基于无线网络的堆石坝尾矿库在线监测系统
2019-05-08余亮
余亮
(江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌 330038)
尾矿库在线监测系统[1]的建设工程量主要集中在各类通信线路敷设上。尤其对于尾矿库远端，例如副坝、拦洪坝或排水井等距离监测站房较远，通常需要架设通信杆路，采用光纤作为传输介质，上传远端的监测监控数据。这种方式虽然可以保证数据传输稳定性和可靠性，但是增加了架空线路的建设费用和增长了工程建设周期。
由堆石料堆筑构建的尾矿坝(以下简称“堆石坝”)表面不会生长杂草和灌木，且尾矿库水面较为开阔，无遮挡。这些自然条件可保证无线传输数据的稳定性和可靠性。基于此，本文以四川某堆石坝尾矿库为例，介绍一种基于无线网络的堆石坝尾矿库在线监测系统。
1 尾矿库基础资料及在线监测系统要求
该尾矿库总库容2 275×104m3，属于二等库，包含尾矿主坝和拦洪坝两处坝体，以及3座排水井和监测站房。尾矿坝分三期建成，一期和二期均采用当地材料堆石料堆筑，坝型为透水堆石坝，尾矿主坝总坝高136 m。为防止尾矿坝渗水对下游的影响，在二期坝下游设置浆砌石截渗坝；在尾矿库的上游位置设置拦洪坝，将上游洪水拦截后直接接入排洪隧洞。排水井共设置3座，3号排水井直接接主排洪隧洞，1号、2号排水井通过支洞与主排洪隧洞相联。监测站房设置在尾矿主坝附近地质稳定的山坡上。
根据相关规范要求，在尾矿库主坝设置浸润线、表面位移、内部位移、干滩长度、渗流量等监测和视频监控等子系统；在拦洪坝设置浸润线、表面位移、内部位移等监测和视频监控等子系统；在排水井设置库水位监测和视频监控等子系统；在监测站房设置表面位移、降雨量等监测子系统和视频监控系统[2]。各处需设置子系统如图1所示。
图1 各子系统设置示意
2 尾矿库在线监测各子系统
尾矿库在线监测各子系统前端设备由相关仪表和红外网络高清摄像机等组成，具体设备名称如表1所示。
表1 各子系统前端采集设备
为实现网络传输架构，前端尾矿库在线监测各子系统数据均需要转化为以太网方式进行传输，各子系统的构建分述如下：
1）坝体表面位移监测系统。系统选用GNSS接收机设备作为前端采集设备，输出数据为RS232格式，通过串口服务器（RS232转化为RJ45）将数据转化为TCP/IP格式，接入到系统网络传输平台。子系统拓扑结构如图2所示。
2）坝体内部位移监测系统。系统选用数字式测斜仪作为前端采集设备，输出信号为4～20 mA，通过4芯水工通讯电缆接入至内部位移数据采集仪，转化为RS485信号，再通过串口服务器（RS485转化为RJ45）将数据转化为TCP/IP格式，接入到系统网络传输平台。子系统拓扑结构如图3所示。
图2 表面位移监测系统拓扑图
图3 内部位移监测系统拓扑图
3）浸润线监测系统。系统选用振弦式渗压计作为前端采集设备，输出信号为4～20 mA，通过4芯水工通讯电缆接入至浸润线数据采集仪，转化为RS-485信号，再通过串口服务器（RS485转化为RJ45）将数据转化为TCP/IP格式，接入到系统网络传输平台。子系统拓扑结构如图4所示。
4）干滩长度、库水位监测、降雨量监测和渗流量监测等系统。各前端设备（表1）输出信号为RS485格式，通过串口服务器（RS485转化为RJ45）将数据转化为TCP/IP格式，接入到系统网络传输平台。子系统拓扑结构如图5所示。
图4 浸润线监测系统拓扑图
图5 其他监测系统拓扑图
5）视频监控系统。视频监控系统前端采用红外网络高清摄像机，数据输出直接为TCP/IP格式，就近接入网络交换机，即可接入到系统网络传输平台。
3 网络传输架构
为实现各子系统数据的传输，需为系统构建1套网络传输平台[3]。在每个现场区域（主坝、排水井和拦洪坝）处均设置1台网络交换机，用于汇聚所在区域在线监测各子系统TCP/IP格式的数据。排水井和拦洪坝通过无线网桥，将所在区域的在线监测各子系统数据汇聚到主坝处的网络交换机，最终以光缆为介质，连接至监测机房的核心交换机。在监测机房主要设置有服务器、在线监测管理工作站、视频管理工作站、网络硬盘录像机（配专用硬盘）和在线UPS等设备，用于管理、存储、控制和显示在线监测各子项数据[4]。网络传输架构如图6所示。
图6 网络传输架构
为保障无线网络传输的稳定性和可靠性，系统选用点对点型（PTP）定向式无线网桥，具体性能要求如表2所示。
表2 无线网桥主要性能要求
4 结束语
针对堆石坝尾矿库的特殊性，可建立一套基于无线网络的尾矿库在线监测系统：首先将在线监测各子系统前端设备采集到的各类输出格式数据 （包括 RS232、RS485、4～20 mA 模拟信号等）通过各类数据采集仪和串口服务器等设备转化为RJ45格式数据，汇聚到所在区域的TCP/IP局域网内，通过无线网络和有线网络最终上传至监测机房。这样可减少系统复杂的通信布线工程量和系统的建设周期，同时系统具有良好扩展性和兼容性。
