淺談自動化觀測系統(tǒng)在孟家溝水庫的應用

張春波，趙文卿

（1.山東臨沂水利工程總公司，山東 臨沂 276006；2.山東省科源工程建設監(jiān)理中心，山東 濟南 250014）

孟家溝水庫位于膠河干流王豐屯至李家營公路橋河段兩個天然彎道處，樞紐工程主要由圍壩、泄洪閘、左右岸出庫涵閘、灌溉引水管等組成，附屬建筑物由排澇溝、祝家莊河改道、湖心島等組成。水庫總庫容2 406萬m3、興利庫容1 730萬m3、死庫容102萬m3，為具有灌溉、供水、防洪、生態(tài)等綜合功能的中型水庫。孟家溝水庫的建設，充分攔蓄了膠河雨洪資源，可灌溉農田3 466.67 hm2，年灌溉供水量為890.4萬m3，每年為農村生活供水182.1萬m3，每年生態(tài)補水量131.0萬m3，水庫年均供水能力1 203.5萬m3。

1 自動化系統(tǒng)的主要內容

1.1 自動化系統(tǒng)的內容

水庫調度自動化系統(tǒng)是集自動采集水文氣象、工情、機組、閘門信息、電網信息（包括調度指令）、數據存儲、數據管理、水務計算、報表制作、日常管理、決策分析（高級應用）等功能于一體的信息系統(tǒng)工程。其中水調自動化系統(tǒng)平臺功能包括除決策分析（高級應用）以外的功能。采集流域水情自動測報雨量站實時雨量信息、水位站實時水位信息。

采集機組監(jiān)控系統(tǒng)數據：包括各個機組實時有功、無功、狀態(tài)。閘門監(jiān)控系統(tǒng)數據：各個閘門實時開度。

1.2 自動化系統(tǒng)的布置

孟家溝水庫自動化觀測系統(tǒng)，分為監(jiān)測中心（中控室）和現場網絡監(jiān)測兩大部分。下面分別進行說明。

1.2.1 中控室

中控室設置在孟家溝水庫管理局辦公樓一樓西側。它是水庫監(jiān)測監(jiān)控自動化系統(tǒng)工程的重要基礎設施之一。既是自動化監(jiān)測監(jiān)控信息的公共傳輸平臺，又是自動化監(jiān)測監(jiān)控業(yè)務系統(tǒng)的運行環(huán)境。此外，還擔負著與外界交換信息的任務。中控室主要由計算機網絡及通信系統(tǒng)構成。

在中控室可觀測到整個孟家溝水庫庫區(qū)及泄洪閘的整體運行狀態(tài)，中控室內設置電視墻48吋大屏8塊，同步顯示孟家溝水庫庫區(qū)監(jiān)控攝像頭顯示畫面，設置研華工控機（I5-2400，4G，1T）4臺，裝有溢洪閘監(jiān)控應用系統(tǒng)軟件組態(tài)軟件、左右出庫涵閘監(jiān)控應用系統(tǒng)軟件組態(tài)軟件、大壩測壓應用軟件組態(tài)軟件，同步顯示泄洪閘（兩臺）、左右岸出庫涵閘、圍壩整體運行狀態(tài)。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、水情自動測報系統(tǒng)、閘門自動控制系統(tǒng)及實時視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用各自的通信方式，將監(jiān)測監(jiān)控信息傳輸到計算機網絡中，并建立統(tǒng)一的信息數據庫，實現監(jiān)測信息的共享。

設置控制主機電腦（I5，4G，1T）一臺，控制整個孟家溝水庫管理范圍內的攝像頭監(jiān)控數據。

1.2.2 現場網絡監(jiān)控

現場網絡監(jiān)控，涵蓋孟家溝水庫庫區(qū)、圍壩、泄洪閘、閘后管護道路、管理局自動化監(jiān)測系統(tǒng)五部分內容。

1）圍壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)。孟家溝水庫大壩變形觀測標示點布設在19個大壩橫斷面處，每個斷面分別布設2～3個標示點，這三處標示點分別位于上游截滲墻處、壩頂壩軸線處、和下游壩趾處，共在圍壩上建設55個標示點。

孟家溝水庫大壩滲壓自動化監(jiān)測系統(tǒng)共安裝28個壓力式壩基滲壓計，28個壓力式壩體滲壓計，安裝在圍壩10個斷面處，每個斷面分別布設2套壩基滲壓計，2套壩體滲壓計。每個斷面的滲壓計分別位于上游截滲墻處、壩頂壩軸線處、和下游壩趾處，共56個測壓管內。

