尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究

余樂文，戰(zhàn) 凱，張 達(dá)

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083； 3.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628)

尾礦庫是礦山安全生產(chǎn)的重要設(shè)施，也是礦山重大危險(xiǎn)源之一[1-3]。我國尾礦庫數(shù)量多、險(xiǎn)病危庫多、安全風(fēng)險(xiǎn)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(yù)警能力，無法有效指導(dǎo)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(shí)時性差、準(zhǔn)確率低，是尾礦庫災(zāi)害應(yīng)急處置的重大隱患[7-8]。本文重點(diǎn)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(diǎn)定位，可以實(shí)時監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、供電狀態(tài)、通信狀態(tài)，對故障點(diǎn)進(jìn)行定位，反饋故障點(diǎn)故障信息，遠(yuǎn)程對故障進(jìn)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(yīng)急電源主要應(yīng)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(dāng)外部供電電源中斷時，為監(jiān)測基站設(shè)備提供不間斷供電電源。EPS應(yīng)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(yīng)急電源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)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(biāo)準(zhǔn)通訊接口實(shí)時將供電狀態(tài)傳輸至上位機(jī)，通過串口服務(wù)器的IP地址對EPS電源進(jìn)行位置定位，通過遠(yuǎn)程聯(lián)動控制信號實(shí)現(xiàn)EPS系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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

2)風(fēng)光互補(bǔ)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(diǎn)往往地處偏遠(yuǎn)，供電困難，環(huán)境惡劣。為了保障監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定獲取，野外的監(jiān)測點(diǎn)配備冗余的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，保障系統(tǒng)在極端氣象條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示，用風(fēng)光互補(bǔ)控制器對供電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時控制，接收太陽能電池板、蓄電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)信號，將風(fēng)能、太陽能轉(zhuǎn)換為電能。通過串行標(biāo)準(zhǔn)通訊接口實(shí)時將供電狀態(tài)傳輸至上位機(jī)，通過串口服務(wù)器的IP地址對風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)進(jìn)行位置定位，通過遠(yuǎn)程聯(lián)動控制信號實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)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(fēng)光互補(bǔ)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(dāng)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(luò)，形成遠(yuǎn)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(diǎn)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(dāng)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(diǎn)設(shè)備運(yùn)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(jī)終端、計(jì)算機(jī)終端了解監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，通過Web網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。若監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)險(xiǎn)情時，先通過控制終端遠(yuǎn)程控制停止泄洪或尾砂輸送，同時，GSM網(wǎng)絡(luò)向企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、安全管理部門發(fā)送報(bào)警短信，加快險(xiǎn)情處置進(jìn)展。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

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

3 現(xiàn)場應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)備、數(shù)據(jù)前端轉(zhuǎn)換設(shè)備、分布式供電設(shè)備、無線有線通信設(shè)備和數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備等，可實(shí)時采集監(jiān)測設(shè)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(shè)備出現(xiàn)故障，礦山調(diào)度中心會及時出現(xiàn)預(yù)警，及時對設(shè)備故障進(jìn)行診斷和維護(hù)。故障診斷技術(shù)保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，長期應(yīng)用效果表明故障診斷技術(shù)與裝置達(dá)到了預(yù)期效果，為尾礦庫的安全運(yùn)行提供了可靠的運(yùn)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(diǎn)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、供電狀態(tài)、通信狀態(tài)等信息，對故障進(jìn)行在線診斷及定位。試驗(yàn)效果表明故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化故障診斷與處理功能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和健壯性。