DT尾矿库安全监测系统

1.概述

　　随着现代高科技的发展，尾矿库的日常监测管理也面临着更新换代。在我国，尾矿库数量多、分布广，大部分尾矿库的管理是采用人工观测，不仅观测精度受人员的经验及天气等自然因素的限制，不能进行全日实时的预警，存在安全隐患，同时，资料数据的整理分析往往会滞后于生产运行，影响了安全生产。
　　具有信息化、实时化、网络化特点的尾矿库自动化监测系统的出现完全可以解决这些问题， 投入使用自动化监测系统，可以及时直观的掌握坝体的实际动态，进行安全评价、预警预报，为加固工程设计、管理及消除隐患提供依据，为尾矿坝的安全监测与管理决策提供有力支持，发挥工程效益，实现安全生产。
　　我公司开发的DT尾矿库安全自动化监测系统，具有精度高、性能稳定、可靠性高、适应恶劣环境等特点，满足尾矿库实时、有效的安全监测需求。
　

2.目的

　　通过对尾矿库进行自动化的安全监测，分析坝体的结构健康状态，及时发现不正常现象并提出警示，评估结构的可靠性，为尾矿库的管理与维护等提供数据依据。

3.监测项目

　　对于尾矿库，主要的监测项目有以下几项：
　　1) 坝体浸润线监测，主要针对浸润线监测点的渗流压力。
　　2) 坝体变形监测，包括坝体内部变形和外部变形。
　　3）库水位及土壤含水量监测。
　　4）气象参数监测，包括降雨量、温湿度等。
　　5）水质监测，包括各种水质参数及重金属含量等。
　　6）视频监测，可监视并记录指定监测点的视频图像。
　　根据实际情况，还可以增加必要的监测项目。


4.DT尾矿库安全监测系统功能

　　由于尾矿库空间结构层次较多、野外环境复杂，想获得反映整个尾矿库安全状态的参数，必须在各个重要测点安装很多测试相关仪器设备，数据采集设备不仅具有一定远距离数据采集和传输能力，还要有适于野外长期监测的各种功能，具备准稳、低功耗、防雷、安装快捷、数据无线传输等特点。硬件及软件系统需采用模块化、开放式结构设计，系统设计力求较高的稳定性、可靠性、灵活性、可操作性和可扩展性。
　　我公司按以上基本要求制定了尾矿库安全监测系统的设计方针，为尾矿库安全监测提供较全面的、最优惠的解决方案，从测量仪器设备到监测中心软件，力求整个监测系统性能稳定、可靠性高，测试精度满足要求，并可进行长期不间断地监测。


4.1 系统硬件基本功能

　　1）可根据客户提供的监测模型，确定监测参量，配备尾矿库安全监测所需的各种测试仪器设备，满足测试项目的需求和测试精度。
　　2) 配备远程监测单元（MCU）和其他监测设备的机箱、电缆及接口装置以符合实际监测环境，系统具有电源保护装置、避雷装置等硬件设备，把信号受干扰程度降至最低，尽量减少系统的安装误差。
　　3）数据传输可采用有线和无线两种方式与监测中心通讯。对于有线方式，可采用一般电缆通讯或光纤通讯，可实现串口通讯、网络通讯或其他有线通讯方式。对于无线方式，可实现GPRS或CDMA网络通讯的数据传输，数据采用全透明方式，同时具有报警管理系统，简捷得知设备运行状况，完成远程控制的需要。
　　4）根据需求，实时对尾矿库关键地区安装视频摄像监测设备，保证视频图像的查控。
　　5）保障DT尾矿库安全监测系统各个仪器设备的正常运行，满足今后系统在硬件节点的增加等要求。


