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DT尾礦庫安全監測系統
設 計 方 案
（共 21 頁）
北京數泰科技有限公司
2009年9月
目錄
隨著現代高科技的發展，尾礦庫的日常監測管理也面臨著更新換代。在我國，尾礦庫數量多、分布廣，大部分尾礦庫的管理是采用人工觀測，不僅觀測精度受人員的經驗及天氣等自然因素的限制，不能進行全日實時的預警，存在安全隱患，同時，資料數據的整理分析往往會滯后于生產運行，影響了安全生產。
具有信息化、實時化、網絡化特點的尾礦庫自動化監測系統的出現完全可以解決這些問題，投入使用自動化監測系統，可以及時直觀的掌握壩體的實際動態，進行安全評價、預警預報，為加固工程設計、管理及消除隱患提供依據，為尾礦壩的安全監測與管理決策提供有力支持，發揮工程效益，實現安全生產。
我公司開發的DT尾礦庫安全自動化監測系統，具有精度高、性能穩定、可靠性高等特點，完全滿足尾礦庫實時的安全監測需求。
通過對尾礦庫進行自動化的安全監測，分析壩體的結構健康狀態，及時發現不正常現象并提出警示，評估結構的可靠性，為尾礦庫的管理與維護等提供數據依據。
對于尾礦庫，最基本的監測項目有：
1) 壩體浸潤線監測
2) 壩體內部變形監測
3）庫水位監測
4）降雨量監測
根據實際情況，還可以增加其他監測項目。例如：土壤含水量監測、尾礦庫附近山體表面位移等。
4 DT尾礦庫安全監測系統功能
由于尾礦庫空間結構層次較多、野外環境復雜，想獲得反映整個尾礦庫安全狀態的參數，必須在各個重要測點安裝很多測試傳感器，數據采集系統不僅具有一定遠距離數據采集和傳輸能力，還要有適于野外長期監測的各種功能。硬件及軟件系統需采用模塊化、開放式結構設計，系統設計力求較高的穩定性、可靠性、靈活性、可操作性和可擴展性。
我公司按以上基本要求制定了尾礦庫安全監測系統的設計方針，為尾礦庫安全監測提供最優惠的解決方案，從測量傳感器到監測中心軟件，力求整個監測系統性能穩定、可靠性高，測試精度滿足要求，可以長時間不間斷地對目標參數進行監測。
1）可根據客戶提供的監測模型，確定監測參量，配備尾礦庫安全監測所需的各種測試傳感器，確定采集通道及擴展通道。
2)配備遠程監測單元（MCU）系統機箱、電纜及接口裝置以符合實際監測環境，系統具有電源保護裝置、避雷裝置等硬件設備，把信號受干擾程度降至最低，盡量減少系統的安裝誤差。
3）數據傳輸可采用有線和無線兩種方式與監測中心通訊。對于有線方式，可采用一般電纜通訊或光纖通訊，可實現串口通訊、網絡通訊或其他有線通訊方式。對于無線方式，可實現GPRS或CDMA網絡通訊的數據傳輸，數據采用全透明方式，最大支持五個數據中心，同時具有手機短信報警管理系統，簡捷得知設備運行狀況，完成遠程控制的需要。
4）保障DT尾礦庫安全監測系統各個儀器設備的正常運行，滿足今后系統在硬件節點的增加等要求。
1）可實時監測尾礦庫的各測點測量參數，數據以數字或曲線圖形式實時顯示、記錄和打印，可根據需要設定測點數據，對原始數據不僅可進行濾波、計算等處理。
2）監測數據能夠以多種數據庫形式保存并可進行歷史數據查詢，還可以直接生成EXCEL或其他形式報表。
3）操作界面清晰直觀，工具條與按鈕操作。顯示界面可分為主界面和各子界面，各界面間切換靈活。界面圖案可按客戶要求繪制改動。
4）數據的圖形方式顯示，包括時間歷程曲線圖、X/Y坐標圖、模擬圖、直方圖等形式。
5）具有數據越限報警功能，現場即時上傳報警信息時，主機會出現明顯的報警畫面和報警信息，同時還可提供各種聲光報警等多媒體提示。
6）能對系統中的每一用戶進行口令和操作權限的管理，能對不同的用戶分配不同的系統訪問、操作權限級別，保障運行系統的安全性。
7）實現對系統信息打印的管理功能，支持對圖形、報表、曲線、報警信息、各種統計計算結果等的打印。
8）在線編輯、維護、修改、擴展功能。系統軟件滿足開放性標準的要求，并滿足數據庫容量的擴充、系統軟件功能的增強等方面的要求。
DT尾礦庫安全監測系統主要由現場信號傳感器、遠程監測單元、監測中心數據處理與分析三部分構成。技術構架圖如下所示：
現場信號傳感器按監測項目參數的性質主要有以下四部分：
1) 壩體浸潤線測量傳感器，可采用滲壓計。
