猴子巖水電站監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡升偉

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 設(shè)計(jì)的必要性

猴子巖水電站建成投入正常運(yùn)行后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)若以人工觀測(cè)為主，無法適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)管理的需要，具體問題如下：

(1)猴子巖水電站工程安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布設(shè)比較齊全，測(cè)點(diǎn)較多，直接導(dǎo)致人工觀測(cè)工作量大，觀測(cè)周期長(zhǎng)，單靠人工觀測(cè)無法滿足及時(shí)掌握工程建筑物和邊坡的工作性態(tài)，保證工程安全運(yùn)行的要求。

(2)人工觀測(cè)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還需要人工輸入計(jì)算機(jī)中，需要人工進(jìn)行整理計(jì)算，在整理計(jì)算過程中如若發(fā)現(xiàn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果有問題，需返回現(xiàn)場(chǎng)重新觀測(cè)。

(3)在樞紐汛期高水位時(shí)，要求樞紐觀測(cè)頻次加密，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)工作將更為緊張，勞動(dòng)強(qiáng)度更大；由于人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)入庫(kù)比較緩慢，觀測(cè)數(shù)據(jù)得不到及時(shí)處理，上級(jí)主管部門及各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)將無法及時(shí)了解樞紐的工作性態(tài)，嚴(yán)重影響流域防汛指揮的調(diào)度與決策。

因此，建立一套功能齊全、穩(wěn)定可靠、使用方便的工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，不但能夠達(dá)到快速完成工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集工作，做到觀測(cè)數(shù)據(jù)快速整編、及時(shí)分析、及時(shí)反饋；同時(shí)也可降低現(xiàn)場(chǎng)工作人員工作強(qiáng)度。

2 設(shè)計(jì)范圍和內(nèi)容

在綜合考慮整個(gè)樞紐區(qū)的監(jiān)控體系布置基礎(chǔ)上，接入監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的各監(jiān)測(cè)部位的監(jiān)測(cè)設(shè)施必須具有針對(duì)性和必要性。監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)接入太多使得系統(tǒng)龐大、可靠性降低；監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)接入太少又不能達(dá)到有效安全監(jiān)控的目的。為使進(jìn)入自動(dòng)化系統(tǒng)的的監(jiān)測(cè)設(shè)施控制在適度、合理的規(guī)模，在綜合考慮監(jiān)測(cè)部位的重要性、目前的安全現(xiàn)狀和監(jiān)測(cè)儀器的可靠穩(wěn)定性等因素[1]的基礎(chǔ)上，確定的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)范圍及內(nèi)容如下：

圖1 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化組網(wǎng)連接示意

圖2 監(jiān)測(cè)站、管理站、中心站組網(wǎng)配置示意

(1)擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物、工程邊坡、堆積體及業(yè)主營(yíng)地等為納入安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的重點(diǎn)部位，除部分施工期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及非電測(cè)類儀器外，其余監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均考慮接入監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)；樞紐區(qū)水力學(xué)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和堆積體測(cè)斜孔不接入安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

(2)導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡及進(jìn)口段在蓄水后全都淹沒在水中，其埋設(shè)的監(jiān)測(cè)儀器將不考慮接入自動(dòng)化，后期進(jìn)行人工測(cè)讀，重點(diǎn)考慮堵頭及下游監(jiān)測(cè)部位的監(jiān)測(cè)儀器接入監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

(3)大壩水管式沉降儀、引張線式水平位移計(jì)、左右岸灌漿廊道內(nèi)繞滲孔和量水堰、兩岸壩肩繞滲孔及壩后和廠區(qū)量水堰等考慮改造為電測(cè)以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組網(wǎng)

猴子巖水電站內(nèi)觀監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)按三級(jí)(監(jiān)測(cè)站、監(jiān)測(cè)管理站和監(jiān)測(cè)管理中心站)規(guī)劃。安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備采用分布式、RS- 485與TCP/IP綜合組網(wǎng)；測(cè)站內(nèi)的數(shù)據(jù)采集裝置之間采用RS- 485總線連接；監(jiān)測(cè)站與管理站之間采用星形連接及TCP/IP光纖通訊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?；監(jiān)測(cè)管理中心站與監(jiān)測(cè)管理站之間通過廠內(nèi)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站與監(jiān)測(cè)管理站、監(jiān)測(cè)管理站與監(jiān)測(cè)中心站之間的自動(dòng)化組網(wǎng)連接及配置示意圖詳見圖1、2。

