山西省萬家寨引黃工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設計

辛貴升，朱化廣，張左強，李善言

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

山西省萬家寨引黃工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設計

辛貴升，朱化廣，張左強，李善言

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

摘要：介紹了山西省萬家寨引黃工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的總體結構、系統(tǒng)組網(wǎng)、設備配置和系統(tǒng)功能、供電方案及監(jiān)測管理分析軟件系統(tǒng)等內容。

關鍵詞：安全監(jiān)測自動化；萬家寨引黃工程；通信及計算機網(wǎng)絡

1　引言

萬家寨引黃工程是目前在建的一項跨流域大型調水工程，引水線路總長約450 km，主要建筑物包括6座大型泵站、6個調節(jié)水庫及這些建筑物之間的隧洞、埋涵、渡槽、PCCP管道等。工程分二期建設，一期工程通水到太原；二期工程按設計規(guī)模實現(xiàn)向太原、大同及朔州供水。整個輸水系統(tǒng)采用全線自動化進行控制和管理。

為了確保工程安全運行，在隧洞、渡槽及泵站等主體工程建筑物上布置了大量安全監(jiān)測儀器，隨著工程土建施工完畢，在工程沿線布置了37座監(jiān)測站，監(jiān)測儀器就近引至附近監(jiān)測站的MCU進行集中觀測。由于沒有交流電源，多數(shù)監(jiān)測站MCU只采用電池供電。MCU在無人職守情況下進行自動觀測，并儲存所測數(shù)據(jù)，觀測人員定期到現(xiàn)場采用便攜式計算機讀取數(shù)據(jù)、更換電池，并進行維護，系統(tǒng)可靠性低，管理人員勞動強度大。由于引黃監(jiān)測站形式較多，分布在工程不同部位，區(qū)域內地形條件復雜，沿線山谷、溝壑縱橫，遇到雨雪天氣，觀測人員無法為監(jiān)測站更換電池和讀數(shù)，就可能造成缺測或數(shù)據(jù)丟失，中斷觀測序列，造成無法彌補的損失。為此需建立安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)進行自動化采集和管理。

引黃工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)總體功能是監(jiān)測工程建筑物運行過程中各個物理量變化狀態(tài)，并對所監(jiān)測的數(shù)據(jù)及現(xiàn)場巡視檢查資料進行管理和處理分析，及時對工程運行狀態(tài)作出評價，為工程運行管理提供科學依據(jù)。

2　系統(tǒng)設計原則

設計遵循下述原則：

（1）設計力求實用、可靠、先進及經(jīng)濟；

（2）通信組網(wǎng)以滿足安全監(jiān)測測量精度和功能需求為原則；

（3）充分利用工程已建通信、供電等各類設施，進行合理設計，避免工程重復建設；

（4）選擇合適的系統(tǒng)工作體制和數(shù)據(jù)通信方式；

（5）關鍵測站或分中心測站的通信要有備用通道；

（6）系統(tǒng)設備選用技術先進、質量優(yōu)良、結構簡單、性能穩(wěn)定、價格適宜的產(chǎn)品，同時系統(tǒng)設備應適合在低溫等惡劣環(huán)境條件下長期工作；

（7）野外無交流供電的測站采用太陽能供電方式，并具有可靠防雷措施；

（8）MTBF>10 000 h；（MTTR）<1 h；

（9）系統(tǒng)應具有可擴展和后續(xù)開發(fā)能力。

3　系統(tǒng)總體結構

根據(jù)引黃工程特點，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用監(jiān)測中心站、監(jiān)測分中心站和監(jiān)測站三個層次網(wǎng)絡結構，共設1個太原中心站、1個備用中心站、4個分中心站，包括總干一級泵站、總干三級泵站、南干一級泵站、南干二級泵站及37個監(jiān)測站，整個引黃工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)共計接入測點約1 600個。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)總體結構圖

3.1監(jiān)測中心站

監(jiān)測中心站設在太原市，負責引黃工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、水工建筑物的結構性態(tài)分析、安全評估，生成多種圖形和報表并展現(xiàn)。監(jiān)測中心站在內部以網(wǎng)絡工作組的方式進行協(xié)同工作，還同遠端的監(jiān)測備用中心站、監(jiān)測分中心站保持不間斷的通信。

監(jiān)測中心站主要配置包括網(wǎng)絡交換機、主服務器、通信服務器、防火墻、網(wǎng)管工作站、操作員/工程師工作站、大屏幕顯示器、打印機、掃描儀及相應的軟件等。

3.2備用監(jiān)測中心站

備用監(jiān)測中心站設在總干三級泵站。正常情況下，備用監(jiān)測中心站只作監(jiān)測數(shù)據(jù)備份。在太原監(jiān)測中心站出現(xiàn)故障，不能正常工作，或總干三級泵站到太原通信出現(xiàn)故障，監(jiān)測中心站無法正常采集數(shù)據(jù)時，備用中心站代替太原中心站，控制管理整個監(jiān)測系統(tǒng)進行正常工作。

