大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

1、 職業(yè)教育水利水電建筑工程專(zhuān)業(yè)水利工程管理技術(shù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 水利工程管理技術(shù)項(xiàng)目組2015年4月大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施(一)技術(shù)規(guī)范要求1.大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)基本功能要求系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能:數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能:能自動(dòng)采集各類(lèi)傳感器的輸出信一號(hào)，能把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；數(shù)據(jù)采集能適應(yīng)應(yīng)答式和自報(bào)式兩種方式，能按設(shè)定的方式自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)測(cè)量，能接收命令進(jìn)行選點(diǎn)、巡回檢測(cè)及定時(shí)檢測(cè)。掉電保護(hù)功能:在斷電情況下確保持續(xù)工作3d以上。自檢、自診斷功能:能通過(guò)系統(tǒng)自身的巡檢逐級(jí)查找，并找到故障點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程通信功能。防雷及抗干擾功能。數(shù)據(jù)異常報(bào)警及故障顯示功能

2、。數(shù)據(jù)備份功能。2.大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)基本性能要求系統(tǒng)應(yīng)符合以下要求:采樣時(shí)間:巡測(cè)時(shí)小于30 min；單點(diǎn)采樣時(shí)小于3 min。測(cè)量周期為10 min30 d,可調(diào)。監(jiān)控室環(huán)境溫度保持20300C；濕度保持不大于85%。系統(tǒng)工作電壓為220(1±10%)V。系統(tǒng)故障率不大于5%。防雷電感應(yīng)為1 000 V。采集裝置測(cè)量精度不低于規(guī)范對(duì)測(cè)量對(duì)象要求的精度。采集裝置測(cè)量范圍滿(mǎn)足被測(cè)對(duì)象有效工作范圍的要求。系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠地工作。(二)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)照上述對(duì)系統(tǒng)功能和性能的要求，根據(jù)各水庫(kù)工程實(shí)際，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需從組成系統(tǒng)的三大部分入手，綜合考慮。1.監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)接入監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系

3、統(tǒng)的各監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)，它們應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)部件少、容易維修，且可靠性高、穩(wěn)定性好，能在水庫(kù)工程的惡劣氣候條件下長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠地工作。監(jiān)測(cè)儀器的布設(shè)應(yīng)根據(jù)規(guī)范，結(jié)合水庫(kù)工程實(shí)際，有目的的考慮設(shè)計(jì)方案，做到重點(diǎn)突出、兼顧全面，滿(mǎn)足有效地監(jiān)控水庫(kù)工程安全運(yùn)行的需要。各監(jiān)測(cè)儀器的選擇應(yīng)在穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)上力求其先進(jìn)性。應(yīng)優(yōu)先選用經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行考驗(yàn)的成熟的產(chǎn)品。為科學(xué)研究而設(shè)置的新儀器設(shè)備原則上不應(yīng)納入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)。在老監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上升級(jí)改造為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)時(shí)，設(shè)計(jì)前應(yīng)對(duì)原有監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行檢驗(yàn)和鑒定，有選擇地將老儀器納入新監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)儀器與數(shù)據(jù)處理分析的中間連接部

4、分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。數(shù)據(jù)采集裝置應(yīng)滿(mǎn)足前面監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的基本性能要求，并應(yīng)具備以下基本功能:數(shù)據(jù)自動(dòng)采集:能按用戶(hù)設(shè)定的起始時(shí)間、監(jiān)測(cè)周期及條件，對(duì)接入系統(tǒng)的各種監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行自動(dòng)巡回檢測(cè)、選測(cè)、定時(shí)定點(diǎn)或連續(xù)監(jiān)測(cè)，并自選保存測(cè)量結(jié)果。數(shù)據(jù)自動(dòng)處理:能對(duì)測(cè)值進(jìn)行可靠性檢查，越限時(shí)重測(cè)并報(bào)警；能對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并求得所需的物理量，對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、建立數(shù)據(jù)庫(kù)；能輸出顯示、拷貝、打印(繪制)有關(guān)監(jiān)測(cè)成果圖表等。自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與人工觀測(cè)相兼容:在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可由觀測(cè)人員用便攜式儀表進(jìn)行觀測(cè)。人工鍵入功能:具有人工鍵入數(shù)據(jù)的功能，對(duì)人工測(cè)量的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查資料可人工進(jìn)機(jī)入庫(kù)。適應(yīng)

