福建尤溪流域公司街面電站大壩內(nèi)觀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化改造方案

吳家永

摘 要：本次研究主要分析的內(nèi)容是電站大壩內(nèi)觀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化改造方案，在選取實(shí)際案例的基礎(chǔ)上，總結(jié)以下幾個(gè)方面：電站大壩內(nèi)觀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化所存在的問(wèn)題、電站大壩內(nèi)觀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化改造方案改造方案的制定。期望為后期的電站大壩內(nèi)觀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化改造提供相應(yīng)的借鑒。

關(guān)鍵詞：電站大壩；內(nèi)觀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；自動(dòng)化；改造

一、工程概況

福建街面水電站是尤溪干流梯級(jí)的龍頭水庫(kù)電站，工程樞紐由砼面板堆石壩、左岸岸邊式溢洪道、右岸引水系統(tǒng)、地下廠房及開(kāi)關(guān)站等組成。大壩內(nèi)觀監(jiān)測(cè)由面板周邊縫及垂直縫監(jiān)測(cè)、面板應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、面板脫空監(jiān)測(cè)、面板溫度監(jiān)測(cè)、面板鋼筋計(jì)、滲流監(jiān)測(cè)等組成。

二、大壩內(nèi)觀設(shè)備情況

面板周邊縫及垂直縫監(jiān)測(cè)包括沿周邊縫共設(shè)11組測(cè)縫計(jì)，用以監(jiān)測(cè)面板與趾板間周邊縫的張開(kāi)度、相對(duì)切向位移和垂直面板方向的相對(duì)沉降。周邊縫測(cè)縫計(jì)為南瑞公司生產(chǎn)的3DM-200型儀器（電位器式），采用3DM-2檢測(cè)儀進(jìn)行觀測(cè)。面板測(cè)縫計(jì)主要布置在典型的受拉和受壓的面板接縫處，以觀測(cè)張拉縫的變形，共9支；面板應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)包括在面板上共布置三向應(yīng)變計(jì)8組、二向應(yīng)變計(jì)9組，共計(jì)42支，并在每組應(yīng)變計(jì)旁配設(shè)1支無(wú)應(yīng)力計(jì)，共計(jì)17支；面板鋼筋計(jì)包括14支鋼筋計(jì)分別布置在三個(gè)樁號(hào)（壩左0+075、壩右0+036、壩右0+120）不同高程（190m、215m、235m、255.00m、275m）面板順壩坡的受力鋼筋上。滲流監(jiān)測(cè)包括壩基滲透壓力、繞壩滲流和滲漏量監(jiān)測(cè)等。壩基滲透壓力采用滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)，在周邊縫附近面板后的墊層區(qū)共布置5支GK-4500S型滲壓計(jì)，以監(jiān)測(cè)大壩基礎(chǔ)的滲透水力梯度。大壩左岸壩肩（溢左0+024.88m、溢下0+024.906m）、右岸壩肩（壩右0+303.159m、壩下0+021.993m）各布置1個(gè)繞壩滲流孔，采用滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)大壩兩岸繞壩滲流情況。大壩下游側(cè)結(jié)合下游混凝土圍堰在壩左0+001.5m、壩下0+171.11m、178.72m高程設(shè)置2座量水堰，以監(jiān)測(cè)大壩滲漏量。量水堰采用木聯(lián)能LN2063量水堰測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)。以上監(jiān)測(cè)設(shè)備均采用人工觀測(cè)。

三、存在問(wèn)題

街面安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，目前該系統(tǒng)已運(yùn)行多年，系統(tǒng)整體運(yùn)行狀況較好，但仍存在一些不足之處，仍采用人工觀測(cè)，觀測(cè)頻次和精度無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)要求，給系統(tǒng)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的工作帶來(lái)一定的隱患，需要通過(guò)此次技術(shù)改造徹底解決長(zhǎng)期困擾的難題，以便監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠更好的服務(wù)于大壩的安全運(yùn)行[1]。

