工控自动化应用方案 大坝安全监测系统方案
殷国涛
[摘 要]尔王庄水库位于天津市宝坻区南部大白庄乡与尔王庄乡境内，是引滦、引江工程的重要组成部分，水库为中型平原水库，其主要作用是调蓄。水库大坝共布设23个观测断面，每个断面布置4根测压管，共计92根测压管。本文着重介绍本次更新的水库大坝安全监测系统的的结构组成，包括渗压计、MCU自动采集单元和上位机监测系统。
[关键词]尔王庄水库 安全监测系统
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0163-01
1.工程概况
尔王庄水库库底平均标高1.40m（黄海高程），设计水位5.50m，死水位2.00m，相应总库容4530万立方米，有效库容3868万立方米，死库容662万立方米。水库围堤为碾压式均质土坝，坝体全长14297m，坝顶高程7.04m，坝顶宽7m，坝顶设浆砌石防浪墙，墙高1.2m，坝体上游迎水坡为浆砌石护坡，坡比为1：3，下游坡为草皮护坡，坡比为1：3。
原监测系统建成于2005年11月，随着时间推移，原监测系统设备出现不同程度的老化，加之雷击影响，部分传感器、通讯系统、采集单元等设备故障频发，故被本安全监测系统取代，本系统安装于2016年7月，具有优于老系统的技术条件，且上位系统功能强大。
2.监测项目及布置
水库布置有渗流监测项目，环境量监测项目。
2.1 渗流监测
尔王庄水库大坝共布设23个观测断面，每个断面布置4根测压管，共计92根测压管。
2.2 环境量监测
水库环境量监测包括大气压、气温、上游水位、下游水位、截渗沟水位、雨量各一个。
大气压：在桩号为1+000的观测房内布置一支气压计，测量大气压，同时用于测压管内气压修正。
气温：在办公区内布置一个百叶箱，内装气温计，测量气温。
上游水位：在桩号为4+000断面附近安装水位计，测量上游水位。
下游水位：在桩号为10+800断面附近安装水位计，测量下游水位。
截渗沟水位：在桩号为14+000断面附近的截渗沟安装水位计，测量截渗沟水位。
雨量：在办公区内布置一台雨量计，测量雨量。
3.自动化系统
3.1 自动化系统简介
自动化系统由测压管内渗压计、环境量传感器、数据采集单元、通讯系统、监控主机和软件组成。
数据采集单元采集测压管内渗压计、环境量传感器的数据，数据采集单元采集所得的数据通过通讯系统传输到监控主机，监控主机内的整编分析软件对传来数据进行分析处理及输出。
3.2 设备技术指标
3.2.1 数据采集单元MCU
数据采集单元为32通道数据采集单元。适用各种物理量：电压、电流、电阻、电容、频率、开关量、脉冲量等各类有源或无源传感器；数据采集灵活：可采用自报、召测的实时处理方式，也可以采用单机数据存储方式，存储数据通过串口、U盘（选配）拷贝到计算机进行后台处理。传输方式可配置：485有线传输、电台传输、GPRS传输、MODEM有线传输及卫星传输等可任意选配；方便系统集成：采集、管理、传输及电源全集成，接上传感器就可以工作。一共可以連接32只传感器；多台共用一条485总线，便于系统扩展。先进的防雷防静电设计：感应雷电不会导致设备损坏，人体ESD也不会导致系统元件失效或寿命的缩减。适应严寒环境：根据现场寒冷环境，选配加热器，保证设备的正常运行。
3.2.2 渗压计
渗压计为基康仪器股份有限公司公司生产的BGK4500系列孔隙水压力计，其各种性能优异，主要部件均用特殊钢材制造，适合各种恶劣环境使用。
3.2.3 防雷装置
隔离防雷箱采用高压继电器实现输入输出之间的信号隔离，在非测量状态下将接入测控单元的所有传感器隔离开，从而实现雷电防护。在每只传感器的芯线之间并接了30V/300W瞬态抑制二极管，保护传感器自身的安全。
