山西省萬(wàn)家寨引黃工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

辛貴升，朱化廣，張左強(qiáng)，李善言

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

山西省萬(wàn)家寨引黃工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

辛貴升，朱化廣，張左強(qiáng)，李善言

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

摘要：介紹了山西省萬(wàn)家寨引黃工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組網(wǎng)、設(shè)備配置和系統(tǒng)功能、供電方案及監(jiān)測(cè)管理分析軟件系統(tǒng)等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化；萬(wàn)家寨引黃工程；通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

1　引言

萬(wàn)家寨引黃工程是目前在建的一項(xiàng)跨流域大型調(diào)水工程，引水線路總長(zhǎng)約450 km，主要建筑物包括6座大型泵站、6個(gè)調(diào)節(jié)水庫(kù)及這些建筑物之間的隧洞、埋涵、渡槽、PCCP管道等。工程分二期建設(shè)，一期工程通水到太原；二期工程按設(shè)計(jì)規(guī)模實(shí)現(xiàn)向太原、大同及朔州供水。整個(gè)輸水系統(tǒng)采用全線自動(dòng)化進(jìn)行控制和管理。

為了確保工程安全運(yùn)行，在隧洞、渡槽及泵站等主體工程建筑物上布置了大量安全監(jiān)測(cè)儀器，隨著工程土建施工完畢，在工程沿線布置了37座監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)儀器就近引至附近監(jiān)測(cè)站的MCU進(jìn)行集中觀測(cè)。由于沒(méi)有交流電源，多數(shù)監(jiān)測(cè)站MCU只采用電池供電。MCU在無(wú)人職守情況下進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，并儲(chǔ)存所測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)人員定期到現(xiàn)場(chǎng)采用便攜式計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)、更換電池，并進(jìn)行維護(hù)，系統(tǒng)可靠性低，管理人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。由于引黃監(jiān)測(cè)站形式較多，分布在工程不同部位，區(qū)域內(nèi)地形條件復(fù)雜，沿線山谷、溝壑縱橫，遇到雨雪天氣，觀測(cè)人員無(wú)法為監(jiān)測(cè)站更換電池和讀數(shù)，就可能造成缺測(cè)或數(shù)據(jù)丟失，中斷觀測(cè)序列，造成無(wú)法彌補(bǔ)的損失。為此需建立安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化采集和管理。

引黃工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)總體功能是監(jiān)測(cè)工程建筑物運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)物理量變化狀態(tài)，并對(duì)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查資料進(jìn)行管理和處理分析，及時(shí)對(duì)工程運(yùn)行狀態(tài)作出評(píng)價(jià)，為工程運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)遵循下述原則：

（1）設(shè)計(jì)力求實(shí)用、可靠、先進(jìn)及經(jīng)濟(jì)；

（2）通信組網(wǎng)以滿足安全監(jiān)測(cè)測(cè)量精度和功能需求為原則；

（3）充分利用工程已建通信、供電等各類設(shè)施，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，避免工程重復(fù)建設(shè)；

（4）選擇合適的系統(tǒng)工作體制和數(shù)據(jù)通信方式；

（5）關(guān)鍵測(cè)站或分中心測(cè)站的通信要有備用通道；

（6）系統(tǒng)設(shè)備選用技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量?jī)?yōu)良、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、價(jià)格適宜的產(chǎn)品，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)適合在低溫等惡劣環(huán)境條件下長(zhǎng)期工作；

