shí)地反映了尾礦庫壩體地下水位狀態(tài)，實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行情況證明，該監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、實(shí)施規(guī)范，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

(3)在要求多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離傳輸、傳輸數(shù)據(jù)量大速率高、實(shí)時(shí)可靠、環(huán)境惡劣的尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用中，在成本和技術(shù)差別較小的情況下，CAN總線取代RS-485總線將是發(fā)展趨勢。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

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湖北工程機(jī)械企業(yè)積極掘金拉美富礦

據(jù)相關(guān)報(bào)道，當(dāng)?shù)貢r(shí)間2013年11月22日下午，湖北“走進(jìn)拉美”經(jīng)貿(mào)團(tuán)來到第二站——秘魯首都利馬。到訪之前，大多數(shù)湖北企業(yè)對秘魯了解不多，看到其充滿活力的市場環(huán)境之后，代表團(tuán)眾多企業(yè)家連呼“沒想到”。“回國后要做的第一件事就是招聘懂葡萄牙語和西班牙語的外貿(mào)人員?！边@是湖北一家企業(yè)的負(fù)責(zé)人考察了秘魯之后，最直接的感受。

鄂地(秘)礦業(yè)有限公司是湖北省地礦局下屬的全資子公司，該公司董事長胡中岳說，秘魯對礦產(chǎn)開發(fā)是“放水養(yǎng)魚”，不一定要一次性全額買斷，可以先申請礦權(quán)，按每年每公頃3美元的價(jià)格交礦產(chǎn)維護(hù)費(fèi)，待開礦產(chǎn)生效益以后再依法納稅。該公司在秘魯拿下了31個(gè)礦權(quán)，其中有一個(gè)礦的銅、金儲量預(yù)計(jì)在50萬t以上，一旦開采，將獲得豐厚回報(bào)。

下游鋼市低迷 鐵礦石期貨創(chuàng)上市以來新低

受下游鋼市低迷不振影響，需求減弱讓近期鐵礦石期貨市場呈現(xiàn)“跌跌不休”的態(tài)勢。昨日，期貨盤面上，鐵礦石期貨更是破位下跌，截至收盤1405合約跌1.65%，創(chuàng)上市以來新低。

與此同時(shí)，港口鐵礦石庫存卻一直在“節(jié)節(jié)攀升”。截至本月20日，國內(nèi)41港鐵單周礦石庫存總量增加122萬t至8 857萬t，在11月中旬突破8 000萬t大關(guān)之后，鐵礦石庫存已經(jīng)是年內(nèi)次新高的水平。業(yè)內(nèi)看來，鐵礦石期貨價(jià)格持續(xù)走低，庫存連續(xù)攀升，說明市場上采購鐵礦石熱情降低，市場對鐵礦石需求預(yù)期看空。

Online Monitoring and Early-warning System of Tailing Reservoir Based on CAN Bus

Huang Xiangjun1Xu Tongle1Du Huacheng1Hou Mengmeng1Song Hongyu2

(1.MechanicalEngineeringSchool，ShandongUniversityofTechnology，Zibo255049，China;2.ShandongZhongkuangGroupCo.，Ltd.，Zhaoyuan265401，China)

The existing data communication based on RS-485 bus has shortcomings of low efficiency，low reliability，not flexible in application and higher post-maintenance cost.It is hard to meet the requirements of strong anti-interference，many nodes，long distance transmission in tailings reservoir engineering monitoring.In order to solve the deficiencies of tailing reservoir online monitoring system based on RS-485 bus in the aspect of data collection and transmission，the basic characteristics of RS-485 bus with CAN bus are contrasted，and the proposal for the CAN bus be used for the early-warning monitoring system communicate with monitoring equipment in the tailings reservoir engineering is put forward.Based on this，the tailings reservoir on-line monitoring and early warning systems based on CAN bus is established，and the monitoring system compositions and the basic functions of monitoring software are introduced.In practical engineering application，the saturation line monitoring system is established to monitor water level in each cross section of the tailings reservoir.Through the analysis of the monitoring system operation and the monitoring data of saturation line，it is shown that the system based on CAN bus is reasonable in design，which can effectively monitor the underground water level of tailings reservoir.Its real-time and reliable operation can meet the requirement of on-line monitoring in harsh environment.It has a certain application value in tailings security monitoring.

CAN bus，RS-485 bus，Tailings reservoir，Monitoring system

2013-11-13

山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(編號：J10LG22)、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：ZR2013FM005)。

黃湘俊(1988—)，男，碩士研究生。通訊作者：許同樂(1965—)，男，教授，博士。

TD76

A

1001-1250(2014)-01-129-04