3.2 監(jiān)測(cè)站

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站是數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、電源管理及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳和接收監(jiān)測(cè)管理站上位機(jī)的控制指令。

根據(jù)猴子巖水電站樞紐建筑物布設(shè)特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)管理站的環(huán)境要求，監(jiān)測(cè)站布設(shè)原則是監(jiān)測(cè)儀器相對(duì)集中的部位集中布設(shè)，主要考慮交通、通風(fēng)、遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁干擾設(shè)備以及施工期監(jiān)測(cè)電纜的走線情況等因素；以利于監(jiān)測(cè)電纜的牽引方便和牽引長(zhǎng)度最小，同時(shí)使自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集模塊的利用率最大化。

監(jiān)測(cè)站主要布設(shè)在面板堆石壩壩頂及壩后觀測(cè)房、深孔和非常泄洪洞出口邊坡及工作閘室、溢洪洞出口邊坡、泄洪放空洞出口邊坡及工作閘室、電站進(jìn)水口邊坡、地下廠房水輪機(jī)電氣夾層、尾調(diào)室安裝場(chǎng)、尾水隧洞出口邊坡、開關(guān)站邊坡和角壩、泥洛堆積體等。

3.3 監(jiān)測(cè)管理站

監(jiān)測(cè)管理站的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)采集裝置的數(shù)據(jù)、進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并按規(guī)定的格式統(tǒng)一存放在原始和整編數(shù)據(jù)庫(kù)中；另外還接收監(jiān)測(cè)管理中心站上位機(jī)的相關(guān)指令，對(duì)數(shù)據(jù)采集裝置下達(dá)控制指令。監(jiān)測(cè)管理站應(yīng)具備有適合工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，具備良好的接地、防雷、抗干擾功能，具備凈化電源和不間斷電源，確保系統(tǒng)穩(wěn)定供電。有較高運(yùn)算速度、較大存儲(chǔ)容量和遠(yuǎn)程通訊的的控制計(jì)算機(jī)。

根據(jù)工程規(guī)模和特點(diǎn)，結(jié)合監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布設(shè)情況，便于將分散的監(jiān)測(cè)站集中管理，在大壩壩頂右岸布設(shè)監(jiān)測(cè)管理站，管理右壩肩及附近邊坡區(qū)域的監(jiān)測(cè)站；地下副廠房布設(shè)監(jiān)測(cè)管理站，管理三大洞室及其相鄰區(qū)域的監(jiān)測(cè)站。另外，壩頂左岸監(jiān)測(cè)管理中心站兼有管理站的功能，負(fù)責(zé)管理左壩肩及附近邊坡區(qū)域和堆積體的監(jiān)測(cè)站。

3.4 監(jiān)測(cè)管理中心站

監(jiān)測(cè)管理中心站布設(shè)于大壩壩頂左岸，負(fù)責(zé)猴子巖水電站工程全部安全監(jiān)測(cè)管理工作。監(jiān)測(cè)管理中心站通過安全監(jiān)測(cè)信息管理或綜合分析系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)管理站和監(jiān)測(cè)站自動(dòng)采集、其他半自動(dòng)、人工測(cè)讀的數(shù)據(jù)、工程所有與安全監(jiān)測(cè)相關(guān)的文檔資料進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，具有監(jiān)測(cè)資料的初步分析和發(fā)布功能；并將初步分析成果反饋給監(jiān)測(cè)管理站和監(jiān)測(cè)站的采集計(jì)算機(jī)相關(guān)控制指令，同時(shí)后期與庫(kù)壩流域綜合信息管理系統(tǒng)無縫連接。

監(jiān)測(cè)管理中心站應(yīng)具備適合工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，具備良好的接地、防雷、抗干擾功能，具備凈化電源和不間斷電源，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定供電。

