許家崖水庫自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

張清秀,張清芳

(費(fèi)縣許家崖水庫管理中心，山東 費(fèi)縣 273400)

1 水庫信息集控站

水庫信息集控站主要包括對(duì)整個(gè)閘門監(jiān)控系統(tǒng)的管理、數(shù)據(jù)的采集和處理、綜合計(jì)算、事故故障信號(hào)的分析處理等。通過實(shí)施許家崖水庫信息集控站建設(shè)，不斷推進(jìn)計(jì)算機(jī)信息管理的開發(fā)與應(yīng)用，同時(shí)，不斷提高遠(yuǎn)程辦公應(yīng)用服務(wù)能力[1]。

1.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理

閘門監(jiān)控工作站通過PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)與PLC通信，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和處理；大壩測(cè)壓監(jiān)控工作站通過光纜以RS485口與大壩MCU通信，采集溢洪閘、大壩的應(yīng)力、變形及滲壓。

主要完成數(shù)據(jù)的收集與分析處理，建設(shè)時(shí)提出水電智能化運(yùn)行管理方式，并以此高度來建設(shè)集控中心，服務(wù)于智能電網(wǎng)，通過水電智能化平臺(tái)將流域現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程的電力生產(chǎn)運(yùn)行人員融為一體，實(shí)現(xiàn)流域水電的安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

1.2 實(shí)時(shí)控制與安全監(jiān)測(cè)

水庫實(shí)時(shí)控制與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立，將有助于水庫管理部門全面掌握大壩的變形、滲流、環(huán)境等情況。并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫水雨情，遠(yuǎn)程控制閘門開關(guān)、視頻監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，實(shí)現(xiàn)水庫防汛和大壩安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為水庫安全鑒定、水庫除險(xiǎn)加固方案制定和防汛指揮調(diào)度提供數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)，滿足水庫管理現(xiàn)代化的需要。

1.3 數(shù)據(jù)通信

水庫數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與現(xiàn)地PLC或MCU通信采用總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，介質(zhì)DP總線專用電纜和單模光纜。建立水庫通信系統(tǒng)后，可免去大量的重復(fù)工作。需要查看某個(gè)水庫日常情況時(shí)，只需查詢有關(guān)數(shù)據(jù)即可訪問系統(tǒng)進(jìn)行工作，無需到達(dá)水庫現(xiàn)場(chǎng)[2-4]。

1.4 故障診斷系統(tǒng)

故障診斷系統(tǒng)技術(shù)在我國的化工、電力等行業(yè)有著較好的使用現(xiàn)狀。故障診斷系統(tǒng)主要包括三部分：(1)故障診斷物理、化學(xué)過程分析系統(tǒng)；(2)故障信號(hào)的采集、選擇、處理系統(tǒng)；(3)基于可觀測(cè)的設(shè)備故障表征來評(píng)估監(jiān)測(cè)情況，最終判斷可能發(fā)生故障部位及原因。

2 閘門監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

許家崖閘門監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由5套溢洪閘機(jī)旁箱LCU和放水洞LCU、輸水洞LCU、開度儀、水位計(jì)、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、避雷設(shè)備、PLC及觸摸屏等組成。許家崖水庫橋頭堡閘門監(jiān)控工作站與現(xiàn)地控制單元LCU采用PROFIBUS-DP總線或以太網(wǎng)連接，傳輸速率高，安全穩(wěn)定性好。監(jiān)控范圍包括溢洪道、放水洞、輸水隧洞。閘門監(jiān)控系統(tǒng)的核心是LCU、PLC。

2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理

閘門監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集到大量信息，對(duì)閘門有效信息的提取與分揀是其中的關(guān)鍵核心技術(shù)。實(shí)時(shí)采集到信息、數(shù)據(jù)以后，通過分揀和加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)價(jià)值與利益更大化的目的。例如，許家崖水庫采用現(xiàn)地LCU來采集電源開關(guān)、電氣設(shè)備的狀態(tài)以及水位信號(hào)。

