湯河水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)分析

溫有鳴，王秀弟，劉 丹

(遼寧省湯河水庫(kù)管理局，遼寧遼陽 111000)

1 概述

湯河水庫(kù)位于遼陽市弓長(zhǎng)嶺區(qū)湯河鄉(xiāng)境內(nèi)，建于太子河一大支流——湯河干流上，是一座以防洪、城市和生活供水為主，兼顧灌溉、養(yǎng)魚、發(fā)電等綜合利用的國(guó)家大(2)型水利樞紐工程。總控制流域面積為1 228 km2。大壩為黏土斜墻砂殼壩，壩長(zhǎng)455 m，最大壩高48.5 m。主要樞紐建筑物有大壩、輸水洞、溢洪道、水電站。水庫(kù)始建于1958年，續(xù)建于1969年，1978年開始安全加固施工，1985年竣工驗(yàn)收。

為監(jiān)測(cè)壩體在水庫(kù)蓄水運(yùn)行過程中可能發(fā)生的滲透情況，共計(jì)布設(shè)20根測(cè)壓管觀測(cè)點(diǎn)(圖1)。隨著科技的發(fā)展及水庫(kù)管理水平的逐漸提高，湯河水庫(kù)于2003年進(jìn)行大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的安裝，系統(tǒng)于2003年5月9日安裝調(diào)試結(jié)束，并投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了壩體浸潤(rùn)線觀測(cè)的自動(dòng)化。由于它的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，已經(jīng)成為大壩安全性觀測(cè)的不可或缺的最主要的手段。

圖1 湯河水庫(kù)大壩觀測(cè)網(wǎng)布置圖

湯河水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分，硬件系統(tǒng)通過在壩坡上布設(shè)測(cè)點(diǎn)，利用水位傳感器，首先將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器上，再通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)綁蜗卤O(jiān)控設(shè)備;軟件系統(tǒng)安裝在壩下監(jiān)控設(shè)備中，主要用于完成遙測(cè)中心站數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控以及遠(yuǎn)程配置等任務(wù)。

系統(tǒng)主體設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行至今已有7 a時(shí)間，鑒于電子設(shè)備的老化，部分電子部件已見老化現(xiàn)象，逐漸出現(xiàn)了系統(tǒng)不穩(wěn)定和電子漂移等諸多問題，給壩體安全監(jiān)測(cè)、運(yùn)行分析帶來了極大的不便。

2 問題的提出

壩下監(jiān)控設(shè)備無法接收到數(shù)據(jù)。且從壩上主MCU擴(kuò)展板采集到的測(cè)壓管數(shù)據(jù)與實(shí)際情況不符，數(shù)據(jù)隨機(jī)變化，情況異常。

3 問題的解決

影響監(jiān)控設(shè)備接收或顯示測(cè)壓管數(shù)據(jù)的因素主要有以下幾個(gè)部分:①通訊系統(tǒng);②軟件系統(tǒng);③采集系統(tǒng);④防雷系統(tǒng);⑤傳感器。因此筆者主要從這5個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)仔細(xì)排查。

3.1 通訊系統(tǒng)及監(jiān)控設(shè)備軟件系統(tǒng)排查

將監(jiān)控設(shè)備直接連接到壩上主MCU擴(kuò)展板上，不通過光纖，直接從采集器上讀取原始數(shù)據(jù)，以此來判斷數(shù)據(jù)無法接收的問題是否由光纖通訊系統(tǒng)的故障所致。

具體操作步驟如下:

將主MCU擴(kuò)展板上com2口通過串口線連接到監(jiān)控設(shè)備上，設(shè)置設(shè)備管理器com口和通訊軟件中server的com口，使端口號(hào)保持一致。運(yùn)行smartdata軟件，啟動(dòng)測(cè)試，測(cè)試成功，數(shù)據(jù)接收正常。因此可以判斷，主MCU擴(kuò)展板至壩下監(jiān)控設(shè)備間的光纖出現(xiàn)問題。經(jīng)專業(yè)人員檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)光纖出現(xiàn)兩處斷點(diǎn)，恢復(fù)后，壩下監(jiān)控設(shè)備無法接收到數(shù)據(jù)的問題得以解決。

數(shù)據(jù)傳輸正常時(shí)，每采集一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示區(qū)會(huì)顯示3組數(shù)據(jù)，一組“模擬量11”數(shù)據(jù)，表示主MCU擴(kuò)展板所采集數(shù)據(jù)，依次為測(cè)壓管R1水位、R1溫度、R2水位、R3水位、R4水位。兩組“命令字1A”數(shù)據(jù)，第一組為A9箱內(nèi)擴(kuò)展板所采集的數(shù)據(jù);第二組為A16箱內(nèi)擴(kuò)展板所采集的數(shù)據(jù)。通過連續(xù)幾天的數(shù)據(jù)跟蹤測(cè)試，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備所顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)不符，且部分測(cè)壓管數(shù)據(jù)隨機(jī)變化，情況異常。

