程勝祥，帥永建，何領(lǐng)軍

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設(shè)計院，四川成都 611730)

1 工程概況

蘇丹麥洛維大壩工程位于距麥洛維市約27 km的尼羅河中下游地區(qū)。以發(fā)電為主，兼顧灌溉和防洪，最大壩高65 m，大壩總長9.7 km，總裝機容量125 MW。

麥洛維大壩集合了眾多壩型，其大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)安裝埋設(shè)了種類和數(shù)量眾多的監(jiān)測儀器，覆蓋了大壩各個重要部位。麥洛維大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)主要由自動化監(jiān)測系統(tǒng)、地震儀系統(tǒng)、分布式光纖滲漏探測系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)統(tǒng)一管理，獨立運行，互不干擾。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成及監(jiān)測儀器種類和數(shù)量見圖1。

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，自動化監(jiān)測系統(tǒng)包括了除地震儀和滲漏探測光纖外所有自動測讀與手工設(shè)備，種類繁多，數(shù)據(jù)格式多樣。目前整個大壩(不含臨時建筑物)監(jiān)測測點總數(shù)為3 042個，其中接入自動化儀器750支(套)，測點數(shù)1 362個，手工觀測儀器1 176支(套)，測點數(shù)1 681個。

麥洛維水電站自動化監(jiān)測系統(tǒng)按照部位可分為:2A、2B、2C三個子系統(tǒng)。按照功能級別可分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)以及GPS自動授時等四部分。系統(tǒng)按測點、測站、監(jiān)測中心3級設(shè)置，監(jiān)測中心設(shè)于2B混凝土壩中控樓3樓。

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖1 麥洛維水電站大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照相關(guān)設(shè)置，把分布在建筑物的各類監(jiān)測傳感器標準和非標準的電信號準確地采集、傳輸?shù)街付ǖ拇鎯υO(shè)備上，并按照一定的格式儲存。主要具有兩個功能:采集模塊對現(xiàn)場傳感器的模擬或數(shù)字信號進行采集、轉(zhuǎn)換和存儲;對外部指令進行分析，并根據(jù)相應指令動作，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的輸入輸出。

通過對眾多國際廠商產(chǎn)品進行考察，麥洛維工程選用了德國Gloetzl公司產(chǎn)品。

2.1.1 測站硬件

選用德國Gloetzl公司MDL41及MFM71兩款讀數(shù)儀。MDL41讀數(shù)儀最多可接入20～200個測點不等(根據(jù)用戶實際需要)，可用于土石壩觀測儀器較少的部位。主要由記錄儀、集線器(集成的MUX)、光纖信號轉(zhuǎn)換器、斷路器、直流轉(zhuǎn)換器、電池等組成。MFM71是在MDL41基礎(chǔ)上發(fā)展起來的大容量讀數(shù)儀，最多可接入300個測點以上，可用于混凝土壩觀測儀器集中的部位。主要由記錄儀、控制單元集線器、斷路器、直流轉(zhuǎn)換器、電池等組成。

此兩款讀數(shù)儀具有以下特點:

(1)采集數(shù)據(jù)類型多樣、兼容性好和寬量程。

麥洛維大壩監(jiān)測儀器集合了世界上幾個著名監(jiān)測儀器生產(chǎn)廠家的主流產(chǎn)品，具有強大的數(shù)據(jù)采集功能、很好的數(shù)據(jù)兼容性能和很寬的量程。

MDL41和MFM71兩款讀數(shù)儀可測量的儀器種類有:差阻式、電阻式儀器、振弦式儀器、電解質(zhì)式儀器等絕大部分種類的監(jiān)測儀器。

(2)數(shù)據(jù)真實可信。

通過多種儀器比對，讀數(shù)偏差極其微小。振弦式儀器測量精度誤差≤0.005%F.S，其他類型儀器≤0.05%F.S。同時，用戶可根據(jù)每個測點配置參數(shù)，對初始觀測數(shù)據(jù)進行取舍計算，如用戶可選擇每次測量只觀測一次并取單次觀測數(shù)值，也可選擇多次測量后取平均值，或者多次測量后取最優(yōu)幾個數(shù)據(jù)平均值等，可以極大的提高觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。

(3)測控單元先進。

讀數(shù)儀采用模塊化設(shè)計，測控單元靈活，擴展能力強，讀數(shù)儀測量速度快，單個讀數(shù)儀存儲容量達20 000個數(shù)據(jù)及1 000個讀數(shù)儀狀態(tài)信息。用戶可根據(jù)需求增加或減少測控單元的數(shù)目，從而為用戶早期實施自動化或后期系統(tǒng)的擴展提供了極大的方便。每個測控單元預留RS232(RS485)直接通訊接口，充分保證了現(xiàn)場的調(diào)試和通訊方便。預留的RS485接口可以很方便的將各個讀數(shù)儀組成RS485網(wǎng)絡(luò)。在通訊距離較長的情況下，讀數(shù)儀內(nèi)部還可加裝RS485-光信號轉(zhuǎn)換器，組成光纖網(wǎng)絡(luò)通訊。

