國際工程大壩安全監測自動化系統設計與施工

程勝祥，帥永建，何領軍

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設計院，四川成都 611730)

1 工程概況

蘇丹麥洛維大壩工程位于距麥洛維市約27 km的尼羅河中下游地區。以發電為主，兼顧灌溉和防洪，最大壩高65 m，大壩總長9.7 km，總裝機容量125 MW。

麥洛維大壩集合了眾多壩型，其大壩安全監測系統安裝埋設了種類和數量眾多的監測儀器，覆蓋了大壩各個重要部位。麥洛維大壩安全監測系統主要由自動化監測系統、地震儀系統、分布式光纖滲漏探測系統三個子系統組成，各系統統一管理，獨立運行，互不干擾。大壩安全監測系統結構構成及監測儀器種類和數量見圖1。

2 自動化監測系統設計

如圖1所示，自動化監測系統包括了除地震儀和滲漏探測光纖外所有自動測讀與手工設備，種類繁多，數據格式多樣。目前整個大壩(不含臨時建筑物)監測測點總數為3 042個，其中接入自動化儀器750支(套)，測點數1 362個，手工觀測儀器1 176支(套)，測點數1 681個。

麥洛維水電站自動化監測系統按照部位可分為:2A、2B、2C三個子系統。按照功能級別可分為數據采集系統、通信系統、監測數據管理分析系統以及GPS自動授時等四部分。系統按測點、測站、監測中心3級設置，監測中心設于2B混凝土壩中控樓3樓。

2.1 數據采集系統

圖1 麥洛維水電站大壩安全監測系統結構圖

自動化數據采集系統按照相關設置，把分布在建筑物的各類監測傳感器標準和非標準的電信號準確地采集、傳輸到指定的存儲設備上，并按照一定的格式儲存。主要具有兩個功能:采集模塊對現場傳感器的模擬或數字信號進行采集、轉換和存儲;對外部指令進行分析，并根據相應指令動作，實現對數據的輸入輸出。

通過對眾多國際廠商產品進行考察，麥洛維工程選用了德國Gloetzl公司產品。

2.1.1 測站硬件

選用德國Gloetzl公司MDL41及MFM71兩款讀數儀。MDL41讀數儀最多可接入20～200個測點不等(根據用戶實際需要)，可用于土石壩觀測儀器較少的部位。主要由記錄儀、集線器(集成的MUX)、光纖信號轉換器、斷路器、直流轉換器、電池等組成。MFM71是在MDL41基礎上發展起來的大容量讀數儀，最多可接入300個測點以上，可用于混凝土壩觀測儀器集中的部位。主要由記錄儀、控制單元集線器、斷路器、直流轉換器、電池等組成。

此兩款讀數儀具有以下特點:

(1)采集數據類型多樣、兼容性好和寬量程。

麥洛維大壩監測儀器集合了世界上幾個著名監測儀器生產廠家的主流產品，具有強大的數據采集功能、很好的數據兼容性能和很寬的量程。

MDL41和MFM71兩款讀數儀可測量的儀器種類有:差阻式、電阻式儀器、振弦式儀器、電解質式儀器等絕大部分種類的監測儀器。

(2)數據真實可信。

通過多種儀器比對，讀數偏差極其微小。振弦式儀器測量精度誤差≤0.005%F.S，其他類型儀器≤0.05%F.S。同時，用戶可根據每個測點配置參數，對初始觀測數據進行取舍計算，如用戶可選擇每次測量只觀測一次并取單次觀測數值，也可選擇多次測量后取平均值，或者多次測量后取最優幾個數據平均值等，可以極大的提高觀測數據的穩定性和可靠性。

(3)測控單元先進。

讀數儀采用模塊化設計，測控單元靈活，擴展能力強，讀數儀測量速度快，單個讀數儀存儲容量達20 000個數據及1 000個讀數儀狀態信息。用戶可根據需求增加或減少測控單元的數目，從而為用戶早期實施自動化或后期系統的擴展提供了極大的方便。每個測控單元預留RS232(RS485)直接通訊接口，充分保證了現場的調試和通訊方便。預留的RS485接口可以很方便的將各個讀數儀組成RS485網絡。在通訊距離較長的情況下，讀數儀內部還可加裝RS485-光信號轉換器，組成光纖網絡通訊。

