觀音閣水庫大壩監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)自動化改造設(shè)計

魏東昇　王金華

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪　117100)

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觀音閣水庫大壩監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)自動化改造設(shè)計

魏東昇王金華

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪117100)

為監(jiān)測觀音閣水庫大壩水工建筑物的運行，掌握其變化規(guī)律，取得必要的原型觀測資料，更好地發(fā)揮大壩的各種功能，對觀音閣水庫大壩監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行了自動化改造設(shè)計，改造工程包括大壩外觀和內(nèi)觀監(jiān)測儀器的自動化改造以及大壩閘門的自動控制系統(tǒng)。監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)采用光纖監(jiān)測技術(shù)，不僅能夠使觀音閣水庫大壩監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)自動化改造后達到國際最先進水平，而且建安工程量小，運行、維護、管理非常方便。通過觀音閣水庫大壩自動化監(jiān)控系統(tǒng)改造，能夠?qū)崿F(xiàn)觀音閣水庫大壩安全的自動化監(jiān)測管理，保證觀音閣水庫大壩的安全，以及大壩下游各區(qū)域的人身及財產(chǎn)安全。

觀音閣水庫；監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)；自動化改造設(shè)計

觀音閣水庫位于太子河干流上，控制流域面積2795km2，總庫容21.68億m3，與下游70km的參窩水庫形成太子河干流梯級開發(fā)。大壩由擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段及電站壩段組成。為監(jiān)測觀音閣水庫大壩水工建筑物的安全運行，掌握其變化規(guī)律，取得必要的原型觀測資料，更好地發(fā)揮大壩的各種功能，設(shè)置了大壩觀測系統(tǒng)。大壩觀測的主要目的是掌握運行期各主要建筑物工作情況及監(jiān)視水庫、大壩的安全運行，使其充分發(fā)揮效益[1]。當前觀音閣水庫大壩的內(nèi)部觀測系統(tǒng)全部無法運行，不能進行自動化監(jiān)測監(jiān)控，監(jiān)測系統(tǒng)不能實時采集數(shù)據(jù)，因此大壩的安全運行監(jiān)測監(jiān)控存在很大的隱患。外部觀測屬于通過人員開展的觀測，受人員觀測精度、觀測點位多、難度大等多種因素影響，觀測的精度很難保證，每次觀測的誤差不穩(wěn)定，為此無法有效地監(jiān)控大壩安全運行狀態(tài)。在水庫正常蓄水及汛期時，工作人員無法掌握水位對大壩的影響。因此，基于現(xiàn)狀需要對當前的自動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行改造，實現(xiàn)對大壩的實時監(jiān)測監(jiān)控，從而確保大壩的安全運行，避免不必要的事故發(fā)生。

1　監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原則及目標

觀音閣水庫大壩的觀測包括內(nèi)部、外部及地震三個方面。選取10號、22號、42號作為大壩代表性的壩段，內(nèi)部觀測主要有滲透壓、應變、溫度、應力、裂縫等；外部觀測主要包括壩基、壩頂、壩體傾斜、壩體水平位移、壩體沉陷等；地震觀測為壩體的微震觀測。

觀音閣水庫大壩監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原則為：?觀測項目盡量采用自動觀測，部分項目同時設(shè)手工觀測；?以外部觀測為主，注重變形觀測和滲流觀測；?盡量減少與碾壓混凝土的施工干擾；?儀器設(shè)備盡量集中布置，為管理和綜合分析創(chuàng)造方便條件。

觀音閣水庫自動化系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)的目標為：按照智能化水庫管理的需要，所采用的計算機及其他設(shè)備需要具備先進性、成熟性與可靠性。安裝強大的計算機核心模塊，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化，能夠?qū)崟r監(jiān)測監(jiān)控大壩，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，掌握運行狀況，通過監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備、計算機、服務(wù)器、運行平臺等，實現(xiàn)人工操作簡易、監(jiān)測監(jiān)控誤差最小、系統(tǒng)運行穩(wěn)定的自動化系統(tǒng)[2]。?標準化：作為大壩的監(jiān)測監(jiān)控，需要選取標準的儀器設(shè)備，設(shè)備的各項參數(shù)要符合相應的國家標準規(guī)定；?圖表化：通過監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，再利用運行平臺，將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為可視化的圖表信息，以便信息的直觀化；?智能化：根據(jù)計算機運行平臺系統(tǒng)，對采集的數(shù)據(jù)進行處理與分析，當數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)會作出智能化反應，給出異常的原因和擬解決的方案，以便指導大壩的安全運行。

