便攜式大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)采集裝置研制與應(yīng)用

張 鑫，董旭龍，韓曉濤，李志洪，易長春

（1．河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北省石家莊市 050300；2．國網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司，北京市 100068；3．哈爾濱今星微電子科技有限公司，黑龍江省哈爾濱市 150000）

0 引言

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上。電站總裝機(jī)容量1000MW，裝機(jī)4臺，單機(jī)容量250MW，擔(dān)負(fù)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。上水庫位于下水庫左岸的老爺廟山頂，采用開挖筑壩圍庫而成。上水庫工程主要包括堆石壩、庫盆瀝青混凝土防滲面板、排水系統(tǒng)、庫岸基礎(chǔ)處理。上水庫庫盆采用瀝青混凝土面板全庫盆防滲，總防滲面積33.7萬m2[1]。為了監(jiān)測上下水庫、地下廠房及輸水系統(tǒng)工程安全情況，在上述工程相應(yīng)部位布設(shè)了滲壓計、測縫計、錨桿應(yīng)力計、鋼筋計、錨索測力計、混凝土應(yīng)變計等振弦式及差阻式內(nèi)部觀測儀器，目前正常觀測的內(nèi)部儀器共有1787支。其中1359支采用自動化觀測，每半年進(jìn)行1次人工比測；剩余428支儀器采用人工觀測方法觀測。

目前，開展振弦式和差阻式內(nèi)部觀測儀器人工觀測和比測工作，需要觀測人員隨身攜帶專用的頻率讀數(shù)儀、水工比例電橋或數(shù)字電橋等多個采集設(shè)備到采集現(xiàn)場逐點(diǎn)進(jìn)行觀測操作，當(dāng)測點(diǎn)數(shù)量較多時，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)串點(diǎn)、漏測等問題，人工采集的數(shù)據(jù)需要手工錄入數(shù)據(jù)庫或者通過導(dǎo)數(shù)軟件保存到觀測數(shù)據(jù)庫內(nèi)，工作量大、效率低。2018年，河北張河灣抽水蓄能電站針對現(xiàn)場實(shí)際情況，研制了便攜式大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)采集裝置（以下簡稱便攜式采集裝置），2019年8月調(diào)試完畢，并在張河灣抽水蓄能電站投入試運(yùn)行。

1 便攜式采集裝置測量原理

目前，國內(nèi)常見頻率讀數(shù)儀、水工比例電橋或數(shù)字電橋等多個采集設(shè)備，在實(shí)際觀測工作中，測量每個測點(diǎn)均需人工選點(diǎn)、換點(diǎn)，每次操作只能觀測一個測點(diǎn)，不能自動批量采集多測點(diǎn)。便攜式采集裝置是在頻率讀數(shù)儀、數(shù)字電橋的原理基礎(chǔ)上，將頻率讀數(shù)儀、數(shù)字電橋、電位器采集裝置功能集成到一個綜合數(shù)據(jù)采集裝置上，并使用觸摸屏式平板電腦控制綜合數(shù)據(jù)采集裝置現(xiàn)場測點(diǎn)進(jìn)行批量自動采集，采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)過程線直接顯示在平板屏幕上，可在現(xiàn)場檢查觀測數(shù)據(jù)是否正確，監(jiān)測數(shù)據(jù)自動保存在采集數(shù)據(jù)庫中。現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)結(jié)束后，將平板電腦接入觀測網(wǎng)絡(luò)或使用U盤拷貝采集數(shù)據(jù)庫，使用數(shù)據(jù)庫入庫軟件將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)庫中觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)入觀測數(shù)據(jù)庫中，徹底解決觀測數(shù)據(jù)串點(diǎn)、漏測、數(shù)據(jù)入庫煩瑣等問題。系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 便攜式大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)采集裝置原理示意圖Figure 1 Schematic diagram of portable dam monitoring data acquisition device

