謝志峰 靳劉永

安全監(jiān)測系統(tǒng)是集在線數(shù)據(jù)采集分析、數(shù)據(jù)庫管理、圖表及報(bào)表制作、監(jiān)測系統(tǒng)管理、遠(yuǎn)程服務(wù)等功能為一體的工程安全監(jiān)測管理系統(tǒng)，在水電運(yùn)行期間有著極為重要的地位。國內(nèi)早有學(xué)者對大壩安全系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究，其中，王軍[1]對大壩安全監(jiān)測的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究；李楠[2]以三峽水庫為例對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了論述；楊啟超[3]撰寫了《水庫大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測問題研究》相關(guān)論文。雖然，國內(nèi)有關(guān)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究已較為豐富，但是，系統(tǒng)性介紹安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)的文章鮮有報(bào)道。因此，本文以曼維萊水電站為例，介紹了安全自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)，以期為以后同類工程安全監(jiān)測工作提供一定的參考意義。

1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

曼維萊水電站安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)有：監(jiān)測儀器、通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集單元DAU、計(jì)算機(jī)工作組、DSIMS4.0信息管理軟件六大部分。如圖1所示。

圖1 安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測儀器主要負(fù)責(zé)應(yīng)力應(yīng)變、滲壓、水位情況、結(jié)構(gòu)位移等數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集。

通信分為現(xiàn)場通信和監(jiān)控管理中心通信?，F(xiàn)場通信是大壩現(xiàn)場多個(gè)DAU數(shù)據(jù)采集單元到監(jiān)控管理中心之間距離為數(shù)據(jù)通信，管理通信是監(jiān)控管理中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信。如圖2所示。

圖2 安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)通信示意圖

網(wǎng)絡(luò)是通過監(jiān)控管理中心可以讓服務(wù)器為核心的Windows NT網(wǎng)絡(luò)工作組的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作站或多個(gè)工作站實(shí)現(xiàn)全局域的訪問。

數(shù)據(jù)采集單元DAU中的NDA采集模塊接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)的指令，定時(shí)或隨機(jī)將監(jiān)測儀器轉(zhuǎn)換成的頻率、電流等電測量自動(dòng)采集并存貯到NDA內(nèi)部的存儲(chǔ)器中。本工程所用數(shù)據(jù)采集DAU具有以下性能特點(diǎn)。

（1）DAU采用了智能模塊化結(jié)構(gòu)，整個(gè)單元由智能數(shù)據(jù)采集模塊（NDA系列）、通信模塊，電源模塊和防雷模塊等組成。且NDA系列智能模塊均獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。

（2）DAU是具有“免維護(hù)”特點(diǎn)的全封閉形式的智能化模塊，使DAU所面對用戶的僅僅是接線端子，如果模塊失效，僅需擰開螺絲換上新模塊即可，使系統(tǒng)不至于停止運(yùn)行。

（3）DAU系統(tǒng)的可擴(kuò)充性能很好。本系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)，開放型結(jié)構(gòu)，每個(gè)DAU為完全模塊化，各模塊和DAU的數(shù)增減非常方便，且對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性不構(gòu)成任何不利的影響。

計(jì)算機(jī)組即為監(jiān)測管理中心站，設(shè)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括1臺服務(wù)器計(jì)算機(jī)、1臺工作站計(jì)算機(jī)、1臺打印機(jī)、1塊計(jì)算機(jī)通信模塊NDA3100及設(shè)備電源1套UPS不間斷電源，其中服務(wù)器計(jì)算機(jī)、工作站計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等設(shè)備共同建立一個(gè)局域網(wǎng)。

在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，首先監(jiān)測儀器采集數(shù)據(jù)，然后通過電纜將數(shù)據(jù)傳入NDA采集模塊相應(yīng)的通道中，由NDA采集模塊將數(shù)據(jù)傳至通信模塊和數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)，最終，通過該計(jì)算機(jī)的DSIMS4.0大壩及工程安全自動(dòng)化監(jiān)測軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

2 建設(shè)實(shí)施

2.1 監(jiān)測房內(nèi)數(shù)據(jù)采集單元的布置

曼維萊水電站監(jiān)測儀器主要根據(jù)SL 601—2013《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，SL 551—2012《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，DL/T 5308—2013《水電水利工程施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，《工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)》的相關(guān)規(guī)定布置。

