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最新淺析水利工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的改造方法論文
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(shù)據(jù)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(yán)重影響了水利工程的發(fā)展，也極大的制約了國民經(jīng)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)據(jù)以及信息傳輸?shù)哪芰σ灿辛孙@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(shù)據(jù)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(yán)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(xiàn)實意義。目前，水利工程使用的采集控制設(shè)備大多配套有安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，大多數(shù)采集控設(shè)備都是非標(biāo)準(zhǔn)的、通用的。設(shè)備的生產(chǎn)廠家不同、型號不同，設(shè)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(chǔ)上，加以改進和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。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(xiàn)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(nóng)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(xiàn)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(shè)備。當(dāng)初，在設(shè)計時已考慮到這點，該工程安裝了大量的監(jiān)測儀器設(shè)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(gòu)成，分別是強震采集工作站、強震采集儀以及強震測點，其數(shù)量分別為1臺、1臺、4套。根據(jù)管理人員的敘述和相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)。在2013年4月22日到24日去現(xiàn)場進行測試和檢測，發(fā)現(xiàn)的問題有：一是兩套系統(tǒng)問題嚴(yán)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(shè)備電路老化問題嚴(yán)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(shè)計原則
3.1 必要性
該水利工程所建位置地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地基性質(zhì)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(shù)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(zhì)量以及設(shè)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(xiàn)場工作人員不能及時發(fā)現(xiàn)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(yán)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(xiàn)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(xiàn)實意義。
3.2 設(shè)計原則
安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要滿足3個設(shè)計原則，一是可靠性原則。安全系統(tǒng)的可靠性，可從技術(shù)指標(biāo)方面來提升：(1)自動采集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度要達到相關(guān)規(guī)范(SL551，SL268 等)的要求;(2)自動采集的數(shù)據(jù)的缺失率應(yīng)低于2%;(3)數(shù)據(jù)采集裝置的無故障時間的平均值應(yīng)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(dāng)前的監(jiān)測儀器設(shè)備的軟硬件技術(shù)水平要先進。三是經(jīng)濟適用原則。根據(jù)樞紐工程的實際作用，監(jiān)測項目的改造要有針對性，現(xiàn)有的儀器設(shè)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(jīng)濟適用的目的。
3.3 改造項目的確定
通過對現(xiàn)場調(diào)研，該安全監(jiān)測系統(tǒng)的運行現(xiàn)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(nèi)部位移;五是庫區(qū)環(huán)境量。前四個方面是對現(xiàn)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(shè)計
4.1 壩體內(nèi)部位移監(jiān)測
壩體內(nèi)部位移的監(jiān)測需在距大壩軸線7米處(壩軸線下游側(cè))的位置設(shè)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(nèi)部位移(粘土心墻內(nèi)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(shè)備為活動測斜儀。自動檢測的方法使用的設(shè)備為固定測斜儀。固定測斜儀安裝在測斜管內(nèi)，安裝數(shù)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(nèi)浸潤線的位置。壩體內(nèi)浸潤線的監(jiān)測需在壩體內(nèi)部沿壩軸線上游側(cè)(距壩軸線1米)以及下游側(cè)(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(shù)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(shè)備是平尺水位計。自動監(jiān)測方法使用的設(shè)備是滲壓計。滲壓計安裝在測壓管內(nèi)。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(shè)備為滲壓計。12支滲壓計需安裝在測壓孔內(nèi)。
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(shè)置。監(jiān)測的主要目標(biāo)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(shè)置6個監(jiān)測點。其中3個監(jiān)測點設(shè)置在壩址、壩高的1/2，壩頂處。剩余的監(jiān)測點(3個)分別設(shè)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(nèi)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(wǎng)實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集軟件和自動氣象站。在負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的工作站(監(jiān)測管理站內(nèi))內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集軟件。環(huán)境量監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與存儲工作需要實時的進行監(jiān)控，可通過采集網(wǎng)絡(luò)的通訊光纜實現(xiàn)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(fēng)向和風(fēng)速以及降水。