為查明原因，筆者先后對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(即擴(kuò)展板)、防雷系統(tǒng)、傳感器及各測(cè)壓管箱之間的通訊電纜進(jìn)行逐一排查。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(即擴(kuò)展板)及防雷系統(tǒng)的排查

湯河水庫(kù)大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共有3個(gè)擴(kuò)展板，其中1個(gè)主MCU，2個(gè)擴(kuò)展單元。主MCU擴(kuò)展板所采集數(shù)據(jù)，依次為測(cè)壓管R1水位、R1溫度、R2水位、R3水位、R4水位。A9箱內(nèi)擴(kuò)展單元(1)所采集的數(shù)據(jù)，依次為測(cè)壓管A4水位、A4溫度、A5水位、A5溫度、A6水位、A6溫度、A7水位、A8水位、A9水位、R5水位、R5溫度、R6水位、R7水位、R8水位;第二組為A16箱內(nèi)擴(kuò)展板所采集的數(shù)據(jù)，依次為測(cè)壓管A1水位、A2水位、A3水位、A16水位、A17水位、A17溫度、A18水位。

電源首先由避雷模塊進(jìn)入，再進(jìn)入擴(kuò)展板模塊。查看電源及各模塊狀態(tài)均正常。例如，主MCU擴(kuò)展板上，在啟動(dòng)測(cè)試時(shí)L2、L4指示燈亮，測(cè)完一組數(shù)據(jù)后，進(jìn)入省電模式，燈滅。將擴(kuò)展板上的79、80端指短接上，系統(tǒng)始終處于上電模式，L2、L4指示燈常亮。經(jīng)過一系列測(cè)試，表明模塊運(yùn)行正常。

3.3 通訊電纜及傳感器的排查

根據(jù)監(jiān)控設(shè)備所顯示的數(shù)據(jù)表明，A1測(cè)壓管數(shù)據(jù)始終保持不變，與實(shí)際情況不符，情況異常;A4、A5、A6等測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化幅度較大，切與實(shí)際情況不符，變化異常。

為查明原因，筆者先后查閱相關(guān)資料，得出A4、A5、A6等測(cè)壓管數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議均是采用485數(shù)字協(xié)議，在通訊線路處于斷路的情況下，傳送隨機(jī)數(shù)據(jù)。A4、A5、A6測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化異常的情況正與之相吻合，接下來筆者對(duì)各測(cè)壓管箱之間的通訊電纜逐一進(jìn)行排查，看是否出現(xiàn)斷路情況。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)A1測(cè)壓管與A16測(cè)壓管箱內(nèi)的擴(kuò)展單元(2)之間的通訊電纜出現(xiàn)斷點(diǎn);A4、A5、A6測(cè)壓管與A9箱內(nèi)的擴(kuò)展單元(1)之間的通訊電纜出現(xiàn)斷點(diǎn)。且各斷點(diǎn)均有一個(gè)共同點(diǎn)，即是斷點(diǎn)均發(fā)生在縱向穿線管與測(cè)壓管箱的連接處，初步分析為壩坡塊石受重力作用向下積壓，導(dǎo)致管口下沉，切斷電纜。

將通訊電纜恢復(fù)后，數(shù)據(jù)傳輸恢復(fù)正常。為進(jìn)一步檢測(cè)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性，又先后對(duì)各測(cè)壓管箱內(nèi)的傳感器進(jìn)行測(cè)試。壓力式傳感器是利用水壓感應(yīng)原理來測(cè)試測(cè)壓管內(nèi)的水位，因此筆者通過改變傳感器在測(cè)壓管內(nèi)水中的高度，與所傳輸?shù)臏y(cè)壓管水位數(shù)據(jù)變化的高度相對(duì)比，以此來判斷其靈敏度。經(jīng)測(cè)試，絕大部分測(cè)壓管箱內(nèi)的傳感器均出現(xiàn)靈敏度不高，且零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象。目前各傳感器已全部更新完畢，大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)已恢復(fù)正常，所采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠。

4 結(jié)語

湯河水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的安裝，實(shí)現(xiàn)了浸潤(rùn)線觀測(cè)的自動(dòng)化觀測(cè)，然而電子元件在使用過程中隨著時(shí)間的推移難免會(huì)老化、發(fā)生故障，因此工作人員在日常工作中必須專業(yè)、細(xì)心的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，出現(xiàn)故障及時(shí)排除，才能使系統(tǒng)始終處于正常運(yùn)行的狀態(tài)，保證系統(tǒng)采集、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，為湯河水庫(kù)壩體的安全運(yùn)行提供有力保障。

［1］何永軍，劉成棟，向衍，等.大壩安全監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

［2］鄭春成，王美君，唐慶艷.提水試驗(yàn)在土壩安全監(jiān)測(cè)工作中的作用［J］.農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2007(01):112－115.

［3］吳斌.湯河水庫(kù)水毀原因分析及處理措施［J］.中國(guó)科技信息，2012(04):38.