具體布置情況為：共設(shè)置8個(gè)監(jiān)測房，17個(gè)DAU，共計(jì)接入監(jiān)測儀器445支。其中，每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元一般按滿足將測站內(nèi)所有監(jiān)測儀器接入自動(dòng)采集系統(tǒng)內(nèi)，同時(shí)應(yīng)兼顧合理智能優(yōu)先原則和經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行布置。由于每個(gè)監(jiān)測房內(nèi)監(jiān)測儀器數(shù)量的不同，在自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施前應(yīng)該對每支監(jiān)測儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析其工作狀態(tài)，并做好備案。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元的組裝

數(shù)據(jù)采集單元的組裝直接影響數(shù)據(jù)的采集，為保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)遵循以下步驟。

（1）將DAU柜子掛在監(jiān)測站內(nèi)合適的位置，用膨脹螺栓固定。

（2）將DAU柜子內(nèi)的采集模塊（需要根據(jù)測站內(nèi)儀器來確定數(shù)量）、電源模塊、通信部件、傳感器防雷模塊等設(shè)備進(jìn)行組裝。

（3）將儀器電纜準(zhǔn)確對應(yīng)儀器編號。電線走線和儀器安裝、埋設(shè)同等重要，設(shè)計(jì)與施工階段均應(yīng)予以重視，如有必要需將電纜束套上護(hù)管敷設(shè)。儀器編號是整個(gè)埋設(shè)過程中一項(xiàng)十分重要的工作。常常由于編號不當(dāng)，難以分辨每支儀器的種類和埋設(shè)位置，造成觀測不便，資料整理麻煩，甚至發(fā)生錯(cuò)亂。

（4）監(jiān)測儀器接入NDA采集模塊。NDA采集模塊分為NDA1403采集模塊可接入8支（4線含溫度修正）振弦式儀器，NDA1404采集模塊可接入16支（4線含溫度修正）振弦式儀器，接法如下：

CHnC+：接通道n振弦式儀器線圈引線芯線（紅）；

CHnC-：接通道n振弦式儀器線圈引線芯線（黑）；

CHnR+：接通道n振弦式儀器溫度電阻引線芯線（白）；

CHnR-：接通道n振弦式儀器溫度電阻引線芯線（綠）n＝1，2，…。

（5）采集模塊與電源模塊的對接：

BATT+：接電池正極-：接電池負(fù)極；CHG IN+：接充電器正極-：接充電器負(fù)極。（6）NDA采集模塊地址的設(shè)置。按照監(jiān)測站序列進(jìn)行編序NDA001，NDA002，…。

2.3 數(shù)據(jù)采集

當(dāng)數(shù)據(jù)采集單元和系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)組裝連接完畢后，在監(jiān)控管理中心站操作計(jì)算機(jī)就可以對現(xiàn)場所有監(jiān)測儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測實(shí)施步驟如下：

（1）監(jiān)測時(shí)間及周期。正常運(yùn)行期間每天對所有測點(diǎn)采集應(yīng)不少于1次，應(yīng)結(jié)合機(jī)主運(yùn)行的工作時(shí)間和水位的變化情況合理擬定采集的時(shí)間及周期。

（2）采集方法的選擇。采集方法分為定時(shí)采集測量和臨時(shí)采集測量2種。當(dāng)確定采集時(shí)間和周期后可以對所有監(jiān)測儀器或部分監(jiān)測儀器實(shí)施定時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。臨時(shí)測量為在定時(shí)監(jiān)測采集不到有說服性數(shù)據(jù)時(shí)或出現(xiàn)急發(fā)事件，需要了解現(xiàn)場運(yùn)行情況可實(shí)施臨時(shí)采集功能。

（3）特殊情況，例如：在數(shù)據(jù)采集時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化速率較大時(shí)應(yīng)發(fā)出預(yù)警，發(fā)現(xiàn)立即上報(bào)并根據(jù)情況縮短測量時(shí)間和周期。

2.4 采集成果

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，對NDA采集模塊發(fā)出命令，收取所有定時(shí)采集數(shù)據(jù)或臨時(shí)采集數(shù)據(jù)，保存所采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成過程線。

由圖3可見，觀測水位在382.30～383.3 m，水位變化受水庫蓄水位影響，水位變化正常，無滲透破壞、無水滲漏現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

