黃會(huì)寶，文 豪，彭 勃

（1.國(guó)電大渡河流域水電開發(fā)有限公司庫(kù)壩管理中心，四川樂山，614900；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春，130061）

1 概述

1.1 工程概況

某水電站為大渡河干流規(guī)劃的第十八級(jí)電站，其上為瀑布溝水電站，為瀑布溝水庫(kù)的反調(diào)節(jié)電站，下為正在施工的枕頭壩電站，是一座以發(fā)電為主的樞紐工程。電站為Ⅱ等工程，主要水工建筑物及工程邊坡為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)。該工程由左岸泄洪閘、排污閘、右岸河床式發(fā)電廠房、右岸泄洪沖沙洞等建筑物組成，最大壩高106.00 m，壩頂長(zhǎng)222.50 m。水庫(kù)正常蓄水位為660.00 m，死水位655.00 m，總庫(kù)容3 200萬(wàn)m3，具有日調(diào)節(jié)能力。電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量為165 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量660 MW，多年平均年發(fā)電量32.35億kW·h。

該工程于2006年4月開工建設(shè)，2007年11月截流，2010年6月下閘蓄水，首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2012年10月通過工程竣工安全鑒定。

1.2 工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)施情況

根據(jù)該水電站工程所處地形、水文地質(zhì)條件、工程規(guī)模、地震設(shè)防烈度及其樞紐建筑物布置和運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)工程布設(shè)了可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變以及環(huán)境量、強(qiáng)震監(jiān)測(cè)等。其中變形監(jiān)測(cè)包括廠壩區(qū)變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)、壩頂及尾水平臺(tái)垂直位移、壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、倒垂線、雙金屬標(biāo)、多點(diǎn)位移計(jì)、裂縫計(jì)及基巖變位計(jì)等觀測(cè)項(xiàng)目；滲流監(jiān)測(cè)包括繞壩滲流、壩體排水量、壩基揚(yáng)壓力觀測(cè)項(xiàng)目；應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)包括鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索應(yīng)力計(jì)觀測(cè)項(xiàng)目。

在工程建設(shè)期，由武漢理工大學(xué)負(fù)責(zé)建設(shè)完成了該水電站工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱原系統(tǒng)），系統(tǒng)設(shè)l個(gè)監(jiān)測(cè)管理中心站和5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站，使用多臺(tái)RS-485光電轉(zhuǎn)換器并聯(lián)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

2 原系統(tǒng)存在問題及改造必要性

（1）原系統(tǒng)故障頻發(fā)，無(wú)法滿足水工管理要求。原系統(tǒng)建成后，因測(cè)量控制單元故障、電路板銹蝕、無(wú)防雷電設(shè)備、通訊光纜多處斷裂等問題，系統(tǒng)故障頻發(fā)，基本失去自動(dòng)化監(jiān)測(cè)功能，所有監(jiān)測(cè)內(nèi)容均以人工觀測(cè)為主，工作量大，觀測(cè)周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)后處理繁瑣，尤其在特殊工況下（如洪水、暴雨、地震等）更是無(wú)法及時(shí)完成加密觀測(cè)，難以適應(yīng)現(xiàn)代水工管理的需要。

（2）原系統(tǒng)無(wú)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，信息無(wú)法異地備份。原系統(tǒng)基于本地局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工程區(qū)內(nèi)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)管理人員異地自動(dòng)化控制，與集中、高效的運(yùn)行管理要求不相適應(yīng)。原系統(tǒng)每次實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)均需要到電站現(xiàn)場(chǎng)操控服務(wù)器才能完成，失去了建設(shè)自動(dòng)化系統(tǒng)的目的和意義。同時(shí)，原系統(tǒng)采集服務(wù)器均布置在工程現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異地備份功能，一旦發(fā)生故障或突發(fā)災(zāi)害，數(shù)據(jù)極易丟失。

（3）原系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單并聯(lián)的采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，采集效率低。原系統(tǒng)中央控制方式下采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等命令發(fā)出后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行逐點(diǎn)逐個(gè)依次測(cè)量，通訊干擾大，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)等信息反饋和響應(yīng)十分緩慢，采集效率低下，與當(dāng)今科學(xué)技術(shù)水平不相適應(yīng)。

（4）原系統(tǒng)缺失必要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，無(wú)法滿足規(guī)范要求。原系統(tǒng)建設(shè)階段未接入工程常用的環(huán)境量監(jiān)測(cè)指標(biāo)，例如雨量、溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向等，且大壩滲漏量這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，對(duì)利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果準(zhǔn)確評(píng)判工程安全運(yùn)行狀況不利，同時(shí)不利于尋找大壩監(jiān)測(cè)信息的規(guī)律性，無(wú)法滿足《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求。