備用監(jiān)測管理中心站主要配置包括網(wǎng)絡交換機、服務器、工控機、防火墻、電源、打印機及相應的軟件等。

3.3監(jiān)測分中心站

監(jiān)測分中心站功能以通信為主，功能包括數(shù)據(jù)采集、儲存、處理判斷并按中心站要求上傳數(shù)據(jù)。主要設備包括工業(yè)以太網(wǎng)交換機、工控機、電源及相應的軟件等設備。

3.4監(jiān)測站

輸水沿線共布置有37座監(jiān)測站。

為保證引黃工程隧洞、渡槽及泵（閘）站等主體工程建筑物的運行安全，全面掌握運行工況，在輸水沿線布置了大量的監(jiān)測儀器以進行變形、應力應變、滲漏及外水壓力、溫度、水位等監(jiān)測，監(jiān)測儀器隨主體工程已安裝埋設完畢。監(jiān)測儀器電纜就近引至附近的監(jiān)測站進行集中觀測。

監(jiān)測站內設置MCU設備、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、網(wǎng)關、電源及附屬設備。監(jiān)測站MCU設備采集相關安全監(jiān)測信息，進行簡單數(shù)據(jù)處理、存儲，并通過網(wǎng)關設備連接至以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳監(jiān)測中心。

4　系統(tǒng)組網(wǎng)方案

本工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)主要采用計算機IP網(wǎng)絡作為信息傳輸平臺，實現(xiàn)信息網(wǎng)絡化傳輸和共享、保證信息傳輸?shù)募皶r性、靈活性和準確性。IP計算機網(wǎng)絡共設太原監(jiān)測中心、總一分中心、總三分中心、南一分中心、南二分中心等5個節(jié)點網(wǎng)絡。

目前，引黃工程已建成覆蓋監(jiān)測中心站、監(jiān)測分中心站（備用監(jiān)測中心站）的計算機廣域網(wǎng)絡，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)監(jiān)測中心站及各監(jiān)測分中心站可利用引黃計算機廣域網(wǎng)實現(xiàn)各節(jié)點網(wǎng)絡之間通信。

由于監(jiān)測站機房環(huán)境惡劣，且引黃工程在輸水隧洞內已敷設有光纜可以利用，因此，為適應長期在高溫、低溫和潮濕等惡劣環(huán)境下可靠工作、滿足無人值守、功耗低、可靠性高的要求，適應網(wǎng)絡化接入和可靠傳輸并構建同一IP網(wǎng)絡平臺，本工程監(jiān)測分中心站與監(jiān)測站之間的通信采用光纖工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)。在監(jiān)測站和監(jiān)測分中心站均配置工業(yè)以太網(wǎng)交換機，各分中心站交換機利用已建光纜就近連接附近的監(jiān)測站，組成以各分中心站為核心的光纖工業(yè)以太網(wǎng)絡環(huán)網(wǎng)，將各監(jiān)測站信息匯集到就近的分中心站進行存儲和轉發(fā)。同時，采用光纖IP網(wǎng)絡為監(jiān)測站增加視頻監(jiān)控預留了通道。

引黃工程聯(lián)接段的汾河水庫壩下洞出口左側和7號洞出口2個測站，則利用已建的聯(lián)接段光纖通信系統(tǒng)，直接接入太原中心站。

太原監(jiān)測中心站作為網(wǎng)絡中心，總三分中心兼作備用網(wǎng)絡中心。

本工程各節(jié)點網(wǎng)絡為工業(yè)以太網(wǎng)或交換式以太網(wǎng)，采用TCP/IP協(xié)議。網(wǎng)絡服務模式采用B/S（Browser/Server）結構。系統(tǒng)采用RIP簡單路由協(xié)議，信息傳輸采用查詢-應答式工作體制。

在太原監(jiān)測中心站設置通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的網(wǎng)管終端，以管理網(wǎng)絡的運行和維護。配備專用網(wǎng)管軟件，對整個網(wǎng)絡進行集中管理，進行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、數(shù)據(jù)分析等工作，有效和方便地對IP網(wǎng)絡等信息系統(tǒng)進行全面的設備管理和功能管理。

為使網(wǎng)絡具備計算機病毒的預防和控制能力，在網(wǎng)絡關鍵部位設置防火墻、入侵防御系統(tǒng)和安裝防病毒軟件。網(wǎng)絡設計圖見圖2。

圖2安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)組織及網(wǎng)絡設計圖

5　系統(tǒng)供電方案

電源系統(tǒng)是安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的重要組成部分，為了保證自動化系統(tǒng)的可靠運行，電源系統(tǒng)必須穩(wěn)定、可靠，不能中斷對自動化設備的供電。

