析水利工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的改造方法
水利工程所建位置地質環(huán)境復雜，地基性質屬于巖土特性且不均勻，如何分析水利工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的改造方法?
某水利工程原有的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)存在很多問題，例如運行速度慢、采集數據不全面、信息傳輸慢、效率低下，勞動強度大等問題。這些問題嚴重影響了水利工程的發(fā)展，也極大的制約了國民經濟的發(fā)展。為此，有必要對原有系統(tǒng)進行升級改造。改造后的系統(tǒng)，采集網絡結構更先進，測控裝置選用了新型的MCU，增加了人工接口裝置以及防雷電設備等，極大的改善了原有系統(tǒng)的性能，其運行速度有了很大的提高，采集數據以及信息傳輸的能力也有了顯著的提高。
某些水利工程原有的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)存在很多問題，例如運行速度過慢、采集數據不全面、信息傳輸慢、效率低下，勞動強度大等問題。這些問題嚴重影響了水利工程的發(fā)展。改造安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，具有很重要的現實意義。目前，水利工程使用的采集控制設備大多配套有安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，大多數采集控設備都是非標準的、通用的。設備的生產廠家不同、型號不同，設備接口不兼容等都將會影響安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的性能以及增加改造的成本。為此，需在原有的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的基礎上，加以改進和優(yōu)化網絡結構。改造后的系統(tǒng)，采集和傳輸信息的速度以及工作效率有了明顯的提高，人工勞動強度也降低了，實現了自動化。
1 工程概述
某水利樞紐工程是一項集旅游、防洪、發(fā)電、灌溉為一體的綜合性的大型水利工程，是一項規(guī)模達到大(2)型、建筑物等級為二等的農業(yè)開發(fā)的重要工程。工程的建筑物主要由4部分組成，分別是地面式發(fā)電廠房、引水隧洞、泄洪洞和大壩。
前兩者(地面式發(fā)電廠房、引水隧洞)的建筑物等級為Ⅳ級，后兩者(泄洪洞和大壩)的建筑物等級為Ⅱ級。工程的大壩最大壩高、壩長、壩頂寬、壩頂高程分別為76.3米，287米，10米，4261.3米。大壩主要用粘土心墻堆填筑。
2 工程安全監(jiān)測現狀
隨時掌握樞紐的運行情況跟工作性態(tài)，需借助監(jiān)測儀器設備。當初，在設計時已考慮到這點，該工程安裝了大量的監(jiān)測儀器設備。在2001年5月，該水利工程的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)試運行，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)主要從以下四個方面進行監(jiān)測。(1)工程安全監(jiān)測自動化;(2)變形安全監(jiān)測(主要是監(jiān)測樞紐外部);(3)引水系統(tǒng)安全監(jiān)測;(4)大壩安全監(jiān)測。該水利工程處于地震高烈度區(qū)，地震防烈度為8度。強震監(jiān)測系統(tǒng)由3部分構成，分別是強震采集工作站、強震采集儀以及強震測點，其數量分別為1臺、1臺、4套。根據管理人員的敘述和相關資料的記錄，證實從2004年兩套系統(tǒng)的故障率已達到一定標準。在2013年4月22日到24日去現場進行測試和檢測，發(fā)現的問題有：一是兩套系統(tǒng)問題嚴重，基本癱瘓了。二是受雷擊的影響，電源系統(tǒng)及主模塊已損壞。三是強震采集儀以及強震采集工作站都無法工作。四是部分設備電路老化問題嚴重。五是MCU也遭受了破壞。六是主板已生銹腐爛(受潮濕以及電解液浸泡的影響)。