（5）原系統(tǒng)采集控制軟件落后，人機(jī)交互界面復(fù)雜。原系統(tǒng)配置的軟件缺乏監(jiān)測(cè)儀器的參數(shù)指標(biāo)等信息，可用信息量不足，各項(xiàng)目均未設(shè)置警戒報(bào)警值，異常測(cè)值無(wú)直接的提醒功能，系統(tǒng)未開發(fā)相應(yīng)的模塊。

（6）原DAU遙控采集只能逐點(diǎn)測(cè)量，不支持群測(cè)及多重選點(diǎn)測(cè)量命令，因此采集速度慢，完成一次完整數(shù)據(jù)采集時(shí)間長(zhǎng)。同時(shí)，原DAU無(wú)人工采集接口，傳感器電纜接入DAU后人工測(cè)量極為不便，增加了人工觀測(cè)的時(shí)間。

因此，為了徹底解決原系統(tǒng)存在的諸多問題，高效、集中地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，建立一套功能齊全、穩(wěn)定可靠、使用方便的工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，不僅可以滿足水電站工程安全監(jiān)測(cè)的需要，快速完成工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和整編工作，減輕人力勞動(dòng)強(qiáng)度，還能夠提高水工運(yùn)行管理水平，提高工程安全監(jiān)測(cè)人員的業(yè)務(wù)技能，促進(jìn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，是保證大壩正常運(yùn)行的有效措施。

3 安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造方案

3.1 改造的基本原則

監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以工程安全監(jiān)測(cè)為目的，充分利用現(xiàn)代先進(jìn)的通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和軟、硬件技術(shù)，遵循“實(shí)用、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”的基本原則，實(shí)現(xiàn)智能化的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、信息綜合分析，實(shí)時(shí)掌握和反饋樞紐工程的安全運(yùn)行狀況，以便滿足現(xiàn)代化水工管理的需要。同時(shí)系統(tǒng)納入的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)能夠反映大壩及其基礎(chǔ)的工作性態(tài)，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，儀器完好，穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便。

（1）先進(jìn)性的原則。通過高性能的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件、信息管理軟件、圖形處理軟件及數(shù)據(jù)處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能[1]。

（2）穩(wěn)定性的原則。要求系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境下能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，具有完善的數(shù)據(jù)備份功能，能夠方便地對(duì)重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和恢復(fù)[2]；實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化時(shí)，還應(yīng)設(shè)置人工監(jiān)測(cè)手段，以便定期比測(cè)，并保證當(dāng)自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)測(cè)得人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，保證資料的連續(xù)性。

（3）安全性的原則。要求系統(tǒng)具有完善的安全保密、安全控制和安全管理功能，防止非法用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作[1]。同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作權(quán)限及信息修改權(quán)限進(jìn)行分層級(jí)設(shè)置。

3.2 改造的主要內(nèi)容

3.2.1 優(yōu)化通訊組網(wǎng)方案

圖1 自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.1 Topological diagram of the structure of automatic acquisition network

針對(duì)原系統(tǒng)采集網(wǎng)絡(luò)通訊干擾大、穩(wěn)定性差、運(yùn)行速度慢等特點(diǎn)，采用雙環(huán)自愈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖1所示），在監(jiān)測(cè)站增設(shè)RS-485集線器，實(shí)現(xiàn)了每臺(tái)數(shù)據(jù)采集裝置（DAU）之間信號(hào)的隔離。采集網(wǎng)絡(luò)采用光纜作為通訊介質(zhì)，建立基于TCP/IP的以太網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)管理中心站內(nèi)的遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)與采集工控機(jī)的以太網(wǎng)連接。監(jiān)控服務(wù)器發(fā)出命令后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器同時(shí)觸發(fā)，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)采集效率，保證了通訊的可靠性和安全性。

3.2.2 完善系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

根據(jù)DL/T 5178-2003《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和DL/T 5211-2005《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》要求，在原有監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上，增補(bǔ)了簡(jiǎn)易氣象站及大壩總滲流量監(jiān)測(cè)儀器，其中簡(jiǎn)易氣象站監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等；大壩總滲流量采用量水堰進(jìn)行觀測(cè)，安裝了量水堰計(jì)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)了工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的全覆蓋。

