矿尾矿库区数字化监测管理系统方案设计.docx

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矿尾矿库区数字化监测管理系统方案设计

南方尾矿库区数字化监测管理系统

方案设计

广州南方卫星导航仪器有限公司

二0一0年八月

目录

前言3

第一部份4

尾矿库区监测管理系统4

1工程概述5

2监测设计的预期目标5

3监测系统设计依据和标准5

3.1工程等级和设计标准5

3.2设计依据和设计原则5

4监测项目和测点布置6

4.1巡视检查6

4.2干滩监测6

4.3渗压渗流（浸润线）监测7

4.4库水位监测7

5大坝监测仪器选型8

5.1测压管渗压计9

6自动监测系统选型与总体设计9

6.1设备选型9

6.2系统设计13

6.3系统功能14

6.4系统性能16

7自动监测系统应用软件18

7.1数据采集软件18

7.2信息管理软件19

7.3数据分析处理软件22

第二部份24

尾矿排放视频监测24

第三部份27

表面位移监测系统（另附方案）27

前言

目前尾矿库区及坝体尚未采用自动化监测预警系统，在安全、生产管理方面，主要靠人工巡检和人工携带仪器设备到现场实地测量相关数据。

系统建成后，将实现尾矿坝体安全管理、尾矿库区生产管理、尾矿库区实时监测的全过程智能化、数字化、可视化。

主要建立三个系统：

（1）基于GPS技术的坝体形变监测预警系统；

（2）基于3G技术的库区监测管理系统；

（3）尾矿生产视频监视系统。

其中基于GPS技术的坝体形变监测预警系统主要用来对坝体所产生的平和沉降微小变形状况进行监测，并根据监测结果和系统设定发出预警信息，更为重要的，是系统能够根据所采集的历史数据进行智能分析，从而给出形变状态在一定时间段内的发展趋势，使决策管理人员能够将事故消灭在萌芽状态，大大提高坝体安全性和可控性。

库区监测管理系统主要用来将尾矿管理者的日常工作实现信息化、实时化、网络化，如库区水位、浸润线、干滩长度、实时蓄洪能力等涉及到尾矿安全的数据采集，全部实现自动化，并根据这些数据变化情况直接指导生产。

尾矿生产视频监视系统主要用来取代人工所进行的表面观测和巡检，该尾矿库库区面积较大，人工巡检一次需要数小时，费时费力，采用该系统后，尾矿管理人员可足不出户即可直观察看尾矿排放生产情况和库区各种情况，且各级管理人员可同时通过网络系统察看尾矿库区工作实时情况。

将成熟的软、硬件结合监测，应用在尾矿坝体的监控中来，通过后台智能专家系统，自动分析所采集到的数据，并根据结果发出预警或给出相应解决方案。

第一部份

尾矿库区监测管理系统

1工程概述

尾矿库区监测管理系统，主要监测尾矿库区内同生产、安全密切相关各项指标数据，如浸润线、坝顶高度、滩顶高度、干滩长度、库区水位等，并根据监测的结果指导生产，并给出相应的预警信息，同时将尾矿管理日常工作纳入计算机管理，实现生产数据报表、相关文档管理等的信息化。

2监测设计的预期目标

尾矿库大坝监测系统的预期目标是：

保证坝体的安全，充分发挥工程效益，更好地为安全生产服务。

尾矿库大坝监测系统实施后将能实现以下任务：

1）监视运行期间大坝的状况变化和运行情况。

在发现不正常现象时及时分析原因，采取措施，防止发生事故，以保证生产的安全运行。

2）随时对观测资料进行分析，开展对大坝技术鉴定，总结运行经验，为改善运行方式和制定安全计划、评价工程质量提供数据。

3）定期进行观测资料的整编、为其它类似建筑物的设计、施工、管理和科研提供资料。

4）主要观测项目：

坝体表面变形，浸润线，库水位监测。

3监测系统设计依据和标准

3.1工程等级和设计标准

根据《防洪标准》（GB50201-94）、《抗震规范》、国家经济贸易委员会第20号令《尾矿库安全管理规定》及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）等。