5、惡劣工作環(huán)境:系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境較為惡劣，有的露天布置，溫差大、濕度高、電磁于擾強(qiáng)、易遇雷擊等，因此要求系統(tǒng)具有很好的防潮、防雷等技術(shù)措施，以提高其環(huán)境適應(yīng)能力。易擴(kuò)展、易維修和兼容性:系統(tǒng)投入運(yùn)行后，系統(tǒng)的規(guī)模、監(jiān)測(cè)儀器的布設(shè)等可能隨著時(shí)間推移而變化，有新測(cè)點(diǎn)要接入、某些老測(cè)點(diǎn)要廢棄，這要求系統(tǒng)要有較好的擴(kuò)展性和兼容性；系統(tǒng)局部單元故障時(shí)，系統(tǒng)維修工作要求在較短時(shí)間內(nèi)完成，如更換元器件等，這要求有較好的易維修性。掉電保護(hù)、短期自供電、系統(tǒng)自檢、故障顯示:在電源突然中斷時(shí)，能保證系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)和參數(shù)不丟失，并能自動(dòng)上電，維持7d以上正常運(yùn)行；能對(duì)系統(tǒng)設(shè)備、電源、通訊狀態(tài)等進(jìn)行自檢，并顯示故障信息。數(shù)

6、據(jù)采集系統(tǒng)的方式在設(shè)計(jì)時(shí)可在集中式、分布式和混合式三類(lèi)方式中任選。對(duì)于監(jiān)測(cè)范圍廣、測(cè)點(diǎn)數(shù)量多、工程規(guī)模巨大的水庫(kù)工程，宜采用二級(jí)管理方案，即根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以建筑物為基本單元，將整個(gè)工程劃分為若干個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)再組成上一級(jí)管理網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的管理。3.數(shù)據(jù)處理分析與監(jiān)控管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理分析與監(jiān)控管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)通訊設(shè)備、監(jiān)控中心監(jiān)控主機(jī)、管理計(jì)算機(jī)及監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)軟件。為適應(yīng)水庫(kù)工程安全管理工作的需要，系統(tǒng)應(yīng)具備以下基本功能:在線實(shí)時(shí)監(jiān)控:在數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，其核心是在線快速安全評(píng)估，即一次數(shù)據(jù)采集(包括人工采集后輸入的數(shù)據(jù))完成后，利用該次實(shí)測(cè)

7、數(shù)據(jù)的變化速率與監(jiān)控指標(biāo)(監(jiān)控模型或某一界限值)進(jìn)行對(duì)比、檢驗(yàn)，若實(shí)測(cè)值超限，則進(jìn)行復(fù)測(cè)和再次對(duì)比、檢驗(yàn)，最終對(duì)實(shí)測(cè)值是否異常做簡(jiǎn)單、快速的評(píng)估與判斷；用戶(hù)可以在屏幕上方便地查看到主要監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的具體狀況(實(shí)測(cè)值、預(yù)報(bào)值、警戒值等)。監(jiān)測(cè)資料管理:建立監(jiān)測(cè)資料整編數(shù)據(jù)庫(kù)，可繼續(xù)保留原始測(cè)值數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)整編庫(kù)中的監(jiān)測(cè)資料可靈活地進(jìn)行插入、刪除、修改、查詢(xún)等；輸入或修改工程安全巡視檢查記錄；對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行備份。監(jiān)測(cè)資料查詢(xún):通過(guò)設(shè)置快速導(dǎo)航樹(shù)形測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、測(cè)點(diǎn)表、儀器類(lèi)型表，首先能在空間上快速定位欲查詢(xún)的測(cè)點(diǎn)或測(cè)點(diǎn)組，在此基礎(chǔ)上只要指定查詢(xún)的時(shí)間區(qū)間后，用戶(hù)就能立刻查到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；用戶(hù)可將已查到的監(jiān)測(cè)資料導(dǎo)