測控單元的測量速度快，單個測控單元(20個測點)的一個測量周期不多于10 s;并且讀數儀存儲容量很大，單個記錄儀可存儲多達20 000個數據。因此，在較高測量頻率下，測量數據可長時間不溢出。

記錄儀硬件自帶的記憶體可存儲用戶計劃和配置且采集系統中各數據采集單元相互獨立工作，既使在系統通信出現故障或監測中心出現問題后，仍然能夠自動執行故障前用戶配置的測量計劃，從而保證了數據的連續。

每個測點都可以通過軟件編程配置設置其參數，具體有:測點命名(現場儀器編號)、儀器類型、供電類型、計算參數(轉化測量值到實際物理值)、設置報警值(上限、下限)，設置其測量頻率(定時功能，頻率設置從1 min到365 d/每次)。

(4)防 雷。

每個讀數儀機箱采用16 mm2銅線與大壩接地網連接，可保證防雷要求。

(5)防潮及防浸水。

麥洛維大壩屬平原水庫，面積巨大，水深較淺，在旱季強烈的沙漠季風作用下，土石壩庫區風浪翻越防浪墻，通過防浪墻后的沙石填料和穿線管道滲入儀器測坑。安裝在基礎灌漿廊道和排水廊道中的數據采集系統處于極其潮濕的環境中，以上工程環境要求應用于麥洛維大壩的數據采集系統必須具有防潮、防浸水特性。因此，讀數儀采用德國SEAL公司工業級防水機箱，電纜進機箱部位均采用電纜鎖防水，從而可以保證在潮濕的環境或短時間浸水的情況下讀數儀也能正常工作。

(6)耐高溫。

麥洛維工程處于撒哈拉熱帶沙漠之中，常年高溫干旱，最高地表溫度可達70℃。這個特點要求分布在土石壩體中的數據采集系統必須具有耐高溫的能力。在耐高溫方面，麥洛維工程選用的讀數儀本身功率很小，每個讀數儀功率大約4W左右，發熱量很小。正常情況下，讀數儀可以在－20℃ ～70℃內正常工作，經工程現場測試，土石壩測坑內長時間溫度達40℃，儀器工作正常。

(7)斷電保護及超壓保護休眠功能。

測站電源采用分布式電源，就近接入麥洛維工程永久供電系統，采用三級短路和超壓保護措施。系統自帶備用電池，通過24 V(MFM71讀數儀)/12 V(MDL41讀數儀)直流轉換器供電，并在讀數儀機箱內部安裝熔斷器(菲利普23 VAC，6 A)，以達到在系統超壓或短路、斷路的情況下讀數儀能夠正常工作。

監測控制中心電源采用服務器上的UPS系統集中供電，并通過UPS電源管理程序實時監測和控制。系統還具有休眠功能，能夠在系統空閑后自動進入休眠狀態，達到節電的目的。系統在斷電的情況下可持續工作一周以上(每天一次觀測頻率)。

2.1.2 監測中心

監測中心由系統服務器及軟件系統構成。系統服務器采用技術較為成熟先進的Windows2003服務器，反應迅速，穩定可靠。軟件核心數據庫進行服務器鏡像備份，以及外部500 GB擴展硬盤備份，從而可以保證系統在故障的情況下迅速恢復到故障前狀態。

2.2 通信系統

通信系統的主要功能是根據相關協議建立各設備之間的物理聯系并進行信息傳遞，主要包括數據采集裝置與傳感器之間、數據采集裝置與監測站之間、監測站與監測管理中心之間。

麥洛維工程具有規模巨大、監測儀器分散、儀器類型多、監測數據傳輸距離長等特點，為確保自動化系統的可靠和實用并綜合經濟考慮，該工程安全監測自動化網絡結構采用分布式，即:數據分散采集、分散傳輸、集中管理。

測站選擇在監測儀器相對集中、接近監測中心、安全、干凈、易于維護的地方。

測站分布在監測儀器附近，能獨立采集、存儲和傳輸數據，自身也帶RS232接口和RS485接口，可直接與計算機連接，任何其他測站或監測中心發生故障均不會影響該測控單元的運行。