3.2设计依据和设计原则

遵照中华人民共和国行业标准《尾矿库安全技术规程》（征求意见稿）、《国家尾矿库安全监督管理规定》（征求意见稿）、SL60-94《土石坝安全监测技术规范》、中华人民共和国行业标准SL268-2001《大坝自动监测系统设备基本技术条件》的有关规定，并综合考虑工程的实际情况。

尾矿库大坝监测设计中遵循下列原则：

（1）安全监测系统要满足上述两个行业标准的技术要求。

（2）充分考虑原工程特点，选择必要的监测项目和测点。

监测点的布置，既要保证监测点的位置具有代表性，又要体现其特殊性。

（3）全面、准确地反映大坝工作性态，及时发现异常迹象，有效地监视大坝安全，为运行管理提供可靠的资料，满足工程现代化管理的需要。

（4）监测系统的设计和选型，既要先进又要实用。

在满足安全监测要求的前提下力求经济合理。

（5）配置相应的软件，实现大坝安全监测数据的自动整理和分析。

4监测项目和测点布置

按规范要求，三等以上建筑物的必设监测项目为：

坝体表面变形、渗流量、坝基渗流压力、坝体渗流压力、库水位、降水量、气温和巡视检查。

一般监测项目为：

内部变形、坝坡位移、绕坝渗流、孔隙水压力等。

在必设项目中，由于尾矿库由尾矿浆中的固体成份堆积而成，是长年形成的堆积坝体，磁感应较强，与一般水库存在较大的差异，故有些项目设置的意义不大。

按照要求，具体观测项目监测手段如下所述：

4.1巡视检查

巡视检查分日常巡视检查、定期检查和特殊情况下的巡视检查等。

尾矿库主要进行坝体、坝面、坝肩及滩面及库水位的巡视检查。

4.2干滩监测

采用西门子超声波物位计实现自动化无人值守干滩实时在线观测，将数据传到尾矿车间，提供给生产管理人员，以利于他们结合库区水位、洪水挑高等数据，随时计算滩顶高度和干滩长度。

主要设备选用XLTTransducers超声波传感器，具体特点如下：

EchomaxXLT超声波传感器应用超声波技术可同时监测固体物位和液体变化，应用范围广，温度适应范围可达150℃，波束角仅为5°，在狭长的测量环境中也能提供精确读数。

最大工作压力800Kpa（8bar,120PSI），随着信号灵敏度的提高，西门子XLT传感器可以用于严酷的工况如工业尾矿、石灰石、水泥熟料和炽热的石块。

在运行时，Echomax超声传感器以一个窄的波束发射垂直于超声传感器表面的声音脉冲。

物位监视器测量发射脉冲和回波之间的时间来计算从传感器表面到物位表面的距离。

内装式温度传感器可以补偿在量程范围内温度变化所引起的声速变化。

特点

●密封的铝制表面

   ●内置式温度传感器

   ●自清洁和低维护成本

   ●2线制连接

   ●安装简单

4.3渗压渗流（浸润线）监测

渗水在水位作用下，水流渗入坝体，将坝体分为上干下湿两部分，干湿尾沙的分界线为浸润线。

坝体浸润线监测采用在坝体内埋设测压管进行监测，测压管采用在坝体表面钻孔埋设。

以原已埋设的测压管来监测坝内浸润线的位置。

设计系统中采用浸润线分析组件，按照尾矿坝浸润线时间序列，通过建立一个灰色算子，来弱化坝体高度、库内水位等因素所带来的确定性影响,浸润线时间序列存在着非整数维，是一个混沌系统。

灰色算子能较好地处理混沌问题。

根据浸润线观测数据，系统软件绘出坝体浸润线，并与数据库中的工程设计水位浸润线进行比较，实现浸润线观测的自动化。

根据尾矿库大坝形成的特点，尾矿库主坝分设若干监测断面，每个断面设若干个监测点。

在每个测压管内安装渗压计实现自动监测。

4.4库水位监测

根据国内外仪器的可靠性情况可采用超声波物位计或浮子式水位计进行库水位监测，超声波物位计还是选用EchomaxXLT型号。

配接专用遥测数据终端及中心站软件，实现库水位的自动化数据测量、采集、传输与显示。

浮子式水位计型号可采用为WHF-2型。

●技术指标：

1．浮子直径：

          Φ15cm（特殊订货：

Φ12cm、Φ10cm）  

2．水位轮工作周长：

    32cm

3．平衡锤直径：

        Φ2cm

4．测量范围：

          40m（特殊订货：

10、20、80m）

5．分辨力：

            1cm

6．最大水位变率：

      100cm/min

7．准确度：

            10m量程时，≤±0.2%FS；＞10m量程时，≤±0.3%FS

8．水位轮转动力矩：

    ≤0.015N?