2) 壩體內部變形測量傳感器，可采用固定式測斜儀。
3) 庫水位測量傳感器， 可采用適于水位量程的水位計。
4) 降水量測量傳感器，可采用雨量計。
5) 地表位移測量傳感器，可采用位移計。
6) 含水量測量傳感器，可采用含水計。
以下介紹了一些典型被應用在尾礦庫安全監測系統中的性能可靠的傳感器，在實際應用中還可根據實際的環境、范圍以及使用成本選用適合的儀器。
對于壩體浸潤線的監測，一般選擇尾礦庫壩上最大斷面或者一旦發生事故將對下游造成重大危害的斷面為監測剖面。大型尾礦庫在一些薄壩段也應設有監測剖面。每個監測剖面應設置5個以上的監測點，并應根據設計資料中壩體下游坡處的孔隙水壓力變化梯度靈活選擇監測點。
PW型滲壓計是一個振動膜壓力傳感器，傳感元件是把柔軟的壓力膜焊接在堅固的圓柱體空腔上而組成的，除振弦外的所有部分都是由高強不銹鋼組成，高強度的振動弦一端夾在膜的中間，其另一端夾在空腔的另一端，在制造過程中振弦預緊到一定的張力狀態然后密封確保壽命和穩定。
傳感器安裝有防水保護：防水接頭、陶瓷、帶O型線圈的防水頭見下圖。
使用過程中，壓力導致膜的變形而使弦的張緊度和共振頻率改變，采用滲壓計的壓力計算公式便可以計算壓力。PWL型滲壓計直徑較小，可以安裝在土體和混凝土中或者安裝在鉆孔中，甚至直徑小到38mm的管內。
滲壓計內有壓力傳感器和溫度電阻（下圖），其一端裝有高通或低通過濾器，另一端是電纜接口，用環氧密封。所有部件都由不銹鋼制造而成。
滲壓計的過濾器用O型線圈密封，由于有過濾器的隔離作用，壓力膜可以免遭外界微小顆粒的破壞，傳感器就僅僅可以測量到液體的壓力。在需要率定和浸潤飽和時過濾器可以很容易卸開，當作為壓力傳感器使用時，可以用管螺紋接頭代替過濾器。
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技術規格 |
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測量范圍 |
0.1~70Mpa 或15~10000psi |
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分辨率 |
0.01ms或0.1L.U. (MB-6TL)
0.1Hz.(PALMETO VW)
0.1℃ |
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精度 |
± 0.1%F.S.(±0.5%和± 0.25%選項) |
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溫度飄移 |
± 0.1%F.S./°C |
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最大超載 |
兩倍量程范圍 |
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型號 |
PWS PWP PWC PWF |
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外殼 |
袖珍型 推進式 EW螺紋 螺紋式 厚壁式 |
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材料 |
不銹鋼 |
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外徑(mm) |
19 33 19 28 |
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長度(mm) |
200 260 213 225 |
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透水石 |
50微米低氣壓燒結的不銹鋼式
16微米高氣壓的陶瓷式 |
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測量范圍 |
-40~65°C |