2 系統(tǒng)組成

便攜式采集裝置由振弦式傳感器采集模塊、差阻式傳感器采集模塊、電位器式傳感器采集模塊、通信模塊、蓄電池充電模塊等組成，可直接批量控制測量振弦式、差阻式、電位器式等16支混接傳感器，也可以進(jìn)行單點(diǎn)測量[2]。實(shí)物圖見圖2。

圖2 便攜式采集裝置實(shí)物圖Figure 2 Portable acquisition device physical picture

便攜式采集裝置使用Wi fi信號與平板采集電腦通信，采集軟件、采集數(shù)據(jù)庫安裝在平板電腦上，采集數(shù)據(jù)庫中存儲各采集站編號、各測點(diǎn)名稱和傳感器類型等相關(guān)參數(shù)。

現(xiàn)場采集時，使用平板電腦上的采集軟件選擇要采集的站號，即可一次性完成該站內(nèi)16個測點(diǎn)儀器的數(shù)據(jù)采集，并存儲到采集數(shù)據(jù)庫中。

3 便攜式采集裝置功能

采集軟件提供單點(diǎn)測量、多點(diǎn)測量、過程線、參數(shù)配置、自動存儲等功能模塊。

單點(diǎn)測量：用來測量單個傳感器和讀取數(shù)據(jù)等，通常用來檢測單個傳感器是否損壞，或者在水電工程基建期使用該功能進(jìn)行新測點(diǎn)的現(xiàn)場測量。將插在便攜式采集裝置上的單通道測量數(shù)據(jù)線插接到儀器通信線上即可測量。

多點(diǎn)測量：①自動化觀測點(diǎn)人工比測：利用現(xiàn)有的監(jiān)測自動化系統(tǒng)采集模塊提供的人工觀測接口，使用便攜式采集裝置一次性自動測量該模塊的所有測點(diǎn)儀器，將多通道測量數(shù)據(jù)線直接插入人工觀測接口，在平板電腦采集軟件的多點(diǎn)測量界面中首先選擇MCU號，然后點(diǎn)擊“一鍵數(shù)據(jù)保存”，即可自動采集各測點(diǎn)數(shù)據(jù)并將采集數(shù)據(jù)存儲到采集數(shù)據(jù)庫中；②人工觀測點(diǎn)：將各測點(diǎn)集中接到專用集線器上，每16個點(diǎn)一組，組號與自動化的MCU編號結(jié)構(gòu)相同，形成一個MCU編號序列。測量方法與人工比測相同，見圖3。

圖3 多點(diǎn)采集軟件界面圖Figure 3 Multi-point acquisition software interface diagram

參數(shù)配置：通過采集軟件，將觀測站號（自動化MCU編號）、各測點(diǎn)名稱、儀器類型、對應(yīng)的通道順序號寫入采集數(shù)據(jù)庫，以便于采集軟件后臺調(diào)用。

自動存儲：將測量的觀測數(shù)據(jù)自動存儲到采集數(shù)據(jù)庫中，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)結(jié)束后，將平板電腦接入觀測網(wǎng)絡(luò)或使用U盤拷貝采集數(shù)據(jù)庫，使用數(shù)據(jù)庫入庫軟件將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)庫中觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)入觀測數(shù)據(jù)庫中[3]。

4 便攜式采集裝置技術(shù)參數(shù)

便攜式采集裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 便攜式采集裝置主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of portable acquisition device

5 便攜式采集裝置采集的數(shù)據(jù)可靠性及復(fù)測誤差

5.1 采集數(shù)據(jù)可靠性

采用人工比測方法進(jìn)行可靠性分析：振弦式傳感器采用GK405讀數(shù)儀人工觀測并記錄數(shù)據(jù)，差阻式傳感器采用南京卡爾勝水電科技有限公司NCT102數(shù)字電橋人工觀測并記錄數(shù)據(jù)，電位器式傳感器采用NDA161數(shù)字電橋人工觀測并記錄數(shù)據(jù)。人工測量完成后，使用便攜式采集裝置測量，計算各測點(diǎn)測量成果。人工比測結(jié)果見表2。