（7）野外無(wú)交流供電的測(cè)站采用太陽(yáng)能供電方式，并具有可靠防雷措施；

（8）MTBF>10 000 h；（MTTR）<1 h；

（9）系統(tǒng)應(yīng)具有可擴(kuò)展和后續(xù)開(kāi)發(fā)能力。

3　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)引黃工程特點(diǎn)，安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)采用監(jiān)測(cè)中心站、監(jiān)測(cè)分中心站和監(jiān)測(cè)站三個(gè)層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，共設(shè)1個(gè)太原中心站、1個(gè)備用中心站、4個(gè)分中心站，包括總干一級(jí)泵站、總干三級(jí)泵站、南干一級(jí)泵站、南干二級(jí)泵站及37個(gè)監(jiān)測(cè)站，整個(gè)引黃工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)共計(jì)接入測(cè)點(diǎn)約1 600個(gè)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.1監(jiān)測(cè)中心站

監(jiān)測(cè)中心站設(shè)在太原市，負(fù)責(zé)引黃工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、水工建筑物的結(jié)構(gòu)性態(tài)分析、安全評(píng)估，生成多種圖形和報(bào)表并展現(xiàn)。監(jiān)測(cè)中心站在內(nèi)部以網(wǎng)絡(luò)工作組的方式進(jìn)行協(xié)同工作，還同遠(yuǎn)端的監(jiān)測(cè)備用中心站、監(jiān)測(cè)分中心站保持不間斷的通信。

監(jiān)測(cè)中心站主要配置包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、主服務(wù)器、通信服務(wù)器、防火墻、網(wǎng)管工作站、操作員/工程師工作站、大屏幕顯示器、打印機(jī)、掃描儀及相應(yīng)的軟件等。

3.2備用監(jiān)測(cè)中心站

備用監(jiān)測(cè)中心站設(shè)在總干三級(jí)泵站。正常情況下，備用監(jiān)測(cè)中心站只作監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)備份。在太原監(jiān)測(cè)中心站出現(xiàn)故障，不能正常工作，或總干三級(jí)泵站到太原通信出現(xiàn)故障，監(jiān)測(cè)中心站無(wú)法正常采集數(shù)據(jù)時(shí)，備用中心站代替太原中心站，控制管理整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行正常工作。

備用監(jiān)測(cè)管理中心站主要配置包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器、工控機(jī)、防火墻、電源、打印機(jī)及相應(yīng)的軟件等。

3.3監(jiān)測(cè)分中心站

監(jiān)測(cè)分中心站功能以通信為主，功能包括數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、處理判斷并按中心站要求上傳數(shù)據(jù)。主要設(shè)備包括工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、工控機(jī)、電源及相應(yīng)的軟件等設(shè)備。

3.4監(jiān)測(cè)站

輸水沿線共布置有37座監(jiān)測(cè)站。

為保證引黃工程隧洞、渡槽及泵（閘）站等主體工程建筑物的運(yùn)行安全，全面掌握運(yùn)行工況，在輸水沿線布置了大量的監(jiān)測(cè)儀器以進(jìn)行變形、應(yīng)力應(yīng)變、滲漏及外水壓力、溫度、水位等監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器隨主體工程已安裝埋設(shè)完畢。監(jiān)測(cè)儀器電纜就近引至附近的監(jiān)測(cè)站進(jìn)行集中觀測(cè)。

監(jiān)測(cè)站內(nèi)設(shè)置MCU設(shè)備、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)、電源及附屬設(shè)備。監(jiān)測(cè)站MCU設(shè)備采集相關(guān)安全監(jiān)測(cè)信息，進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接至以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳監(jiān)測(cè)中心。

4　系統(tǒng)組網(wǎng)方案

本工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)主要采用計(jì)算機(jī)IP網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸和共享、保證信息傳輸?shù)募皶r(shí)性、靈活性和準(zhǔn)確性。IP計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)共設(shè)太原監(jiān)測(cè)中心、總一分中心、總?cè)种行?、南一分中心、南二分中心?個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。

目前，引黃工程已建成覆蓋監(jiān)測(cè)中心站、監(jiān)測(cè)分中心站（備用監(jiān)測(cè)中心站）的計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)絡(luò)，安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中心站及各監(jiān)測(cè)分中心站可利用引黃計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)之間通信。