3.2.4 485光端机
光端机为ME-M4200-RRS232/485自愈环串口光端机，支持点对点或环路（点对多点）连接，2路光口可做自愈环，保证通信正常，高速率通信传输RS232接口通讯速率300～115200bps，RS422或RS485接口通讯速率高支持主从工作模式，从模式可作为中继器使用，工业级光电器件提供良好的光电特性，保证数据传输可靠，工作寿命长。
3.2.5 监测主机
选用联想Think Centre M8500t台式计算机。
3.3 软件
大坝安全监测管理信息系统是一套为大坝安全监测管理服务的软件，它可以为水库管理单位提供一个安全管理平台，使其水库安全管理水平得到提高，是水库信息化的重要组成部分。
大坝安全监测管理信息系统包括数据采集、资料整编、资料分析等功能，它管理的监测项目包括表面竖向位移、表面水平位移、渗流压力、渗流量、上游水位等监测项目。资料包括工程基础资料、测点考证资料、自动监测数据、人工观测数据、现场巡查信息等。
大坝安全监测管理信息系统采用浏览器/服务器（B/S）结构，客户端计算机可以不受地域限制，不需安装任何软件，只要能够通过局域网或Internet/Intranet与大坝安全监测管理信息系统所在服务器相连，即可使用大坝安全监测管理信息系统，实现大坝安全监测管理信息远程管理。
3.3.1 数据采集
数据采集功能：
1）MCU初始化：设置测量控制单元（MCU）基本参数，如模块地址、通信端口、通信速率等；
2）MCU设置：设置测量控制单元（MCU）的内部时间和通道参数；
3）MCU自检：通过测量测量控制单元（MCU）的内部温度、工作电压、充电电压，对测控单元进行检查；
4）单点测量：对某个测点进行测量，计算工程物理量，可保存测量数据；
5）巡回测量：对一个测量控制单元（MCU）或测量控制单元（MCU）所有的测点进行测量，计算工程物理量，可以导出、打印、保存测量数据。当测量数据超出量程范围或安全阈值，将给出报警；
6）定时测量：可以设置一个MCU或多个MCU的定时测量时间，获取已有的定时测量数据，计算工程物理量，可以导出、打印、保存测量数据，当测量数据超出量程范围或安全阈值，将给出报警，取定时测量数据可以是计算机自动取数也可以是人工取数；
7）MCU操作记录：显示所有的测控单元操作记录，便于在测控单元产生故障时，查找原因；
8）异常监测数据：显示所有异常数据，便于检测测点测量的稳定性以及传感器是否正常。
3.3.2 資料整编
资料整编除了资料维护外，同时还能按照《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）及相关规程要求对观测资料进行整编。资料整编由资料维护、报表打印、图形绘制等模块组成。
3.3.2.1 报表打印
报表打印包括考证表、日报表、月报表、年报表等报表打印。
3.3.2.2 图形绘制
图形绘制包括绘制过程线、特征库水位下过程线、相关线、表面位移纵向分布图、表面位移横向分布图、竖向位移平面分布图、位势过程线、坝体浸润线、坝基渗流压力分布图、渗流压力平面分布图、位势平面分布图等。
4.结语
本系统实现了设备运行期的自动化，能及时准确地了解施工质量和水工建筑物的运行状态，能做到监测资料及时分析整理，使监测设备系统性能、功能达到“无人值班、少人值守”的管理水平，真正实现了自动化管理。
参考文献
[1] 水库大坝安全监测实用手册 上海隐志网络科技有限公司，2012-06-9.
[2] 陈生水，霍家平等.新疆引额济乌工程500水库大坝施工期原型观测及资料分析[R].南京水利科学研究院，2005.6.
[3] 金京权，金京波.水库大坝安全检查中的常见问题研究综述[J]；吉林水利，2011年09期.
