新疆和田地區(qū)小型水庫大壩自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

趙衛(wèi)東，呂明明

(1.新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.山脈科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

1 引言

隨著科技水平的不斷發(fā)展，自動化監(jiān)測已經(jīng)逐漸成為可能[1-2]。通過各項自動化監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，可大幅度降低人工工作強度，提高工作效率，具有十分重要的意義[3-4]。新疆和田地區(qū)水資源時空分布不均勻，為改善這一現(xiàn)象，修建了大量的小型水庫，水庫安全對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟、社會影響極大。但大量的大壩安全監(jiān)測需要耗費大量的人力、物力，實施難度較高，因此，建設(shè)自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的。

2 系統(tǒng)概況

工程監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用分布式監(jiān)測自動采集系統(tǒng)，分布式監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)由自動化監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)自動采集單元和監(jiān)測主機組成。其中數(shù)據(jù)自動采集單元布設(shè)在現(xiàn)場，各類自動化監(jiān)測儀器通過專用電纜就近接入采集單元，再由采集單元按照采集程序進行數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、存儲并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心的主機做深入分析和處理。

水庫自動化系統(tǒng)架構(gòu)按四層考慮：①感知層；②采集層；③傳輸層；④應(yīng)用層。其中，感知層主要包括：由滲流、應(yīng)變、位移類等差阻式、振弦式、電位器式、標(biāo)準(zhǔn)信號式監(jiān)測儀器和環(huán)境量采集傳感器；采集層主要包括：電測儀器自動采集單元、人工采集讀數(shù)儀等；傳輸層主要包括：光端機、三層交換機、通訊電纜、通訊光纜等；應(yīng)用層主要指監(jiān)控中心的監(jiān)控主機、服務(wù)器等。系統(tǒng)框架見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)建設(shè)

3.1 現(xiàn)場測站分布與配置

(1)配置原則

現(xiàn)場測站在配置數(shù)據(jù)自動采集單元時，應(yīng)注意差阻式、振弦式、電位器式等各類型儀器的數(shù)量，并應(yīng)根據(jù)各類儀器的接入數(shù)量合理配置采集模塊數(shù)量。配置原則如下：

1)在進行MCU測站布置時，應(yīng)綜合考慮儀器電纜、通訊設(shè)備等情況，并以數(shù)據(jù)采集單元(MCU)盡量集中布置的原則，優(yōu)化測站的位置。

2)原觀測系統(tǒng)中已損壞且不能補埋的儀器可不接入自動化系統(tǒng)中。

3)每座現(xiàn)場測站內(nèi)配置一臺光端機，采用總線結(jié)構(gòu)將多個自動采集單元接入，自動采集單元之間的連接采用屏蔽雙絞線。

4)每個自動采集單元均應(yīng)考慮蓄電池供電，蓄電池數(shù)量一般情況下，2臺及以下自動采集單元可配一組蓄電池。

5)監(jiān)測系統(tǒng)一般設(shè)專門的接地系統(tǒng)，測站柜內(nèi)自動采集單元(MCU)的接地系統(tǒng)應(yīng)與其所在建筑物的電氣接地系統(tǒng)可靠連接。

6)環(huán)境量監(jiān)測是監(jiān)測資料分析的基礎(chǔ)，對于本工程來說，主要是氣溫和降雨量。因此，在大壩合適位置建立集成氣象站1座，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)接入自動化系統(tǒng)。

(2)測站分布及配置

現(xiàn)場測站的分布位置及自動化配置信息根據(jù)和田31座小水庫的設(shè)計報告進行優(yōu)化布設(shè)。

系統(tǒng)整體分為兩個層次。

1)一般監(jiān)測站

現(xiàn)場傳感器通過信號電纜將模擬信號傳送至現(xiàn)場采集單元模塊，采集單元模塊安裝在數(shù)據(jù)采集機箱內(nèi)，整體構(gòu)成數(shù)據(jù)采集前端單元。1個或多個數(shù)據(jù)采集前端單元構(gòu)成一個一般監(jiān)測測站。