四、改造方案

1.數(shù)據(jù)采集單元（DAU）

數(shù)據(jù)采集單元（DAU）要求采用模塊化結(jié)構(gòu)，由測(cè)量模塊、專(zhuān)用不間斷電源、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)。一個(gè)DAU內(nèi)部可根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象配置不同類(lèi)型及數(shù)量的測(cè)量模塊；專(zhuān)用不間斷電源為測(cè)量模塊提供電源，內(nèi)含免維護(hù)蓄電池和充電器，正常情況下，由市電或太陽(yáng)能通過(guò)充電器給蓄電池充電，發(fā)生停電事件時(shí)，蓄電池可維持測(cè)量模塊工作，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的連續(xù)性；多功能分線部件用于將電源線和通信線合理地分接給DAU內(nèi)的各個(gè)部分，分線部件內(nèi)含有保險(xiǎn)絲和開(kāi)關(guān)，為安裝、調(diào)試及維護(hù)提供方便。防潮加熱器用于在潮濕環(huán)境下保證DAU內(nèi)部的相對(duì)干燥。各模塊、部件互相獨(dú)立，安裝、維修十分方便。每個(gè)測(cè)量模塊有獨(dú)立的微控制器電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、通信接口電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、傳感器信號(hào)調(diào)理電路、傳感器激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路、防雷擊電路及電源管理電路[2]。

2.數(shù)據(jù)測(cè)量模塊

DAU2000型分布式數(shù)據(jù)采集裝置的主要組成部分NDA系列數(shù)據(jù)采集智能模塊的主要部件（例如CPU、RAM、ROM、時(shí)鐘及電源管理、EIA 485通信、2級(jí)瞬態(tài)保護(hù)、自診斷等）均采用了進(jìn)口歐美和日本等國(guó)家的元（器）件，接線端子為德國(guó)Phoenix公司產(chǎn)品，詳見(jiàn)表。模塊外殼為全不銹鋼，不銹鋼表面文字采用激光刻制[3]。

NDA系列數(shù)據(jù)采集智能模塊的印刷電路板上所有的接點(diǎn)均鍍金，以保證抗氧化和耐受間歇運(yùn)行的能力，此外印刷電路板焊接后還噴涂了防潮防腐劑以適應(yīng)本工程潮濕的氣候條件。

（1）差阻儀器測(cè)量模塊選型：

本方案選用南京南瑞集團(tuán)公司生產(chǎn)的NDA1103型8通道差阻儀器測(cè)量模塊，它們完全滿現(xiàn)場(chǎng)的要求。并具有測(cè)量精度高、功能齊全、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便的特點(diǎn)。

（2）振弦儀器測(cè)量模塊選型：

本方案選用南京南瑞集團(tuán)公司生產(chǎn)的NDA1403、NDA1404型振弦式儀器測(cè)量模塊，它具有測(cè)量精度高、功能齊全、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，并具有以下特點(diǎn)：

（1）采用自適應(yīng)測(cè)試技術(shù)，同一個(gè)模塊的不同通道能同時(shí)接入國(guó)內(nèi)、外不同廠家的多種振弦式儀器。

（2）NDA14系列各通道頻率和溫度電阻自適應(yīng)，可以接入任意的頻率溫度組合。

（3）測(cè)量精度高、功能齊全、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）標(biāo)準(zhǔn)量信號(hào)測(cè)量模塊選型：

選用南京南瑞集團(tuán)公司生產(chǎn)的NDA1523（標(biāo)準(zhǔn)電壓）數(shù)據(jù)采集智能模塊，其用于自動(dòng)采集各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)量式儀器的信號(hào)，測(cè)量精度高、功能齊全、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定。廣泛應(yīng)用于大朝山、五強(qiáng)溪、三板溪、公伯峽、東深供水改造、天生橋二級(jí)、隔河巖等水電站。

