許家崖水庫自動化監測系統建設與應用

張清秀,張清芳

(費縣許家崖水庫管理中心，山東 費縣 273400)

1 水庫信息集控站

水庫信息集控站主要包括對整個閘門監控系統的管理、數據的采集和處理、綜合計算、事故故障信號的分析處理等。通過實施許家崖水庫信息集控站建設，不斷推進計算機信息管理的開發與應用，同時，不斷提高遠程辦公應用服務能力[1]。

1.1 實時數據采集與處理

閘門監控工作站通過PROFIBUS-DP總線網絡和工業以太網與PLC通信，進行實時數據的采集和處理；大壩測壓監控工作站通過光纜以RS485口與大壩MCU通信，采集溢洪閘、大壩的應力、變形及滲壓。

主要完成數據的收集與分析處理，建設時提出水電智能化運行管理方式，并以此高度來建設集控中心，服務于智能電網，通過水電智能化平臺將流域現場和遠程的電力生產運行人員融為一體，實現流域水電的安全、穩定、優質運行。

1.2 實時控制與安全監測

水庫實時控制與安全監測系統的建立，將有助于水庫管理部門全面掌握大壩的變形、滲流、環境等情況。并實時監測水庫水雨情，遠程控制閘門開關、視頻監控現場實況，實現水庫防汛和大壩安全監測和預警，為水庫安全鑒定、水庫除險加固方案制定和防汛指揮調度提供數據依據，同時，滿足水庫管理現代化的需要。

1.3 數據通信

水庫數據通信系統與現地PLC或MCU通信采用總線網絡結構，介質DP總線專用電纜和單模光纜。建立水庫通信系統后，可免去大量的重復工作。需要查看某個水庫日常情況時，只需查詢有關數據即可訪問系統進行工作，無需到達水庫現場[2-4]。

1.4 故障診斷系統

故障診斷系統技術在我國的化工、電力等行業有著較好的使用現狀。故障診斷系統主要包括三部分：(1)故障診斷物理、化學過程分析系統；(2)故障信號的采集、選擇、處理系統；(3)基于可觀測的設備故障表征來評估監測情況，最終判斷可能發生故障部位及原因。

2 閘門監測系統

許家崖閘門監測系統主要由5套溢洪閘機旁箱LCU和放水洞LCU、輸水洞LCU、開度儀、水位計、網絡傳輸設備、避雷設備、PLC及觸摸屏等組成。許家崖水庫橋頭堡閘門監控工作站與現地控制單元LCU采用PROFIBUS-DP總線或以太網連接，傳輸速率高，安全穩定性好。監控范圍包括溢洪道、放水洞、輸水隧洞。閘門監控系統的核心是LCU、PLC。

2.1 實時數據采集與處理

閘門監測系統收集到大量信息，對閘門有效信息的提取與分揀是其中的關鍵核心技術。實時采集到信息、數據以后，通過分揀和加工技術，實現網絡數據價值與利益更大化的目的。例如，許家崖水庫采用現地LCU來采集電源開關、電氣設備的狀態以及水位信號。

2.2 實時控制與安全監測

(1)現地PLC控制：支持登錄、代理采集，支持各種排重過濾，并對采集日志和采集源日志監控。(2)中控室控制：支持采集網站、采集源管理，可通過網絡接受主控級的指令實現對閘門的控制。(3)手動控制：支持多種附件保存方式，對采集來的信息進行二次加工，實現真正的多用戶采集系統，能通過現地控制屏上的手動開關，施加手動操作，并有顯示和指示。

2.3 通信功能

通過現地PLC的通信功能,將采集到數據、PLC狀態等信息經處理后通過網絡上傳至閘門監控工作站，每當閘門的信息有變化時，只要對該水庫的相關資料作適當修改就可以了，免去大量的重復工作，大大地提高了水庫監測系統的通信自動化功能。

2.4 溢洪閘上下游水位觀測

為使觀測成果準確，水位觀測設在上、下游水位平順、水面平穩、受風浪和泄流影響較小處。在距離溢洪閘底板上游6 m處及下游翼墻各設置1個超聲波水位計[5]。

3 電力自動化系統

電力自動化系統由監控站和就地電力監測儀表組成，就地電力儀表采集電參數并通過數據總線傳輸到監控終端，實時監測配電回路狀態，并對相應回路實施遠程控制。同時，電力自動化系統中S7-300PLC通過PROFIBUS-DP總線與5個溢洪閘的LCU中S7-200PLC通訊，把5個溢洪閘的開度荷重、信號反饋、狀態信息、控制信號上傳至溢洪閘控制室監控工作站，并接受監控工作站的指令，控制5個溢洪閘的啟閉。監測范圍主要包括水庫配電系統、低壓配電柜、發電機、溢洪閘等。