3 改造安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的必要性及設計原則
3.1 必要性
該水利工程所建位置地質環(huán)境復雜，地基性質屬于巖土特性且不均勻。安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的運行狀況以及工作性態(tài)易受多方面的影響而發(fā)生變化。例如，自然環(huán)境以及各種作用力，大壩配套安全監(jiān)測系統(tǒng)的技術水平，安全監(jiān)測系統(tǒng)的使用壽命，大壩的建筑材料、施工質量以及設計水平等都將會影響安全系統(tǒng)的運行狀況以及工作性態(tài)。若是現場工作人員不能及時發(fā)現安全監(jiān)測系統(tǒng)工作性態(tài)的異常情況，任由其發(fā)展，造成的后果將會非常嚴重。因此，有必要建立一套先進、可靠的安全監(jiān)測系統(tǒng)，進一步對現有系統(tǒng)改造、升級，確保安全監(jiān)測系統(tǒng)能正常穩(wěn)定的運行，具有很重要的現實意義。
3.2 設計原則
安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計要滿足3個設計原則，一是可靠性原則。安全系統(tǒng)的可靠性，可從技術指標方面來提升：(1)自動采集的數據的準確度要達到相關規(guī)范(SL551，SL268 等)的要求;(2)自動采集的數據的缺失率應低于2%;(3)數據采集裝置的無故障時間的平均值應大于6800小時。二是先進性原則。通訊控制、自動化、計算機以及當前的監(jiān)測儀器設備的軟硬件技術水平要先進。三是經濟適用原則。根據樞紐工程的實際作用，監(jiān)測項目的改造要有針對性，現有的儀器設備不能棄之不用，要充分將他們的作用發(fā)揮出來，一來可以避免資源的浪費;二來可以節(jié)省投資，達到經濟適用的目的。
3.3 改造項目的確定
通過對現場調研，該安全監(jiān)測系統(tǒng)的運行現狀和其他問題已全面掌握。改造的重點主要放在工程的安全監(jiān)測自動化方面以及大壩安全監(jiān)測方面。改造的具體監(jiān)測項目主要有五個方面，一是工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng);二是大壩強震;三是大壩滲流;四是壩體內部位移;五是庫區(qū)環(huán)境量。前四個方面是對現有系統(tǒng)進行升級改造的項目。第五個方面是新增的項目。
4 系統(tǒng)的改造設計
4.1 壩體內部位移監(jiān)測
壩體內部位移的監(jiān)測需在距大壩軸線7米處(壩軸線下游側)的位置設置一條測斜管，其樁號為0+150.00 米。采用人工監(jiān)測和自動檢測兩種方法來監(jiān)測壩體內部位移(粘土心墻內部分層水平位移)分布的規(guī)律以及大小。人工監(jiān)測方法使用的設備為活動測斜儀。自動檢測的方法使用的設備為固定測斜儀。固定測斜儀安裝在測斜管內，安裝數量為13臺。每隔6米安裝一臺固定測斜儀。
4.2 大壩滲流監(jiān)測
為了能夠全面掌握運行期的壩體的滲流情況，需監(jiān)測壩體內浸潤線的位置。壩體內浸潤線的監(jiān)測需在壩體內部沿壩軸線上游側(距壩軸線1米)以及下游側(距壩軸線7米)安裝測壓管。一般選擇2個監(jiān)測斷面進行監(jiān)測。在壩軸線選擇樁號0+146.00 米和0+088.00 米作為監(jiān)測斷面。測壓管的數量為4個，每個監(jiān)測斷面需安裝2個。采用人工監(jiān)測和自動監(jiān)測的方法進行監(jiān)測。人工監(jiān)測使用的設備是平尺水位計。自動監(jiān)測方法使用的設備是滲壓計。滲壓計安裝在測壓管內。自動監(jiān)測方法需使用測壓管4個，滲壓計6支。滲流量自動化監(jiān)測和繞壩滲流的監(jiān)測需安裝測壓孔12個，采用自動監(jiān)測的方法進行監(jiān)測。自動監(jiān)測使用的設備為滲壓計。12支滲壓計需安裝在測壓孔內。