3.2.3 增設(shè)安全防護(hù)和人工比測(cè)裝置

針對(duì)原MCU無(wú)防雷電裝置、易受雷擊破壞的現(xiàn)狀，在每個(gè)監(jiān)測(cè)站增設(shè)1臺(tái)穩(wěn)壓電源、1套電源防雷器、1套通訊防雷器和1套防雷接地體，降低了雷電對(duì)設(shè)施造成故障的頻次。

為防止一個(gè)監(jiān)測(cè)站內(nèi)安裝多臺(tái)DAU后的通訊干擾問題，在DAU設(shè)備集中部位增加RS-485集線器，以保證采集網(wǎng)絡(luò)的通訊可靠性。調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，采用雙環(huán)自愈網(wǎng)絡(luò)模式，安裝雙環(huán)自愈式RS-485光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，提高數(shù)據(jù)通訊可靠性及安全性。

配備了人工比測(cè)裝置，可以方便進(jìn)行人工與自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，確保系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)真實(shí)可信。

3.2.4 更新了數(shù)據(jù)采集裝置（DAU）

針對(duì)原DAU的弊端，本次改造更換了原DAU設(shè)備，更換后DAU提供全中文液晶菜單顯示及鍵盤操作，具有良好的人機(jī)交互性；支持傳感器類型齊全，可接入振弦式、差阻式、電壓式及電流式等多種傳感器；提供豐富的控制命令，在上位機(jī)的控制下可完成設(shè)備復(fù)位、自檢、單點(diǎn)測(cè)量、任選多點(diǎn)測(cè)量、定時(shí)測(cè)量等多種測(cè)量控制方式；同時(shí)，提供人工觀測(cè)數(shù)據(jù)接口，可快速完成人工比測(cè)工作，并且該DAU采用模塊化設(shè)計(jì)，方便將來(lái)故障時(shí)快速維護(hù)。

3.2.5 開發(fā)了監(jiān)測(cè)自動(dòng)化采集、信息管理軟件

針對(duì)原系統(tǒng)軟件開發(fā)存在的問題，開發(fā)了集系統(tǒng)自動(dòng)檢查、自動(dòng)巡測(cè)和選測(cè)功能于一體的軟件，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集支持現(xiàn)場(chǎng)控制方式和遠(yuǎn)程控制方式，可根據(jù)用戶需求提供五種自動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)的觸發(fā)、采集和存儲(chǔ)，系統(tǒng)擁有實(shí)時(shí)完成觀測(cè)數(shù)據(jù)的整編計(jì)算及在線檢測(cè)、自動(dòng)觸發(fā)復(fù)測(cè)等保證觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及時(shí)效性的功能。

對(duì)采集工控機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)及監(jiān)測(cè)管理中心站進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，在遠(yuǎn)程上位機(jī)處安裝遠(yuǎn)程控制采集軟件，完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)提交入庫(kù)等工作。監(jiān)測(cè)管理中心站內(nèi)建立基于SQL Serv?er 2008 R2版數(shù)據(jù)庫(kù)，以完成前期觀測(cè)數(shù)據(jù)的整編計(jì)算、粗差剔除、入庫(kù)等工作。

3.3 改造后的技術(shù)指標(biāo)

（1）通訊方式：光纜通訊，RS485通訊總線控制；

（2）網(wǎng)絡(luò)通訊速率：＞2 400 bps（RS485）；

（3）傳輸距離：80 km（采用光纜通訊）；

（4）測(cè)量方式：可實(shí)時(shí)、定時(shí)、單檢、巡檢、選測(cè)或任設(shè)測(cè)點(diǎn)群；

（5）監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度：滿足規(guī)范DL/T 5178-2003規(guī)定要求；

（6）定時(shí)間隔：分鐘間隔觸發(fā)、小時(shí)間隔觸發(fā)、天觸發(fā)、星期觸發(fā)、月觸發(fā)，可選；

（7）采樣時(shí)間：差阻式≤0.1s/點(diǎn)；振弦式≤0.5s/點(diǎn)；

（8）工作溫度：-20～+60℃；

（9）工作濕度：≤85%；

（10）平均無(wú)故障時(shí)間：≥6 300 h；

（11）系統(tǒng)防雷電感應(yīng)：500～1 500 W。

3.4 改造的主要特點(diǎn)

（1）改單一并聯(lián)為雙環(huán)自愈網(wǎng)絡(luò)模式，建立了基于TCP/IP的以太網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步優(yōu)化采集網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的異地遠(yuǎn)程操控和觀測(cè)數(shù)據(jù)的異地存儲(chǔ)備份。