n

9．编码码制：

          格雷码

10．平均无故障工作次数：

 1×107次

11．显示方式：

           机械数字显示

12．显示位数：

           5位，高第1位为工作状态，0表示工作正常；9表示反转；

低4位为水位（cm）

13．工作环境温度：

       -10℃～+50℃（测井水不结冰）

14．体积：

               宽×高×深14cm×15cm×15cm

15．净重：

               3.2Kg

浮子水位计安装示意图如下：

5大坝监测仪器选型

为了实现尾矿库大坝监测自动化，需要在大坝上安装测压管渗压计。

根据《规范》和有关规定的要求，结合尾矿库大坝监测项目及该项目的设计原则，选定尾矿库大坝安全监测自动化系统的监测仪器，现将有关仪器选型以及所选仪器的性能、技术指标说明如下。

5.1测压管渗压计

国内大坝上用于测压管渗压计有四种，即差阻式、压阻式、电感式、振弦式。

比较如下：

（1）差阻式渗压计：

稳定性很好，但灵敏度很差，不宜用于幕后扬压力或绕渗水位测量。

（2）压阻式渗压计：

灵敏度很好，精度高，具有大气补偿等特点，但由于现场磁感应很强，易遭雷击，不宜采用。

（3）电感式渗压计：

稳定性差，故障率高，在国内许多工程中使用效果不好，不宜使用。

（4）振弦式渗压计：

灵敏度较高，国产仪器的稳定性差，不宜使用。

但进口或进口组装产品的稳定性较好、故障率较低、防潮性能优良，但价格相对较高。

根据以上仪器比较，选用美国基康公司钛合金钢弦式渗压计（具有长期耐腐蚀特性），钢弦式渗压计技术指标为：

测量范围：

0~0.75Mpa

分辨力：

0.025%F.S

准确度：

±0.5%F.S

线性度：

<0.5%F.S

工作温度：

-20～60℃

由于现场测压管管径很小，需要在现测压管旁重新钻孔，安装2寸测压管，在测压管安装渗压计。

6自动监测系统选型与总体设计

为了满足现代化管理的需要，使建成的大坝安全监测自动化系统技术先进、性能可靠、实用方便，根据《大坝自动监测系统设备基本技术条件》SL268-2001的要求，结合上述大坝安全监测自动化系统监测仪器的选型，现将有关系统设备的选型以及所选设备的性能技术指标说明如下。

6.1设备选型

6.1.1监控主机（CCU）

监控主机内安装数据采集软件，24小时在线工作，选用性能优越的DELL商用计算机作为监控主机内的数据采集计算机，具体配置为（可根据需要配置）：

CPU：

P43.0G；

内存：

256MB333MHz；

硬盘：

80G；

驱动器：

DVD；

网卡：

100/1000M；

彩显：

17〞液晶显示器；

操作系统：

WindowsXP。

6.1.2信管主机

管理主机内安装信息管理软件和数据分析软件，选用性能优越的DELL商用计算机作为管理主机，具体配置为（可根据需要配置）：

CPU：

P43.4G；

内存：

512MB333MHz；

硬盘：

80G；

驱动器：

DVD；

网卡：

100/1000M；

彩显：

17〞液晶显示器；

操作系统：

WindowsXP。

6.1.3UPS（可根据需要自行配置）

型号：

APC（APCC2KS）；

容量：

2KVA在线2小时；

在线互动式设计提高允许效率，减少热能产生；

热更换电池。

6.1.4稳压电源（可根据需要自行配置）

选用上海精工电子仪表厂生产的CWY型2.2KW参数稳压电源。

6.1.5测控装置

测控装置是大坝安全监测自动化系统的关键设备，是分布式数据采集网络的节点装置，它决定了系统的规模、功能和性能，大坝安全监测系统中的测控装置为MCU-1M型或MCU-2M型测控装置，已取得国家质量技术监督局颁发的生产产品许可证，生产许可证号为：

