魏東昇　王金華

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪　117100)

?

觀音閣水庫大壩監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)

魏東昇王金華

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪117100)

為監(jiān)測(cè)觀音閣水庫大壩水工建筑物的運(yùn)行，掌握其變化規(guī)律，取得必要的原型觀測(cè)資料，更好地發(fā)揮大壩的各種功能，對(duì)觀音閣水庫大壩監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)，改造工程包括大壩外觀和內(nèi)觀監(jiān)測(cè)儀器的自動(dòng)化改造以及大壩閘門的自動(dòng)控制系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)采用光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，不僅能夠使觀音閣水庫大壩監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)自動(dòng)化改造后達(dá)到國際最先進(jìn)水平，而且建安工程量小，運(yùn)行、維護(hù)、管理非常方便。通過觀音閣水庫大壩自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)改造，能夠?qū)崿F(xiàn)觀音閣水庫大壩安全的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)管理，保證觀音閣水庫大壩的安全，以及大壩下游各區(qū)域的人身及財(cái)產(chǎn)安全。

觀音閣水庫；監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)；自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)

觀音閣水庫位于太子河干流上，控制流域面積2795km2，總庫容21.68億m3，與下游70km的參窩水庫形成太子河干流梯級(jí)開發(fā)。大壩由擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段及電站壩段組成。為監(jiān)測(cè)觀音閣水庫大壩水工建筑物的安全運(yùn)行，掌握其變化規(guī)律，取得必要的原型觀測(cè)資料，更好地發(fā)揮大壩的各種功能，設(shè)置了大壩觀測(cè)系統(tǒng)。大壩觀測(cè)的主要目的是掌握運(yùn)行期各主要建筑物工作情況及監(jiān)視水庫、大壩的安全運(yùn)行，使其充分發(fā)揮效益[1]。當(dāng)前觀音閣水庫大壩的內(nèi)部觀測(cè)系統(tǒng)全部無法運(yùn)行，不能進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，因此大壩的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控存在很大的隱患。外部觀測(cè)屬于通過人員開展的觀測(cè)，受人員觀測(cè)精度、觀測(cè)點(diǎn)位多、難度大等多種因素影響，觀測(cè)的精度很難保證，每次觀測(cè)的誤差不穩(wěn)定，為此無法有效地監(jiān)控大壩安全運(yùn)行狀態(tài)。在水庫正常蓄水及汛期時(shí)，工作人員無法掌握水位對(duì)大壩的影響。因此，基于現(xiàn)狀需要對(duì)當(dāng)前的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，從而確保大壩的安全運(yùn)行，避免不必要的事故發(fā)生。

1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及目標(biāo)

觀音閣水庫大壩的觀測(cè)包括內(nèi)部、外部及地震三個(gè)方面。選取10號(hào)、22號(hào)、42號(hào)作為大壩代表性的壩段，內(nèi)部觀測(cè)主要有滲透壓、應(yīng)變、溫度、應(yīng)力、裂縫等；外部觀測(cè)主要包括壩基、壩頂、壩體傾斜、壩體水平位移、壩體沉陷等；地震觀測(cè)為壩體的微震觀測(cè)。

觀音閣水庫大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則為：?觀測(cè)項(xiàng)目盡量采用自動(dòng)觀測(cè)，部分項(xiàng)目同時(shí)設(shè)手工觀測(cè)；?以外部觀測(cè)為主，注重變形觀測(cè)和滲流觀測(cè)；?盡量減少與碾壓混凝土的施工干擾；?儀器設(shè)備盡量集中布置，為管理和綜合分析創(chuàng)造方便條件。

觀音閣水庫自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)的目標(biāo)為：按照智能化水庫管理的需要，所采用的計(jì)算機(jī)及其他設(shè)備需要具備先進(jìn)性、成熟性與可靠性。安裝強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)核心模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控大壩，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，掌握運(yùn)行狀況，通過監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、運(yùn)行平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)人工操作簡(jiǎn)易、監(jiān)測(cè)監(jiān)控誤差最小、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的自動(dòng)化系統(tǒng)[2]。?標(biāo)準(zhǔn)化：作為大壩的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，需要選取標(biāo)準(zhǔn)的儀器設(shè)備，設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)要符合相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；?圖表化：通過監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，再利用運(yùn)行平臺(tái)，將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為可視化的圖表信息，以便信息的直觀化；?智能化：根據(jù)計(jì)算機(jī)運(yùn)行平臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，當(dāng)數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)作出智能化反應(yīng)，給出異常的原因和擬解決的方案，以便指導(dǎo)大壩的安全運(yùn)行。