4.2 系统软件主要功能

　　1）可实时监测尾矿库的各测点测量参数，数据以数字或曲线图形式实时显示、记录和打印，可根据需要设定测点数据，对原始数据不仅可进行滤波、计算等处理。
　　2）监测数据能够以多种数据库形式保存并可进行历史数据查询，还可以直接生成EXCEL或其他形式报表。
　　3）操作界面清晰直观，工具条与按钮操作。显示界面可分为主界面和各子界面，各界面间切换灵活。界面图案可按客户要求绘制改动。
　　4）数据的图形方式显示，包括时间历程曲线图、X/Y坐标图、模拟图、直方图等形式。
　　5）具有数据越限报警功能，现场即时上传报警信息时，主机会出现明显的报警画面和报警信息，同时还可提供各种声光报警等多媒体提示。
　　6）能对系统中的每一用户进行口令和操作权限的管理，能对不同的用户分配不同的系统访问、操作权限级别，保障运行系统的安全性。
　　7）实现对系统信息打印的管理功能，对视频图像进行存储与处理。
　　8）在线编辑、维护、修改、扩展功能。系统软件满足开放性标准的要求，并满足数据库容量的扩充、系统软件功能的增强等方面的要求。

5.监测系统的组成

　　DT尾矿库安全监测系统主要由现场信号监测仪器设备、远程监测单元、监测中心数据处理与分析三部分构成。技术构架图如下所示：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
5.1 现场信号监测仪器设备

　　现场信号传感器按监测项目参数的性质主要有以下六个部分：
　　1) 坝体浸润线测量传感器，可采用渗压计。
　　2) 坝体内部变形测量传感器，可采用固定式测斜仪。坝体或地表变形位移测量，可采用GPS位移监测系统。
　　3) 库水位测量传感器， 可采用适于水位量程的水位计。土壤含水量的测量可选用含水计。
　　4) 对于气象测量仪器，降水量的测量可采用雨量计。其他气象仪器还有温湿度计等。
　　5) 视频监控，可在各监测点安装的摄像头及其录像设备。
　　6) 水质监测仪器设备，可采用PH计、COD、SS及一些重金属含量测量仪器。
　　以下介绍了一些可应用在尾矿库安全监测系统中的性能可靠的监测仪器设备，在实际应用中还可根据实际的环境、范围以及使用成本选用适合的仪器。
5.1.1 坝体浸润线测量传感器
5.1.2 坝体变形测量仪器设备
5.1.2.1坝体内部变形测量仪器
5.1.2.2GPS坝体外部或地表变形测量设备
5.1.3 库水位及土壤含水量监测传感器
　　1）水位计
　　2）土壤含水计
5.1.4 降雨量测量传感器
5.1.5 水质监测传感器（选用）
5.1.5.1CODcr分析仪
5.1.5.2GSS传感器
5.1.5.3PH分析仪
5.1.5.4多参数重金属分析仪
5.1.6 视频监测系统

　　在尾矿库安全监测系统中，为了实时掌握尾矿库库区的情况和运行状况，通常在溢水塔、滩顶放矿处、坝体下游坡等重要部位设置视频监测设置，以满足准确、清晰地把握尾矿库运行状况的需要。引入远程视频监控体系可以很好的满足这方面的需求，可以保证管理决策层通过借助网络这个工具，随时掌控任何一个前端监测点的工作状况，还可以根据视频录象追踪过去几天内的运行情况。
　　尾矿库监测可采用网络视频监控系统，对各个监测点进行视频在线监测。其采用先进的嵌入式WEB服务器技术、信息技术实现对监测点进行网上监察。使相关领导可以在监控中心远程实时地对每一坝体处的现场情况进行监察。做到平台与系统无缝连接。系统界面友好，具有很强的易用性。系统实现了远程控制，配合中心站管理软件使用，操作灵活、功能先进、安全可靠。
　　视频监测系统主要具有的功能如下：
　　1）前端通过使用网络硬盘录像机，可以实现对监测点的现场图象信号的数字化采集、显示、存储和网络传输。
　　2）所有前端摄像机选用红外旋转夜视变焦摄像机。白天光线较强时为彩色，光线较弱时自动转为黑白。视频信号接入网络硬盘录像机进行录像机。
　　3）适于野外监测的性能。尾矿库各监测点分布的位置，相对空旷，容易遭受雷击，为此，摄像机设计了防雷。所有摄像机进入机房后，先接入防雷器，以避免网络硬盘录像机遭到雷击。
　　4）保证视频录像的存储，录像机内配置1块250G硬盘。同时，网络硬盘录像接入路由器，通过无线网络传到监控中心。
　　5）管理软件功能，通过在该接入服务器中设置的可设置相应人员的权限管理功能。中心带宽在2M的情况下能实时察看来自任意子站的多路视频，保证实时、连续。
　　视频监测系统主要由前端监控设备、网络硬盘录像机和监测管理软件三部分组成。
5.1.6.1前端监控设备
5.1.6.2网络硬盘录像机
5.1.6.3视频管理软件
5.2 远程监测单元（DT MCU）