XK07-003-00005。

它由进口密封机箱、智能数据采集模块、电源模块、人工比测模块和防雷模块等组成，各功能模块布局合理、标志清楚、维修方便，还有温控加热除湿装置，完全满足自动化监测系统的要求。

该装置用于系统中各种类型监测仪器（传感器）的数据测量、存储和传输，安装在监测仪器附近，适合于在恶劣的水工环境下长期使用，可靠性高，平均无故障时间大于10000小时。

MCU-1/2/3M型测控装置技术指标如下：

（1）差动电阻式仪器测量模块R16M

测点数量：

16支五芯或四芯差动电阻式仪器

测量范围：

电阻值：

0～120Ω

电阻比：

0.8000～1.2000

准确度：

电阻值：

0.02Ω

电阻比：

0.0002

分辨力：

电阻值：

0.01Ω

电阻比：

0.0001

（2）钢弦式仪器测量模块V16M

测点数量：

16支钢弦式仪器（频率+温度）

测量范围：

频率：

400～6000Hz

温度：

-50～150℃

准确度：

频率：

±0.05%F·S

温度：

±0.5℃

分辨力：

频率：

0.01Hz

温度：

0.1℃

（3）步进式仪器测量模块S1/4M

测点数量：

1/4通道（垂线仪或引张线仪）

测量范围X：

0～50mm，Y：

0～30mm

准确度：

±0.1mm

分辨力：

0.01mm

（4）电压式仪器测量模块E16M

测点数量：

16通道

测量范围：

±2V

准确度：

±0.1%F·S

分辨力：

0.01%F·S

（5）环境量仪器测量模块H3M/FRV

测点数量：

2支格雷码输出水位计＋1支翻斗式雨量传感器+8支差阻式仪器/8支钢弦式仪器

测量范围：

同相应仪器

准确度：

水位计：

同浮子式水位计

雨量计：

同雨量计

差阻式仪器：

同差阻式仪器测量模块R16M

钢弦式仪器：

同钢弦式仪器测量模块V16M

分辨力：

水位计：

1cm

雨量计：

同雨量计

差阻式仪器：

同差阻式仪器测模块R16M

钢弦式仪器：

同钢弦式仪器测模块V16M

（6）气象站仪器测量模块M7M

气象站仪器测量模块的技术指标可参见气象站仪器；

（7）通讯接口：

内置RS-485、RS-232-C接口，CAN总线、无线、光纤、微波、电话线等通讯方式可选；

（8）通讯波特率：

300--4800bps可调；

（9）结构：

完全模块化结构，多CPU并行运行；

（10）测量方式：

2分钟～99天采样一次可调；

（11）存储容量：

128KB带掉电数据保护；

（12）工作电源：

220VAC±15%，50Hz电源+12V4AH蓄电池备用；

（13）断电后工作时间：

≥7天，每天测次不少于1次；

（14）工作环境：

温度：

－20～60℃（－30～60℃可选）

湿度：

≤98%Rh

（15）设备防雷：

传感器：

1500W

电源、通讯：

1500W

（16）平均无故障工作时间（MTBF）：

10000小时

（17）防护等级：

IP56

6.1.6电源保护装置

为了保证大坝安全监测自动化系统设备的运行安全，使系统设备不受雷击破坏，在控制中心安装一台电源保护装置，该装置内置一只1500W的隔离变压器、一套电源防雷器，电源防雷器采用德国PHEONIX公司生产的B级和C级组合防雷器，同时在每个监测站安装1台200W的隔离变压器、一套电源防雷器，电源防雷器采用德国PHEONIX公司生产的B级和C级组合防雷器。