2　大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1位移監(jiān)測(cè)

Damsafety.net是一個(gè)大壩安全監(jiān)測(cè)與注冊(cè)系統(tǒng)(見圖1)，其穩(wěn)定性指標(biāo)由最新的、最為可靠的技術(shù)來監(jiān)測(cè)。因特網(wǎng)用戶界面及Oracle數(shù)據(jù)庫的使用確保了被監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)很方便地被用戶獲取，并確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可量測(cè)性。系統(tǒng)可以用來維護(hù)和觀測(cè)與土工結(jié)構(gòu)相關(guān)的所有基本資料。網(wǎng)頁界面使系統(tǒng)比較容易接近，管理局內(nèi)部所有的局域網(wǎng)用戶均可以使用該系統(tǒng)，且多個(gè)用戶可以同時(shí)進(jìn)入該系統(tǒng)。用戶可以使用基于網(wǎng)頁上的地圖界面瀏覽監(jiān)測(cè)信息。點(diǎn)擊地圖上的某個(gè)區(qū)域就可以啟動(dòng)報(bào)告應(yīng)用程序。報(bào)告應(yīng)用程序會(huì)顯示與所選擇區(qū)域有關(guān)的所有報(bào)告。與測(cè)量結(jié)果有關(guān)的地點(diǎn)數(shù)據(jù)可以儲(chǔ)存到多維數(shù)據(jù)庫里，多維數(shù)據(jù)庫可以用來生成各式各樣的監(jiān)測(cè)結(jié)果報(bào)告。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型包括光纖熱傳感器、沉降、沉降柱、繞壩滲流水井、揚(yáng)壓力計(jì)、水位、霜凍表、檢視井、湯姆森井及安全監(jiān)視說明和保養(yǎng)日歷。系統(tǒng)可以用來處理從多個(gè)大壩匯集而來的不斷更新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將按預(yù)先設(shè)定的監(jiān)測(cè)順序保存到數(shù)據(jù)庫里。用戶可以通過網(wǎng)頁界面增加和更新所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)行的系統(tǒng)內(nèi)，用戶可以增加和更新沉降、沉降柱、繞壩滲流、揚(yáng)壓力計(jì)、水位、霜凍表、檢視井和湯姆森井等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。如果自動(dòng)的測(cè)量數(shù)據(jù)超過極限值，就會(huì)報(bào)警。不然，就給出所有必要的報(bào)表及包含有預(yù)設(shè)測(cè)量值之報(bào)警值的圖表。如果背離這些極限值，圖表便會(huì)給出可視的警告。該系統(tǒng)是基于Windows 服務(wù)器里面的普通 Java平臺(tái)開發(fā)出來的。服務(wù)器通過用戶賬號(hào)及其等級(jí)防止未經(jīng)授權(quán)者進(jìn)入。用戶與服務(wù)器之間的所有網(wǎng)絡(luò)通信都是加密的，加密的方法是SSL加密，具有高達(dá) 128字節(jié)的密碼保護(hù)。

圖1　大壩自動(dòng)化位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.2滲流監(jiān)測(cè)

大壩共布置揚(yáng)壓力測(cè)壓管89支，系統(tǒng)改造主要將原有傳感器更換為可靠、穩(wěn)定的傳感器，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。并在設(shè)備安裝上對(duì)38個(gè)有壓測(cè)壓管采用密封方式，48個(gè)無壓測(cè)壓管采用懸掛方式。在7個(gè)量水堰上安裝新的傳感器，實(shí)現(xiàn)分區(qū)滲流量監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)集水井自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集，對(duì)5個(gè)集水井安裝專用測(cè)控裝置和傳感器，實(shí)現(xiàn)分區(qū)總滲流量監(jiān)測(cè)和控制自動(dòng)化。對(duì)28個(gè)繞壩滲流測(cè)壓管中已堵的12個(gè)孔進(jìn)行掃孔處理，全部安裝滲壓計(jì)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，并對(duì)測(cè)壓管管口加設(shè)保護(hù)箱。

壩體滲壓觀測(cè)儀器只布設(shè)在10號(hào)基面201.00m和220.50m基面內(nèi)，共13支SZ-4型滲壓計(jì)。F8斷層滲壓觀測(cè)儀器分別埋設(shè)在23號(hào)和24號(hào)壩段內(nèi)，采用185mm鉆孔，把滲壓計(jì)埋設(shè)在F8斷層破碎帶內(nèi)，23號(hào)壩段2支滲壓計(jì)設(shè)在帷幕前，為SZ-8型，24號(hào)壩段2支滲壓計(jì)設(shè)在帷幕后，為SZ-4型。