測控單元的測量速度快，單個測控單元(20個測點)的一個測量周期不多于10 s;并且讀數(shù)儀存儲容量很大，單個記錄儀可存儲多達20 000個數(shù)據(jù)。因此，在較高測量頻率下，測量數(shù)據(jù)可長時間不溢出。

記錄儀硬件自帶的記憶體可存儲用戶計劃和配置且采集系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)采集單元相互獨立工作，既使在系統(tǒng)通信出現(xiàn)故障或監(jiān)測中心出現(xiàn)問題后，仍然能夠自動執(zhí)行故障前用戶配置的測量計劃，從而保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)。

每個測點都可以通過軟件編程配置設(shè)置其參數(shù)，具體有:測點命名(現(xiàn)場儀器編號)、儀器類型、供電類型、計算參數(shù)(轉(zhuǎn)化測量值到實際物理值)、設(shè)置報警值(上限、下限)，設(shè)置其測量頻率(定時功能，頻率設(shè)置從1 min到365 d/每次)。

(4)防 雷。

每個讀數(shù)儀機箱采用16 mm2銅線與大壩接地網(wǎng)連接，可保證防雷要求。

(5)防潮及防浸水。

麥洛維大壩屬平原水庫，面積巨大，水深較淺，在旱季強烈的沙漠季風作用下，土石壩庫區(qū)風浪翻越防浪墻，通過防浪墻后的沙石填料和穿線管道滲入儀器測坑。安裝在基礎(chǔ)灌漿廊道和排水廊道中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處于極其潮濕的環(huán)境中，以上工程環(huán)境要求應用于麥洛維大壩的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須具有防潮、防浸水特性。因此，讀數(shù)儀采用德國SEAL公司工業(yè)級防水機箱，電纜進機箱部位均采用電纜鎖防水，從而可以保證在潮濕的環(huán)境或短時間浸水的情況下讀數(shù)儀也能正常工作。

(6)耐高溫。

麥洛維工程處于撒哈拉熱帶沙漠之中，常年高溫干旱，最高地表溫度可達70℃。這個特點要求分布在土石壩體中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須具有耐高溫的能力。在耐高溫方面，麥洛維工程選用的讀數(shù)儀本身功率很小，每個讀數(shù)儀功率大約4W左右，發(fā)熱量很小。正常情況下，讀數(shù)儀可以在－20℃ ～70℃內(nèi)正常工作，經(jīng)工程現(xiàn)場測試，土石壩測坑內(nèi)長時間溫度達40℃，儀器工作正常。

(7)斷電保護及超壓保護休眠功能。

測站電源采用分布式電源，就近接入麥洛維工程永久供電系統(tǒng)，采用三級短路和超壓保護措施。系統(tǒng)自帶備用電池，通過24 V(MFM71讀數(shù)儀)/12 V(MDL41讀數(shù)儀)直流轉(zhuǎn)換器供電，并在讀數(shù)儀機箱內(nèi)部安裝熔斷器(菲利普23 VAC，6 A)，以達到在系統(tǒng)超壓或短路、斷路的情況下讀數(shù)儀能夠正常工作。

監(jiān)測控制中心電源采用服務器上的UPS系統(tǒng)集中供電，并通過UPS電源管理程序?qū)崟r監(jiān)測和控制。系統(tǒng)還具有休眠功能，能夠在系統(tǒng)空閑后自動進入休眠狀態(tài)，達到節(jié)電的目的。系統(tǒng)在斷電的情況下可持續(xù)工作一周以上(每天一次觀測頻率)。

2.1.2 監(jiān)測中心

監(jiān)測中心由系統(tǒng)服務器及軟件系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)服務器采用技術(shù)較為成熟先進的Windows2003服務器，反應迅速，穩(wěn)定可靠。軟件核心數(shù)據(jù)庫進行服務器鏡像備份，以及外部500 GB擴展硬盤備份，從而可以保證系統(tǒng)在故障的情況下迅速恢復到故障前狀態(tài)。

2.2 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)相關(guān)協(xié)議建立各設(shè)備之間的物理聯(lián)系并進行信息傳遞，主要包括數(shù)據(jù)采集裝置與傳感器之間、數(shù)據(jù)采集裝置與監(jiān)測站之間、監(jiān)測站與監(jiān)測管理中心之間。

麥洛維工程具有規(guī)模巨大、監(jiān)測儀器分散、儀器類型多、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸距離長等特點，為確保自動化系統(tǒng)的可靠和實用并綜合經(jīng)濟考慮，該工程安全監(jiān)測自動化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用分布式，即:數(shù)據(jù)分散采集、分散傳輸、集中管理。

測站選擇在監(jiān)測儀器相對集中、接近監(jiān)測中心、安全、干凈、易于維護的地方。

測站分布在監(jiān)測儀器附近，能獨立采集、存儲和傳輸數(shù)據(jù)，自身也帶RS232接口和RS485接口，可直接與計算機連接，任何其他測站或監(jiān)測中心發(fā)生故障均不會影響該測控單元的運行。