3.5 網(wǎng)絡(luò)通訊方式

監(jiān)測(cè)站和傳感器之間、監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)管理站之間、監(jiān)測(cè)管理站和監(jiān)測(cè)中心站之間都存在通訊，系統(tǒng)間各通訊接口與傳輸方式結(jié)合工程監(jiān)控體系布置特點(diǎn)靈活選用。結(jié)合猴子巖工程監(jiān)測(cè)布置特點(diǎn)以及自動(dòng)化系統(tǒng)組網(wǎng)形式，各系統(tǒng)之間通訊方式規(guī)劃如下：

(1)監(jiān)測(cè)站(放置數(shù)據(jù)采集裝置，簡(jiǎn)稱MCU)與傳感器之間，鑒于各類型數(shù)據(jù)自動(dòng)采集裝置均有自己的通訊方式，且不影響系統(tǒng)總體功能，只要滿足能有效采集各類監(jiān)測(cè)傳感器的信號(hào)即可[2]。

(2)監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)管理站之間的通訊方式根據(jù)建筑物和邊坡的監(jiān)測(cè)布置和監(jiān)測(cè)管理站的設(shè)置綜合考慮。擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物的監(jiān)測(cè)站由于較為集中，與監(jiān)測(cè)管理站之間通訊采用星形連接及TCP/IP光纖通訊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)通訊、抗電磁干擾和雷暴，從而保證系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行。左岸邊坡和堆積體把傳感器引入附近的監(jiān)測(cè)站，再以星形連接及TCP/IP光纖通訊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问綄R集數(shù)據(jù)傳送至壩頂左岸監(jiān)測(cè)管理中心站；右岸邊坡把傳感器引入附近的監(jiān)測(cè)站，再以星形連接及TCP/IP光纖通訊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问綄R集數(shù)據(jù)傳送至壩頂右岸監(jiān)測(cè)管理站。

(3)監(jiān)測(cè)管理站和監(jiān)測(cè)中心站之間通過局域網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全、快速傳輸。

(4)監(jiān)測(cè)中心站后期與大渡河流域庫(kù)壩信息綜合管理系統(tǒng)采用專用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)接入。這種異地遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊，主要解決遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸、共享和監(jiān)控問題。

3.6 電源供電方式

(1)監(jiān)測(cè)管理中心站。監(jiān)測(cè)管理中心站采用雙電源供電，多路輸出220 V除對(duì)站內(nèi)設(shè)備供電外，中心站配置一套交流不間斷電源(在線式UPS)，蓄電池維持系統(tǒng)設(shè)備正常工作至少3 d。

(2)監(jiān)測(cè)管理站。監(jiān)測(cè)管理中心站采用雙電源供電，多路輸出220 V除對(duì)站內(nèi)設(shè)備供電外，各監(jiān)測(cè)管理站分別配置一套交流不間斷電源(在線式UPS)，蓄電池維持系統(tǒng)設(shè)備正常工作至少3 d。

(3)監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站采用廠用電源供電，多路輸出220 V除對(duì)站內(nèi)設(shè)備供電外，各監(jiān)測(cè)站分別配置一套交流不間斷電源(后備式UPS)，蓄電池維持?jǐn)?shù)據(jù)采集裝置正常工作至少7 d。

3.7 系統(tǒng)防雷和接地

雷擊對(duì)安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)危害較大；為提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防雷避雷性能，必須采取相應(yīng)的防雷措施。由于建筑物和邊坡監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)分布范圍較廣，為確保安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)正常運(yùn)行，必需采取相應(yīng)防雷措施防止雷電對(duì)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的破壞[3]。因此，結(jié)合本工程實(shí)際情況，主要從系統(tǒng)接地、電源防雷及通信防雷三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)監(jiān)測(cè)管理中心站、監(jiān)測(cè)管理站。結(jié)合猴子巖電站的實(shí)際情況，監(jiān)測(cè)管理中心站和監(jiān)測(cè)管理站可直接利用工程的防雷、接地設(shè)施，但接地裝置的電阻應(yīng)小于4 Ω；機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的工作地、保護(hù)地采用聯(lián)合接地方式與工程區(qū)公用接地網(wǎng)可靠連接。電源防雷采用三級(jí)電源防雷，主要由三相并聯(lián)式電源防雷器、隔離變壓器、穩(wěn)壓電源等組成，同時(shí)兼防電網(wǎng)中的浪涌。應(yīng)在監(jiān)測(cè)管理中心站和監(jiān)測(cè)管理站各配置1臺(tái)220 V交流電源防雷箱和防雷隔離穩(wěn)壓電源。通信防雷要求進(jìn)入監(jiān)測(cè)中心管理站、監(jiān)測(cè)管理站的所有金屬管線和電纜金屬外皮均應(yīng)接地，同時(shí)還應(yīng)選擇適合的避雷器加以保護(hù)。

