基于CAN总线的尾矿库在线监测预警系统

黄湘俊 许同乐 杜华程 侯蒙蒙 宋洪宇

(1.山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049 ；2.山东中矿集团有限公司，山东 招远 265401)

基于CAN总线的尾矿库在线监测预警系统

黄湘俊1许同乐1杜华程1侯蒙蒙1宋洪宇2

(1.山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049 ；2.山东中矿集团有限公司，山东 招远 265401)

目前基于RS-485总线的数据通信存在效率低、可靠性低、应用不灵活、后期维护成本高等缺点，难以满足尾矿库工程监测抗干扰性强、多节点、长距离传输的要求。为了解决基于RS-485总线的尾矿库在线监测系统在数据采集传输方面的不足，比较了RS-485总线与CAN总线的基本特性，并提出了在尾矿库工程中采用CAN总线用于监测预警系统与监测设备通信，建立了一种基于CAN总线的尾矿库在线监测预警系统，详述了该监测系统的组成和监测软件的基本功能。在实际尾矿库工程应用中，建立浸润线监测系统，对尾矿坝各横断面内水位进行监测，通过对监测系统的运行情况和各监测点监测数据进行分析，表明基于CAN总线的监测系统设计合理，可以有效地监测尾矿坝地下水位状态，实时可靠，满足恶劣环境下的尾矿库在线监测要求，在尾矿库安全监测中具有一定的推广应用价值。

CAN总线 RS-485总线 尾矿库 监测系统

当前，我国尾矿库在线安全监测系统中主要采用RS-485总线网络通信，但RS-485 总线本身存在的许多局限性，RS-485 的总线利用效率低、系统的实时性差、可靠性低、通信出错率高、节点错误影响整个网络、错误检测能力差、后期维护成本高等缺点在环境十分恶劣的尾矿库监测中已慢慢地显露出来。

CAN(控制器局域网)是Bosch公司为解决汽车上仪器仪表设备之间的通信问题而设计的多主局部网络。比较CAN总线与RS-485总线特性，可知RS-485总线网络除了在单点成本、开发难度上比CAN总线网络具有一定的优势外，RS-485在通讯等全方面的性能都劣于CAN总线，其中CAN总线在访问机制、节点容量、通讯实时性可靠性、通讯速度和距离上有突出的优势。因此采用CAN总线代替RS-485总线运用于尾矿库安全在线监测系统中，可以解决RS-485总线传输在尾矿库监测系统中的问题，提高监测系统的实时性、稳定性和可靠性，减少尾矿库事故的发生。

1 尾矿库安全监测系统

尾矿库安全监测系统由CAN智能型传感器、数据采集与传输通讯设备、供电防雷系统设备、计算机软硬件等设备互联而成。

1.1 尾矿库安全监测系统组成

采用分级框架结构，主要由现场监测设备、现场监控中心和管理中心等部分组成。

(1)现场监测设备。监测系统采用静力水准仪、测斜仪、沉降仪、渗压计、雨量计和超声波水位计等高智能精密型传感器分布于尾矿库坝体重要监测位置，对尾矿库坝体变形、浸润线、库水位等情况在线实时获取监测点的数据，在尾矿库的重要部位安装视频设备，通过现场摄像，全方位实时在线监测尾矿库安全运行状况。

(2)现场监控站。一般设置在现场监控室，采用CAN总线传输方式，将多个CAN智能型传感器挂到CAN-bus上，通过数据采集箱与现场监控主机之间实现双向通信，可以进行数据存储、处理、智能分析、显示和查询，便于现场操作人员了解尾矿库的运行状态；在系统的供电线路、传感器到测控装置的入口、通信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。

(3)安全监管中心。现场监控站与监控管理中心一般距离比较远，采用光缆或无线传输方式实现远程监测。监管中心可以对数据进行显示、分析与远程网络发布，其他部门工作人员可以通过互联网进入监测系统，对尾矿库的运行状态进行实时查看。

图1为在线安全监测系统的结构。

图1 尾矿库在线监测预警系统Fig.1 The online monitoring and early-warning system of tailing reservoir

1.2 在线监测软件功能

安全监测中心配备安全监测预警软件，主要具有以下几方面功能。

(1)数据管理功能：对尾矿坝的位移、渗流、渗压、干滩等各类项目监测数据进行模块化管理和分析，并将各种监测数据通过过程线、分布线显示，报警状态可以在检测中心的大屏幕上或通过个人数字助理(PDA)显示；信息可以保存至数据库，以便于日后查询，也可直接输出打印。

