基于CAN總線的尾礦庫在線監測預警系統

黃湘俊 許同樂 杜華程 侯蒙蒙 宋洪宇

(1.山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255049 ；2.山東中礦集團有限公司，山東 招遠 265401)

基于CAN總線的尾礦庫在線監測預警系統

黃湘俊1許同樂1杜華程1侯蒙蒙1宋洪宇2

(1.山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255049 ；2.山東中礦集團有限公司，山東 招遠 265401)

目前基于RS-485總線的數據通信存在效率低、可靠性低、應用不靈活、后期維護成本高等缺點，難以滿足尾礦庫工程監測抗干擾性強、多節點、長距離傳輸的要求。為了解決基于RS-485總線的尾礦庫在線監測系統在數據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總線用于監測預警系統與監測設備通信，建立了一種基于CAN總線的尾礦庫在線監測預警系統，詳述了該監測系統的組成和監測軟件的基本功能。在實際尾礦庫工程應用中，建立浸潤線監測系統，對尾礦壩各橫斷面內水位進行監測，通過對監測系統的運行情況和各監測點監測數據進行分析，表明基于CAN總線的監測系統設計合理，可以有效地監測尾礦壩地下水位狀態，實時可靠，滿足惡劣環境下的尾礦庫在線監測要求，在尾礦庫安全監測中具有一定的推廣應用價值。

CAN總線 RS-485總線 尾礦庫 監測系統

當前，我國尾礦庫在線安全監測系統中主要采用RS-485總線網絡通信，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、系統的實時性差、可靠性低、通信出錯率高、節點錯誤影響整個網絡、錯誤檢測能力差、后期維護成本高等缺點在環境十分惡劣的尾礦庫監測中已慢慢地顯露出來。

CAN(控制器局域網)是Bosch公司為解決汽車上儀器儀表設備之間的通信問題而設計的多主局部網絡。比較CAN總線與RS-485總線特性，可知RS-485總線網絡除了在單點成本、開發難度上比CAN總線網絡具有一定的優勢外，RS-485在通訊等全方面的性能都劣于CAN總線，其中CAN總線在訪問機制、節點容量、通訊實時性可靠性、通訊速度和距離上有突出的優勢。因此采用CAN總線代替RS-485總線運用于尾礦庫安全在線監測系統中，可以解決RS-485總線傳輸在尾礦庫監測系統中的問題，提高監測系統的實時性、穩定性和可靠性，減少尾礦庫事故的發生。

1 尾礦庫安全監測系統

尾礦庫安全監測系統由CAN智能型傳感器、數據采集與傳輸通訊設備、供電防雷系統設備、計算機軟硬件等設備互聯而成。

1.1 尾礦庫安全監測系統組成

采用分級框架結構，主要由現場監測設備、現場監控中心和管理中心等部分組成。

(1)現場監測設備。監測系統采用靜力水準儀、測斜儀、沉降儀、滲壓計、雨量計和超聲波水位計等高智能精密型傳感器分布于尾礦庫壩體重要監測位置，對尾礦庫壩體變形、浸潤線、庫水位等情況在線實時獲取監測點的數據，在尾礦庫的重要部位安裝視頻設備，通過現場攝像，全方位實時在線監測尾礦庫安全運行狀況。

(2)現場監控站。一般設置在現場監控室，采用CAN總線傳輸方式，將多個CAN智能型傳感器掛到CAN-bus上，通過數據采集箱與現場監控主機之間實現雙向通信，可以進行數據存儲、處理、智能分析、顯示和查詢，便于現場操作人員了解尾礦庫的運行狀態；在系統的供電線路、傳感器到測控裝置的入口、通信線路及計算機房等重要部位均設有防雷設備，采取了三級防雷保護措施，確保系統在雷擊和電源波動等情況下能正常工作。

(3)安全監管中心。現場監控站與監控管理中心一般距離比較遠，采用光纜或無線傳輸方式實現遠程監測。監管中心可以對數據進行顯示、分析與遠程網絡發布，其他部門工作人員可以通過互聯網進入監測系統，對尾礦庫的運行狀態進行實時查看。

圖1為在線安全監測系統的結構。

圖1 尾礦庫在線監測預警系統Fig.1 The online monitoring and early-warning system of tailing reservoir

1.2 在線監測軟件功能

安全監測中心配備安全監測預警軟件，主要具有以下幾方面功能。

(1)數據管理功能：對尾礦壩的位移、滲流、滲壓、干灘等各類項目監測數據進行模塊化管理和分析，并將各種監測數據通過過程線、分布線顯示，報警狀態可以在檢測中心的大屏幕上或通過個人數字助理(PDA)顯示；信息可以保存至數據庫，以便于日后查詢，也可直接輸出打印。