8、出保存到本地機(jī)處理。監(jiān)測(cè)資料離線分析評(píng)價(jià):對(duì)長(zhǎng)系列歷史資料進(jìn)行全面分析，分析項(xiàng)目包括變形、滲流、接裂縫、環(huán)境量等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目；分析模型以統(tǒng)計(jì)模型為主，也可根據(jù)需要建立混合模型或確定性模型；模型的候選因子種類(lèi)包括溫度、水位、降雨、時(shí)效，因子數(shù)可根據(jù)需要自行增加；軟件能根據(jù)需要用圖表形式醒目地顯示分析結(jié)果，并能將成果立即打印到紙張上，輸出結(jié)果主要應(yīng)有模型方程、模型參數(shù)、各分量分解結(jié)果及統(tǒng)計(jì)值、監(jiān)測(cè)量的擬合和分解圖等。報(bào)表制作:按水庫(kù)工程規(guī)范化管理的要求，將監(jiān)測(cè)成果按規(guī)定的格式進(jìn)行整理，以便存檔和上報(bào)。水庫(kù)工程安全檔案管理:能對(duì)安全監(jiān)測(cè)有關(guān)的技術(shù)文件、工程圖紙、重要圖片等進(jìn)行管理，制作報(bào)表、工程安全冊(cè)等

9、。可靠、靈活的通信:可采用一種以上的并存的通信方式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮水庫(kù)工程管理工作的需要。(三)系統(tǒng)的實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施前，需先對(duì)原有的監(jiān)測(cè)設(shè)施進(jìn)行全面鑒定和評(píng)價(jià)，完善監(jiān)測(cè)設(shè)施，配齊必要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，提高監(jiān)測(cè)精度、穩(wěn)定性和可靠性，滿(mǎn)足規(guī)范的基本要求。在此基礎(chǔ)上再考慮對(duì)必要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)逐步穩(wěn)妥地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。“總體設(shè)計(jì)、分步實(shí)施”是國(guó)內(nèi)水庫(kù)工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施時(shí)目前較普遍的觀點(diǎn)。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置要堅(jiān)持少而精和經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、有效的原則，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的前提下，采用國(guó)內(nèi)外成熟的先進(jìn)技術(shù)。1.監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)的確定接入自動(dòng)化系統(tǒng)的項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)要有針對(duì)性，要在滿(mǎn)足安全監(jiān)測(cè)需要的前提下，貫

10、徹“少而精”的原則，不能盲目追求“大而全”，用有限的資金獲取最多有用的監(jiān)測(cè)資料。一般地根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合具體的工程實(shí)際，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要設(shè)置變形、滲流和必要的環(huán)境量等。測(cè)點(diǎn)位置的選擇要綜合考慮工程的地理環(huán)境、壩型、筑壩材料、壩體結(jié)構(gòu)等因素，選擇典型或有代表性壩段上適當(dāng)部位設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)并接入自動(dòng)化系統(tǒng)。如混凝土大壩的水平位移優(yōu)先采用倒垂線或正倒垂線組來(lái)監(jiān)測(cè)；土石壩應(yīng)多設(shè)置一些滲流的監(jiān)測(cè)點(diǎn)等。在具有相同監(jiān)測(cè)效果和目的情況下，測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)盡可能集中，以減少電纜用量、防雷擊和抗干擾。如變形、滲流、庫(kù)水溫等測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量布置在典型監(jiān)測(cè)壩段，這樣既有利于防雷擊、抗干擾，也有利于觀測(cè)資料的分析。2.監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)選型

11、監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)選型時(shí)，應(yīng)全面規(guī)劃、統(tǒng)一考慮，強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三個(gè)組成部分的有機(jī)結(jié)合，保證系統(tǒng)功能的完整性。系統(tǒng)選型前，可選擇類(lèi)似工程和相關(guān)儀器設(shè)備廠家進(jìn)行調(diào)研，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和資料來(lái)分析和確定系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)、可靠性和測(cè)量精度是否符合工程需要。監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)充分考慮工程特點(diǎn)和系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，選擇合適的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足工程安全監(jiān)測(cè)的需要。如儀器的量程、儀器設(shè)備所適用的環(huán)境等。3.系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)水庫(kù)工程一般地處山區(qū)，屬多雷區(qū)，系統(tǒng)的防雷是不可或缺的重要內(nèi)容。自動(dòng)化系統(tǒng)必需有良好的接地，其接地網(wǎng)不能與高壓電氣設(shè)備的接地網(wǎng)合用，以免造成干擾。接地網(wǎng)宜優(yōu)先采用環(huán)形網(wǎng)，并采取良好的防腐防銹措施。