麥洛維工程自動化監測網絡結構復雜，但靈活實用，網絡通信模式多樣，通過讀數儀內部信號轉換器而無需調制解調器，最遠單線傳輸距離可達到3.4 km，網絡布線7.7 km，網絡實現了遠距離傳輸實時監控。

2.3 監測數據管理分析系統

安全監測信息管理系統的主要功能是對所有觀測數據以及有關的設計文件、施工資料等進行科學有序的管理、整理整編與綜合分析，最終將分析成果、原始信息等以可視化的方式輸出，為實時掌握工程的運行狀況提供有效的參考依據。對目前所有納入自動化范圍的儀器，包括自動儀器觀測數據、人工測讀數據以及外觀測量數據，在安全監測信息管理及綜合分析系統層面實現集中統一管理。安全監測信息管理及分析評價系統用于對監測資料的深入分析和對在線監測疑點進行跟蹤，具備監測數據的采集、整理整編、分析和報表制作上報、信息瀏覽發布等功能。

麥洛維工程選用德國Gloetzl公司自主研發的數據管理軟件。該軟件具有以下功能和特性:

(1)數據管理軟件采用樹形結構的模塊化設計，系統采用樹形結構，符合人的思維習慣，軟件操作容易學習和掌握。該自動化軟件為量身定制的軟件，針對性強，所有軟件模塊和功能均按照工程的實際需求制定，信息容量大，清晰明了。

(2)軟件具有較強的可擴展性，軟件基于文本的指令語言簡單，兼容各種編程語言，同時可以方便地進行數據庫的交互，后期自動化軟件的二次開發用戶僅需更新軟件中的"updated"文件就可以實現軟件的升級和更新而不影響系統的運行，從而保證了數據的連續性。

2.4 GPS自動授時系統

為實現系統監測數據時間參數的準確，以滿足遠程數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能的同步要求，麥洛維工程自動化安全監測系統采用德國Gude公司GPS接收儀采集GPS信號，通過9針RS232 COM端口、USB接口連接至監測中心服務器，同步計算機時間。標準時間為UTC時間，精度可達1 μs。當然，用戶可采用該型號GPS接收儀相應軟件將UTC時間轉換為當地時間。

監測中心通過GKSpro軟件同步系統內所有測站時間參數，以達到系統在測量頻率和數據采集等過程中時間參數的準確性。

3 自動化監測系統的施工

根據麥洛維大壩蓄水計劃、機組發電及整體工程進度要求，該系統的建設分7個建設階段。

第1階段:2004年10月31日～2008年8月，分部位完成(2A左岸壩段，2B混凝土壩段，2C右岸面板堆石壩)所有內部監測儀器的安裝埋設。

第2階段:2008年9月進行了所有埋設儀器的檢查和校驗。

第3階段:2008年10月～2009年3月，完成自動化系統的設計，完成各混凝土壩電纜線牽引工作自動化安裝前的準備工作，并開始自動化軟件的編程設計工作。

第4階段:2009年4月，完成混凝土壩自動化系統的測站安裝并進行試運行。

第5階段:2009年8月，完成土石壩自動化系統的測站安裝并裝修監測中心。

第6階段:2010年1月，鋪設各個測站的通訊電纜并連接各個測站，安裝監測中心服務器和自動化管理軟件。對業主人員進行培訓并進行試運行。

第7階段:2010年4～6月，進行系統的最終驗收和移交。

4 結語

麥絡維水電站安全監測自動化系統建設工期長達6年。麥洛維水電站自動化監測系統起步較早，從工程之初就開始全面規劃和設計，從而使得該自動化系統成為為麥洛維工程量身定制的系統。系統從硬件到軟件進行了長時間的運行和測試，并根據國際工程規范、蘇丹業主和德國拉美爾咨詢工程師的要求不斷地進行了改進和完善。在系統建設過程中，麥洛維大壩監測項目充分吸收消化了國外自動化監測系統的先進成果，為日后研發、設計、建設完整的大壩安全監測自動化系統積累了寶貴的經驗和技術。