余樂文，戰(zhàn) 凱，張 達

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北京科技大學 機械工程學院，北京 100083； 3.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102628)

尾礦庫是礦山安全生產(chǎn)的重要設施，也是礦山重大危險源之一[1-3]。我國尾礦庫數(shù)量多、險病危庫多、安全風險大，目前，我國三等以上尾礦庫已基本建成安全在線監(jiān)測系統(tǒng)，然而，這些系統(tǒng)總體技術(shù)水平低、方案針對性不足、產(chǎn)品技術(shù)不完善、缺乏有效的分析預警能力，無法有效指導礦山安全生產(chǎn)[4-6]。

現(xiàn)有的尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)，故障率高、可靠性差，主要通過人工巡檢、判斷來發(fā)現(xiàn)故障，故障診斷的實時性差、準確率低，是尾礦庫災害應急處置的重大隱患[7-8]。本文重點開展尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究，建立供電系統(tǒng)故障診斷及故障點定位，可以實時監(jiān)控設備運行狀態(tài)、供電狀態(tài)、通信狀態(tài)，對故障點進行定位，反饋故障點故障信息，遠程對故障進行診斷和處理，提高監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性和健壯性。

1 監(jiān)測系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

1)EPS供電故障診斷技術(shù)

EPS應急電源主要應用壩體位移、浸潤線、庫水位、干灘長度、降雨量、滲流量和視頻等監(jiān)測基站輔助供電，當外部供電電源中斷時，為監(jiān)測基站設備提供不間斷供電電源。EPS應急電源采用單體逆變技術(shù)，包括切換控制器、蓄電池組、逆變器、分路檢測器和中央控制器等部分。EPS電源電路原理圖如圖1所示，中央控制器對EPS應急電源系統(tǒng)進行實時控制，接收電池檢測、分路檢測器信號，對切換控制器發(fā)出控制信號。通過串行標準通訊接口實時將供電狀態(tài)傳輸至上位機，通過串口服務器的IP地址對EPS電源進行位置定位，通過遠程聯(lián)動控制信號實現(xiàn)EPS系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

圖1 EPS電源原理圖Fig.1 EPS power supply schematic

2)風光互補供電系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

在尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)中，野外的關(guān)鍵監(jiān)控點往往地處偏遠，供電困難，環(huán)境惡劣。為了保障監(jiān)測點數(shù)據(jù)穩(wěn)定獲取，野外的監(jiān)測點配備冗余的風光互補供電系統(tǒng)，保障系統(tǒng)在極端氣象條件下的穩(wěn)定運行。風光互補供電系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示，用風光互補控制器對供電系統(tǒng)進行實時控制，接收太陽能電池板、蓄電池、風力發(fā)電機信號，將風能、太陽能轉(zhuǎn)換為電能。通過串行標準通訊接口實時將供電狀態(tài)傳輸至上位機，通過串口服務器的IP地址對風光互補供電系統(tǒng)進行位置定位，通過遠程聯(lián)動控制信號實現(xiàn)供電系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

圖2 風光互補供電系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of wind-solar complementary power supply system

3)分布式供電裝置故障診斷技術(shù)

分布式供電裝置為自主研發(fā)的專用于泛在信息采集儀中的一種野外極端環(huán)境下的臨時供電裝置，主要在外部供電斷電(工業(yè)供電、EPS供電、風光互補供電等)的情況下使用。其基本原理是：在外部供電正常情況下，供電系統(tǒng)正常供電，并為電池充電；當外部供電中斷時，及時切換到電池供電，保證采集系統(tǒng)正常供電。其核心是系統(tǒng)控制器，其中集成供電控制、充電控制、狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出等功能，可將狀態(tài)信息接入網(wǎng)絡，形成遠程監(jiān)控及定位功能。

圖3 分布式智能供電系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of distributed intelligent power supply system

2 系統(tǒng)故障信息處理技術(shù)

各種監(jiān)控信息分類存儲在故障信息數(shù)據(jù)庫，通過端口數(shù)據(jù)流量的異常信息激發(fā)，并確定故障位置，通過故障位置查找故障點其他故障信息。信息層層分析確定故障原因和故障位置，圖4為簡易故障診斷流程。

圖4 故障診斷流程Fig.4 Fault diagnosis process

當尾礦庫遭遇極端氣象條件時，及時掌握庫水位、浸潤線等監(jiān)測點設備運行狀態(tài)及監(jiān)測數(shù)據(jù)至關(guān)重要，企業(yè)可通過手機終端、計算機終端了解監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，通過Web網(wǎng)絡、GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控。若監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)險情時，先通過控制終端遠程控制停止泄洪或尾砂輸送，同時，GSM網(wǎng)絡向企業(yè)領導、安全管理部門發(fā)送報警短信，加快險情處置進展。遠程控制系統(tǒng)總體設計結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Remote control system structure

3 現(xiàn)場應用

開發(fā)的故障診斷技術(shù)已在國內(nèi)十多家礦山企業(yè)應用，如圖6所示，尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容包括：壩體位移、浸潤線、庫水位、干灘長度、降雨量、滲流量和視頻監(jiān)控等。故障診斷技術(shù)應用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理傳輸層，包括泛在信息數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)前端轉(zhuǎn)換設備、分布式供電設備、無線有線通信設備和數(shù)據(jù)綜合處理設備等，可實時采集監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)、狀態(tài)、供電信息、通信狀態(tài)等，并傳輸至礦山調(diào)度中心；若設備出現(xiàn)故障，礦山調(diào)度中心會及時出現(xiàn)預警，及時對設備故障進行診斷和維護。故障診斷技術(shù)保障系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，長期應用效果表明故障診斷技術(shù)與裝置達到了預期效果，為尾礦庫的安全運行提供了可靠的運行保障。

圖6 尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.6 System structure of online monitoring system of tailings pond

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有的尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)故障發(fā)現(xiàn)的不確定性和滯后性問題，研究了尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)故障診斷技術(shù)與系統(tǒng)，攻克了系統(tǒng)故障診斷及故障點定位技術(shù)，實現(xiàn)了實時監(jiān)控設備運行狀態(tài)、供電狀態(tài)、通信狀態(tài)等信息，對故障進行在線診斷及定位。試驗效果表明故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡化故障診斷與處理功能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和健壯性。