王當(dāng)強(qiáng) 何軍 劉佳

1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，中國·北京 100038

2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，中國·吉林 長(zhǎng)春 130061

1 引言

南水北調(diào)中線干線工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)是“南水北調(diào)中線干線工程自動(dòng)化調(diào)度與運(yùn)行管理決策支持系統(tǒng)”一個(gè)重要的子系統(tǒng)。工程安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)以信息采集、通信傳輸、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、多媒體應(yīng)用、人工智能和工程安全分析技術(shù)為基礎(chǔ)，采用B/S和C/S混合方式，實(shí)現(xiàn)不同功能需求，為中線干線工程提供服務(wù)的安全監(jiān)測(cè)決策支持系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)是該系統(tǒng)重要組成部分，需要為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研判。南水北調(diào)沿線埋設(shè)的微機(jī)電式固定測(cè)斜儀也是目前測(cè)量位移的主要手段，但是目前已安裝的采集單元對(duì)于測(cè)量微機(jī)電式固定測(cè)斜儀準(zhǔn)確度不高，為此我們研發(fā)了DB4000型DAU（多功能數(shù)據(jù)采集單元），該采集單元每個(gè)通道可以單獨(dú)為固定測(cè)斜儀供電，并且增加了采集每支儀器的采集響應(yīng)時(shí)間，從而保證了微機(jī)電式固定測(cè)斜儀數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，為系統(tǒng)后續(xù)的分析提供了最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)保障。

2 研發(fā)需求

南水北調(diào)安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)包括自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及防雷接地系統(tǒng)。其中，自動(dòng)采集單元包括CR1000主機(jī)，世界最先進(jìn)技術(shù)的振弦激勵(lì)測(cè)量模塊AVW200，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊NL120，有線通訊模塊MD485，具備后備電池、可接入太陽能的電源管理模塊PS100，一個(gè)或兩個(gè)GK-8032多路集線器或者AM16/32集線器以及不銹鋼防水機(jī)箱等。

微機(jī)電式固定測(cè)斜儀用于長(zhǎng)期測(cè)量大壩、邊坡等結(jié)構(gòu)的變形。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要為儀器提供12V的直流電源，然后進(jìn)行讀數(shù)，測(cè)值為電壓信號(hào)。在南水北調(diào)安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)中采集單元為微機(jī)電式固定測(cè)斜儀提供的電源方式分為兩種：一種是通過CR1000的SW12端口進(jìn)行供電，該種方式只是在測(cè)量時(shí)給傳感器供電；另一種通過電源模塊PS100的輸出端給所有傳感器供電，該種方式給傳感器長(zhǎng)期供電。

在系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)以上兩種供電方式自動(dòng)化測(cè)值與人工測(cè)值差值較大，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)差值較大的原因進(jìn)行了分析探討。焦作管理處山門河暗渠出口測(cè)站MCU4內(nèi)接入的是固定測(cè)斜儀，通過改變供電模式進(jìn)行測(cè)試，一是用CR1000的SW12端口或者PS100的輸出端單獨(dú)只為一支傳感器（CH8通道傳感器）供電，二是用CR1000的SW12端口或者PS100的輸出端為接入MCU的所有傳感器同時(shí)供電。按照以上兩種供電方法對(duì)CH8通道傳感器進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，結(jié)果是單獨(dú)只為一支傳感器供電時(shí)傳感器的自動(dòng)化測(cè)值與人工測(cè)值基本一致。

通過上述測(cè)試可以看出，所有傳感器通過CR1000的SW12端口供電或者由PS100輸出端供電時(shí)驅(qū)動(dòng)電流不夠，傳感器未被激活，自動(dòng)化采集的數(shù)據(jù)均為噪聲，不是真實(shí)的電壓信號(hào)；而現(xiàn)有的采集設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)為每一支傳感器單獨(dú)供電。所以，新研發(fā)的數(shù)據(jù)采集單元需要為每個(gè)通道單獨(dú)供電，且需要采集響應(yīng)時(shí)間要加長(zhǎng)，這樣才能保證微機(jī)電式固定測(cè)斜儀自動(dòng)化測(cè)值的準(zhǔn)確性[1]。另外，為每支傳感器單獨(dú)供電還可以避免因一支傳感器故障而造成所有接入MCU的傳感器無法采集到數(shù)據(jù)。