由于監(jiān)測(cè)站機(jī)房環(huán)境惡劣，且引黃工程在輸水隧洞內(nèi)已敷設(shè)有光纜可以利用，因此，為適應(yīng)長(zhǎng)期在高溫、低溫和潮濕等惡劣環(huán)境下可靠工作、滿足無(wú)人值守、功耗低、可靠性高的要求，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化接入和可靠傳輸并構(gòu)建同一IP網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，本工程監(jiān)測(cè)分中心站與監(jiān)測(cè)站之間的通信采用光纖工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)。在監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)分中心站均配置工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，各分中心站交換機(jī)利用已建光纜就近連接附近的監(jiān)測(cè)站，組成以各分中心站為核心的光纖工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)，將各監(jiān)測(cè)站信息匯集到就近的分中心站進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)，采用光纖IP網(wǎng)絡(luò)為監(jiān)測(cè)站增加視頻監(jiān)控預(yù)留了通道。

引黃工程聯(lián)接段的汾河水庫(kù)壩下洞出口左側(cè)和7號(hào)洞出口2個(gè)測(cè)站，則利用已建的聯(lián)接段光纖通信系統(tǒng)，直接接入太原中心站。

太原監(jiān)測(cè)中心站作為網(wǎng)絡(luò)中心，總?cè)种行募孀鱾溆镁W(wǎng)絡(luò)中心。

本工程各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)以太網(wǎng)或交換式以太網(wǎng)，采用TCP/IP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式采用B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用RIP簡(jiǎn)單路由協(xié)議，信息傳輸采用查詢-應(yīng)答式工作體制。

在太原監(jiān)測(cè)中心站設(shè)置通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)管終端，以管理網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和維護(hù)。配備專用網(wǎng)管軟件，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管理，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、數(shù)據(jù)分析等工作，有效和方便地對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)等信息系統(tǒng)進(jìn)行全面的設(shè)備管理和功能管理。

為使網(wǎng)絡(luò)具備計(jì)算機(jī)病毒的預(yù)防和控制能力，在網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵部位設(shè)置防火墻、入侵防御系統(tǒng)和安裝防病毒軟件。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。

圖2安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)組織及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖

5　系統(tǒng)供電方案

電源系統(tǒng)是安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，為了保證自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，電源系統(tǒng)必須穩(wěn)定、可靠，不能中斷對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的供電。

引黃工程安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站分布在工程沿線，異常分散。監(jiān)測(cè)站的形式分室內(nèi)（泵站廠房?jī)?nèi)）、支洞內(nèi)、檢修通道內(nèi)、洞口地下、山頂?shù)叵潞偷孛娴榷喾N形式，而且大部分測(cè)站位于無(wú)人值守的山溝谷之間，遠(yuǎn)離市電電源，引接交流電非常困難。為此根據(jù)各站實(shí)際情況，本工程采取兩種供電方案。

（1）對(duì)于可引接交流電源的的監(jiān)測(cè)站，采用直流供電系統(tǒng)，各站配置相應(yīng)容量的高頻開(kāi)關(guān)電源和蓄電池組，浮充供電。

（2）對(duì)于沒(méi)有市電供電電源的監(jiān)測(cè)站，采用太陽(yáng)能電源系統(tǒng)為測(cè)站供電。

6　數(shù)據(jù)采集單元MCU配置

由于數(shù)據(jù)采集單元MCU多年在陰冷、潮濕等惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，目前多數(shù)存在問(wèn)題，且原配置的MCU型號(hào)及協(xié)議不統(tǒng)一，自動(dòng)化采集困難，因此本工程更換全部MCU。新更換的數(shù)據(jù)采集單元MCU采用模塊化結(jié)構(gòu)，由測(cè)量模塊、不間斷電源、防潮加熱器和多功能分線部件等幾部分組成，安裝在一個(gè)密封保護(hù)機(jī)箱內(nèi)。

