大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設(shè)計與實施

1、 職業(yè)教育水利水電建筑工程專業(yè)水利工程管理技術(shù)大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設(shè)計與實施 水利工程管理技術(shù)項目組2015年4月大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設(shè)計與實施(一)技術(shù)規(guī)范要求1.大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)基本功能要求系統(tǒng)應具備以下功能:數(shù)據(jù)自動采集功能:能自動采集各類傳感器的輸出信一號，能把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；數(shù)據(jù)采集能適應應答式和自報式兩種方式，能按設(shè)定的方式自動進行定時測量，能接收命令進行選點、巡回檢測及定時檢測。掉電保護功能:在斷電情況下確保持續(xù)工作3d以上。自檢、自診斷功能:能通過系統(tǒng)自身的巡檢逐級查找，并找到故障點?，F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和遠程通信功能。防雷及抗干擾功能。數(shù)據(jù)異常報警及故障顯示功能

2、。數(shù)據(jù)備份功能。2.大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)基本性能要求系統(tǒng)應符合以下要求:采樣時間:巡測時小于30 min；單點采樣時小于3 min。測量周期為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%。防雷電感應為1 000 V。采集裝置測量精度不低于規(guī)范對測量對象要求的精度。采集裝置測量范圍滿足被測對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)計對照上述對系統(tǒng)功能和性能的要求，根據(jù)各水庫工程實際，監(jiān)測自動化系統(tǒng)在設(shè)計時需從組成系統(tǒng)的三大部分入手，綜合考慮。1.監(jiān)測儀器系統(tǒng)接入監(jiān)測自動化系

3、統(tǒng)的各監(jiān)測儀器應經(jīng)過嚴格檢驗，它們應結(jié)構(gòu)簡單、傳動部件少、容易維修，且可靠性高、穩(wěn)定性好，能在水庫工程的惡劣氣候條件下長期、穩(wěn)定、可靠地工作。監(jiān)測儀器的布設(shè)應根據(jù)規(guī)范，結(jié)合水庫工程實際，有目的的考慮設(shè)計方案，做到重點突出、兼顧全面，滿足有效地監(jiān)控水庫工程安全運行的需要。各監(jiān)測儀器的選擇應在穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)上力求其先進性。應優(yōu)先選用經(jīng)過長期運行考驗的成熟的產(chǎn)品。為科學研究而設(shè)置的新儀器設(shè)備原則上不應納入自動化監(jiān)測系統(tǒng)觀測。在老監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上升級改造為自動化監(jiān)測時，設(shè)計前應對原有監(jiān)測儀器進行檢驗和鑒定，有選擇地將老儀器納入新監(jiān)測系統(tǒng)。2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是監(jiān)測儀器與數(shù)據(jù)處理分析的中間連接部

4、分，負責數(shù)據(jù)的采集和傳輸。數(shù)據(jù)采集裝置應滿足前面監(jiān)測自動化系統(tǒng)的基本性能要求，并應具備以下基本功能:數(shù)據(jù)自動采集:能按用戶設(shè)定的起始時間、監(jiān)測周期及條件，對接入系統(tǒng)的各種監(jiān)測儀器進行自動巡回檢測、選測、定時定點或連續(xù)監(jiān)測，并自選保存測量結(jié)果。數(shù)據(jù)自動處理:能對測值進行可靠性檢查，越限時重測并報警；能對所采集的數(shù)據(jù)進行計算，并求得所需的物理量，對計算數(shù)據(jù)進行存儲、建立數(shù)據(jù)庫；能輸出顯示、拷貝、打印(繪制)有關(guān)監(jiān)測成果圖表等。自動數(shù)據(jù)采集與人工觀測相兼容:在系統(tǒng)發(fā)生故障時，可由觀測人員用便攜式儀表進行觀測。人工鍵入功能:具有人工鍵入數(shù)據(jù)的功能，對人工測量的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場巡視檢查資料可人工進機入庫。適應