防雷器具体配置为：

放电设定电压：

260VAC；

放电电流（10/350us）：

35kA；

绝缘电阻：

大于100MΩ；

响应时间：

小于1us。

6.1.7电缆

为了保证传感器可靠工作，系统采用专用的仪器电缆。

渗压计、环境量仪器采用专用的标准4芯双绞屏蔽线，每对双绞线独立屏蔽，1根屏蔽线，若选择压阻式仪器，则电缆需采用带通气管的专用电缆。

电缆外套采用高密PVC材料，能耐寒、耐潮、阻燃、耐磨、耐化学和石油产品的腐蚀，绝缘电阻在50MΩ以上，其击穿电压大于2000V，符合我国国家标准，满足仪器设备的使用要求。

电缆的主要技术指标如下：

芯线材料：

铜或铜合金，表面镀锡

芯线面积：

0.25mm2

屏蔽材料：

铝箔

外套材料：

高密PVC

外套厚度：

>1.65mm±5%

电缆直径：

Φ6.5mm±0.1mm

耐水压：

1.0Mpa

6.2系统设计

6.2.1系统配置

根据实际情况进行配置

6.2.2自动监测系统组网

因尾矿库大坝由尾矿浆中的固体成份堆积而成，根据实地情况选择合适的通讯方式。

6.2.3系统供电

大坝监测现场可以采用市电进行供电或者采用太阳能配蓄电池给测控装置供电，需在每台测控装置处配置30W太阳能电池板1块，12V100AH蓄电池1块。

6.3系统功能

智能分布式系统具有以下几方面功能：

6.3.1采集功能

实现大坝安全数据自动采集功能，数据采集系统的运行方式有：

（1）中央控制方式：

由监控主机发出命令，测控装置接收命令、完成规定的测量，测量完毕将数据暂存，并根据命令将测量数据传送至监控主机内存储；

（2）自动控制方式：

由各台测控装置自动按设定的时间和方式进行数据采集，并将所测数据暂存，同时传送至监控主机内存储。

（3）特殊条件下自动控制方式：

在汛期或其它特殊情况下，电源和通讯完全中断,各测控装置能依靠自备电源继续进行自动化巡测，如每天巡测2次可维持运行一周，所有测值全部自动存储，等待故障修复后提取。

监测数据的采集方式有：

选点测量、选箱测量、巡回测量、定时测量、人工测量。

采集周期根据工程要求，运行人员可在监控主机或信息管理主机上设定或修改监测周期。

监控主机对测控装置（MCU）传输来的原始测值自动进行数据处理，若采集的数据越限将自动报警。

6.3.2显示功能

显示大坝及监测系统的全貌、测点布置平面和剖面图，各种监测数据过程线、分布线、多种监测数据的相关线及其它图形，显示报警状态，显示所有监测数据、监测成果、各种报表及分析计算成果，显示有关工程安全的技术资料和巡视检查信息。

6.3.3存储功能

系统所有实测数据分三级存储：

测控装置可暂存所测数据，存满后自动覆盖；监控主机接受所有测控装置的监测数据，自动检验，对超差数据自动报警，检验后的数据存入数据库中；合格监测数据包括人工监测数据和巡视检查信息全部存入信息管理系统数据库中，可存档或进一步处理。

6.3.4数据通讯功能

数据通讯包括现场级和管理级的数据通讯。

（1）现场级数据通讯功能

现场测控装置和监控主机之间，采用光缆实现双向通讯功能。

（2）管理级数据通讯功能

管理主机可对现场测控装置实现远程控制功能；通过有线、光缆、电话线、微波、无线、宽带网等与上级管理部门的计算机之间通讯，实现远程监控，也可与局域网联网，实现资源共享。