圖3 測點(diǎn)P5-9水位及溫度隨時(shí)間變化曲線圖

庫水溫度基本隨室外溫度變化而變化，測值正常。

由圖4可見，壩體水位變化曲線無異?，F(xiàn)象，水位變化在大壩運(yùn)行的可控范圍內(nèi)，在未來的運(yùn)行過程中會(huì)一直延續(xù)下去。

圖4 P5-8—P5-13測點(diǎn)水位隨時(shí)間變化曲線圖

3 系統(tǒng)運(yùn)維

水電站運(yùn)行期間工作人員應(yīng)加強(qiáng)資料、數(shù)據(jù)庫的定期備份。采集數(shù)據(jù)時(shí)必須初步判定數(shù)據(jù)是否合理，若不合理應(yīng)及時(shí)進(jìn)行分析，判定是儀器本身問題或是大壩本身變化。

加強(qiáng)機(jī)房管理制度的執(zhí)行，未經(jīng)系統(tǒng)管理員許可，任何人員不得擅自進(jìn)入監(jiān)控中心和各監(jiān)測房，不得動(dòng)用系統(tǒng)內(nèi)的各計(jì)算機(jī)。在工作中各計(jì)算機(jī)應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的登錄密碼，非系統(tǒng)管理人員不得登錄，不得更改各計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)配置和運(yùn)行方式以及文件內(nèi)容，不可隨意在本系統(tǒng)內(nèi)的各計(jì)算機(jī)上安裝其他非本工程所需的應(yīng)用軟件，以免引起系統(tǒng)崩潰。外來軟件、U盤、光盤等未經(jīng)檢查嚴(yán)禁上機(jī)使用。應(yīng)定期對機(jī)房環(huán)境進(jìn)行檢查，確保各計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處在一個(gè)良好的環(huán)境里運(yùn)行。其中在備份數(shù)據(jù)庫時(shí)，使用專用移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備。

另外為了延長系統(tǒng)各計(jì)算機(jī)設(shè)備的使用壽命，各計(jì)算機(jī)的登錄用戶名和分級密碼由管理員統(tǒng)一管理，使用人員不得向外透露，在登錄本監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，登錄者用自己的用戶名和密碼登錄，以便系統(tǒng)自動(dòng)記錄相應(yīng)的訪問信息。除服務(wù)器主機(jī)和交換機(jī)外，其余計(jì)算機(jī)主機(jī)和各計(jì)算機(jī)顯示器在不使用時(shí)應(yīng)為關(guān)機(jī)狀態(tài)。

4 常見故障及異常處理

系統(tǒng)在運(yùn)行中，要注重現(xiàn)場工程情況檢查維護(hù)，并結(jié)合系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。系統(tǒng)各類儀器結(jié)合人工觀測每月定期檢查，遇特殊天氣情況、汛期或其他意外情況，發(fā)現(xiàn)測值不正常應(yīng)及時(shí)到現(xiàn)場檢查，檢查過程要記錄正確。

常用故障檢測方法主要內(nèi)容有如下幾方面。

4.1 目測法

一般在系統(tǒng)的運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)儀器測值異常，系統(tǒng)設(shè)備功能或模塊的測值及功能等情況出現(xiàn)故障時(shí)，有必要采取有效的方法進(jìn)行檢修，并對其做出判斷。

（1）設(shè)備的電源指示燈、型號指示燈是否正常，保險(xiǎn)絲有無熔斷。

（2）設(shè)備有無燒焦或炙烤、動(dòng)物啃咬、發(fā)熱燒焦、人為破壞盜割電纜、機(jī)械施工痕跡。

（3）電纜接頭是否有進(jìn)水及電池有無漏液的現(xiàn)象。

4.2 替換法

一般在出現(xiàn)儀器測值異常，系統(tǒng)設(shè)備功能或模塊的測值及功能等異常時(shí)，采用此法進(jìn)行檢修判斷，即：

（1）用相同型號的儀器設(shè)備替換懷疑有故障的儀器設(shè)備。

（2）將有懷疑故障的儀器臨時(shí)改接至其它同類正常通道。

（3）將其它通道正常的同類儀器臨時(shí)改接至懷疑有故障的通道。

（4）將已知的同類儀器接入可能有故障的通道中，從而判斷出被檢修儀器、設(shè)備或模塊及其通道是否有故障。

4.3 排除法

此法又稱為1/2分割法，一般在出現(xiàn)通信線路故障、電源線路故障或儀器線路故障，例如：線路短路、系統(tǒng)軟件及通信口設(shè)置正常但所有模塊都呼叫不成功等故障時(shí)，采用此法進(jìn)行檢修判斷。具體方法為：