2)監(jiān)測管理站

各個子系統(tǒng)的監(jiān)測管理站通過局域網(wǎng)相連，構(gòu)成自動化系統(tǒng)的主網(wǎng)絡(luò)。為便于各個子系統(tǒng)的管理及整個自動化系統(tǒng)的操作及數(shù)據(jù)處理，在環(huán)境較好、適合工作的地方設(shè)立監(jiān)測管理站，用于整個系統(tǒng)的管理、操作、數(shù)據(jù)處理。監(jiān)測中心站內(nèi)一般布設(shè)有數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站(計算機)、電源系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、接口等設(shè)備，滿足對系統(tǒng)內(nèi)及對外通訊。

(3)自動化設(shè)備清單

根據(jù)以上配置原則，每個小水庫測站自動化采集設(shè)備主要包括：自動采集單元(MCU)，每個MCU至少具備8個數(shù)據(jù)采集通道，采集點位較多時可在MCU中增加傳感器接入數(shù)據(jù)通道擴展板、1套交換機、1套穩(wěn)壓電源、1套電源防雷設(shè)備、1套系統(tǒng)接地、1套尾纖及保護盒等，自動采集單元(MCU)根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取掛壁安裝或者機柜內(nèi)安裝，適當(dāng)利用已有的建筑物，或者自建觀測房。

3.2 監(jiān)測管理站配置

監(jiān)測管理站設(shè)在壩后工程管理房內(nèi)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集、工程安全信息管理等功能需求，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)條件，主要配置的硬件設(shè)備包括：服務(wù)器、工作站、打印機、UPS、光端機、網(wǎng)絡(luò)交換機等。另配置一臺移動工作站，該計算機作為系統(tǒng)安裝調(diào)試時臨時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控站。

監(jiān)測管理站配置的軟件有：系統(tǒng)操作軟件、數(shù)據(jù)采集處理軟件、安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)等。

監(jiān)測管理站配置必要的系統(tǒng)操作軟件如Windows Server2012以上版本，必要的Office組件以及常用的數(shù)據(jù)庫以及工具軟件；

監(jiān)測管理站配置數(shù)據(jù)采集軟件進行系統(tǒng)的編程、通訊網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)輸出等。

監(jiān)測管理站配置工程安全監(jiān)測信息管理分析系統(tǒng)對工程資料檔案輸入、對監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗分析、用多種數(shù)據(jù)模型對水工建筑物安全進行在線監(jiān)控分析、安全評估以及各種需要的信息存儲輸出等。

3.3 通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

(1)設(shè)計原則

由于各監(jiān)測站分布較分散，且大壩變形監(jiān)測網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集站覆蓋的范圍較大，而以電信號為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)不能滿足系統(tǒng)信號傳輸?shù)男枰?，在通信網(wǎng)絡(luò)方案的選擇上，考慮光纖通信方式或者無線通信方式。

本方案通信網(wǎng)絡(luò)采用485總線結(jié)構(gòu)，即每個現(xiàn)地測站并行獨立接入光纖主干網(wǎng)絡(luò)，光纖主干網(wǎng)絡(luò)連接至監(jiān)測管理站，實現(xiàn)光信號與電信號的解調(diào)。設(shè)計原則如下：

1)為保證長距離傳輸時信號的衰減，現(xiàn)場測站在接入主干網(wǎng)絡(luò)前，所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號全部轉(zhuǎn)換為光信號；

2)自動化采集站內(nèi)部MCU與MCU之間采用485總線進行通信。

3)主干網(wǎng)絡(luò)光纜芯數(shù)按實際芯數(shù)并留有20%冗余，以備其他系統(tǒng)設(shè)備或后期自動化系統(tǒng)擴容時使用。

4)RS-485通訊總線不得走強電洞或是強電線管。如因環(huán)境所限，要平行走線，則要遠離50 cm以上。

(2)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)型式

現(xiàn)場測站之間網(wǎng)絡(luò)采用光纖485通信方式，各測站內(nèi)部MCU之間采用屏蔽雙絞線485通信方式。光纖采用單模光纜。

各系統(tǒng)之間通訊方式如下：

1)MCU與傳感器之間，采用各類型傳感器的專用信號電纜，滿足有效傳輸本工程各類監(jiān)測傳感器的信號。

2)MCU與MCU之間，通過MCU的485接口采用屏蔽雙絞線RS-485方式進行級聯(lián)，直至連接最后一臺MCU配置的光端機，然后由光纜連接至監(jiān)控中心的光端機。測量單元上的通訊口進行級聯(lián)，測量單元通485總線必須采用標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽雙絞線，這樣可有效防止和屏蔽干擾。總線長度不超過1200 m(建議在1000 m以內(nèi))。

