喀麥隆曼維萊水電站安全監測自動化系統的運行與維護

謝志峰 靳劉永

安全監測系統是集在線數據采集分析、數據庫管理、圖表及報表制作、監測系統管理、遠程服務等功能為一體的工程安全監測管理系統，在水電運行期間有著極為重要的地位。國內早有學者對大壩安全系統進行了一定的研究，其中，王軍[1]對大壩安全監測的設計與實現進行了研究；李楠[2]以三峽水庫為例對大壩安全監測系統進行了論述；楊啟超[3]撰寫了《水庫大壩安全自動化監測問題研究》相關論文。雖然，國內有關大壩安全監測系統的研究已較為豐富，但是，系統性介紹安全監測自動化系統的運行與維護的文章鮮有報道。因此，本文以曼維萊水電站為例，介紹了安全自動化系統的運行與維護，以期為以后同類工程安全監測工作提供一定的參考意義。

1 系統原理結構

曼維萊水電站安全監測自動化系統原理結構有：監測儀器、通信、網絡、數據采集單元DAU、計算機工作組、DSIMS4.0信息管理軟件六大部分。如圖1所示。

圖1 安全監測自動化系統結構圖

監測儀器主要負責應力應變、滲壓、水位情況、結構位移等數據的現場采集。

通信分為現場通信和監控管理中心通信。現場通信是大壩現場多個DAU數據采集單元到監控管理中心之間距離為數據通信，管理通信是監控管理中心內部的數據通信。如圖2所示。

圖2 安全監測自動化系統通信示意圖

網絡是通過監控管理中心可以讓服務器為核心的Windows NT網絡工作組的一個網絡工作站或多個工作站實現全局域的訪問。

數據采集單元DAU中的NDA采集模塊接收監控計算機的指令，定時或隨機將監測儀器轉換成的頻率、電流等電測量自動采集并存貯到NDA內部的存儲器中。本工程所用數據采集DAU具有以下性能特點。

（1）DAU采用了智能模塊化結構，整個單元由智能數據采集模塊（NDA系列）、通信模塊，電源模塊和防雷模塊等組成。且NDA系列智能模塊均獨立運行，互不干擾。

（2）DAU是具有“免維護”特點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，使系統不至于停止運行。

（3）DAU系統的可擴充性能很好。本系統為分布式系統，開放型結構，每個DAU為完全模塊化，各模塊和DAU的數增減非常方便，且對系統的可靠性和穩定性不構成任何不利的影響。

計算機組即為監測管理中心站，設有計算機網絡設備包括1臺服務器計算機、1臺工作站計算機、1臺打印機、1塊計算機通信模塊NDA3100及設備電源1套UPS不間斷電源，其中服務器計算機、工作站計算機、網絡打印機等設備共同建立一個局域網。

在系統的運行過程中，首先監測儀器采集數據，然后通過電纜將數據傳入NDA采集模塊相應的通道中，由NDA采集模塊將數據傳至通信模塊和數據庫計算機，最終，通過該計算機的DSIMS4.0大壩及工程安全自動化監測軟件對數據進行管理。

2 建設實施

2.1 監測房內數據采集單元的布置

曼維萊水電站監測儀器主要根據SL 601—2013《混凝土壩安全監測技術規范》，SL 551—2012《土石壩安全監測技術規范》，DL/T 5308—2013《水電水利工程施工安全監測技術規范》，《工程安全監測設計》的相關規定布置。

具體布置情況為：共設置8個監測房，17個DAU，共計接入監測儀器445支。其中，每個數據采集單元一般按滿足將測站內所有監測儀器接入自動采集系統內，同時應兼顧合理智能優先原則和經濟合理性進行布置。由于每個監測房內監測儀器數量的不同，在自動化系統實施前應該對每支監測儀器進行數據采集，分析其工作狀態，并做好備案。

2.2 數據采集單元的組裝

數據采集單元的組裝直接影響數據的采集，為保證采集數據的準確性，應遵循以下步驟。

（1）將DAU柜子掛在監測站內合適的位置，用膨脹螺栓固定。

（2）將DAU柜子內的采集模塊（需要根據測站內儀器來確定數量）、電源模塊、通信部件、傳感器防雷模塊等設備進行組裝。

（3）將儀器電纜準確對應儀器編號。電線走線和儀器安裝、埋設同等重要，設計與施工階段均應予以重視，如有必要需將電纜束套上護管敷設。儀器編號是整個埋設過程中一項十分重要的工作。常常由于編號不當，難以分辨每支儀器的種類和埋設位置，造成觀測不便，資料整理麻煩，甚至發生錯亂。

（4）監測儀器接入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-：接電池負極；CHG IN+：接充電器正極-：接充電器負極。（6）NDA采集模塊地址的設置。按照監測站序列進行編序NDA001，NDA002，…。

2.3 數據采集

當數據采集單元和系統通信網絡組裝連接完畢后，在監控管理中心站操作計算機就可以對現場所有監測儀器進行數據采集，監測實施步驟如下：

（1）監測時間及周期。正常運行期間每天對所有測點采集應不少于1次，應結合機主運行的工作時間和水位的變化情況合理擬定采集的時間及周期。

（2）采集方法的選擇。采集方法分為定時采集測量和臨時采集測量2種。當確定采集時間和周期后可以對所有監測儀器或部分監測儀器實施定時監測數據的采集。臨時測量為在定時監測采集不到有說服性數據時或出現急發事件，需要了解現場運行情況可實施臨時采集功能。