5、惡劣工作環(huán)境:系統(tǒng)運行的環(huán)境較為惡劣，有的露天布置，溫差大、濕度高、電磁于擾強、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)境適應能力。易擴展、易維修和兼容性:系統(tǒng)投入運行后，系統(tǒng)的規(guī)模、監(jiān)測儀器的布設(shè)等可能隨著時間推移而變化，有新測點要接入、某些老測點要廢棄，這要求系統(tǒng)要有較好的擴展性和兼容性；系統(tǒng)局部單元故障時，系統(tǒng)維修工作要求在較短時間內(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、短期自供電、系統(tǒng)自檢、故障顯示:在電源突然中斷時，能保證系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)和參數(shù)不丟失，并能自動上電，維持7d以上正常運行；能對系統(tǒng)設(shè)備、電源、通訊狀態(tài)等進行自檢，并顯示故障信息。數(shù)

6、據(jù)采集系統(tǒng)的方式在設(shè)計時可在集中式、分布式和混合式三類方式中任選。對于監(jiān)測范圍廣、測點數(shù)量多、工程規(guī)模巨大的水庫工程，宜采用二級管理方案，即根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點，以建筑物為基本單元，將整個工程劃分為若干個監(jiān)測子系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)再組成上一級管理網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)對各子系統(tǒng)現(xiàn)場網(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、管理計算機及監(jiān)測自動化系統(tǒng)軟件。為適應水庫工程安全管理工作的需要，系統(tǒng)應具備以下基本功能:在線實時監(jiān)控:在數(shù)據(jù)自動采集的基礎(chǔ)上實現(xiàn)在線監(jiān)控，其核心是在線快速安全評估，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，利用該次實測

7、數(shù)據(jù)的變化速率與監(jiān)控指標(監(jiān)控模型或某一界限值)進行對比、檢驗，若實測值超限，則進行復測和再次對比、檢驗，最終對實測值是否異常做簡單、快速的評估與判斷；用戶可以在屏幕上方便地查看到主要監(jiān)控測點的具體狀況(實測值、預報值、警戒值等)。監(jiān)測資料管理:建立監(jiān)測資料整編數(shù)據(jù)庫，可繼續(xù)保留原始測值數(shù)據(jù)庫；對整編庫中的監(jiān)測資料可靈活地進行插入、刪除、修改、查詢等；輸入或修改工程安全巡視檢查記錄；對數(shù)據(jù)庫進行備份。監(jiān)測資料查詢:通過設(shè)置快速導航樹形測點結(jié)構(gòu)、測點表、儀器類型表，首先能在空間上快速定位欲查詢的測點或測點組，在此基礎(chǔ)上只要指定查詢的時間區(qū)間后，用戶就能立刻查到監(jiān)測數(shù)據(jù)；用戶可將已查到的監(jiān)測資料導

8、出保存到本地機處理。監(jiān)測資料離線分析評價:對長系列歷史資料進行全面分析，分析項目包括變形、滲流、接裂縫、環(huán)境量等監(jiān)測項目；分析模型以統(tǒng)計模型為主，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包括溫度、水位、降雨、時效，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)果主要應有模型方程、模型參數(shù)、各分量分解結(jié)果及統(tǒng)計值、監(jiān)測量的擬合和分解圖等。報表制作:按水庫工程規(guī)范化管理的要求，將監(jiān)測成果按規(guī)定的格式進行整理，以便存檔和上報。水庫工程安全檔案管理:能對安全監(jiān)測有關(guān)的技術(shù)文件、工程圖紙、重要圖片等進行管理，制作報表、工程安全冊等

9、?？煽?、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)計時，應充分考慮水庫工程管理工作的需要。(三)系統(tǒng)的實施自動化監(jiān)測系統(tǒng)實施前，需先對原有的監(jiān)測設(shè)施進行全面鑒定和評價，完善監(jiān)測設(shè)施，配齊必要的監(jiān)測項目，提高監(jiān)測精度、穩(wěn)定性和可靠性，滿足規(guī)范的基本要求。在此基礎(chǔ)上再考慮對必要的監(jiān)測項目和測點逐步穩(wěn)妥地實現(xiàn)自動化監(jiān)測?！翱傮w設(shè)計、分步實施”是國內(nèi)水庫工程自動化監(jiān)測系統(tǒng)實施時目前較普遍的觀點。自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)置要堅持少而精和經(jīng)濟、實用、有效的原則，在技術(shù)經(jīng)濟合理的前提下，采用國內(nèi)外成熟的先進技術(shù)。1.監(jiān)測項目和測點的確定接入自動化系統(tǒng)的項目和測點要有針對性，要在滿足安全監(jiān)測需要的前提下，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)測資料。一般地根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合具體的工程實際，監(jiān)測項目主要設(shè)置變形、滲流和必要的環(huán)境量等。測點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部位設(shè)置觀測點并接入自動化系統(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監(jiān)測；土石壩應多設(shè)置一些滲流的監(jiān)測點等。在具有相同監(jiān)測效果和目的情況下，測點的布置應盡可能集中，以減少電纜用量、防雷擊和抗干擾。如變形、滲流、庫水溫等測點應盡量布置在典型監(jiān)測壩段，這樣既有利于防雷擊、抗干擾，也有利于觀測資料的分析。2.監(jiān)測自動化系統(tǒng)選型