3)監(jiān)測管理站和現(xiàn)場測站之間，采用總線結(jié)構(gòu)+光纖RS-485方式或者無線方式進行通信。其中有線測站采取總線方式，現(xiàn)場測站光纖熔接入主干光纖網(wǎng)絡(luò)，直至監(jiān)測管理站，之后通過監(jiān)測管理站的光端機接入網(wǎng)絡(luò)交換機，實現(xiàn)光信號與電信號的解調(diào)，從而接入現(xiàn)有自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理體系；無線測站則通過無線電臺，采取并行方式單獨連接監(jiān)測管理站。

通訊網(wǎng)絡(luò)拓撲圖見圖2、圖3。

圖2 通訊網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖3 監(jiān)測站點通訊網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

3.4 電源供電方式

(1)一般測站

就近引設(shè)供電方式，每座監(jiān)測站根據(jù)MCU數(shù)量配置免維護蓄電池組做為備用電源，蓄電池組容量按150 Ah/12 V配置，停電時為MCU、通信設(shè)備供電。所有設(shè)備接入廠用供電系統(tǒng)，應(yīng)通過穩(wěn)壓電源。

(2)獨立測站

對于獨立測站來說，采用太陽能供電系統(tǒng)和蓄電池組合的浮充供電系統(tǒng)為無線通信設(shè)備、數(shù)據(jù)采集單元(MCU)等設(shè)備供電。太陽能供電系統(tǒng)按60 W、蓄電池組容量按120 Ah/12 V考慮，輸出電壓12 V，蓄電池應(yīng)采用鉛酸膠體蓄電池，應(yīng)滿足通訊和采集設(shè)備的需要。

圖4 系統(tǒng)工作方式

太陽能供電系統(tǒng)由太陽能陣、匯流盒、太陽能控制器等組成，太陽能陣采用單晶硅。大部分太陽能陣放置在觀測房上，太陽能陣應(yīng)能與其結(jié)構(gòu)物可靠連接，并能在7級(含)以下的大風(fēng)環(huán)境內(nèi)正常工作。

(3)監(jiān)測管理站

監(jiān)測中心站不設(shè)獨立的電源系統(tǒng)，直接接入整個建筑物的供電系統(tǒng)。

3.5 系統(tǒng)工作方式

(1)中央控制方式

由監(jiān)測中心站采集機或主站管理計算機，命令所有數(shù)據(jù)采集單元同時巡測或指定單臺、單點進行選測，測量完畢將數(shù)據(jù)列表顯示，并根據(jù)需要存入采集數(shù)據(jù)庫。

(2)自動控制方式

由各臺測控單元自動按設(shè)定時間進行巡測、存儲，并將所測數(shù)據(jù)送至監(jiān)測中心站的采集機備份保存。

(3)遠程控制方式

由經(jīng)過允許協(xié)議的遠程計算機，通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場中心站進行全過程操作或?qū)ΜF(xiàn)場測控單元進行連接控制、檢測和管理。

3.6 系統(tǒng)冗余要求及運行方式

在監(jiān)測中心設(shè)置1臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、2臺工作站，可實現(xiàn)系統(tǒng)的冗余要求。

利用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器本身多硬盤結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置硬盤RAID備份，達到多機鏡像備份，滿足系統(tǒng)平均維修時間≤24 h的相關(guān)要求。

系統(tǒng)運行為24 h實時在線方式，可在線隨時進行測量。

4 結(jié)論

結(jié)合新疆和田地區(qū)小型水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)工程，介紹自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的概況及主要功能，并從現(xiàn)場測站配置、監(jiān)測管理站配置、通訊網(wǎng)設(shè)計、供電設(shè)計、系統(tǒng)工作及安全運行等多個方面分析和田地區(qū)大壩自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)過程。和田地區(qū)通過建設(shè)該系統(tǒng)，大大降低了小型水庫大壩安全監(jiān)測的工作難度，豐富了監(jiān)測數(shù)據(jù)成果，從而為大壩安全監(jiān)測及預(yù)報預(yù)警提供了可靠的數(shù)據(jù)，取得了豐碩的成果。