3 自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集設(shè)備

3.1 硬件設(shè)計(jì)

DB4000型DAU由主控模塊、采集子模塊、通道子模塊、連接器、接線板幾部分組成。可以對(duì)振弦式、電阻式、電壓式、差阻式等各類型傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 DAU內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

主控模塊：是DAU的核心部件，向上通過外部RS-485總線與上位機(jī)相連，接受上位機(jī)控制；向下通過內(nèi)部RS-485總線與采集子模塊、通道子模塊相連，協(xié)調(diào)子模塊工作。當(dāng)接收到采集命令時(shí)，主控模塊控制通道子模塊，將某一傳感器引線接入內(nèi)部傳感器總線，控制采集子模塊采集該傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)讀回主控模塊，在主控模塊上顯示、保存觀測(cè)數(shù)據(jù)，以備上位機(jī)讀取。

主控模塊為子模塊提供電源，有現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)交互功能。

采集子模塊：通過內(nèi)部通訊總線與主控模塊相連，接受主控模塊控制，通過內(nèi)部傳感器總線與通道子模塊相連，采集通道子模塊選擇的傳感器的數(shù)據(jù)?？刹杉裣沂絻x器、電阻式儀器、電壓式儀器、差阻式儀器等。

通道子模塊：通過內(nèi)部通訊總線與主控模塊相連，接受主控模塊控制，該子模塊除了控制通道切換外還控制連接器的“連接”與“斷開”。當(dāng)接收到主控模塊的控制命令后，將某通道連接的傳感器引線切換到內(nèi)部傳感器總線，以供采集子模塊采集數(shù)據(jù)。

可顯示通道號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)可人工操作切換傳感器引線到人工接口，使用常規(guī)讀數(shù)儀測(cè)讀數(shù)據(jù)。

連接器：連接器是為了防雷而設(shè)置的裝置，不觀測(cè)時(shí)連接器處于斷開狀態(tài)，所有傳感器引線與通道子模塊分開，距離約20mm，利用電氣間隙使兩者隔離，防止雷電流由此流過。觀測(cè)時(shí)連接器處于連接狀態(tài)，所有傳感器引線接入到通道子模塊，以便數(shù)據(jù)采集。連接器的連接與斷開受通道子模塊控制，由微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

接線板：傳感器引線進(jìn)入DAU的接入點(diǎn)，DAU為每支傳感器提供了6個(gè)接線端子，可混合接入不同類型的傳感器。

內(nèi)部傳感器總線：由6根線組成，命名為W1、W2、W3、W4、W5和W6。

接入振弦式儀器時(shí)，W1、W2線接入振弦，W3、W4線接入熱敏電阻，W5、W6未用。

接入電阻式儀器時(shí)，W1、W2線接入一支電阻，W3、W4線接入另一支電阻，W5、W6未用。

接入電壓式儀器時(shí)，W1、W2線為一路電壓，W3、W4線為另一路電壓，W5、W6線可以選擇為傳感器供電，也可以選擇不用（在通道配置時(shí)可以選擇）。

接入差阻式儀器時(shí)，W1、W2、W3、W4、W5線接入五線式差阻式傳感器，W6未用。

內(nèi)部傳感器總線接入傳感器的類型由主控模塊告知采集子模塊，采集子模塊按類型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)接入的傳感器需要供電時(shí)可在通道切換子模塊上設(shè)置，供電控制繼電器吸荷時(shí)可為傳感器供電，如圖2所示。