大壩滲壓自動化監(jiān)測系統(tǒng)，在圍壩10個斷面處，各設置1套斷面集線箱，放置在壩頂滲壓系統(tǒng)集線井內，該斷面4套滲壓計，通過滲壓計專用電纜匯集在該集線井內，通過網絡交換機，經光纜將滲壓計數據傳輸至水庫管理局。

大壩滲壓自動化監(jiān)測系統(tǒng)通訊光纜采用24芯單模鎧裝光纜，光纜每2芯為一對，共分12對。光纜沿壩頂下游側綠化帶埋設。

圍壩安裝10部高清網絡球型攝像機，監(jiān)控桿安裝在壩頂道路綠化帶側，監(jiān)控球機吊裝，可水平360°旋轉，垂直270°旋轉；實際監(jiān)控有效半徑600 m。風光互補供電。

考慮到供電成本，以及供電時間較短，大壩滲壓自動化監(jiān)測系統(tǒng)供電采用市電集中控制，電纜采用YJV-2×6+1×4，穿電纜保護管沿圍壩壩軸線埋設。做好電源避雷保護。

2）泄洪閘自動化監(jiān)測系統(tǒng)。泄洪閘自動化觀測系統(tǒng)包括超聲波水位數字顯示儀2臺，閘門開度荷重顯示儀10臺、閘門開度傳感器含閘門上下限位傳感器10臺，閘門荷重傳感器20臺，電涌保護器10臺，可編程控制器PLC11臺，液晶觸摸屏7寸10臺，液晶觸摸屏10.7寸1臺，底孔測流繞流MCU2套，水位傳感器2套，光電轉換器2套。通訊光纜采用24芯單模鎧裝光纜，光纜每2芯為一對，共分十二對，組成通訊環(huán)網。將數據同步至管理局中控室。

在泄洪閘底部，布置有VWS型振弦式應變計10套，VWS型振弦式應變計適用于長期埋設在水工結構物或其它混凝土結構物內，測量結構物內部的應變量，并可同步測量埋設點的溫度。

布置有VWD-J型振弦式測縫計20套，VWD-J型振弦式測縫計適用于長期布設在混凝土結構物或其它材料結構物內及表面，測量結構物伸縮縫或周邊縫的開合度(變形)，并可同步測量埋設點的溫度。

泄洪閘共安裝監(jiān)控攝像頭17部，用于觀測泄洪閘閘前、閘后、各個閘門的運行實時狀態(tài)、泄洪閘控制室、機房內部的具體工作狀態(tài)實時監(jiān)控，反饋至管理局中控室。

3）左右岸出庫涵閘自動化監(jiān)測系統(tǒng)。左右岸出庫涵閘自動化監(jiān)測系統(tǒng)，布置有WFX-40ZWFX-40Z浮子式水位計2套，以浮子感測水位變化，工作狀態(tài)下，浮子、平衡錘與懸索連接牢固，懸索懸掛在水位輪的“V”形槽中。平衡錘起拉緊懸索和平衡作用，調整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃水線上。在水位不變的情況下，浮子與平衡錘兩邊的力是平衡的。當水位上升時，浮子產生向上浮力，使平衡錘拉動懸索帶動水位輪作順時針方向旋轉，水位編碼器的顯示讀數增加；水位下降時，則浮子下沉，并拉動懸索帶動水位輪逆時針方向旋轉，水位編碼器的顯示器讀數減小。本儀器的水位輪測量圓周長為32 cm，且水位輪與編碼器為同軸聯接，水位輪每轉一圈，編碼器也轉一圈，輸出對應的32組數字編碼。當水位上升或下降，編碼器的軸就旋轉一定的角度，編碼器同步輸出一組對應的數字編碼。不同量程的儀器使用不同長度的懸索能夠輸出1 024～4 096組不同的編碼，可以用于測量10～40 m水位變幅。

通過與儀器插座相聯接的多芯電纜線可將編碼信號傳輸給中控室內的工控機，用作觀測、記錄或進行數據處理；安裝有RS485數字通信接口（或4～20 mA）的水位計，直接與通信機、計算機或儀表相聯接，組成為水文自動測報系統(tǒng)。