(2)監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站直接采用接地線(鍍鋅扁鐵)與工程區(qū)公用接地網(wǎng)連接，接地裝置的電阻應(yīng)小于10 Ω；遠(yuǎn)離公用接地網(wǎng)的監(jiān)測(cè)站，應(yīng)在其附近設(shè)置接地點(diǎn)，采用Φ36 mm的鋼筋打入地下2 m，然后采用接地線(鍍鋅扁鐵)與其連接，接地裝置的電阻應(yīng)小于10 Ω；測(cè)站設(shè)備的引入電纜應(yīng)采用屏蔽電纜，其屏蔽層應(yīng)可靠接地。

3.8 系統(tǒng)運(yùn)行方式

(1)中央控制方式。由監(jiān)控主機(jī)或授權(quán)計(jì)算機(jī)，命令所有測(cè)控單元同時(shí)巡測(cè)或指定單臺(tái)、單點(diǎn)進(jìn)行選測(cè)，測(cè)量完畢將數(shù)據(jù)列表顯示，并根據(jù)需要存入采集數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2)自動(dòng)控制方式。由各測(cè)控單元自動(dòng)按設(shè)定時(shí)間進(jìn)行巡測(cè)、存儲(chǔ)，并將所測(cè)數(shù)據(jù)送到監(jiān)控主機(jī)備份保存。

(3)遠(yuǎn)程控制方式。由經(jīng)授權(quán)的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，利用通信網(wǎng)絡(luò)線路等方式對(duì)監(jiān)測(cè)中心管理站以及監(jiān)測(cè)管理站進(jìn)行全過程操作或?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元進(jìn)行連接控制、檢測(cè)和管理。

(4)人工測(cè)量方式。利用人工接口裝置進(jìn)行人工測(cè)量，試運(yùn)行期進(jìn)行比測(cè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)基于猴子巖水電站工程進(jìn)度以及樞紐區(qū)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)內(nèi)容的重要程度和測(cè)點(diǎn)工作狀況的評(píng)估，確立了監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施的范圍，主要包括擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物、工程邊坡、堆積體及業(yè)主營(yíng)地等。

(2)猴子巖水電站樞紐工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)自動(dòng)化信息管理系統(tǒng)。按監(jiān)測(cè)站、監(jiān)測(cè)管理站和監(jiān)測(cè)管理中心站三級(jí)規(guī)劃，后期實(shí)現(xiàn)大渡河流域庫(kù)壩安全信息綜合管理系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)管理中心站的遠(yuǎn)程管理工作。

(3)根據(jù)工程規(guī)模及特點(diǎn)，自動(dòng)化系統(tǒng)共布設(shè)監(jiān)測(cè)站29個(gè)，監(jiān)測(cè)管理站2個(gè)，監(jiān)測(cè)管理中心站1個(gè)；監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備采用分布式、RS- 485與TCP/IP綜合組網(wǎng)，測(cè)站內(nèi)的數(shù)據(jù)采集裝置之間采用RS- 485總線連接，監(jiān)測(cè)站與監(jiān)測(cè)管理站之間采用星形連接及TCP/IP光纖通訊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，監(jiān)測(cè)管理站與監(jiān)測(cè)管理中心站之間通過廠內(nèi)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。

(4)通過實(shí)施監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠達(dá)到“無人值班、少人值守”的電廠管理要求，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控和專家領(lǐng)導(dǎo)系統(tǒng)分析決策的現(xiàn)代企業(yè)管理要求。