2.3內(nèi)觀監(jiān)測(cè)

根據(jù)觀音閣水庫地質(zhì)情況和工程布置，設(shè)計(jì)選擇了10號(hào)、22號(hào)和42號(hào)壩段作為內(nèi)部觀測(cè)儀器觀測(cè)基面：10號(hào)壩段為擋水壩段，壩高80.0m，位于左岸河床內(nèi)；22號(hào)壩段為溢流壩段，壩高71.2m，壩基下有F8斷層通過，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜；42號(hào)壩段為擋水壩段，又為河床和右岸的轉(zhuǎn)彎壩段，壩高為64.0m。

在10號(hào)觀測(cè)基面內(nèi)190.50m高程截面上下游方向布置5組應(yīng)變計(jì)，每組5支TY-25型貼片式應(yīng)變計(jì)，1支無應(yīng)力計(jì)(布置在距應(yīng)變計(jì)組1.5m處)。為了解基巖應(yīng)變情況，在10號(hào)、22號(hào)基面內(nèi)沿上下游各布置3支單向應(yīng)變計(jì)，42號(hào)基面內(nèi)設(shè)2支應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)均為DI-25B型。為了解壩趾混凝土應(yīng)力，在10號(hào)和22號(hào)壩趾處各有2支WL-60型應(yīng)力計(jì)，分垂直和水平方向埋設(shè)。

2.4壩上監(jiān)控室設(shè)計(jì)

在觀音閣水庫大壩設(shè)立壩上監(jiān)控分中心，壩上監(jiān)控分中心是微波系統(tǒng)、光纜系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備連接和數(shù)據(jù)交換的中心。視頻的實(shí)時(shí)圖像在分中心經(jīng)過視頻網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的轉(zhuǎn)化通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接^音閣水庫自動(dòng)化監(jiān)控中心，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集后傳輸?shù)綁紊媳O(jiān)控分中心，通過分中心監(jiān)控工控機(jī)的處理寫入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器供觀音閣水庫自動(dòng)化監(jiān)控中心和其他計(jì)算機(jī)調(diào)用。壩上監(jiān)控分中心需要建設(shè)網(wǎng)絡(luò)、電視墻，配置真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收、控制等功能；配置內(nèi)觀及揚(yáng)壓力工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)觀、繞壩滲流、揚(yáng)壓力、量水堰、集水井的數(shù)據(jù)采集和控制功能；配置閘門監(jiān)控工控機(jī)，接收閘門監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，接受和存儲(chǔ)上述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享；配置網(wǎng)絡(luò)激光打印機(jī)，用于各種數(shù)據(jù)、圖表的輸出。

壩上監(jiān)控分中心利用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)建設(shè)局域網(wǎng)系統(tǒng)，同時(shí)通過微波的網(wǎng)絡(luò)接口和觀音閣水庫局域網(wǎng)連接。

3　大壩閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)

目前，觀音閣水庫大壩閘門的控制系統(tǒng)沒有采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在閘門提升過程中，操作者無法知道閘門提取的高度和停留的位置。大壩的溢流閘門有12個(gè)，底孔閘門有2個(gè)，對(duì)大壩閘門的自動(dòng)化改造屬于復(fù)式自動(dòng)控制。觀音閣水庫大壩的閘門控制是靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行的，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)傳輸，能夠控制閘門的開啟與關(guān)閉，同時(shí)配備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)﹂l門圖像實(shí)現(xiàn)可視化，實(shí)時(shí)掌握閘門的運(yùn)行以及周圍的狀況[3]。閘門運(yùn)行系統(tǒng)的構(gòu)建包括兩部分：一部分為閘門的控制室，控制室配備計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)平臺(tái)、安裝軟件；一部分為閘門現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)，在閘門處設(shè)置監(jiān)控?cái)z像頭、監(jiān)控部件PLC及信息傳輸光纜。兩部分同時(shí)工作才能實(shí)現(xiàn)大壩閘門的自動(dòng)化控制，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，采用PLC控制大壩閘門需要開啟與關(guān)閉的儀器設(shè)備，通過開度儀確定閘門開啟的程度，由荷重儀確定閘門承受的重量，并根據(jù)水庫來水流速，經(jīng)水利分析計(jì)算，制定多種閘門自動(dòng)開啟方案，提高閘門自動(dòng)化控制水平，減少人工操作帶來的誤差。同時(shí)在整個(gè)系統(tǒng)上還設(shè)置了保護(hù)裝置，能夠?qū)ν话l(fā)事件進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。結(jié)合計(jì)算機(jī)的可視化、自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人看守閘門，通過計(jì)算機(jī)完成閘門的自動(dòng)化控制。