(2)报警功能：通过综合分析坝体变形、浸润线、库水位、干滩长度等数据的变化，判断尾矿库的运行是否稳定，做出各级单项预警，为管理者提供决策依据，及时地采取相应措施，确保尾矿库的安全运行。

(3)其他功能：提供丰富的图形和报表功能，使整个分析过程窗口化、分析结果图形化，并支持各种分析图形的无极缩放功能；设置不同操作人员管理权限等。

2 在线监测预警系统应用

根据坝体的结构、筑坝特点和对尾矿库的运行状况的调查与研究，综合考虑尾矿库坝体设计要求、成本、周边村庄安全，做出尾矿库安全监测预警系统设计，下面以浸润线监测为例对监测数据进行分析。

2.1 浸润线在线监测

尾矿库溃坝事故的发生，大多是由于坝体地下水影响了坝坡抗滑稳定性。尾矿坝地下水的自由水面即浸润线，是影响尾矿坝稳定性最重要因素之一，因此需要对浸润线进行在线实时监测。在尾矿坝各重要位置的横断面上设置浸润线观测孔,每个孔内埋设1个渗压计，通过测量测压管内渗水压力情况计算出渗水高度，通过CAN总线电线将数据传递给监控中心的数据采集服务器并保存到数据库中，生成图形显示各个测点浸润线的位置变化，结合库水位即可得出浸润线曲线。也可以根据监测系统采集的数据建立浸润线时间序列模型，并根据此模型来预测浸润线发展趋势。图2所示为润线监测基本原理。

图2 浸润线监测基本原理Fig.2 The basic principle schematic diagram of saturation line monitoring

各个监测点要根据尾矿库等级、筑坝坝型、断面尺寸等进行合理布设。一般将尾矿坝上最大断面、有代表性且能控制主要渗流情况的坝体横断面以及预计有可能出现异常渗流的横断面作为监测剖面。根据预计浸润线的最大变幅，沿每个监测剖面的不同高程至少布设3个监测点。将各个重要部位的监测情况连接起来，形成全方位的监测系统，科学地反映尾矿库坝体内部浸润线的情况。

2.2 浸润线监测数据分析

对某金属尾矿坝在2012年5月至11月期间的浸润线监测数据进行分析，监测数据随时间的变化与浸润线的位置变化趋势基本吻合，能真实反映坝体内水位的变化。例如，在尾矿排放或降雨后的一段时间内，部分浸润线监测点的测量数据有明显变化，表明坝体内水位升高。在数据变化较大的浸润线监测点附近，用水平钻机在下游坡面上向坝内顶管设置水平滤管，管中有水流出，一段时间后监测点水位下降，说明检测的浸润线深度与孔揭露情况基本一致。在该尾矿库主坝体上布置了4个断面，每个监测断面设置6个浸润线监测点，共有6个渗压计,这6个渗压计在不同时间的监测数据，见表1。

表1 某监测断面部分原始浸润线监测数据Table 1 The monitoring data of saturation line at a monitoring section at different times

对于测出的不同时间的浸润线变化量，利用MATLAB仿真得到整个断面各个浸润线监测点各自的最小二乘拟合曲线，如图3所示，整个断面各个浸润线监测点变化趋势比较平缓，实测浸润线均低于设计浸润线，在此期间监测到的浸润线的拟合曲线可以真实地反映坝体内地下水位线。

图3 某监测断面浸在不同时期的浸润线拟合曲线Fig.3 The saturation line fitting curves of a monitoring section at different time

3 结 论

(1)通过比较可以得知，相对于RS-485总线，基于CAN总线的数据采集系统能高速有效地采集、传递和处理现场数据，并能够在恶劣环境下保证通信速率和极低的出错率。

(2)在尾矿库工程运用中，CAN总线的应用使远程监测预警服务器可以与尾矿坝各个测量节点进行良好的数据通信，浸润线在线监测数据真实地反映了尾矿库坝体地下水位状态，实际系统运行情况证明，该监测系统设计合理、实施规范，运行稳定可靠。

(3)在要求多节点远距离传输、传输数据量大速率高、实时可靠、环境恶劣的尾矿库在线监测预警系统应用中，在成本和技术差别较小的情况下，CAN总线取代RS-485总线将是发展趋势。

[1] 邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社,2002 . Wu Kuanming.CAN bus Principle and Application of System Design[M].Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2002.

[2] 郭永峰.CAN总线与RS485总线的技术优势比较[J].中国新通信，2012,15:47-48. Guo Yongfeng.CAN bus and RS485 Bus technology advantages compared[J].China New Telecommunications，2012,15l:47-48.