（2）增設(shè)了自動(dòng)化設(shè)備的防雷電裝置。在每個(gè)監(jiān)測(cè)站均增設(shè)1套電源防雷器、1套通訊防雷器及1套防雷接地體，提高系統(tǒng)防雷電感應(yīng)能力，防止設(shè)備因雷電造成損壞。

（3）獨(dú)立配置了讀數(shù)儀人工接口模塊，能夠使用讀數(shù)儀采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過按動(dòng)模塊上的通道切換鍵即可實(shí)現(xiàn)通道轉(zhuǎn)換，便于對(duì)接入MCU的監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行人工測(cè)量，亦方便對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工比測(cè)。

圖2 自動(dòng)化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure and function of the automatic system

4 系統(tǒng)改造后的運(yùn)行狀況

4.1 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)短期穩(wěn)定性測(cè)試

針對(duì)大壩布設(shè)的監(jiān)測(cè)儀器，使用信號(hào)發(fā)生器及直流電阻箱檢測(cè)振弦式傳感器測(cè)值測(cè)量精度及差動(dòng)電阻式傳感器測(cè)值測(cè)量精度。用信號(hào)發(fā)生器將幅度為0.5～10 mV的輸出信號(hào)接入采集裝置進(jìn)行測(cè)量，調(diào)節(jié)頻率在400～5 000 Hz之間，對(duì)同一個(gè)物理量連續(xù)進(jìn)行15次測(cè)量，計(jì)算最大測(cè)量誤差，測(cè)量頻率差不大于0.2 Hz，結(jié)果表明測(cè)值穩(wěn)定性好。用兩只0.01級(jí)直流電阻箱按五芯方式接入采集裝置，使電阻值分別在0.01～60.01 Ω范圍內(nèi)變化，電阻比在0.080 0～1.200 0之間變化。對(duì)同一個(gè)物理量連續(xù)進(jìn)行15次測(cè)量，測(cè)量電阻值之差不大于0.02 Ω，電阻比不大于0.002，結(jié)果表明測(cè)值穩(wěn)定性好。另外對(duì)DAU的單點(diǎn)測(cè)量、選點(diǎn)測(cè)量、定時(shí)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、參數(shù)設(shè)置及自診斷等功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果正常，滿足規(guī)范要求。

4.2 測(cè)值比對(duì)分析

系統(tǒng)建成投入試運(yùn)行期間，選取典型測(cè)點(diǎn)對(duì)其人工測(cè)值與自動(dòng)化系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，人工與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)測(cè)值吻合度高（如圖3所示），表明自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性良好。

圖3 人工及自動(dòng)觀測(cè)模數(shù)過程線對(duì)比Fig.3 Comparison of the modulus measured by automatic sys?tem and by manual work

4.3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析

系統(tǒng)投運(yùn)后運(yùn)行實(shí)踐表明，各采集控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集命令發(fā)布后信息反饋迅速，軟件功能齊全、界面簡(jiǎn)潔、升級(jí)維護(hù)方便、自動(dòng)化程度高，提高了工作效率，節(jié)約了人力資源成本。

系統(tǒng)可采集模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)，采集時(shí)間：內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)≤2 s/（點(diǎn)·次），真空激光測(cè)點(diǎn)≤15 s/（點(diǎn)·次），差阻式≤0.1 s/點(diǎn)，振弦式≤0.5 s/點(diǎn)。

5 結(jié)論及建議

本次對(duì)該水電站工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的改造增加了必要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了異地遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息的異地備份功能，采集及信息傳輸更加順暢、快捷，有效地提高了工作效率，進(jìn)一步減輕了人工觀測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，日常維護(hù)量小，測(cè)值可信度高，達(dá)到了監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造的預(yù)期目的，有效解決了原系統(tǒng)存在的諸多問題。但大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的采集控制設(shè)備多為非標(biāo)準(zhǔn)通用設(shè)備，型號(hào)及生產(chǎn)廠家等都不統(tǒng)一，如何進(jìn)一步規(guī)范和統(tǒng)一采集控制設(shè)備，避免不同生產(chǎn)廠家設(shè)備接口不兼容造成改造成本增大問題，如何解決不同廠家無(wú)法協(xié)同使用的弊端問題等仍需進(jìn)一步研究。

[1]施永新.湖南鎮(zhèn)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化改造[J].大壩與安全，2012(6)：33-36.

[2]寧德興,褚彩菊,郭俊,簡(jiǎn)樹明.漫灣水電站大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)更新改造[J].大壩與安全，2012(2):30-34.

[3]王科峰，金正浩.尼爾基水利樞紐工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2010.