4.3 大壩強震監(jiān)測
在原大壩的強震監(jiān)測臺陣上進行重新設置。監(jiān)測的主要目標位于大壩的最高點和自由場測點。選大壩上樁號 為0+142.30m點為最高點，選大壩下游距壩址距離為100米處為自由場測點。大壩的強震監(jiān)測需設置6個監(jiān)測點。其中3個監(jiān)測點設置在壩址、壩高的1/2，壩頂處。剩余的監(jiān)測點(3個)分別設置在自由場、右岸壩肩、溢洪道處。每個監(jiān)測點還需使用加速度傳感器((3向一體))1臺和強震儀1臺。在左岸的監(jiān)測房內安裝強震采集儀。自動監(jiān)測(地震動力加速度變化的瞬間過程)主要是通過強震儀之間組網實現的。
4.4 庫區(qū)環(huán)境量監(jiān)測
庫區(qū)環(huán)境量的監(jiān)測需安裝數據采集軟件和自動氣象站。在負責數據采集的工作站(監(jiān)測管理站內)內安裝數據采集軟件。環(huán)境量監(jiān)測數據的采集與存儲工作需要實時的進行監(jiān)控，可通過采集網絡的通訊光纜實現其目的。自動氣象站需安裝在左壩頭1號監(jiān)測站的屋頂上。其主要測量的要素有5個，分別是濕度和溫度、風向和風速以及降水。
5 完善工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)
5.1 設置監(jiān)測站
該水利需設置監(jiān)測管理站、監(jiān)測管理中心站以及3座監(jiān)測站。在廠區(qū)的辦公樓內設置監(jiān)測管理站。在會商中心設置監(jiān)測管理中心站。會商中心位于某水利管理局(江孜縣)辦公樓內。在施工洞的出口、進水口閘室以及大壩左岸分別設置監(jiān)測站。監(jiān)測站需使用150支傳感器和7臺DAU兩種設備。3個監(jiān)測站分別命名為1號監(jiān)測站(也是強震監(jiān)測站)、2號監(jiān)測站和3號監(jiān)測站，3個監(jiān)測站傳感器數量分別為34支，35支，81支。
5.2 構建自動化采集網絡
原水利采集網絡所存在的問題主要有3個，一是系統(tǒng)運行速度慢;二是穩(wěn)定性較差;三是通訊干擾大。系統(tǒng)的采集網絡通訊協(xié)議為RS-485，采集網絡實現了全覆蓋(3個監(jiān)測站和1個監(jiān)測管理站)。通過光纜(通信介質)連接分布在不同地方的監(jiān)測站。雙環(huán)自愈型的采集網絡結構以及光纜的類型(鎧裝聚乙烯護層通信用室外 8 芯光纜)能為通訊的可靠性提供保證。采集工控機跟遠程控制計算機(監(jiān)測管理中心站內)通過以太網絡連接。以太網的網絡協(xié)議為TCP/IP。
各監(jiān)測點的儀器再經監(jiān)控服務器發(fā)出的指令后同時被觸發(fā)。系統(tǒng)采集數據的工作效率以及運行速度都有了很大的提高，為通訊的安全性以及可靠性提供了保證。
5.3 強震監(jiān)測網絡結構
該工程的強震監(jiān)測網絡也是通過以太網連接各個監(jiān)測站。其通訊協(xié)議為TCP/IP，網絡實現了全覆蓋(1號監(jiān)測站、2號監(jiān)測站及現場辦公樓內的監(jiān)測管理站)。強震監(jiān)測網絡使用的通信介質也是光纜。1號監(jiān)測站和2號監(jiān)測站的強震監(jiān)測儀都需要通過強震專用電纜連接相應的強震傳感器。1號監(jiān)測站的強震監(jiān)測儀連接的是位于自由場、壩高1/2以及壩頂中間的強震傳感器。2號監(jiān)測站的強震監(jiān)測儀連接的是位于溢洪道以及壩頂右岸的強震傳感器。通過光纜將強震采集服務器與強震監(jiān)測儀(2個監(jiān)測站)連接。這樣就形成了強震的監(jiān)測網絡結構，數據的采集與存儲工作也就完成了。