(2)報警功能：通過綜合分析壩體變形、浸潤線、庫水位、干灘長度等數據的變化，判斷尾礦庫的運行是否穩定，做出各級單項預警，為管理者提供決策依據，及時地采取相應措施，確保尾礦庫的安全運行。

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

2 在線監測預警系統應用

根據壩體的結構、筑壩特點和對尾礦庫的運行狀況的調查與研究，綜合考慮尾礦庫壩體設計要求、成本、周邊村莊安全，做出尾礦庫安全監測預警系統設計，下面以浸潤線監測為例對監測數據進行分析。

2.1 浸潤線在線監測

尾礦庫潰壩事故的發生，大多是由于壩體地下水影響了壩坡抗滑穩定性。尾礦壩地下水的自由水面即浸潤線，是影響尾礦壩穩定性最重要因素之一，因此需要對浸潤線進行在線實時監測。在尾礦壩各重要位置的橫斷面上設置浸潤線觀測孔,每個孔內埋設1個滲壓計，通過測量測壓管內滲水壓力情況計算出滲水高度，通過CAN總線電線將數據傳遞給監控中心的數據采集服務器并保存到數據庫中，生成圖形顯示各個測點浸潤線的位置變化，結合庫水位即可得出浸潤線曲線。也可以根據監測系統采集的數據建立浸潤線時間序列模型，并根據此模型來預測浸潤線發展趨勢。圖2所示為潤線監測基本原理。

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

各個監測點要根據尾礦庫等級、筑壩壩型、斷面尺寸等進行合理布設。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計有可能出現異常滲流的橫斷面作為監測剖面。根據預計浸潤線的最大變幅，沿每個監測剖面的不同高程至少布設3個監測點。將各個重要部位的監測情況連接起來，形成全方位的監測系統，科學地反映尾礦庫壩體內部浸潤線的情況。

2.2 浸潤線監測數據分析

對某金屬尾礦壩在2012年5月至11月期間的浸潤線監測數據進行分析，監測數據隨時間的變化與浸潤線的位置變化趨勢基本吻合，能真實反映壩體內水位的變化。例如，在尾礦排放或降雨后的一段時間內，部分浸潤線監測點的測量數據有明顯變化，表明壩體內水位升高。在數據變化較大的浸潤線監測點附近，用水平鉆機在下游坡面上向壩內頂管設置水平濾管，管中有水流出，一段時間后監測點水位下降，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個斷面，每個監測斷面設置6個浸潤線監測點，共有6個滲壓計,這6個滲壓計在不同時間的監測數據，見表1。

表1 某監測斷面部分原始浸潤線監測數據Table 1 The monitoring data of saturation line at a monitoring section at different times

對于測出的不同時間的浸潤線變化量，利用MATLAB仿真得到整個斷面各個浸潤線監測點各自的最小二乘擬合曲線，如圖3所示，整個斷面各個浸潤線監測點變化趨勢比較平緩，實測浸潤線均低于設計浸潤線，在此期間監測到的浸潤線的擬合曲線可以真實地反映壩體內地下水位線。

圖3 某監測斷面浸在不同時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 論

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

(2)在尾礦庫工程運用中，CAN總線的應用使遠程監測預警服務器可以與尾礦壩各個測量節點進行良好的數據通信，浸潤線在線監測數據真實地反映了尾礦庫壩體地下水位狀態，實際系統運行情況證明，該監測系統設計合理、實施規范，運行穩定可靠。

(3)在要求多節點遠距離傳輸、傳輸數據量大速率高、實時可靠、環境惡劣的尾礦庫在線監測預警系統應用中，在成本和技術差別較小的情況下，CAN總線取代RS-485總線將是發展趨勢。

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(責任編輯 徐志宏)

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湖北工程機械企業積極掘金拉美富礦

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鄂地(秘)礦業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，秘魯對礦產開發是“放水養魚”，不一定要一次性全額買斷，可以先申請礦權，按每年每公頃3美元的價格交礦產維護費，待開礦產生效益以后再依法納稅。該公司在秘魯拿下了31個礦權，其中有一個礦的銅、金儲量預計在50萬t以上，一旦開采，將獲得豐厚回報。

下游鋼市低迷 鐵礦石期貨創上市以來新低

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“跌跌不休”的態勢。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%，創上市以來新低。

與此同時，港口鐵礦石庫存卻一直在“節節攀升”。截至本月20日，國內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大關之后，鐵礦石庫存已經是年內次新高的水平。業內看來，鐵礦石期貨價格持續走低，庫存連續攀升，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

山東省高等學校科技計劃項目(編號：J10LG22)、山東省自然科學基金項目(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