5 完善工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)
5.1 設(shè)置監(jiān)測站
該水利需設(shè)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(nèi)設(shè)置監(jiān)測管理站。在會商中心設(shè)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(nèi)。在施工洞的出口、進水口閘室以及大壩左岸分別設(shè)置監(jiān)測站。監(jiān)測站需使用150支傳感器和7臺DAU兩種設(shè)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(shù)量分別為34支，35支，81支。
5.2 構(gòu)建自動化采集網(wǎng)絡(luò)
原水利采集網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議為RS-485，采集網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)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(zhì))連接分布在不同地方的監(jiān)測站。雙環(huán)自愈型的采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(yuǎn)程控制計算機(監(jiān)測管理中心站內(nèi))通過以太網(wǎng)絡(luò)連接。以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為TCP/IP。
各監(jiān)測點的儀器再經(jīng)監(jiān)控服務(wù)器發(fā)出的指令后同時被觸發(fā)。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
該工程的強震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)也是通過以太網(wǎng)連接各個監(jiān)測站。其通訊協(xié)議為TCP/IP，網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了全覆蓋(1號監(jiān)測站、2號監(jiān)測站及現(xiàn)場辦公樓內(nèi)的監(jiān)測管理站)。強震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)使用的通信介質(zhì)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(yīng)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(wù)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與分析的工作站和服務(wù)器以及數(shù)據(jù)采集工作站三種設(shè)備。數(shù)據(jù)采集工作站安裝在廠區(qū)辦公樓內(nèi)，也就是監(jiān)測管理站的位置，數(shù)量為1臺。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與分析工作站以及服務(wù)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(shù)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(wǎng)絡(luò)(縣某水利樞紐管理局辦公樓內(nèi))，另一頭連接著數(shù)據(jù)采集工作站(監(jiān)測管理站內(nèi))�，F(xiàn)場實時自動化數(shù)據(jù)采集工作主要是由數(shù)據(jù)采集工作站(現(xiàn)場監(jiān)測管理站)來完成。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與管理分析工作主要是由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)管理分析子系統(tǒng);(2)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng);(3)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包含自動化數(shù)據(jù)采集、自動化數(shù)據(jù)采集以及人工監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入3個模塊。系統(tǒng)最為關(guān)鍵的核心是數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。其他子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)支持離不開數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)的支持。數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)由7個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫、整編數(shù)據(jù)庫以及原始數(shù)據(jù)庫。由此可見，該軟件系統(tǒng)的安全運行服務(wù)主要是以數(shù)學(xué)物理模型方法、數(shù)據(jù)庫(分布式關(guān)系)、計算機管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自動化數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)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(shè)備兼容、技術(shù)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(yīng)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(xiàn)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(shù)據(jù)采集工作。一種是遠(yuǎn)程控制方式;另一種是現(xiàn)場控制方式。為了確保觀測數(shù)據(jù)的及時性以及準(zhǔn)確性，該系統(tǒng)還提供了自動觸發(fā)復(fù)測、在線監(jiān)測以及實時完成數(shù)據(jù)整編計算的功能。另外，軟件系統(tǒng)還提供了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對監(jiān)測管理中心站、現(xiàn)場工控機以及采集工控機的聯(lián)網(wǎng)。遠(yuǎn)程控制采集軟件安裝在遠(yuǎn)程下位機處，幫助軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)提交人庫以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等工作。監(jiān)測管理中心站的數(shù)據(jù)庫為SQL Serv-er 2008 R2版，其主要是用來整合前期觀測的數(shù)據(jù)(觀測數(shù)據(jù)的整編計算、粗差剔除、人庫等工作)。
6 結(jié)語
經(jīng)改造后的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)結(jié)合了當(dāng)代最先進的自動化技術(shù)以及安全監(jiān)測技術(shù)。改造后的系統(tǒng)，采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(shè)備等，極大的改善了原系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)集數(shù)學(xué)物理模型方法、數(shù)據(jù)庫(分布式關(guān)系)、計算機管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及自動化數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)為一體，更好的實現(xiàn)了對觀測數(shù)據(jù)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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