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精度 |
± 0.5%F.S. |
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熱感應電阻熱常量 |
1分/°C（2分/°F） |
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電纜 |
標準 |
雙絞線22AWG，IRC-41屏蔽式 |
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備選 |
雙絞屏蔽線，中心有合成纖維（2PK-13或2PK-15） |
浸潤線監測儀器埋設位置的選擇，應根據《尾礦庫安全技術規程》（AQ2006－2005）中規定的計算工況所得到的壩體浸潤線位置來埋設。
對于壩體內部變形，一般在最大壩高處、地基地形地質變化較大處均布置監測剖面。每個剖面上根據壩的高矮，在壩坡表面從上到下均勻設置4～6個監測點。最下面一個點應設置在壩腳外5～10m范圍內的地面上，以用于監測尾礦壩發生整體滑動的可能性。
可選用美國AGI公司的906 little dipper雙軸固定測斜儀來測量壩體內部變形。
906 little dipper雙軸固定測斜儀由一個玻璃瓶和裝入瓶內的5個內置電極組成，當傳感器傾斜時，電極的浸入深度不同，電極之間的直流電阻就不同，因而四個象限的電極就可以測量平面X和Y方向的傾斜。輸出信號為直流電壓，并且和傾斜量及溫度成正比。固定測斜儀可以多個串接安裝，固定測斜儀的導向片可以用于保證傳感器在管內的安裝方向，通常安裝在孔深小于45米的淺孔內監測結構位移。
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主要技術參數 |
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軸數 |
2 |
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分辨率 |
20弧秒 (0.01mm/m) |
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角量程 |
±12.5° |
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響應時間 |
0.15秒 |
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工作溫度 |
-10°~+50° |
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輸出電壓 |
±2.5 V DC or 0-5 V DC |
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比例因子 |
大約4°/V |
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溫度傳感器 |
輸出為0.1℃/mV，0mV=0℃精度：±0.75℃ |
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輸出電阻 |
270 ohms，短路保護 |
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電源要求 |
8 ~ 24 VDC/7mA，最大紋波Vp-p=250mV，電壓極性反轉保護 |
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外部連接 |
多芯鍍錫銅線電纜 |
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尺寸及重量 |
33mm×208mm，最大規格長3米 |
現場安裝示意圖及906 little dipper雙軸固定測斜儀圖片如下：