首先故障部位一分為二，分別進(jìn)行排查，排查出正常部位與故障部位，對排查出的故障部位再一分為二，然后繼續(xù)對有故障的一側(cè)進(jìn)行故障分析、分割和檢測，直至找出故障所在的準(zhǔn)確位置。

4.4 比測法

一般在儀器測值出現(xiàn)突變或異?；?qū)δ承y值的正確性有懷疑時(shí)，采用此法進(jìn)行判斷。

在同一時(shí)刻，用人工觀測方法和自動(dòng)化觀測方法同時(shí)對有懷疑的測點(diǎn)進(jìn)行檢測，然后結(jié)合二者的測量精度對測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，從而判斷出所懷疑的測點(diǎn)的測值是否正常，儀器設(shè)備是否有故障。

4.5 萬用表檢測法

此法一般用于判定系統(tǒng)的電源是否正常、電纜是否斷線或短路、儀器的電阻值或輸出電壓是否大致正常。

對于所有弦式儀器，通過用萬用表的電阻檔測量懷疑有故障的儀器的阻值，以及正常的同型號的儀器的阻值，并對二者的測量結(jié)果進(jìn)行對比，即可初步判定出儀器是否存在斷線、短路或接觸不良的故障。

5 系統(tǒng)應(yīng)用中需要關(guān)注的關(guān)鍵點(diǎn)

在自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行中，為了正確規(guī)范系統(tǒng)工作人員運(yùn)作，需要在以上基礎(chǔ)上注意以下關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境。在水電站的安全監(jiān)測運(yùn)行過程中發(fā)揮著重要的作用。DSIMS4.0信息管理軟件，同現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集單元DAU構(gòu)成一個(gè)完成的現(xiàn)代化安全監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)計(jì)算機(jī)工作組需要較高的安全穩(wěn)定性，在此情況下，系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境極為重要。

（2）NDA的合理控制。在系統(tǒng)中NDA能夠?qū)Σ杉降碾姕y量實(shí)時(shí)變換成物理量，并經(jīng)過自動(dòng)檢驗(yàn)后入庫保存，保存好的數(shù)據(jù)需要系統(tǒng)的控制才能及時(shí)地反饋到計(jì)算機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在整個(gè)過程需要一定的時(shí)間來完成，在該過程完成之前操作上請不要做選測或退出采集系統(tǒng)。

（3）有效的數(shù)據(jù)備份。數(shù)據(jù)備份是一種防止系統(tǒng)出現(xiàn)操作失誤或系統(tǒng)異常故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的有效方法。

6評價(jià)

通過上述內(nèi)容，曼維萊水電站安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)可以得出以下優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確地采集工程現(xiàn)場各類儀器的觀測數(shù)據(jù)，減輕了監(jiān)測人員的體力和腦力勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）實(shí)現(xiàn)了及時(shí)、準(zhǔn)確地把所有采集數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心站進(jìn)行系統(tǒng)的整理和分析，解決了在儀器數(shù)量較多的情況下，人工采集數(shù)據(jù)周期較長，無法及時(shí)完成數(shù)據(jù)采集，更不能及時(shí)對工程建設(shè)期和運(yùn)行期間大壩安全做出評估。

（3）實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)監(jiān)測儀器同步性觀測，自動(dòng)化能夠使各個(gè)測點(diǎn)在同一時(shí)刻進(jìn)行采集。

（4）實(shí)現(xiàn)了各測點(diǎn)人工采集間隔時(shí)差，有利于對各測點(diǎn)做出的比較。

（5）水庫運(yùn)行期間出現(xiàn)儀器異常和設(shè)備故障問題直接影響到對數(shù)據(jù)的采集和分析，因此，監(jiān)測過程要求監(jiān)測人員熟悉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，才能對異常、故障做出合理的檢測分析和準(zhǔn)確判斷。

鑒于監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)有上述幾個(gè)優(yōu)缺點(diǎn)，在大壩的運(yùn)行過程中對大壩的安全維護(hù)有著不可忽視的作用，因此，在未來的大壩工程中安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)用必將擁有更廣闊前景。