[3] 陈万盛.CAN总线在煤矿水文监测系统中的应用[J].陕西科技大学学报,2012,30(4):118-120. Chen Wansheng.CAN-bus in the application of hydrological monitoring system in the coal mine[J].Journal of Shaanxi University of Science & Technology，2012，30(4):118-120.

[4] 许同乐,郎学政,裴新才,等.基于光纤传输的尾矿库安全监测预警系统研究[J].黄金,2011,32(7):43-47. Xu Tongle，Lang Xuezheng，Pei Xincai，et al.Research on safety monitoring and early-warning system of tailing reservoir based on optical fiber transmission[J].Gold,2011,32(7):43-47.

[5] 杨忠林 尾矿库数字化在线监测系统在尖山铁矿的应用[J].金属矿山,2010(1):125-127. Yang Zhonglin.Application of online monitoring system of tailing reservoir digitalization in Jianshan Iron Mine[J].Metal Mine，2010(1):125-127.

[6] 马文可,魏 诺,付 勇.基于无线传感网络的尾矿库安全监测预警系统的设计与实现[J].山东科学,2011,24(3):79-82. Ma Wenke，Wei Nuo，Fu Yong.Design and implementation of a wireless sensor networks based tailings monitoring and early warning system[J].Shandong Science，2011,24(3):79-82.

[7] 王飞跃，杨铠腾，徐志胜，等.基于浸润线矩阵的尾矿坝稳定性分析[J].岩土力学，2009,30(3)：840-844. Wang Feiyue，Yang Kaiteng，Xu Zhisheng，et al.Stability analysis of tailings dam based on saturation line matrix[J].Rock and Soil Mechanics，2009,30(3):840-844.

[8] 程 琳，徐 波.基于云RBF神经网络模型的大坝监测数据预报[J].水电能源科学,2012,28(6):64-67. Cheng Lin，Xu Bo.Dam monitoring data forecast based on cloud-RBF model[J].Water Resources and Power，2012,28(6):64-67.

[9] 国家安全生产监督管理总局.AQ 2030—2010 新尾矿库安全监测技术规程[S].北京：国家安全生产监督管理总局,2011. State Administration of Work Safety.AQ 2030-2010 New Safety Monitoring Technical Regulations for the Tailing Pond[S].Beijing：State Administration of Work Safety，2011.

[10] Kacimov A R，Obnosov Y V，Perret J.Phreatic surface flow from a near-reservoir saturated tongue[J].Journal of Hydrology，2004，296:271-281.

(责任编辑 徐志宏)

·信 息·

湖北工程机械企业积极掘金拉美富矿

据相关报道，当地时间2013年11月22日下午，湖北“走进拉美”经贸团来到第二站——秘鲁首都利马。到访之前，大多数湖北企业对秘鲁了解不多，看到其充满活力的市场环境之后，代表团众多企业家连呼“没想到”。“回国后要做的第一件事就是招聘懂葡萄牙语和西班牙语的外贸人员。”这是湖北一家企业的负责人考察了秘鲁之后，最直接的感受。

鄂地(秘)矿业有限公司是湖北省地矿局下属的全资子公司，该公司董事长胡中岳说，秘鲁对矿产开发是“放水养鱼”，不一定要一次性全额买断，可以先申请矿权，按每年每公顷3美元的价格交矿产维护费，待开矿产生效益以后再依法纳税。该公司在秘鲁拿下了31个矿权，其中有一个矿的铜、金储量预计在50万t以上，一旦开采，将获得丰厚回报。

下游钢市低迷 铁矿石期货创上市以来新低

受下游钢市低迷不振影响，需求减弱让近期铁矿石期货市场呈现“跌跌不休”的态势。昨日，期货盘面上，铁矿石期货更是破位下跌，截至收盘1405合约跌1.65%，创上市以来新低。

与此同时，港口铁矿石库存却一直在“节节攀升”。截至本月20日，国内41港铁单周矿石库存总量增加122万t至8 857万t，在11月中旬突破8 000万t大关之后，铁矿石库存已经是年内次新高的水平。业内看来，铁矿石期货价格持续走低，库存连续攀升，说明市场上采购铁矿石热情降低，市场对铁矿石需求预期看空。

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

山东省高等学校科技计划项目(编号：J10LG22)、山东省自然科学基金项目(编号：ZR2013FM005)。

黄湘俊(1988—)，男，硕士研究生。通讯作者：许同乐(1965—)，男，教授，博士。

TD76

A

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