尾矿库在线监测系统故障诊断技术研究

余乐文，战 凯，张 达

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.北京科技大学 机械工程学院，北京 100083； 3.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102628)

尾矿库是矿山安全生产的重要设施，也是矿山重大危险源之一[1-3]。我国尾矿库数量多、险病危库多、安全风险大，目前，我国三等以上尾矿库已基本建成安全在线监测系统，然而，这些系统总体技术水平低、方案针对性不足、产品技术不完善、缺乏有效的分析预警能力，无法有效指导矿山安全生产[4-6]。

现有的尾矿库在线监测系统，故障率高、可靠性差，主要通过人工巡检、判断来发现故障，故障诊断的实时性差、准确率低，是尾矿库灾害应急处置的重大隐患[7-8]。本文重点开展尾矿库在线监测系统故障诊断技术研究，建立供电系统故障诊断及故障点定位，可以实时监控设备运行状态、供电状态、通信状态，对故障点进行定位，反馈故障点故障信息，远程对故障进行诊断和处理，提高监测系统稳定性和健壮性。

1 监测系统故障诊断技术

1)EPS供电故障诊断技术

EPS应急电源主要应用坝体位移、浸润线、库水位、干滩长度、降雨量、渗流量和视频等监测基站辅助供电，当外部供电电源中断时，为监测基站设备提供不间断供电电源。EPS应急电源采用单体逆变技术，包括切换控制器、蓄电池组、逆变器、分路检测器和中央控制器等部分。EPS电源电路原理图如图1所示，中央控制器对EPS应急电源系统进行实时控制，接收电池检测、分路检测器信号，对切换控制器发出控制信号。通过串行标准通讯接口实时将供电状态传输至上位机，通过串口服务器的IP地址对EPS电源进行位置定位，通过远程联动控制信号实现EPS系统的远程监控。

图1 EPS电源原理图Fig.1 EPS power supply schematic

2)风光互补供电系统故障诊断技术

在尾矿库在线监测系统中，野外的关键监控点往往地处偏远，供电困难，环境恶劣。为了保障监测点数据稳定获取，野外的监测点配备冗余的风光互补供电系统，保障系统在极端气象条件下的稳定运行。风光互补供电系统电路原理图如图2所示，用风光互补控制器对供电系统进行实时控制，接收太阳能电池板、蓄电池、风力发电机信号，将风能、太阳能转换为电能。通过串行标准通讯接口实时将供电状态传输至上位机，通过串口服务器的IP地址对风光互补供电系统进行位置定位，通过远程联动控制信号实现供电系统的远程监控。

图2 风光互补供电系统原理图Fig.2 Schematic diagram of wind-solar complementary power supply system

3)分布式供电装置故障诊断技术

分布式供电装置为自主研发的专用于泛在信息采集仪中的一种野外极端环境下的临时供电装置，主要在外部供电断电(工业供电、EPS供电、风光互补供电等)的情况下使用。其基本原理是：在外部供电正常情况下，供电系统正常供电，并为电池充电；当外部供电中断时，及时切换到电池供电，保证采集系统正常供电。其核心是系统控制器，其中集成供电控制、充电控制、状态监测、状态数据输出等功能，可将状态信息接入网络，形成远程监控及定位功能。

图3 分布式智能供电系统原理图Fig.3 Schematic diagram of distributed intelligent power supply system

2 系统故障信息处理技术

各种监控信息分类存储在故障信息数据库，通过端口数据流量的异常信息激发，并确定故障位置，通过故障位置查找故障点其他故障信息。信息层层分析确定故障原因和故障位置，图4为简易故障诊断流程。

图4 故障诊断流程Fig.4 Fault diagnosis process

当尾矿库遭遇极端气象条件时，及时掌握库水位、浸润线等监测点设备运行状态及监测数据至关重要，企业可通过手机终端、计算机终端了解监测系统运行状态，通过Web网络、GSM网络实现远程监控。若监测系统出现险情时，先通过控制终端远程控制停止泄洪或尾砂输送，同时，GSM网络向企业领导、安全管理部门发送报警短信，加快险情处置进展。远程控制系统总体设计结构图如图5所示。

图5 远程控制系统结构图Fig.5 Remote control system structure

3 现场应用

开发的故障诊断技术已在国内十多家矿山企业应用，如图6所示，尾矿库在线监测系统监测内容包括：坝体位移、浸润线、库水位、干滩长度、降雨量、渗流量和视频监控等。故障诊断技术应用于数据采集、数据处理传输层，包括泛在信息数据采集设备、数据前端转换设备、分布式供电设备、无线有线通信设备和数据综合处理设备等，可实时采集监测设备的数据、状态、供电信息、通信状态等，并传输至矿山调度中心；若设备出现故障，矿山调度中心会及时出现预警，及时对设备故障进行诊断和维护。故障诊断技术保障系统运行的稳定性和安全性，长期应用效果表明故障诊断技术与装置达到了预期效果，为尾矿库的安全运行提供了可靠的运行保障。

图6 尾矿库在线监测系统架构示意图Fig.6 System structure of online monitoring system of tailings pond

4 结论

针对现有的尾矿库在线监测系统故障发现的不确定性和滞后性问题，研究了尾矿库在线监测系统故障诊断技术与系统，攻克了系统故障诊断及故障点定位技术，实现了实时监控设备运行状态、供电状态、通信状态等信息，对故障进行在线诊断及定位。试验效果表明故障诊断系统实现了网络化故障诊断与处理功能，提高系统稳定性和健壮性。