對于庫水位的測量，一般在庫內排水構筑物上放置合適量程水位計。庫內排水構筑物一般位于尾礦庫內，排水構筑物周邊為尾礦澄清水，因此需要在監測系統布置前，針對特定尾礦庫的實際情況選擇放置。
可選用國產STLP投入式水位計，該產品采用美國原裝高精度擴散硅不銹鋼隔離膜傳感器及專用轉換電路，吸收引進國外先進的生產工藝和設備，確保產品能夠長期穩定可靠地在水中及其它液體介質中使用。
主要特點:
產品精度高，長期穩定性好，測量范圍寬，可靠性強；業界領先的激光全焊接結構，無O形圈密封結構，確保產品長期使用無滲漏；全固定結構，抗沖擊震動；防射頻，防雷擊設計；過電壓，反極性，限流等多重保護。
技術指標:
測量范圍: 0～10 mH2O
供電電源: 12V DC
工作溫度: -40～80℃
精度：0.5%
對于尾礦庫，降雨量是影響其安全的最重要的環境因素，一般應在排水井處設置一個監測點，放置雨量計。可選用國產SL2-1型翻斗式雨量計。
該翻斗式雨量計由集水器、翻斗、調節螺釘、干簧管等構成。在測量過程中，隨著翻斗間歇翻倒動作，帶動開關，發出一個個脈沖信號，將非電量轉換成電量輸出。
SL2-1 型雨量傳感器用來測量地面降雨,雨水通過一個表面積為200cm2 的接收器,再通過一個過濾斗流人翻斗里，當翻斗流入一定量的雨水后，翻斗翻轉，倒空斗里的水，翻斗的另一邊又開始接水，翻斗的每次翻轉動作通過干簧管轉換成脈沖信號(1 脈沖=0.1mm 降雨量)傳輸到采集系統。
主要技術指標：
承水口直徑： Ф200mm(200cm2)
分辨力： 0.1mm
測量范圍： 0-4mm/min
測量不確定度： ±0.4mm(≤10mm)±4%(>10mm)
環境溫度： 0-60℃
重量： 3.1kg
在尾礦庫地表的邊坡、山體的安全監測，也常常視為安全監測的重要項目。通過監測其發生的地表位移可以判斷其安全性。在尾礦庫的安裝地表位移測量儀器，安裝位置的示意圖如下：
可采用臺灣WEP50型拉線位移傳感器，該位移傳感器的主要特點是輸出靈敏度高、線性好、體積小、自重輕、溫度漂移小、抗濕度性能強，安裝使用方便。傳感器在地下安裝將有外保護裝置。
它的主要技術指標如下：
型 號：WEP50-1000-A1
輸出信號：4-20mA
工作電壓：12-24V DC
工作溫度：-10 ~ +80°C
儲存溫度：-20 ~ +90°C
傳感元件：精密線繞導電塑料混合電位器
測量行程：1000 mm
防護等級：IP65
往復速度：0.5M/秒
精 度：0.15mm
對于尾礦庫，有時可通過測量尾礦庫各方向的土壤的含水量，判別影響其安全的因素，可在適當位置放置含水計。
推薦一種澳大利亞ICT公司生產的MP406型含水計，用來測量土壤的水分。其規格是長195mm，直徑40mm，通常有3個針頭，可以長期壓于或埋在土體中。
含水計的輸出信號是電壓值，對于特定的土質，標定后，含水計的精度可達2%的體積含水量。
技術參數：
范圍：0-100VSW%
精度：2VSW%
反應時間：小于0.5秒
材料：不銹鋼
遠程監測單元（DT MCU）系統主要由數據采集系統、電源系統、GPRS/CDMA無線數據傳輸終端、防雷器件、接線與通訊接口、防水工業機箱等組成。
各種傳感器信號按順序接入輸入信號模塊中，經由防雷板處理后，進入DT采集器中傳感器采集通道，采集的數據通過串口與GPRS/CDMA無線數據傳輸終端連接后，便可按TCP/IP協議遠程與數據存儲與處理系統進行通訊了。遠程監測單元的工作、結構示意圖如下。
遠程監測單元的工作、結構示意圖
采用澳大利亞dataTaker 公司生產的DT80G/DT85G型巖土智能可編程數據采集器及其擴展模塊CEM20,動態采集可使用DT800數據采集器。
DT80G/DT85G具有如下特點：支持振弦式及其它巖土型傳感器，獨立工作或使用強大的內置通訊選項組網，以各種期望的方式及地點訪問數據；支持U盤；堅固的設計與結構，提供了在極端的巖土環境應用下可靠的操作；低成本高效，DT80G具有5～15個模擬通道，DT85G具有16～48個模擬通道，通過與CEM20擴展模塊連接， DT80G可擴展到100個通道，DT85G可擴展到300個通道。實時瀏覽數據和存儲到高達五百萬個數據點。數據存儲和恢復可以通過U盤、FTP、手機，適合于SCADA的Modbus，以太網或網頁實現。