2　大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1位移監(jiān)測

Damsafety.net是一個大壩安全監(jiān)測與注冊系統(tǒng)(見圖1)，其穩(wěn)定性指標由最新的、最為可靠的技術(shù)來監(jiān)測。因特網(wǎng)用戶界面及Oracle數(shù)據(jù)庫的使用確保了被監(jiān)測的數(shù)據(jù)很方便地被用戶獲取，并確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可量測性。系統(tǒng)可以用來維護和觀測與土工結(jié)構(gòu)相關(guān)的所有基本資料。網(wǎng)頁界面使系統(tǒng)比較容易接近，管理局內(nèi)部所有的局域網(wǎng)用戶均可以使用該系統(tǒng)，且多個用戶可以同時進入該系統(tǒng)。用戶可以使用基于網(wǎng)頁上的地圖界面瀏覽監(jiān)測信息。點擊地圖上的某個區(qū)域就可以啟動報告應用程序。報告應用程序會顯示與所選擇區(qū)域有關(guān)的所有報告。與測量結(jié)果有關(guān)的地點數(shù)據(jù)可以儲存到多維數(shù)據(jù)庫里，多維數(shù)據(jù)庫可以用來生成各式各樣的監(jiān)測結(jié)果報告。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型包括光纖熱傳感器、沉降、沉降柱、繞壩滲流水井、揚壓力計、水位、霜凍表、檢視井、湯姆森井及安全監(jiān)視說明和保養(yǎng)日歷。系統(tǒng)可以用來處理從多個大壩匯集而來的不斷更新的監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)將按預先設(shè)定的監(jiān)測順序保存到數(shù)據(jù)庫里。用戶可以通過網(wǎng)頁界面增加和更新所有監(jiān)測數(shù)據(jù)?，F(xiàn)行的系統(tǒng)內(nèi)，用戶可以增加和更新沉降、沉降柱、繞壩滲流、揚壓力計、水位、霜凍表、檢視井和湯姆森井等監(jiān)測數(shù)據(jù)。如果自動的測量數(shù)據(jù)超過極限值，就會報警。不然，就給出所有必要的報表及包含有預設(shè)測量值之報警值的圖表。如果背離這些極限值，圖表便會給出可視的警告。該系統(tǒng)是基于Windows 服務(wù)器里面的普通 Java平臺開發(fā)出來的。服務(wù)器通過用戶賬號及其等級防止未經(jīng)授權(quán)者進入。用戶與服務(wù)器之間的所有網(wǎng)絡(luò)通信都是加密的，加密的方法是SSL加密，具有高達 128字節(jié)的密碼保護。

圖1　大壩自動化位移監(jiān)測系統(tǒng)

2.2滲流監(jiān)測

大壩共布置揚壓力測壓管89支，系統(tǒng)改造主要將原有傳感器更換為可靠、穩(wěn)定的傳感器，實現(xiàn)揚壓力監(jiān)測自動化。并在設(shè)備安裝上對38個有壓測壓管采用密封方式，48個無壓測壓管采用懸掛方式。在7個量水堰上安裝新的傳感器，實現(xiàn)分區(qū)滲流量監(jiān)測自動化。同時為了實現(xiàn)集水井自動控制和數(shù)據(jù)采集，對5個集水井安裝專用測控裝置和傳感器，實現(xiàn)分區(qū)總滲流量監(jiān)測和控制自動化。對28個繞壩滲流測壓管中已堵的12個孔進行掃孔處理，全部安裝滲壓計，實現(xiàn)監(jiān)測自動化，并對測壓管管口加設(shè)保護箱。

壩體滲壓觀測儀器只布設(shè)在10號基面201.00m和220.50m基面內(nèi)，共13支SZ-4型滲壓計。F8斷層滲壓觀測儀器分別埋設(shè)在23號和24號壩段內(nèi)，采用185mm鉆孔，把滲壓計埋設(shè)在F8斷層破碎帶內(nèi)，23號壩段2支滲壓計設(shè)在帷幕前，為SZ-8型，24號壩段2支滲壓計設(shè)在帷幕后，為SZ-4型。