5.4 自動化監(jiān)測系統(tǒng)
自動化監(jiān)測系統(tǒng)需安裝遠程數據采集與分析的工作站和服務器以及數據采集工作站三種設備。數據采集工作站安裝在廠區(qū)辦公樓內，也就是監(jiān)測管理站的位置，數量為1臺。遠程數據采集與分析工作站以及服務器安裝在監(jiān)測管理中心站(某水利樞紐管理局辦公樓)，其數量為1臺，1臺。控制電纜的一頭連接著監(jiān)測管理中心站的管理網絡(縣某水利樞紐管理局辦公樓內)，另一頭連接著數據采集工作站(監(jiān)測管理站內)。現場實時自動化數據采集工作主要是由數據采集工作站(現場監(jiān)測管理站)來完成。遠程數據采集與管理分析工作主要是由遠程數據采集與分析工作站來完成。
5.5 開發(fā)安全監(jiān)測自動化采集、信息管理軟件
安全監(jiān)測自動化軟件系統(tǒng)主要包含3個子系統(tǒng)：(1)數據管理分析子系統(tǒng);(2)數據采集子系統(tǒng);(3)數據庫子系統(tǒng)。數據管理分析子系統(tǒng)主要是用來綜合分析和管理信息程序。數據采集子系統(tǒng)包含自動化數據采集、自動化數據采集以及人工監(jiān)測數據輸入3個模塊。系統(tǒng)最為關鍵的核心是數據庫子系統(tǒng)。其他子系統(tǒng)的數據服務支持離不開數據庫子系統(tǒng)的支持。數據庫子系統(tǒng)由7個數據庫組成，分別是工程資料庫、方法庫、模型庫、系統(tǒng)配置庫、分析數據庫、整編數據庫以及原始數據庫。由此可見，該軟件系統(tǒng)的安全運行服務主要是以數學物理模型方法、數據庫(分布式關系)、計算機管理網絡系統(tǒng)、自動化數據采集網絡聯(lián)合工作的。評價一個軟件系統(tǒng)是否好壞，不僅要看軟件系統(tǒng)軟硬件的配置，還需考慮軟件系統(tǒng)是否能與其他設備兼容、技術是否先進，運行是否可靠，系統(tǒng)是否實用、操作是否簡單以及能否擴充等問題。因此，有必要開發(fā)一套安全監(jiān)測自動化采集、信息管理軟件。該軟件應具有的功能有選測功能、自動巡測功能以及自動檢查功能。該軟件系統(tǒng)提供了5中自動控制方式，更好的實現了自動檢測存儲、采集以及觸發(fā)的功能。該系統(tǒng)采用兩種控制方式完成數據采集工作。一種是遠程控制方式;另一種是現場控制方式。為了確保觀測數據的及時性以及準確性，該系統(tǒng)還提供了自動觸發(fā)復測、在線監(jiān)測以及實時完成數據整編計算的功能。另外，軟件系統(tǒng)還提供了遠程監(jiān)控的功能。通過構建網絡結構，實現了對監(jiān)測管理中心站、現場工控機以及采集工控機的聯(lián)網。遠程控制采集軟件安裝在遠程下位機處，幫助軟件系統(tǒng)完成數據提交人庫以及遠程數據采集等工作。監(jiān)測管理中心站的數據庫為SQL Serv-er 2008 R2版，其主要是用來整合前期觀測的數據(觀測數據的整編計算、粗差剔除、人庫等工作)。
6 結語
經改造后的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)結合了當代最先進的自動化技術以及安全監(jiān)測技術。改造后的系統(tǒng)，采集網絡結構更先進，測控裝置選用了新型的DAU，增加了人工接口裝置以及防雷電設備等，極大的改善了原系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)集數學物理模型方法、數據庫(分布式關系)、計算機管理網絡系統(tǒng)以及自動化數據采集網絡為一體，更好的實現了對觀測數據的采集、整編、計算等工作，使得安全監(jiān)測系統(tǒng)能安全可靠的運行。
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