表2 人工比測統(tǒng)計表Table 2 Manual comparison table

從比測結(jié)果看：使用便攜式采集裝置采集的多點(diǎn)位移計、測縫計等變形儀器數(shù)據(jù)計算成果與GK405讀數(shù)儀、NCT102數(shù)字電橋采集數(shù)據(jù)成果差值較小，測壓管滲壓計比測差值10cm，應(yīng)力應(yīng)變類數(shù)據(jù)差值小于測值的1%，雙金屬標(biāo)測值電壓比小于0.0001，滿足水利水電工程監(jiān)測及規(guī)范要求，便攜式采集裝置采集的各類數(shù)據(jù)可靠性好[4]。

5.2 采集數(shù)據(jù)復(fù)測誤差

使用便攜式采集裝置在短時間內(nèi)采集各類型測點(diǎn)儀器5個數(shù)據(jù)，分別計算成監(jiān)測數(shù)據(jù)分析所需結(jié)果值并進(jìn)行分析[5]。復(fù)測誤差結(jié)果見表3。

表3 便攜式采集裝置復(fù)測誤差統(tǒng)計表Table 3 Portable acquisition device retest error statistics

續(xù)表

從表3可看出：除了鋼板計測值略有不穩(wěn)外（受水道運(yùn)行工況影響），其他使用便攜式采集裝置采集的數(shù)據(jù)計算成果復(fù)測誤差很小，變形類儀器復(fù)測誤差小于0.01mm，滿足水利水電工程監(jiān)測要求[6]。

6 便攜式采集裝置使用條件

6.1 人工比測

該裝置是在南京水文所的自動化采集系統(tǒng)人工比測接口基礎(chǔ)上開發(fā)的。應(yīng)用于其他廠家自動化采集系統(tǒng)時，需在傳感器接入自動化系統(tǒng)采集模塊前，增加集中式專用傳感器接口（見圖4），測點(diǎn)接入順序與自動化采集主板通道順序相同，便攜式采集裝置通過數(shù)據(jù)排線直接插在專用傳感器插板接口上，即可實(shí)現(xiàn)測量功能。

圖4 集中式專用傳感器插板圖Figure 4 Centralized special sensor board

6.2 人工觀測項(xiàng)目

便攜式采集裝置用于人工觀測項(xiàng)目時，將人工觀測集線箱內(nèi)人工選擇測點(diǎn)裝置改為集中式專用傳感器插板接口，測點(diǎn)較多時，將測點(diǎn)分組，按每16個測點(diǎn)接入一塊專用傳感器插板，測點(diǎn)接入順序與便攜式采集裝置數(shù)據(jù)庫內(nèi)測點(diǎn)分配的順序相同。便攜式采集裝置通過數(shù)據(jù)排線直接插在專用傳感器插板接口上，即可實(shí)現(xiàn)測量功能。

7 總結(jié)

便攜式采集裝置將頻率讀數(shù)議、數(shù)字電橋、電位器采集裝置功能集于一身，適用于人工觀測和各種監(jiān)測自動化系統(tǒng)的人工比測工作，主要功能是在現(xiàn)場通過選擇MCU編號批量自動采集數(shù)據(jù)并存儲，現(xiàn)場工作完成后在辦公室將采集數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中，完全可以替代頻率讀數(shù)儀、水工數(shù)字電橋電位器采集裝置，徹底解決人工觀測、比測時經(jīng)常出現(xiàn)的觀測數(shù)據(jù)串點(diǎn)、漏測及數(shù)據(jù)入庫煩瑣等問題，當(dāng)觀測點(diǎn)較多時，可以大幅降低觀測人員工作量和勞動強(qiáng)度。