2.3內(nèi)觀監(jiān)測

根據(jù)觀音閣水庫地質(zhì)情況和工程布置，設(shè)計選擇了10號、22號和42號壩段作為內(nèi)部觀測儀器觀測基面：10號壩段為擋水壩段，壩高80.0m，位于左岸河床內(nèi)；22號壩段為溢流壩段，壩高71.2m，壩基下有F8斷層通過，地質(zhì)構(gòu)造復雜；42號壩段為擋水壩段，又為河床和右岸的轉(zhuǎn)彎壩段，壩高為64.0m。

在10號觀測基面內(nèi)190.50m高程截面上下游方向布置5組應變計，每組5支TY-25型貼片式應變計，1支無應力計(布置在距應變計組1.5m處)。為了解基巖應變情況，在10號、22號基面內(nèi)沿上下游各布置3支單向應變計，42號基面內(nèi)設(shè)2支應變計，應變計均為DI-25B型。為了解壩趾混凝土應力，在10號和22號壩趾處各有2支WL-60型應力計，分垂直和水平方向埋設(shè)。

2.4壩上監(jiān)控室設(shè)計

在觀音閣水庫大壩設(shè)立壩上監(jiān)控分中心，壩上監(jiān)控分中心是微波系統(tǒng)、光纜系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備連接和數(shù)據(jù)交換的中心。視頻的實時圖像在分中心經(jīng)過視頻網(wǎng)絡(luò)信號的轉(zhuǎn)化通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接^音閣水庫自動化監(jiān)控中心，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集后傳輸?shù)綁紊媳O(jiān)控分中心，通過分中心監(jiān)控工控機的處理寫入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器供觀音閣水庫自動化監(jiān)控中心和其他計算機調(diào)用。壩上監(jiān)控分中心需要建設(shè)網(wǎng)絡(luò)、電視墻，配置真空激光準直系統(tǒng)工控機，實現(xiàn)真空激光準直系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收、控制等功能；配置內(nèi)觀及揚壓力工控機，實現(xiàn)內(nèi)觀、繞壩滲流、揚壓力、量水堰、集水井的數(shù)據(jù)采集和控制功能；配置閘門監(jiān)控工控機，接收閘門監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，接受和存儲上述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享；配置網(wǎng)絡(luò)激光打印機，用于各種數(shù)據(jù)、圖表的輸出。

壩上監(jiān)控分中心利用網(wǎng)絡(luò)交換機建設(shè)局域網(wǎng)系統(tǒng)，同時通過微波的網(wǎng)絡(luò)接口和觀音閣水庫局域網(wǎng)連接。

3　大壩閘門自動控制系統(tǒng)

目前，觀音閣水庫大壩閘門的控制系統(tǒng)沒有采用自動化控制系統(tǒng)，在閘門提升過程中，操作者無法知道閘門提取的高度和停留的位置。大壩的溢流閘門有12個，底孔閘門有2個，對大壩閘門的自動化改造屬于復式自動控制。觀音閣水庫大壩的閘門控制是靠計算機進行的，通過計算機系統(tǒng)的任務(wù)傳輸，能夠控制閘門的開啟與關(guān)閉，同時配備監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)﹂l門圖像實現(xiàn)可視化，實時掌握閘門的運行以及周圍的狀況[3]。閘門運行系統(tǒng)的構(gòu)建包括兩部分：一部分為閘門的控制室，控制室配備計算機、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)平臺、安裝軟件；一部分為閘門現(xiàn)場的監(jiān)控系統(tǒng)，在閘門處設(shè)置監(jiān)控攝像頭、監(jiān)控部件PLC及信息傳輸光纜。兩部分同時工作才能實現(xiàn)大壩閘門的自動化控制，通過現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，采用PLC控制大壩閘門需要開啟與關(guān)閉的儀器設(shè)備，通過開度儀確定閘門開啟的程度，由荷重儀確定閘門承受的重量，并根據(jù)水庫來水流速，經(jīng)水利分析計算，制定多種閘門自動開啟方案，提高閘門自動化控制水平，減少人工操作帶來的誤差。同時在整個系統(tǒng)上還設(shè)置了保護裝置，能夠?qū)ν话l(fā)事件進行實時處理。結(jié)合計算機的可視化、自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)無人看守閘門，通過計算機完成閘門的自動化控制。