共安裝監(jiān)控攝像頭4部，用于左右岸出庫涵閘機房內外部的具體工作狀態(tài)實時監(jiān)控，反饋至管理局中控室。

2 運行操作

2.1 數據采集模塊（CCU）控制運行操作

1）每周一次自動化監(jiān)測系統(tǒng)巡測，可采取中央控制方式，也可采用自動控制方式運行。

2）在汛期高水位，低溫高水位，以及某些部位出現異常等情況下，可根據有關領導決定加密測次并采取自動控制方式運行。

3）正常情況下，數據采集模塊處于工作狀態(tài)，顯示器可以關掉運行。

4）數據采集模塊控制測量步驟：

（1）數據采集模塊向各遠程終端采集單元提供的系統(tǒng)工作電源（220VAC50Hz）和系統(tǒng)加熱電源（220VAC50Hz）應可靠工作。

（2）MCU的RS-422通訊總線接入數據采集模塊（CCU）的RS-485通訊卡的1口。

（3）數據采集模塊在Windows 10環(huán)境下運行。

（4）首先數據采集模塊進行系統(tǒng)自檢，自檢完畢后查閱自檢結果。若系統(tǒng)正常，進行正常自動化測量。若系統(tǒng)不正常，根據系統(tǒng)維護規(guī)程進行維修，若維修不了即和廠方聯系。

（5）讀取各遠程終端采集單元自報數據入庫。

（6）進行系統(tǒng)巡測。

（7）對本次系統(tǒng)巡測的所有數據進行瀏覽，檢查數據采集情況和數據可靠性。

2.2 中控室主機遠程數據采集模塊運行操作

1）遠程終端采集單元的RS-422通訊總線接入CCU的RS-485通訊卡的1口。

2）數據采集模塊的RS-422通訊總線一端接入數據采集模塊的RS-485通訊卡的2口，另一端接入主機的RS-485通訊卡的1口。

3）在主機上即可進行遠控自動化數據采集。

4）測量完畢后，逐級退出系統(tǒng)，再關機。

2.3 主機直接遠程控制各MCU測量的操作

1）數據采集模塊的RS-422通訊總線一端通過總線驅動器接入MCU的RS-422通訊總線的另一端，另一端接入主機的RS-485通訊卡的1口。

2）數據采集模塊向各遠程終端采集單元提供正常的系統(tǒng)工作電源（220VAC50HZ）和系統(tǒng)加熱電源（220VAC50HZ）。

3）主機在Windows 10環(huán)境下運行系統(tǒng)軟件。

4）進行遠控自動化數據采集。

5）測量完畢后，逐級退出系統(tǒng)，再關機。

3 功能特點

1）可實時遠程監(jiān)測水庫的各測試參數，可根據需要設定采集頻率、測點數據，對原始數據可進行各種計算。

2）數據能夠以各種數據庫形式保存并可進行歷史數據的查詢，還可以對數據分類、統(tǒng)計直接生成Excel或其他形式的報表。

3）數據可以以圖形方式顯示，包括水位流量關系，水位過程線，雨量柱狀圖，滲壓、滲流過程線，時間歷程曲線圖，X/Y坐標圖，模擬圖，直方圖，柱狀圖等形式。

4）具有數據越限報警功能，水位超汛限水位報警和水位漲落率越限報警，現場即時上傳報警信息時，主機會出現明顯的報警畫面和報警信息。

5）自動化采集雨量、水位等水情信息，滲壓、滲流等大壩監(jiān)測信息，實現水庫大壩浸潤線的自動監(jiān)測。

6）采用標準化、開放式設計，標準的MODBUS通訊協議，可以接入通用的工控組態(tài)軟件或專用的安全監(jiān)測軟件，采用近距離無線網或GPRS/CDMA通訊，降低了安全監(jiān)測系統(tǒng)的實施難度。

7）分布式系統(tǒng)結構，具有高度的可靠性及經濟性，各數據采集單元分布在傳感器安裝地點附近，系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性大幅提高，同時可大幅減少信號電纜的用量，系統(tǒng)的經濟性大大提高，工程的實施及維護更加方便。

4 結語

隨著國家實施大數據戰(zhàn)略加快數字中國建設，水利工程管理也向智慧水利轉變，實現水利信息感知、采集、傳輸、匯總、分析、預警及應用的網絡化、自動化、智能化和可視化，實時實現水利信息共享，提升水利工程運用和管理的效率和效能，實現精準管理、科學管理，以創(chuàng)新管理增加效益。