2.2 實(shí)時(shí)控制與安全監(jiān)測(cè)

(1)現(xiàn)地PLC控制：支持登錄、代理采集，支持各種排重過濾，并對(duì)采集日志和采集源日志監(jiān)控。(2)中控室控制：支持采集網(wǎng)站、采集源管理，可通過網(wǎng)絡(luò)接受主控級(jí)的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的控制。(3)手動(dòng)控制：支持多種附件保存方式，對(duì)采集來的信息進(jìn)行二次加工，實(shí)現(xiàn)真正的多用戶采集系統(tǒng)，能通過現(xiàn)地控制屏上的手動(dòng)開關(guān)，施加手動(dòng)操作，并有顯示和指示。

2.3 通信功能

通過現(xiàn)地PLC的通信功能,將采集到數(shù)據(jù)、PLC狀態(tài)等信息經(jīng)處理后通過網(wǎng)絡(luò)上傳至閘門監(jiān)控工作站，每當(dāng)閘門的信息有變化時(shí)，只要對(duì)該水庫的相關(guān)資料作適當(dāng)修改就可以了，免去大量的重復(fù)工作，大大地提高了水庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信自動(dòng)化功能。

2.4 溢洪閘上下游水位觀測(cè)

為使觀測(cè)成果準(zhǔn)確，水位觀測(cè)設(shè)在上、下游水位平順、水面平穩(wěn)、受風(fēng)浪和泄流影響較小處。在距離溢洪閘底板上游6 m處及下游翼墻各設(shè)置1個(gè)超聲波水位計(jì)[5]。

3 電力自動(dòng)化系統(tǒng)

電力自動(dòng)化系統(tǒng)由監(jiān)控站和就地電力監(jiān)測(cè)儀表組成，就地電力儀表采集電參數(shù)并通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電回路狀態(tài)，并對(duì)相應(yīng)回路實(shí)施遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，電力自動(dòng)化系統(tǒng)中S7-300PLC通過PROFIBUS-DP總線與5個(gè)溢洪閘的LCU中S7-200PLC通訊，把5個(gè)溢洪閘的開度荷重、信號(hào)反饋、狀態(tài)信息、控制信號(hào)上傳至溢洪閘控制室監(jiān)控工作站，并接受監(jiān)控工作站的指令，控制5個(gè)溢洪閘的啟閉。監(jiān)測(cè)范圍主要包括水庫配電系統(tǒng)、低壓配電柜、發(fā)電機(jī)、溢洪閘等。

4 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水庫穩(wěn)定安全工作具有重要意義，它主要應(yīng)用于壩體的滲流、應(yīng)力和溫度等物理指標(biāo)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而為防洪調(diào)度與安全運(yùn)行提供依據(jù)。許家崖水庫大壩沉降觀測(cè)設(shè)在大壩樁號(hào)0+050、0+150、0+250、0+350、0+450、0+550、0+650、0+750、0+900斷面 上，共設(shè)27個(gè)測(cè)點(diǎn)。壩體測(cè)壓管25個(gè)、壩基測(cè)壓管24個(gè)。大壩/溢洪閘安全監(jiān)測(cè)的主要功能有：變形監(jiān)測(cè)及報(bào)警、應(yīng)力自動(dòng)監(jiān)測(cè)以及水位監(jiān)測(cè)、報(bào)警。其中變形監(jiān)測(cè)及報(bào)警包括人工巡查、表面位移的自動(dòng)監(jiān)測(cè)及報(bào)警、壩體內(nèi)部位移的自動(dòng)監(jiān)測(cè)(包括水平位移監(jiān)測(cè)和垂直位移監(jiān)測(cè))及報(bào)警、底板滲壓監(jiān)測(cè)、裂縫與伸展縫的自動(dòng)監(jiān)測(cè)及報(bào)警。應(yīng)力自動(dòng)監(jiān)測(cè)包括孔隙水壓力和土壓力的監(jiān)測(cè)、報(bào)警[6]。