DT80G/85G可以連接到大部分的傳感器和數據測量設備，包括智能傳感器，SDI－12傳感器組成的網絡，GPS，PLC和其他智能設備。測量結果可以被比例縮放，存儲以及返回工程單位或者進行統計報表。所有通道都可以進行報警設置。支持Windows版軟件。
CEM20 是DT80g系列的通道擴展模塊，它具有緊湊小巧的尺寸，極低的能耗，可以低成本方式增加數據采集器通道，每個連接到數據采集器模擬通道的CEM20都可以擴展20個模擬通道。
DT80G、DT85G及CEM20圖片如下：
可提供兩種供電方式供實際選擇：1）利用現場供電，采用高精度線性11–24VDC開關電源，可為數據采集器和傳感器供電 2）采用外部15V太陽能板為系統供電。
采用dataTaker-GPRS/CDMA DTU無線數據傳輸終端。DTCL-GPRS/CDMA DTU可為用戶提供高速、永遠在線、透明數據傳輸的虛擬專用數據通信網絡，利用手機GPRS網絡或CDMA網絡平臺實現數據信息的透明傳輸。支持根據域名和IP地址訪問中心多種工作模式選擇，支持串口軟件升級和遠程維護，使用方便、靈活。
GPRS/CDMA可以利用現有GSM/CDMA網進行實時數據傳輸，實現無線上網，無線接入，提供真正的廣域無線數據網。GPRS/CDMA允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。GPRS/CDMA可以在高速運動時保證最低13.4KBPS的傳輸速度，峰值可以高達53.6KBPS，一般能夠穩定在23KBPS左右。特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、點多分散、中小流量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。
安裝在戶外的尾礦庫安全監測系統的關鍵部件均需經過防雷保護，采用專用電源防雷器對電源進行D級電涌防護，輸入信號接入保護等級為IP00的信號防雷板進行過壓保護。數據傳輸通過天饋防雷器后與發射天線聯接。系統與大地之間應用專用防雷接地線連接，確保整個系統不遭受雷擊和其它高電壓破壞。
采用適于野外應用的防水板金或不銹鋼機箱，做工精細。厚度為1.5mm或2mm供選擇，防護等級可達到IP55。機箱前面板可開合，使用堅固合頁，閉合緊密，安裝有野外用加密鎖。根據實際需要，機箱表面還可加裝吊環或掛耳等。機箱底面安裝有與電源、通訊及傳感器連通的防水PG接頭，便于與外部設備聯接。
機箱內板堅固，配有標準DIN導軌供儀器配置。數據采集器、電源、防雷器、數據傳輸單元被安裝于內板上，此外，內板上還裝有監測系統的接線端子、控制開關及其它固定件。
機箱樣機圖片如下：
遠程監測單元系統的容量可以根據實際監測目標的多少進行配置，系統內部數據采集器的選用與聯網方式也會有所不同。
如果尾礦庫的測量范圍大，監測點數多，或者還需對其加固效果或水文氣象等諸多參量進行監測，那么系統可按以下三種方式擴容：
1）直接在遠程監測單元MCU內部增加CEM20擴展模塊，也可采用內部RS485組網連接方式。
2）按監測單元位置或功能增加并劃分遠程監測單元RTU的數量，監測中心與各RTU單元用TCP/IP無線網絡、RS-485數據總線或光纖等形式組成分布式數據采集網絡，通過監測中心軟件進行數據管理。
采用具有奔騰4處理器或以上及Windows XP或以上操作系統的主機，主機安裝在具有網絡系統的場所內，通過互聯網對采集器傳送來的數據進行分析、處理，對各種測量參數進行實時監測和記錄。應用軟件采用Microsoft .NET Framework進行開發的DTsMonitor監測軟件（以下簡稱DTs）。
DTs監測軟件是信息管理及分析軟件，主要用于實時監測壩體參數并進行監測資料分析，具體包括單點或多點數據、瀏覽過程線及圖形繪制。
DT監測系統軟件安裝在具有良好開放性、可擴充性和高可靠性等技術性能指標的符合開放系統互聯標準的中文WINDOWS XP操作系統，構建于時下流行的.NET框架結構上。數據庫采用方便簡潔的ACCESS，也可定制使用其他的數據庫，如SQLSERVER或ORACLE。主機安裝在具有網絡系統的場所內，以便更迅捷的通過互聯網或手機網絡對采集器傳送來的數據進行分析、處理、監測、記錄或導出。監控中心還可按需配置打印機、服務器等相關設備。在主機內安裝我公司研發的“DTs尾礦庫安全監測系統”軟件。軟件的界面功能示范圖如下：