4　觀音閣水庫自動化監(jiān)控中心設(shè)計

觀音閣水庫自動化監(jiān)控中心是控制、顯示觀音閣水庫自動化項目中數(shù)據(jù)、圖像等各種信息的中心(見圖2)。中心顯示設(shè)備采用大屏幕背投設(shè)備，利用DNP100英寸大屏幕和PX41多媒體投影儀顯示系統(tǒng)的圖像、數(shù)據(jù)等多媒體信息。配置視頻工作站，實現(xiàn)對遠程圖像的顯示，控制。觀音閣水庫自動化監(jiān)控中心配置Web服務(wù)器，開發(fā)門戶網(wǎng)站軟件，改造目前網(wǎng)站內(nèi)容，同時加入大壩實時圖像傳輸系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、內(nèi)觀及揚壓力觀測系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)。通過網(wǎng)站就可以實現(xiàn)對觀音閣水庫大壩監(jiān)控系統(tǒng)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢、圖像監(jiān)控和控制等功能。配置辦公自動化服務(wù)器和開發(fā)辦公自動化軟件，使觀音閣水庫網(wǎng)上辦公自動化，實現(xiàn)網(wǎng)上申請審批、公文辦理、合同審核、請假報銷等。采用流程式工作方式，最大特點在于由于處理信息內(nèi)容的性質(zhì)不同，流程結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，各流程節(jié)點的具體處理方式根據(jù)節(jié)點的特性各有不同，同時由于日常工作中的不確定因素， 流程本身應具備相當?shù)膹椥栽O(shè)置。通過工作流程管理的應用，可以保持單位工作流程的清晰、規(guī)范、高效，最大程度提升工作效率。

圖2　觀音閣水庫自動化監(jiān)控中心

5　結(jié)　語

為適應大壩管理的自動化發(fā)展趨勢，實現(xiàn)“無人值班，少人值守”要求，系統(tǒng)建立已將遠程控制系統(tǒng)納入安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)跨地區(qū)的梯級調(diào)度指揮中心的集中控制與管理。以期做到一次性投資建設(shè)，解決遠程控制問題，既保證系統(tǒng)形成后在一段時期內(nèi)的技術(shù)先進性和擴展性，又做到在適度投資的范圍內(nèi)，達到增效的目的。通過觀音閣水庫大壩自動化監(jiān)控系統(tǒng)改造，能夠?qū)崿F(xiàn)觀音閣水庫大壩安全的自動化監(jiān)測管理，保證觀音閣水庫大壩的安全，以及大壩下游各區(qū)域的人身及財產(chǎn)安全。

[1]田作佳.中小型排灌站自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2014(5):70-73.

[2]吳強,王煦法.“數(shù)字水利”及其關(guān)鍵技術(shù)[C].2005年“數(shù)字安徽”博士科技論壇論文集.合肥：中國科學技術(shù)大學出版社，2005.

[3]劉斌,韓英才,魏偉.基于PLC的沙集閘自動化遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2011,35(1):76-79.

The automation improvement design of dam monitoring and controlling system in Guanyinge Reservoir

WEI Dongsheng, WANG Jinhua

(LiaoningGuanyingeReservoirAdministration,Benxi117100,China)

Automatic improvement design is implemented on dam monitoring and controlling system in Guanyinge Reservoir in order to monitor the operation of hydraulic structures, master the change law, obtain necessary prototype observation data, and better play various functions of the dam. Improvement project includes the automatic renovation of dam appearance and internal monitoring instrument as well as the automatic controlling system of dam gate. Fiber optic monitoring technology is adopted in the monitoring and controlling system. Dam monitoring and controlling system in Guanyinge Reservoir can reach the most advanced level all over the world after automatic improvement, construction and installation engineering quantity is small, and it is very convenient in operation, maintenance and management. The automatic monitoring management of dam safety in Guanyinge Reservoir can be realized according to the automation improvement of mornitoring and controlling system, thereby guaranteeing the safety of Guanyinge Reservoir dam as well as the personal and property safety of all areas on the downstream part of the dam.

Guanyinge Reservoir; monitoring and controlling system; automation improvement

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.04.014

TV698.1

B

1673-8241(2016)04- 0054- 04