12、每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元等處均應(yīng)設(shè)置接地網(wǎng)接入點(diǎn)，設(shè)備接地前應(yīng)測(cè)量相應(yīng)的接地電阻，一般要求接地電阻不大于4。采用光纖通訊是提高系統(tǒng)抗雷擊能力的有效措施。4.儀器電纜的選用和保護(hù)電纜作為監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸通道，其質(zhì)量、性能的好壞直接影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。根據(jù)工程運(yùn)用的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，電纜的護(hù)套要具有抗老化、耐水壓、耐高溫差、抗高壓等性能；電纜的芯線間要求電阻差要小，并符合規(guī)范要求；電纜還應(yīng)具有一定的抗拉、抗壓等機(jī)械性能；有屏蔽要求的電纜應(yīng)具有良好的屏蔽效果。電纜應(yīng)盡量沿最短路線敷設(shè)，并盡可能避開(kāi)高壓線路，以減少干擾。壩外布置的電纜應(yīng)盡量少用或不用架空線，宜采用埋線并外套鋼管保護(hù)，以利于防雷

13、擊；壩內(nèi)電纜的保護(hù)可采用硬質(zhì)工程塑料管。5.自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的考核與驗(yàn)收目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)有關(guān)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的考核與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)已有的國(guó)內(nèi)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)的考核驗(yàn)收可從以下兩方面進(jìn)行:(1)出廠或安裝前的驗(yàn)收在監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備出廠前或安裝前，對(duì)儀器的制造、組裝等質(zhì)量進(jìn)行細(xì)致的檢查驗(yàn)收，并對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)核測(cè)試，所有指標(biāo)合格后方能投入安裝使用。(2)試運(yùn)行期的考核監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試成功，經(jīng)合同雙方同意后，系統(tǒng)可正式投入一年試運(yùn)行。系統(tǒng)試運(yùn)行期間應(yīng)同時(shí)進(jìn)行人工對(duì)比觀測(cè)。試運(yùn)行期考核內(nèi)容主要有:系統(tǒng)功能考核:對(duì)數(shù)據(jù)采集、傳輸系統(tǒng)硬件和數(shù)據(jù)處理、分析、管理系統(tǒng)軟件進(jìn)行考核，考察系統(tǒng)功

14、能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和合同文件的要求，對(duì)各項(xiàng)功能指標(biāo)逐項(xiàng)進(jìn)行測(cè)定考核。系統(tǒng)測(cè)量精度考核:系統(tǒng)測(cè)量精度應(yīng)在滿(mǎn)足有關(guān)規(guī)范、設(shè)計(jì)和合同文件要求的前提下，達(dá)到廠家給定的各種精度指標(biāo)。人工對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)考核:主要對(duì)比分析觀測(cè)資料過(guò)程線和觀測(cè)值的方差。過(guò)程線對(duì)比采用在相同時(shí)間和測(cè)次的二者的觀測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)程線進(jìn)行比較，分析其變化規(guī)律是否一致(因人工測(cè)次少、自動(dòng)測(cè)次多，一般從自動(dòng)化數(shù)據(jù)中挑選與人工測(cè)次相同的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較)。方差分析通常采用2倍均方差作為測(cè)值誤差的限值，比較同一測(cè)次中人工測(cè)值與自動(dòng)化測(cè)值之差是否在允許的誤差范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)缺失率考核:以人工測(cè)值為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)試運(yùn)行過(guò)程中明顯的錯(cuò)誤測(cè)值、超限測(cè)值、缺失數(shù)據(jù)等的個(gè)數(shù)，與系統(tǒng)應(yīng)該有正確觀測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)比較而得出的百分率。其中要求人工觀測(cè)數(shù)據(jù)精度必須穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)因人員誤操作、非系統(tǒng)本身原因等造成的數(shù)據(jù)缺失，不計(jì)數(shù)。系統(tǒng)可靠性(故障率)考核:因系統(tǒng)儀器或設(shè)備原因造成系統(tǒng)整體或局部不能正常工作，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)得正確數(shù)據(jù)稱(chēng)為系統(tǒng)出現(xiàn)故障。主要考核系