（1）聯(lián)接、集測(cè)傳感器，具有自記和應(yīng)答功能；

（2）具有掉電自保護(hù)功能；

（3）具有實(shí)時(shí)觀測(cè)功能，可接入采集儀器，配制相應(yīng)測(cè)量模塊，可采集電容式、電阻式、壓阻式、電感式、振弦式（國(guó)內(nèi)外、單雙線圈）、電位器式、RS485總線式等傳感器。此外還可采集輸出為電流、電壓等帶有變送器的傳感器；

（4）具有簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、輸出、上傳等功能；

（5）設(shè)有RS485接口；

（6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量：100~300測(cè)次；

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

（8）保護(hù)箱采用密封結(jié)構(gòu)，能適合水電工程使用環(huán)境，具有很好的屏蔽、防塵和防潮能力，其保護(hù)程度在現(xiàn)場(chǎng)安裝符合IP56以上標(biāo)準(zhǔn)，可輔助以加熱方式防潮，所有接插件觸點(diǎn)鍍金。能適應(yīng)溫度-25~ ＋60℃和濕度≤95%RH環(huán)境條件。

7　系統(tǒng)主要作用與功能

自動(dòng)化系統(tǒng)的主要功能是合理地分析工程沿線的安全狀況，對(duì)自動(dòng)化采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全評(píng)估與分析，為決策部門(mén)提供分析結(jié)果。通過(guò)分析管理軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、處理、圖形分析、報(bào)表制作等功能，使所有的結(jié)果以直觀的圖表形式提供給有關(guān)人員作為分析決策參考。系統(tǒng)提供給有關(guān)人員的信息，除數(shù)據(jù)信息外，還包括相關(guān)分析結(jié)果與評(píng)估，包括變形情況、滲流情況、警界值等。

系統(tǒng)應(yīng)采取模塊化，資源化的開(kāi)發(fā)方式，至少包括系統(tǒng)管理、監(jiān)測(cè)信息管理、數(shù)據(jù)采集、綜合查詢、報(bào)表圖形制作、Web輸出等模塊。利用軟件復(fù)用與模塊功能組合，在不同的管理級(jí)別機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各自的功能，同時(shí)各系統(tǒng)資源可隨意創(chuàng)建與修改，實(shí)現(xiàn)在不同層次的管理機(jī)構(gòu)、不同的應(yīng)用功能與應(yīng)用范圍。

管理分析軟件具有數(shù)據(jù)采集接口，可以直接將自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)讀取，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并且可以錄入人工監(jiān)測(cè)資料、現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查資料及工程資料。支持將文字和數(shù)據(jù)按需要導(dǎo)出到Excel和Word中。用戶可以方便地使用該功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和處理，通過(guò)開(kāi)放的外部數(shù)據(jù)接口可以輕松地將第三方測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入。并具有在線幫助、向?qū)Чδ芎湾e(cuò)誤診斷功能。系統(tǒng)具有可擴(kuò)充性和兼容性，可以提供B/S和C/S兩種不同訪問(wèn)方式。具有系統(tǒng)用戶帳號(hào)管理，用戶權(quán)

限分配，查詢檢索和定制輸出功能。

8　結(jié)束語(yǔ)

本次工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)只包含了MCU及以上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，未涉及已建的MCU以下監(jiān)測(cè)儀器。由于監(jiān)測(cè)儀器已使用多年，建議下一步工程實(shí)施中，應(yīng)對(duì)已有監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行全面檢測(cè)，對(duì)損壞和不準(zhǔn)的儀器進(jìn)行維修和更換。只有保障數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，才能更好地發(fā)揮自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用，為保障工程安全提供科學(xué)的數(shù)據(jù)分析和參考。

中圖分類號(hào)：TV736

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）07-0076-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.022

收稿日期：2015-04-30

作者簡(jiǎn)介：辛貴升（1966-），男，高級(jí)工工程師，從事自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)工作。