電位器式傳感器數(shù)據(jù)采集智能模塊。

3.DSIMS V4.0大壩安全信息管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件

本方案選用南京南瑞集團(tuán)公司生產(chǎn)的NARI DSIMS大壩安全信息管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件V4.0軟件，其與自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集單元配套，具有數(shù)據(jù)在線采集、電測(cè)成果計(jì)算、測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的報(bào)表、圖形輸出、采集饋控、遠(yuǎn)程召測(cè)、信息報(bào)送等六個(gè)主要部分。各部分有獨(dú)立的用戶界面，既可以和安全監(jiān)測(cè)信息管理及綜合分析系統(tǒng)協(xié)同工作，又可單獨(dú)運(yùn)行。

4.遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心站改造

大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化改造后，因流域梯級(jí)電站大壩安全管理的需要，擬建設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心站對(duì)街面電站大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，本工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)站（內(nèi)有一臺(tái)或多臺(tái)測(cè)控單元）、通信設(shè)備、控制線路、電源線路、采集計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集軟件等組成。整個(gè)系統(tǒng)由二個(gè)監(jiān)測(cè)管理中心站和13個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站組成。監(jiān)測(cè)管理中心站設(shè)置在水東電廠水工觀測(cè)班及界面電站中控樓，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站分布在各建筑物現(xiàn)場(chǎng)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元直接與傳感器相接，每個(gè)測(cè)控單元在分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中都是獨(dú)立的，不需采集計(jì)算機(jī)指令，各測(cè)控單元有其自身的日歷和時(shí)鐘，可獨(dú)立完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、工程單位轉(zhuǎn)換，或接受采集計(jì)算機(jī)的指令完成有關(guān)操作等。由于光纜傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)越性及可靠性，監(jiān)測(cè)管理中心站與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站之間以及監(jiān)測(cè)站與監(jiān)測(cè)站之間采用光纜連接實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。但同一監(jiān)測(cè)站中若有兩臺(tái)及以上的測(cè)控單元，則該監(jiān)測(cè)站內(nèi)的測(cè)控單元間使用電纜連接。監(jiān)測(cè)管理中心站預(yù)留與電站監(jiān)控系統(tǒng)以及電站MIS系統(tǒng)的傳輸接口。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即以數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)作為中央節(jié)點(diǎn)用總線向外延伸，連接所有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站內(nèi)的測(cè)控單元?？偩€通訊架構(gòu)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的通用性和兼容性。

5.中心站主要組成

（1）監(jiān)測(cè)管理中心站

監(jiān)測(cè)管理中心站設(shè)置在水東電廠水工觀測(cè)班及界面電站中控樓，配置3臺(tái)計(jì)算機(jī)，作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器兼工控機(jī)，用于遠(yuǎn)程通信、監(jiān)測(cè)資料分析、日常數(shù)據(jù)采集和管理。

（2）現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)

安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)管理站、若干個(gè)監(jiān)測(cè)站和各監(jiān)測(cè)部位的傳感器組成，現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)采用光纖和雙絞線構(gòu)建符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)的總線型通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站之間、監(jiān)測(cè)站與監(jiān)測(cè)管理站之間的數(shù)據(jù)通信。

監(jiān)測(cè)儀器接入相應(yīng)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)采集裝置（MCU），儀器數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)MCU統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸。監(jiān)測(cè)站內(nèi)數(shù)據(jù)采集裝置采用雙絞線連接后，接入光端機(jī)，由光端機(jī)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸，在監(jiān)測(cè)管理中心內(nèi)，由光端機(jī)再次將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，傳輸至采集計(jì)算機(jī)。一般一個(gè)監(jiān)測(cè)站位置設(shè)置一臺(tái)光端機(jī)，條件許可時(shí)若干個(gè)近距離監(jiān)測(cè)站的MCU可共用一臺(tái)光端機(jī)。

參考文獻(xiàn)

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[2]周世龍，梁佳瑞，王育琳，馬紅巖，孫憲斌.桃林口水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造方案[J].河北水利，2013，05（15）：23.

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（作者單位：福建水口發(fā)電集團(tuán)尤溪流域分公司）