5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控進(jìn)入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，管理者分控及客戶端均在辦公室電腦上實(shí)現(xiàn)?？杀O(jiān)控圖像，控制及信息數(shù)字化后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，充分利用高科技手段進(jìn)行系統(tǒng)管理和圖像處理。 值班人員及領(lǐng)導(dǎo)分控管理，系統(tǒng)運(yùn)行日志，警情處理，網(wǎng)上分控優(yōu)先權(quán)管理，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。領(lǐng)導(dǎo)分控管理，系統(tǒng)運(yùn)行日志，警情處理，網(wǎng)上分控優(yōu)先權(quán)管理，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。許家崖水庫高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用全網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化系統(tǒng)，攝像機(jī)采用130萬像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，錄像機(jī)采用高清網(wǎng)絡(luò)數(shù)字硬盤錄像機(jī)。

6 水文與水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

6.1 水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)控中心工作站和水庫現(xiàn)場(chǎng)水位計(jì)支架構(gòu)件、太陽能供電系統(tǒng)、浮子式水位計(jì)(或超聲波水位計(jì))、水溫傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS無線傳輸模塊等組成，其傳輸是基于GSM數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸。中心站與大壩測(cè)壓系統(tǒng)共用，其系統(tǒng)功能包括自動(dòng)采集水庫水位、溫度等水情信息、圖形方式顯示水情數(shù)據(jù)、太陽能自動(dòng)供電，保證系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。監(jiān)測(cè)地點(diǎn)位處水庫上游溫涼河入庫口(超聲波水位計(jì))、水庫上游新莊河入庫口(超聲波水位計(jì))、輸水隧洞口(超聲波水位計(jì))[7]。

6.2 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫水源的水質(zhì)信息，根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T91—2002)[8]，水系的較大支流匯入前的河口處，以及湖泊、水庫、主要河流的出入庫處，應(yīng)設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面。共設(shè)置水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站2處，分別測(cè)量水源地的COD、氨氮、PH值、溶解氧等，數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至管理中心，實(shí)現(xiàn)水源地水質(zhì)的數(shù)字化管理。

7 氣象自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

氣象自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫的氣象信息。本項(xiàng)目共設(shè)置氣象自動(dòng)監(jiān)測(cè)站3處，分別測(cè)量水庫所在地的降雨量、風(fēng)速、溫度等數(shù)據(jù)，并通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至管理中心。系統(tǒng)主要設(shè)備包括翻斗式雨量計(jì)、風(fēng)速儀、溫度傳感器、氣象采集RTU、后備電源及避雷接地等。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)實(shí)時(shí)采集自動(dòng)雨量站的降雨信息。(2)查詢歷史氣象資料。(3)設(shè)定氣象站的工作參數(shù)。(4)閥值報(bào)警。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：通過翻斗式雨量計(jì)測(cè)量降雨量情況，通過風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過溫度傳感器測(cè)量氣溫?cái)?shù)據(jù)，通過氣象采集RTU將數(shù)據(jù)傳輸至所有的控制室，同時(shí)接受控制室的指令，實(shí)時(shí)采集各類數(shù)據(jù)[9]。

8 結(jié) 語

本文基于費(fèi)縣許家崖水庫監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)，通過介紹水庫信息集控站、閘門、電力、大壩、視頻及水文水質(zhì)等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集、處理和發(fā)送數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確全面地反映水庫各構(gòu)筑物形態(tài)及安全穩(wěn)定性能，為評(píng)價(jià)水庫大壩的運(yùn)行狀態(tài)提供了堅(jiān)實(shí)支撐。建立一個(gè)高效、實(shí)用和可靠的水庫自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)不息探索的過程，對(duì)于更進(jìn)一步的智能化監(jiān)測(cè)管理尚需不斷努力和實(shí)踐。