　　远程监测单元（DT MCU）系统主要由数据采集系统、电源系统、GPRS/CDMA无线数据传输终端、防雷器件、接线与通讯接口、防水工业机箱等组成。
　　各种传感器信号按顺序接入输入信号模块中，经由防雷板处理后，进入DT采集器中传感器采集通道，采集的数据通过串口与GPRS/CDMA无线数据传输终端连接后，便可按TCP/IP协议远程与数据存储与处理系统进行通讯了。远程监测单元的工作、结构示意图如下。


　　　　　　　　　　　
远程监测单元的工作、结构示意图

5.2.1 数据采集器
　
　　采用澳大利亚dataTaker 公司生产的DT80G/DT85G型岩土智能可编程数据采集器及其扩展模块CEM20,动态采集可使用DT800数据采集器。
　　DT80G/DT85G具有如下特点：支持振弦式及其它岩土型传感器，独立工作或使用强大的内置通讯选项组网，以各种期望的方式及地点访问数据； 支持U盘；坚固的设计与结构，提供了在极端的岩土环境应用下可靠的操作；低成本高效，DT80G具有5～15个模拟通道，DT85G具有16～48个模拟通道，通过与CEM20扩展模块连接， DT80G可扩展到100个通道，DT85G可扩展到300个通道。实时浏览数据和存储到高达五百万个数据点。数据存储和恢复可以通过U盘、FTP、手机，适合于SCADA的Modbus，以太网或网页实现。
　　DT80G/85G可以连接到大部分的传感器和数据测量设备，包括智能传感器，SDI－12传感器组成的网络，GPS，PLC和其他智能设备。测量结果可以被比例缩放，存储以及返回工程单位或者进行统计报表。所有通道都可以进行报警设置。支持Windows版软件。
　　CEM20 是DT80g系列的通道扩展模块，它具有紧凑小巧的尺寸，极低的能耗，可以低成本方式增加数据采集器通道，每个连接到数据采集器模拟通道的CEM20都可以扩展20个模拟通道。
　　DT80G、DT85G及CEM20图片如下：



5.2.2 电源系统

　　可提供两种供电方式供实际选择：1）利用现场供电，采用高精度线性11–24VDC开关电源，可为数据采集器和传感器供电 2）采用外部15V太阳能板为系统供电。

5.2.3 GPRS/CDMA无线数据传输终端
5.2.4 防雷器件
5.2.5 密封防水机箱

　　机箱样机图片如下：


　　• 型号：RITTAL AE 1038
　　• 材料：钢板，镀锌安装板
　　• 尺寸：600 x 380 x 210mm
　　• 重量：15.6kg
　　• 防护等级：IP66，符合NEMA 4 要求
　　• 适合各种气候的坚固设计结构
　　• 适合于恶劣的环境
　　• 适合墙、柱、线杆或机柜内安装
　　机箱内板坚固，配有标准DIN导轨供仪器配置。数据采集器、电源、防雷器、数据传输单元被安装于内板上，此外，内板上还装有监测系统的接线端子、控制开关及其它固定件。此外，根据环境需要，机箱配有加热器装置，保证系统在低温环境也能正常工作。