1） 進入監測系統界面
主界面可根據要求定制啟動界面圖像、軟件系統名稱和定制單位名稱。
用戶通過菜單欄和快捷鍵對整個系統操作，系統擁有工程管理、設備連接、壩體浸潤線監測、壩體內部變形監測、庫水位監測、降雨量監測、數據顯示、數據報警、用戶管理和幫助等功能。
2） 工程管理
本功能主要針對易變的工程項目，采用“所見即所有”方式，不同的文件夾就是不同的已建立的工程項目，所有的數據、資料均放在相應文件夾內。
對于基本不變的的工程項目，在系統第一次調用后便可自動保存，并在下次系統的啟動中自動調用。
3） 設備連接
針對不同的DT RTU儀器硬件環境，可以采用串口RS232方式、以太網方式或無線網絡方式進行軟件系統與硬件的相應連接，通訊協議均為國際通用標準。在一次連接成功后，系統自動針對軟硬件自檢并保存設置，在下次重新打開本系統后不用按項重新設置。
4） 數據采集
針對不同的用戶操作級別，采用文本編程和點擊編程兩種方式將程序發送到硬件系統上。
文本編程，采用類C語言結構，幾行語句就能發送較為復雜的程序，對操作人員的編程能力要求較高。
點擊編程，使用簡單但相對文本編程繁瑣，通過鼠標按照通道號點擊相應配置進行編程，這種操作方式比較容易掌握。
5） 數據顯示
對采集回來的數據，本系統采用數據文本報表顯示和曲線等方式來呈現給軟件操作者，也可通過系統提供的功能，將所需要數據導出到EXCEL或PDF中，供用戶分析和保存數據。
文本顯示采用表格方式，將所有返回數據顯示在同一張或不同張的表格上，同時可定義報警值。一旦產生報警，系統通過顏色的交替、發出系統報警聲或發送短信給相關人員報警，客戶可自定。也可針對不同的時間段，顯示實時或歷史報表，本系統報表擬采用水晶報表。
時間歷程曲線，能簡單明了的觀察到數據在標定時間內的變化。針對不同的數據返回點，曲線可以定義不同的圖形（星、點、叉等）和不同的顏色來加以區分，并且可以按不同的時間段來描畫出歷史曲線來。
6) 壩體內部變形監測
將傳感器采回的數值，實時顯示在模擬面板，可以形成孔內各測點的變形曲線。
7) 降雨量監測
軟件采用雨量計模擬面板形象的描述當前雨量狀況，實時顯示當前累計雨量，上次累計雨量，檔次降雨量，可以設置上次累計雨量。
8）管理權限界面
提供【操作工級】、【班長級】、【工程師級】、【管理員級】4級管理權限，權限名稱用戶可自定。針對不同的權限，可查看整個系統的不同部分和進行不同的操作。
6 DT尾礦庫安全監測系統的先進性分析
1） 系統的質量和穩定性
本公司制造的遠程監測單元（DT MCU）已取得ISO9001:2000的標準認證，并已被成功應用于國家體育館等重大科研項目。核心部件的DT數據采集器通過國際CE認證，早已在很多巖土工程監測項目中成功應用過。測試傳感器采用國內外知名企業生產的產品，精度高且性能可靠。
系統的工作溫度范圍寬（最高可從-45℃到70℃），使用壽命長，在惡劣的野外環境下具有很高的穩定性。
2）系統的兼容性
DT-MCU系統具有高通用性和兼容性，適合接入電壓型、電流型、電阻型、熱電偶、脈沖型、振弦式、卡爾遜式、數字信號等多類型傳感器，還可實現MODBUS總線兼容技術。
3) 系統抗干擾性能
遠程監測單元通過自身的隔離裝置解決了傳感器和采集系統的接地回路問題，并被設計成抗噪音。在解決接地回路和抗噪音方面達到世界領先水平。這些性能確保了在惡劣環境下采集信號的精確度。
4) 先進的遠程通訊
應用GPRS/CDMA無線通訊技術來實現野外監測數據自動采集從而達到真正意義上的遠程監控，通過TCP/IP網絡確保了通訊數據的可靠性和實時性，這項技術體現了當今先進的遠程通訊技術在巖土工程監測上的應用。
5）強大的軟件功能
采用先進軟件開發，功能強大、靈活方便、界面美觀，不僅可完全實現尾礦庫安全監測的功能要求，還可根據實際需要進行軟件升級,符合今后的發展方向。
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