4　觀音閣水庫自動(dòng)化監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

觀音閣水庫自動(dòng)化監(jiān)控中心是控制、顯示觀音閣水庫自動(dòng)化項(xiàng)目中數(shù)據(jù)、圖像等各種信息的中心(見圖2)。中心顯示設(shè)備采用大屏幕背投設(shè)備，利用DNP100英寸大屏幕和PX41多媒體投影儀顯示系統(tǒng)的圖像、數(shù)據(jù)等多媒體信息。配置視頻工作站，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程圖像的顯示，控制。觀音閣水庫自動(dòng)化監(jiān)控中心配置Web服務(wù)器，開發(fā)門戶網(wǎng)站軟件，改造目前網(wǎng)站內(nèi)容，同時(shí)加入大壩實(shí)時(shí)圖像傳輸系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、內(nèi)觀及揚(yáng)壓力觀測(cè)系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)。通過網(wǎng)站就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)觀音閣水庫大壩監(jiān)控系統(tǒng)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢、圖像監(jiān)控和控制等功能。配置辦公自動(dòng)化服務(wù)器和開發(fā)辦公自動(dòng)化軟件，使觀音閣水庫網(wǎng)上辦公自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上申請(qǐng)審批、公文辦理、合同審核、請(qǐng)假報(bào)銷等。采用流程式工作方式，最大特點(diǎn)在于由于處理信息內(nèi)容的性質(zhì)不同，流程結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，各流程節(jié)點(diǎn)的具體處理方式根據(jù)節(jié)點(diǎn)的特性各有不同，同時(shí)由于日常工作中的不確定因素， 流程本身應(yīng)具備相當(dāng)?shù)膹椥栽O(shè)置。通過工作流程管理的應(yīng)用，可以保持單位工作流程的清晰、規(guī)范、高效，最大程度提升工作效率。

圖2　觀音閣水庫自動(dòng)化監(jiān)控中心

5　結(jié)　語

為適應(yīng)大壩管理的自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”要求，系統(tǒng)建立已將遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)納入安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)的梯級(jí)調(diào)度指揮中心的集中控制與管理。以期做到一次性投資建設(shè)，解決遠(yuǎn)程控制問題，既保證系統(tǒng)形成后在一段時(shí)期內(nèi)的技術(shù)先進(jìn)性和擴(kuò)展性，又做到在適度投資的范圍內(nèi)，達(dá)到增效的目的。通過觀音閣水庫大壩自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)改造，能夠?qū)崿F(xiàn)觀音閣水庫大壩安全的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)管理，保證觀音閣水庫大壩的安全，以及大壩下游各區(qū)域的人身及財(cái)產(chǎn)安全。

[1]田作佳.中小型排灌站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2014(5):70-73.

[2]吳強(qiáng),王煦法.“數(shù)字水利”及其關(guān)鍵技術(shù)[C].2005年“數(shù)字安徽”博士科技論壇論文集.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2005.

[3]劉斌,韓英才,魏偉.基于PLC的沙集閘自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2011,35(1):76-79.

The automation improvement design of dam monitoring and controlling system in Guanyinge Reservoir

WEI Dongsheng, WANG Jinhua

(LiaoningGuanyingeReservoirAdministration,Benxi117100,China)

Automatic improvement design is implemented on dam monitoring and controlling system in Guanyinge Reservoir in order to monitor the operation of hydraulic structures, master the change law, obtain necessary prototype observation data, and better play various functions of the dam. Improvement project includes the automatic renovation of dam appearance and internal monitoring instrument as well as the automatic controlling system of dam gate. Fiber optic monitoring technology is adopted in the monitoring and controlling system. Dam monitoring and controlling system in Guanyinge Reservoir can reach the most advanced level all over the world after automatic improvement, construction and installation engineering quantity is small, and it is very convenient in operation, maintenance and management. The automatic monitoring management of dam safety in Guanyinge Reservoir can be realized according to the automation improvement of mornitoring and controlling system, thereby guaranteeing the safety of Guanyinge Reservoir dam as well as the personal and property safety of all areas on the downstream part of the dam.

Guanyinge Reservoir; monitoring and controlling system; automation improvement

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.04.014

TV698.1

B

1673-8241(2016)04- 0054- 04