11、監(jiān)測自動化系統(tǒng)選型時，應全面規(guī)劃、統(tǒng)一考慮，強調(diào)自動化監(jiān)測系統(tǒng)三個組成部分的有機結(jié)合，保證系統(tǒng)功能的完整性。系統(tǒng)選型前，可選擇類似工程和相關(guān)儀器設(shè)備廠家進行調(diào)研，根據(jù)實測數(shù)據(jù)和資料來分析和確定系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)指標、可靠性和測量精度是否符合工程需要。監(jiān)測儀器設(shè)備選型時，應充分考慮工程特點和系統(tǒng)的運行環(huán)境，選擇合適的監(jiān)測儀器設(shè)備來滿足工程安全監(jiān)測的需要。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)計水庫工程一般地處山區(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、每個數(shù)據(jù)采集單元等處均應設(shè)置接地網(wǎng)接入點，設(shè)備接地前應測量相應的接地電阻，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電纜作為監(jiān)測自動化系統(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)工程運用的實際經(jīng)驗，電纜的護套要具有抗老化、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；電纜還應具有一定的抗拉、抗壓等機械性能；有屏蔽要求的電纜應具有良好的屏蔽效果。電纜應盡量沿最短路線敷設(shè)，并盡可能避開高壓線路，以減少干擾。壩外布置的電纜應盡量少用或不用架空線，宜采用埋線并外套鋼管保護，以利于防雷

13、擊；壩內(nèi)電纜的保護可采用硬質(zhì)工程塑料管。5.自動化監(jiān)測系統(tǒng)的考核與驗收目前國內(nèi)尚無有關(guān)自動化監(jiān)測系統(tǒng)的考核與驗收標準。根據(jù)已有的國內(nèi)自動化監(jiān)測系統(tǒng)的實踐經(jīng)驗，系統(tǒng)的考核驗收可從以下兩方面進行:(1)出廠或安裝前的驗收在監(jiān)測儀器設(shè)備出廠前或安裝前，對儀器的制造、組裝等質(zhì)量進行細致的檢查驗收，并對各項技術(shù)指標進行復核測試，所有指標合格后方能投入安裝使用。(2)試運行期的考核監(jiān)測自動化系統(tǒng)在現(xiàn)場安裝調(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行。系統(tǒng)試運行期間應同時進行人工對比觀測。試運行期考核內(nèi)容主要有:系統(tǒng)功能考核:對數(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)軟件進行考核，考察系統(tǒng)功

14、能是否滿足設(shè)計和合同文件的要求，對各項功能指標逐項進行測定考核。系統(tǒng)測量精度考核:系統(tǒng)測量精度應在滿足有關(guān)規(guī)范、設(shè)計和合同文件要求的前提下，達到廠家給定的各種精度指標。人工對比觀測數(shù)據(jù)考核:主要對比分析觀測資料過程線和觀測值的方差。過程線對比采用在相同時間和測次的二者的觀測數(shù)據(jù)過程線進行比較，分析其變化規(guī)律是否一致(因人工測次少、自動測次多，一般從自動化數(shù)據(jù)中挑選與人工測次相同的觀測數(shù)據(jù)進行比較)。方差分析通常采用2倍均方差作為測值誤差的限值，比較同一測次中人工測值與自動化測值之差是否在允許的誤差范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)缺失率考核:以人工測值為基準，統(tǒng)計系統(tǒng)試運行過程中明顯的錯誤測值、超限測值、缺失數(shù)據(jù)等的個數(shù)，與系統(tǒng)應該有正確觀測數(shù)據(jù)個數(shù)比較而得出的百分率。其中要求人工觀測數(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，導致無法測得正確數(shù)據(jù)稱為系統(tǒng)出現(xiàn)故障。主要考核系