引黃工程安全監(jiān)測現(xiàn)場監(jiān)測站分布在工程沿線，異常分散。監(jiān)測站的形式分室內（泵站廠房內）、支洞內、檢修通道內、洞口地下、山頂?shù)叵潞偷孛娴榷喾N形式，而且大部分測站位于無人值守的山溝谷之間，遠離市電電源，引接交流電非常困難。為此根據(jù)各站實際情況，本工程采取兩種供電方案。

（1）對于可引接交流電源的的監(jiān)測站，采用直流供電系統(tǒng)，各站配置相應容量的高頻開關電源和蓄電池組，浮充供電。

（2）對于沒有市電供電電源的監(jiān)測站，采用太陽能電源系統(tǒng)為測站供電。

6　數(shù)據(jù)采集單元MCU配置

由于數(shù)據(jù)采集單元MCU多年在陰冷、潮濕等惡劣的環(huán)境下運行，目前多數(shù)存在問題，且原配置的MCU型號及協(xié)議不統(tǒng)一，自動化采集困難，因此本工程更換全部MCU。新更換的數(shù)據(jù)采集單元MCU采用模塊化結構，由測量模塊、不間斷電源、防潮加熱器和多功能分線部件等幾部分組成，安裝在一個密封保護機箱內。

（1）聯(lián)接、集測傳感器，具有自記和應答功能；

（2）具有掉電自保護功能；

（3）具有實時觀測功能，可接入采集儀器，配制相應測量模塊，可采集電容式、電阻式、壓阻式、電感式、振弦式（國內外、單雙線圈）、電位器式、RS485總線式等傳感器。此外還可采集輸出為電流、電壓等帶有變送器的傳感器；

（4）具有簡單數(shù)據(jù)處理、存儲、輸出、上傳等功能；

（5）設有RS485接口；

（6）數(shù)據(jù)存儲容量：100~300測次；

（7）測量方式：定時、間斷、單檢、巡檢、選測或任設測點群；

（8）保護箱采用密封結構，能適合水電工程使用環(huán)境，具有很好的屏蔽、防塵和防潮能力，其保護程度在現(xiàn)場安裝符合IP56以上標準，可輔助以加熱方式防潮，所有接插件觸點鍍金。能適應溫度-25~ ＋60℃和濕度≤95%RH環(huán)境條件。

7　系統(tǒng)主要作用與功能

自動化系統(tǒng)的主要功能是合理地分析工程沿線的安全狀況，對自動化采集的數(shù)據(jù)進行安全評估與分析，為決策部門提供分析結果。通過分析管理軟件實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、處理、圖形分析、報表制作等功能，使所有的結果以直觀的圖表形式提供給有關人員作為分析決策參考。系統(tǒng)提供給有關人員的信息，除數(shù)據(jù)信息外，還包括相關分析結果與評估，包括變形情況、滲流情況、警界值等。

系統(tǒng)應采取模塊化，資源化的開發(fā)方式，至少包括系統(tǒng)管理、監(jiān)測信息管理、數(shù)據(jù)采集、綜合查詢、報表圖形制作、Web輸出等模塊。利用軟件復用與模塊功能組合，在不同的管理級別機構實現(xiàn)各自的功能，同時各系統(tǒng)資源可隨意創(chuàng)建與修改，實現(xiàn)在不同層次的管理機構、不同的應用功能與應用范圍。

管理分析軟件具有數(shù)據(jù)采集接口，可以直接將自動采集的數(shù)據(jù)讀取，并存入數(shù)據(jù)庫，并且可以錄入人工監(jiān)測資料、現(xiàn)場巡視檢查資料及工程資料。支持將文字和數(shù)據(jù)按需要導出到Excel和Word中。用戶可以方便地使用該功能進行二次開發(fā)和處理，通過開放的外部數(shù)據(jù)接口可以輕松地將第三方測量數(shù)據(jù)導入。并具有在線幫助、向導功能和錯誤診斷功能。系統(tǒng)具有可擴充性和兼容性，可以提供B/S和C/S兩種不同訪問方式。具有系統(tǒng)用戶帳號管理，用戶權

限分配，查詢檢索和定制輸出功能。

8　結束語

本次工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設計只包含了MCU及以上系統(tǒng)的設計，未涉及已建的MCU以下監(jiān)測儀器。由于監(jiān)測儀器已使用多年，建議下一步工程實施中，應對已有監(jiān)測儀器進行全面檢測，對損壞和不準的儀器進行維修和更換。只有保障數(shù)據(jù)采集的準確性，才能更好地發(fā)揮自動化監(jiān)測系統(tǒng)的作用，為保障工程安全提供科學的數(shù)據(jù)分析和參考。

中圖分類號：TV736

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）07-0076-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.022

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：辛貴升（1966-），男，高級工工程師，從事自動化工程設計工作。