4 大壩安全監測系統

大壩安全監測系統對水庫穩定安全工作具有重要意義，它主要應用于壩體的滲流、應力和溫度等物理指標的在線實時監測，從而為防洪調度與安全運行提供依據。許家崖水庫大壩沉降觀測設在大壩樁號0+050、0+150、0+250、0+350、0+450、0+550、0+650、0+750、0+900斷面 上，共設27個測點。壩體測壓管25個、壩基測壓管24個。大壩/溢洪閘安全監測的主要功能有：變形監測及報警、應力自動監測以及水位監測、報警。其中變形監測及報警包括人工巡查、表面位移的自動監測及報警、壩體內部位移的自動監測(包括水平位移監測和垂直位移監測)及報警、底板滲壓監測、裂縫與伸展縫的自動監測及報警。應力自動監測包括孔隙水壓力和土壓力的監測、報警[6]。

5 視頻監控系統

監控進入計算機網絡，管理者分控及客戶端均在辦公室電腦上實現。可監控圖像，控制及信息數字化后進入計算機，充分利用高科技手段進行系統管理和圖像處理。 值班人員及領導分控管理，系統運行日志，警情處理，網上分控優先權管理，確保系統安全運行。領導分控管理，系統運行日志，警情處理，網上分控優先權管理，確保系統安全運行。許家崖水庫高清視頻監控系統采用全網絡數字化系統，攝像機采用130萬像素高清網絡攝像機，錄像機采用高清網絡數字硬盤錄像機。

6 水文與水質自動監測系統

6.1 水文自動監測系統

水文自動監測系統由監控中心工作站和水庫現場水位計支架構件、太陽能供電系統、浮子式水位計(或超聲波水位計)、水溫傳感器、數據采集模塊和GPRS無線傳輸模塊等組成，其傳輸是基于GSM數據網絡傳輸。中心站與大壩測壓系統共用，其系統功能包括自動采集水庫水位、溫度等水情信息、圖形方式顯示水情數據、太陽能自動供電，保證系統自動運行。監測地點位處水庫上游溫涼河入庫口(超聲波水位計)、水庫上游新莊河入庫口(超聲波水位計)、輸水隧洞口(超聲波水位計)[7]。

6.2 水質自動監測系統

水質自動監測系統主要用于實時監測水庫水源的水質信息，根據《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T91—2002)[8]，水系的較大支流匯入前的河口處，以及湖泊、水庫、主要河流的出入庫處，應設置監測斷面。共設置水質自動監測站2處，分別測量水源地的COD、氨氮、PH值、溶解氧等，數據通過GPRS無線網絡將數據傳輸至管理中心，實現水源地水質的數字化管理。

7 氣象自動監測系統

氣象自動監測系統主要用于實時監測水庫的氣象信息。本項目共設置氣象自動監測站3處，分別測量水庫所在地的降雨量、風速、溫度等數據，并通過GPRS無線網絡將數據傳輸至管理中心。系統主要設備包括翻斗式雨量計、風速儀、溫度傳感器、氣象采集RTU、后備電源及避雷接地等。主要實現以下功能：(1)實時采集自動雨量站的降雨信息。(2)查詢歷史氣象資料。(3)設定氣象站的工作參數。(4)閥值報警。具體實現過程如下：通過翻斗式雨量計測量降雨量情況，通過風速儀測量風速數據，通過溫度傳感器測量氣溫數據，通過氣象采集RTU將數據傳輸至所有的控制室，同時接受控制室的指令，實時采集各類數據[9]。

8 結 語

本文基于費縣許家崖水庫監測自動化系統的建設，通過介紹水庫信息集控站、閘門、電力、大壩、視頻及水文水質等監測系統，自動化監測系統收集、處理和發送數據，準確全面地反映水庫各構筑物形態及安全穩定性能，為評價水庫大壩的運行狀態提供了堅實支撐。建立一個高效、實用和可靠的水庫自動化監測系統是一個不息探索的過程，對于更進一步的智能化監測管理尚需不斷努力和實踐。