圖2 內(nèi)部傳感器總線示意圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

需要外供電的微機(jī)電式固定測(cè)斜儀，從上電到穩(wěn)定輸出信號(hào)需要一個(gè)過程，所有傳感器統(tǒng)一供電，可以縮短采集時(shí)間，但統(tǒng)一供電需要電源的功率較大，并且一支傳感器有短路故障會(huì)影響其他傳感器的供電。所以，我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)上采用了為每支傳感器單獨(dú)供電，在程序設(shè)計(jì)上為每支傳感器從上電到穩(wěn)定留了足夠的時(shí)間（約2s），這樣雖然采集時(shí)間要長(zhǎng)一些，但有效地降低了對(duì)電源功率的要求，還解決了單支傳感器故障對(duì)整個(gè)DAU數(shù)據(jù)采集的影響。

4 自動(dòng)化采集設(shè)備應(yīng)用

自動(dòng)化采集設(shè)備研發(fā)測(cè)試完成后，對(duì)衛(wèi)輝管理處潞王墳試驗(yàn)斷面測(cè)站、焦作管理處山門河暗渠出口觀測(cè)站、焦作測(cè)站9、鄭州管理處賈峪河出口觀測(cè)站、禹州測(cè)站2測(cè)量微機(jī)電式固定測(cè)斜儀的原采集單元進(jìn)行更換測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖3所示，并且該設(shè)備也應(yīng)用在鄭州管理處蓬式圍堰試驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)量電壓式位移計(jì)，并且測(cè)值穩(wěn)定、可靠，為項(xiàng)目提供及時(shí)有效的分析數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖4所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)安裝的新研發(fā)的采集設(shè)備圖

圖4 圍堰項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安裝采集設(shè)備圖

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，更換研發(fā)的自動(dòng)化采集設(shè)備后，設(shè)備工作可靠，測(cè)量的自動(dòng)化數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，典型過程曲線圖見如圖5所示。

圖5 SY0+300左右岸固定測(cè)斜儀孔口累計(jì)位移變化過程線圖

同時(shí)，對(duì)更換采集設(shè)備后采集的自動(dòng)化數(shù)據(jù)與在同一時(shí)間、同一條件人工數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范的要求，部分微機(jī)電式固定測(cè)斜儀人工自動(dòng)化比對(duì)結(jié)果如表1所示。

表1 潞王墳試驗(yàn)斷面1微機(jī)電式固定測(cè)斜儀人工自動(dòng)化數(shù)據(jù)比對(duì)表

5 結(jié)語

研發(fā)的自動(dòng)采集設(shè)備已經(jīng)在幾個(gè)工程中進(jìn)行了實(shí)踐，經(jīng)過不斷地改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)已比較成熟，一些難點(diǎn)逐漸克服并形成了自己的特色[2]。

第一，對(duì)南水北調(diào)埋設(shè)有微機(jī)電式固定測(cè)斜儀的安全監(jiān)測(cè)站內(nèi)的采集設(shè)備更換為新研發(fā)的DB4000，經(jīng)長(zhǎng)期測(cè)試，采集設(shè)備穩(wěn)定性良好，采集的自動(dòng)化數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)比對(duì)滿足《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范（DL/T5211—2005）》的技術(shù)要求。

第二，功能齊備，不僅適用于微機(jī)電式固定測(cè)斜儀的測(cè)量，也適用于其他各類傳感器的測(cè)量工作，并且每個(gè)接線板可以混合接入不同類型的傳感器，便于現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)配置及集成工作的開展。

第三，該數(shù)據(jù)采集單元帶有液晶屏顯示及操作按鍵，可現(xiàn)場(chǎng)顯示工作狀態(tài)、控制信息、采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)[3]，還可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置通道參數(shù)等。同時(shí)，設(shè)有人工觀測(cè)接口使得現(xiàn)場(chǎng)操作人員隨時(shí)可以進(jìn)行半自動(dòng)化人工測(cè)量，更加快捷方便。