5.3 监测单元的配置容量

　　远程监测单元的容量可以根据实际监测目标的多少进行配置，系统内部数据采集器的选用与联网方式也会有所不同。
　　如果尾矿库的测量范围大，监测点数多，或者还需对其加固效果或水文气象等诸多参量进行监测，那么系统可按以下三种方式扩容：
　　1）直接在远程监测单元MCU内部增加CEM20扩展模块，也可采用内部RS485组网连接方式。
　　2）按监测单元位置或功能增加并划分远程监测单元RTU的数量，监测中心与各RTU单元用TCP/IP无线网络、RS-485数据总线或光纤等形式组成分布式数据采集网络，通过监测中心软件进行数据管理。


　　
5.4 监测中心数据处理与分析系统

　　采用具有奔腾4处理器或以上及Windows XP或以上操作系统的主机，主机安装在具有网络系统的场所内，通过互联网对采集器传送来的数据进行分析、处理，对各种测量参数进行实时监测和记录。应用软件采用Microsoft .NET Framework进行开发的DTsMonitor监测软件（以下简称DTs）。
　　DTs监测软件是信息管理及分析软件，主要用于实时监测坝体参数并进行监测资料分析，具体包括单点或多点数据、浏览过程线及图形绘制。
DT监测系统软件安装在具有良好开放性、可扩充性和高可靠性等技术性能指标的符合开放系统互联标准的中文WINDOWS XP操作系统，构建于时下流行的.NET框架结构上。数据库采用方便简洁的ACCESS，也可定制使用其他的数据库，如SQLSERVER或ORACLE。主机安装在具有网络系统的场所内，以便更迅捷的通过互联网或手机网络对采集器传送来的数据进行分析、处理、监测、记录或导出。监控中心还可按需配置打印机、服务器等相关设备。在主机内安装我公司研发的“DTs尾矿库安全监测系统”软件。软件的界面功能示范图如下：
　　1） 进入监测系统界面
　　2） 工程管理
　　3） 设备连接
　　4） 数据采集
　　5） 数据显示
　　6) 坝体内部变形监测
　　7) 降雨量监测
　　8） 管理权限界面


6 DT尾矿库安全监测系统的先进性分析

　　1） 系统的质量和稳定性
　　本公司制造的远程监测单元（DT MCU）已取得ISO9001:2000的标准认证，并已被成功应用于国家体育馆等重大科研项目。核心部件的DT数据采集器通过国际CE认证，早已在很多岩土工程监测项目中成功应用过。测试传感器采用国内外知名企业生产的产品，精度高且性能可靠。
　　系统的工作温度范围宽（最高可从-45℃到70℃），使用寿命长，在恶劣的野外环境下具有很高的稳定性。
　　2）系统的兼容性
　　DT-MCU监测单元具有高通用性和兼容性，适合接入电压型、电流型、电阻型、热电偶、脉冲型、振弦式、卡尔逊式、数字信号等多类型传感器，还可实现MODBUS总线兼容技术。
　　3) 系统抗干扰性能
　　远程监测单元通过自身的隔离装置解决了传感器和采集系统的接地回路问题，并被设计成抗噪音。在解决接地回路和抗噪音方面达到世界领先水平。这些性能确保了在恶劣环境下采集信号的精确度。
　　4) 先进的远程通讯
　　应用GPRS/CDMA无线通讯技术来实现野外监测数据自动采集从而达到真正意义上的远程监控，通过TCP/IP网络确保了通讯数据的可靠性和实时性，这项技术体现了当今先进的远程通讯技术在岩土工程监测上的应用。
　　5）强大的软件功能
　　采用先进软件开发，功能强大、灵活方便、界面美观，不仅可完全实现尾矿库安全监测的功能要求，还可根据实际需要进行软件升级,符合今后的发展方向。