（3）特殊情況，例如：在數據采集時發現監測數據變化速率較大時應發出預警，發現立即上報并根據情況縮短測量時間和周期。

2.4 采集成果

當數據采集完成后，對NDA采集模塊發出命令，收取所有定時采集數據或臨時采集數據，保存所采集數據，自動生成過程線。

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、無水滲漏現象，也未發現異常現象。

圖3 測點P5-9水位及溫度隨時間變化曲線圖

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常現象，水位變化在大壩運行的可控范圍內，在未來的運行過程中會一直延續下去。

圖4 P5-8—P5-13測點水位隨時間變化曲線圖

3 系統運維

水電站運行期間工作人員應加強資料、數據庫的定期備份。采集數據時必須初步判定數據是否合理，若不合理應及時進行分析，判定是儀器本身問題或是大壩本身變化。

加強機房管理制度的執行，未經系統管理員許可，任何人員不得擅自進入監控中心和各監測房，不得動用系統內的各計算機。在工作中各計算機應設置獨立的登錄密碼，非系統管理人員不得登錄，不得更改各計算機的系統配置和運行方式以及文件內容，不可隨意在本系統內的各計算機上安裝其他非本工程所需的應用軟件，以免引起系統崩潰。外來軟件、U盤、光盤等未經檢查嚴禁上機使用。應定期對機房環境進行檢查，確保各計算機及網絡設備處在一個良好的環境里運行。其中在備份數據庫時，使用專用移動存儲設備。

另外為了延長系統各計算機設備的使用壽命，各計算機的登錄用戶名和分級密碼由管理員統一管理，使用人員不得向外透露，在登錄本監測系統時，登錄者用自己的用戶名和密碼登錄，以便系統自動記錄相應的訪問信息。除服務器主機和交換機外，其余計算機主機和各計算機顯示器在不使用時應為關機狀態。

4 常見故障及異常處理

系統在運行中，要注重現場工程情況檢查維護，并結合系統采集數據進行分析，發現問題及時處理。系統各類儀器結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，發現測值不正常應及時到現場檢查，檢查過程要記錄正確。

常用故障檢測方法主要內容有如下幾方面。

4.1 目測法

一般在系統的運行中會出現儀器測值異常，系統設備功能或模塊的測值及功能等情況出現故障時，有必要采取有效的方法進行檢修，并對其做出判斷。

（1）設備的電源指示燈、型號指示燈是否正常，保險絲有無熔斷。

（2）設備有無燒焦或炙烤、動物啃咬、發熱燒焦、人為破壞盜割電纜、機械施工痕跡。

（3）電纜接頭是否有進水及電池有無漏液的現象。

4.2 替換法

一般在出現儀器測值異常，系統設備功能或模塊的測值及功能等異常時，采用此法進行檢修判斷，即：

（1）用相同型號的儀器設備替換懷疑有故障的儀器設備。

（2）將有懷疑故障的儀器臨時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、系統軟件及通信口設置正常但所有模塊都呼叫不成功等故障時，采用此法進行檢修判斷。具體方法為：

首先故障部位一分為二，分別進行排查，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，然后繼續對有故障的一側進行故障分析、分割和檢測，直至找出故障所在的準確位置。

4.4 比測法

一般在儀器測值出現突變或異常或對某些測值的正確性有懷疑時，采用此法進行判斷。

在同一時刻，用人工觀測方法和自動化觀測方法同時對有懷疑的測點進行檢測，然后結合二者的測量精度對測量結果進行對比分析，從而判斷出所懷疑的測點的測值是否正常，儀器設備是否有故障。

4.5 萬用表檢測法

此法一般用于判定系統的電源是否正常、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，并對二者的測量結果進行對比，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 系統應用中需要關注的關鍵點

在自動化系統的運行中，為了正確規范系統工作人員運作，需要在以上基礎上注意以下關鍵點。

（1）系統應用環境。在水電站的安全監測運行過程中發揮著重要的作用。DSIMS4.0信息管理軟件，同現場的數據采集單元DAU構成一個完成的現代化安全監測系統，系統在運行時計算機工作組需要較高的安全穩定性，在此情況下，系統運行環境極為重要。

（2）NDA的合理控制。在系統中NDA能夠對采集到的電測量實時變換成物理量，并經過自動檢驗后入庫保存，保存好的數據需要系統的控制才能及時地反饋到計算機組進行數據分析，在整個過程需要一定的時間來完成，在該過程完成之前操作上請不要做選測或退出采集系統。

（3）有效的數據備份。數據備份是一種防止系統出現操作失誤或系統異常故障導致數據丟失的有效方法。

6評價

通過上述內容，曼維萊水電站安全監測自動化系統可以得出以下優缺點。

（1）實現了快速、準確地采集工程現場各類儀器的觀測數據，減輕了監測人員的體力和腦力勞動強度。

（2）實現了及時、準確地把所有采集數據傳送到監測中心站進行系統的整理和分析，解決了在儀器數量較多的情況下，人工采集數據周期較長，無法及時完成數據采集，更不能及時對工程建設期和運行期間大壩安全做出評估。

（3）實現了多點監測儀器同步性觀測，自動化能夠使各個測點在同一時刻進行采集。

（4）實現了各測點人工采集間隔時差，有利于對各測點做出的比較。

（5）水庫運行期間出現儀器異常和設備故障問題直接影響到對數據的采集和分析，因此，監測過程要求監測人員熟悉系統結構原理，才能對異常、故障做出合理的檢測分析和準確判斷。

鑒于監測自動化系統有上述幾個優缺點，在大壩的運行過程中對大壩的安全維護有著不可忽視的作用，因此，在未來的大壩工程中安全監測自動化系統的運用必將擁有更廣闊前景。