6.3.5管理功能

监控主机有监测数据的一般管理能力，并有信号超限报警功能。

信息管理主机作为系统的综合信息管理中心，具有在线监测、数据库管理、测点管理、安全管理、系统管理等。

包括数据的人工/自动采集、测值的离线处理、工程档案资料、报表制作、图形制作、浏览器、辅助工具、帮助系统等内容。

6.3.6系统自检功能

系统具有自检功能，可对测控装置内的数据存储器、CPU、时钟、供电状况、电池电压和测量电路进行自检，监控主机和管理主机可显示状态信息，以便及时维护系统。

6.3.7系统防雷抗干扰功能

在系统的供电线路、传感器到测控装置的入口、通讯线路及计算机房等重要部位均设有防雷设备，采取了三级防雷保护措施，确保系统在雷击和电源波动等情况下能正常工作。

电源和通讯线路可防1500W雷电感应，传感器输入口可防600W雷电感应。

6.4系统性能

自动化监测系统，采用最新电路和最新元件，具有高度可靠性、稳定性、准确性和可利用率，功能完善、性能先进、维修方便，便于今后扩展和升级，有备品备件支持。

该系统由监测仪器、MCU-1/2M型测控装置、计算机及配套软件组成，布置在现场的测控装置（MCU）能在野外恶劣的环境下长期可靠运行、低能耗，并备有备用电源，有可靠的防雷抗干扰保护措施，可采用多种通讯方式，便于系统组成和扩展。

6.4.1可靠性

DG型分布式系统在研制和生产过程中特别注意提高系统可靠性。

和国内现有大坝安全监测自动化系统比较，DG型分布式数据监测自动化系统处于领先地位，表现在下述方面：

（1）DG型分布式系统具有总体结构上的优越性，因测量、控制和数据储存等重要功能均分散到每一台测控装置上，由若干台测控装置组成系统。

当单台或少数测控装置发生故障时，只有与发生故障的测控装置连接的监测仪器不能测量，整个系统并不会停测。

系统的数据总线中通讯和数据传输均为数字量，不仅对电缆的要求较低而且抗干扰能力特强，系统在数据总线上又设置了雷电流保护器及其他保护措施，因此使系统的可靠性大大提高。

（2）系统具有功能上的优越性，系统不仅有中央控制功能，即由前方的监控主机发出数据采集命令进行全系统的巡测或选测，而且有自动控制功能，即由数据采集网络各节点上的测控装置自动进行巡测且存储、发送数据。

在特别严重的运行情况下，例如特大洪水，厂房不能发电，电源中断，总线破坏等，系统的各台测控装置仍能在一周之内自动巡测和储存数据，避免数据丢失，确保自动化采集的可靠性。

（3）系统采取了多级备用措施，最大限度地保障监测数据的连续性。

（4）系统能适应现场的工作环境，具有三级防雷、抗干扰措施，电源和通讯口可防1500W雷电感应，传感器输入口可防600W雷电感应，故具有足够高的防雷、抗干扰性能，能长期可靠地稳定运行。

（5）系统的电路板，经过防潮、防霉、防腐蚀处理。

元器件经过老化筛选，出所前经过长时间系统考机，现场运行时可靠性已达浴盆曲线平稳阶段，因此故障率低，寿命长。

采用进口密封防潮机箱，设置了加热驱湿器件，具有长寿命、耐低温、抗干扰、抗潮湿的优良性能，可保证长期在水工环境中稳定运行。

（6）系统设备的平均无故障工作时间（MTBF）不小于10000小时。

（7）系统考核可按每周一次计算系统运行次数和数据采集次数：

①传感器和测控装置（MCU）测量通道故障影响的数据个数≤传感器年运行的监测数据个数和的2%。

②测控装置（MCU）和监控主机故障引起的缺失监测数据个数≤MCU和监控主机年运行监测数据个数和的2%。

（8）数据采集系统测得的监测数据准确可靠，系统的监测精度满足以下要求：

人工测量和自动化测量的绝对误差

（超差数据<5%）。

系统总线电缆中传输的是数字量，且具有防潮、屏蔽等措施，又安装了雷电流保护器，系统设计和施工中还采用防鼠防人为破坏等措施，这些措施均有效地提高了系统可靠性。

6.4.2兼容性

MCU-M型测控装置可接入各类监测仪器（传感器），即步进式、差阻式、振弦式、电感式、电容式、差动变压器式、可变电阻式、浮子式以及输出标准信号（电压、电流、频率）的传感器，基本上兼容了我国混凝土坝、土石坝和岩土工程所用的各类国内外监测仪器，对于个别尚未接入的品种也可根据用户选择采取的软硬件接口或变送器予以接入。

6.4.3可扩充性

系统采用现场数据总线或其他通讯方式将各测控装置连成总线拓扑，便于扩展和分期实施，在系统扩展时不需要对已有系统进行改动或停测。

由于同一测控装置可接入各类监测仪器，因此只要延伸数据总线，增加测控装