麥洛維工程自動化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復雜，但靈活實用，網(wǎng)絡(luò)通信模式多樣，通過讀數(shù)儀內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換器而無需調(diào)制解調(diào)器，最遠單線傳輸距離可達到3.4 km，網(wǎng)絡(luò)布線7.7 km，網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了遠距離傳輸實時監(jiān)控。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)

安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的主要功能是對所有觀測數(shù)據(jù)以及有關(guān)的設(shè)計文件、施工資料等進行科學有序的管理、整理整編與綜合分析，最終將分析成果、原始信息等以可視化的方式輸出，為實時掌握工程的運行狀況提供有效的參考依據(jù)。對目前所有納入自動化范圍的儀器，包括自動儀器觀測數(shù)據(jù)、人工測讀數(shù)據(jù)以及外觀測量數(shù)據(jù)，在安全監(jiān)測信息管理及綜合分析系統(tǒng)層面實現(xiàn)集中統(tǒng)一管理。安全監(jiān)測信息管理及分析評價系統(tǒng)用于對監(jiān)測資料的深入分析和對在線監(jiān)測疑點進行跟蹤，具備監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、整理整編、分析和報表制作上報、信息瀏覽發(fā)布等功能。

麥洛維工程選用德國Gloetzl公司自主研發(fā)的數(shù)據(jù)管理軟件。該軟件具有以下功能和特性:

(1)數(shù)據(jù)管理軟件采用樹形結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計，系統(tǒng)采用樹形結(jié)構(gòu)，符合人的思維習慣，軟件操作容易學習和掌握。該自動化軟件為量身定制的軟件，針對性強，所有軟件模塊和功能均按照工程的實際需求制定，信息容量大，清晰明了。

(2)軟件具有較強的可擴展性，軟件基于文本的指令語言簡單，兼容各種編程語言，同時可以方便地進行數(shù)據(jù)庫的交互，后期自動化軟件的二次開發(fā)用戶僅需更新軟件中的"updated"文件就可以實現(xiàn)軟件的升級和更新而不影響系統(tǒng)的運行，從而保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

2.4 GPS自動授時系統(tǒng)

為實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)時間參數(shù)的準確，以滿足遠程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能的同步要求，麥洛維工程自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)采用德國Gude公司GPS接收儀采集GPS信號，通過9針RS232 COM端口、USB接口連接至監(jiān)測中心服務器，同步計算機時間。標準時間為UTC時間，精度可達1 μs。當然，用戶可采用該型號GPS接收儀相應軟件將UTC時間轉(zhuǎn)換為當?shù)貢r間。

監(jiān)測中心通過GKSpro軟件同步系統(tǒng)內(nèi)所有測站時間參數(shù)，以達到系統(tǒng)在測量頻率和數(shù)據(jù)采集等過程中時間參數(shù)的準確性。

3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)的施工

根據(jù)麥洛維大壩蓄水計劃、機組發(fā)電及整體工程進度要求，該系統(tǒng)的建設(shè)分7個建設(shè)階段。

第1階段:2004年10月31日～2008年8月，分部位完成(2A左岸壩段，2B混凝土壩段，2C右岸面板堆石壩)所有內(nèi)部監(jiān)測儀器的安裝埋設(shè)。

第2階段:2008年9月進行了所有埋設(shè)儀器的檢查和校驗。

第3階段:2008年10月～2009年3月，完成自動化系統(tǒng)的設(shè)計，完成各混凝土壩電纜線牽引工作自動化安裝前的準備工作，并開始自動化軟件的編程設(shè)計工作。

第4階段:2009年4月，完成混凝土壩自動化系統(tǒng)的測站安裝并進行試運行。

第5階段:2009年8月，完成土石壩自動化系統(tǒng)的測站安裝并裝修監(jiān)測中心。

第6階段:2010年1月，鋪設(shè)各個測站的通訊電纜并連接各個測站，安裝監(jiān)測中心服務器和自動化管理軟件。對業(yè)主人員進行培訓并進行試運行。

第7階段:2010年4～6月，進行系統(tǒng)的最終驗收和移交。

4 結(jié)語

麥絡(luò)維水電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)工期長達6年。麥洛維水電站自動化監(jiān)測系統(tǒng)起步較早，從工程之初就開始全面規(guī)劃和設(shè)計，從而使得該自動化系統(tǒng)成為為麥洛維工程量身定制的系統(tǒng)。系統(tǒng)從硬件到軟件進行了長時間的運行和測試，并根據(jù)國際工程規(guī)范、蘇丹業(yè)主和德國拉美爾咨詢工程師的要求不斷地進行了改進和完善。在系統(tǒng)建設(shè)過程中，麥洛維大壩監(jiān)測項目充分吸收消化了國外自動化監(jiān)測系統(tǒng)的先進成果，為日后研發(fā)、設(shè)計、建設(shè)完整的大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)積累了寶貴的經(jīng)驗和技術(shù)。