国际工程大坝安全监测自动化系统设计与施工

程胜祥，帅永建，何领军

(中国水利水电第七工程局有限公司科研设计院，四川成都 611730)

1 工程概况

苏丹麦洛维大坝工程位于距麦洛维市约27 km的尼罗河中下游地区。以发电为主，兼顾灌溉和防洪，最大坝高65 m，大坝总长9.7 km，总装机容量125 MW。

麦洛维大坝集合了众多坝型，其大坝安全监测系统安装埋设了种类和数量众多的监测仪器，覆盖了大坝各个重要部位。麦洛维大坝安全监测系统主要由自动化监测系统、地震仪系统、分布式光纤渗漏探测系统三个子系统组成，各系统统一管理，独立运行，互不干扰。大坝安全监测系统结构构成及监测仪器种类和数量见图1。

2 自动化监测系统设计

如图1所示，自动化监测系统包括了除地震仪和渗漏探测光纤外所有自动测读与手工设备，种类繁多，数据格式多样。目前整个大坝(不含临时建筑物)监测测点总数为3 042个，其中接入自动化仪器750支(套)，测点数1 362个，手工观测仪器1 176支(套)，测点数1 681个。

麦洛维水电站自动化监测系统按照部位可分为:2A、2B、2C三个子系统。按照功能级别可分为数据采集系统、通信系统、监测数据管理分析系统以及GPS自动授时等四部分。系统按测点、测站、监测中心3级设置，监测中心设于2B混凝土坝中控楼3楼。

2.1 数据采集系统

图1 麦洛维水电站大坝安全监测系统结构图

自动化数据采集系统按照相关设置，把分布在建筑物的各类监测传感器标准和非标准的电信号准确地采集、传输到指定的存储设备上，并按照一定的格式储存。主要具有两个功能:采集模块对现场传感器的模拟或数字信号进行采集、转换和存储;对外部指令进行分析，并根据相应指令动作，实现对数据的输入输出。

通过对众多国际厂商产品进行考察，麦洛维工程选用了德国Gloetzl公司产品。

2.1.1 测站硬件

选用德国Gloetzl公司MDL41及MFM71两款读数仪。MDL41读数仪最多可接入20～200个测点不等(根据用户实际需要)，可用于土石坝观测仪器较少的部位。主要由记录仪、集线器(集成的MUX)、光纤信号转换器、断路器、直流转换器、电池等组成。MFM71是在MDL41基础上发展起来的大容量读数仪，最多可接入300个测点以上，可用于混凝土坝观测仪器集中的部位。主要由记录仪、控制单元集线器、断路器、直流转换器、电池等组成。

此两款读数仪具有以下特点:

(1)采集数据类型多样、兼容性好和宽量程。

麦洛维大坝监测仪器集合了世界上几个著名监测仪器生产厂家的主流产品，具有强大的数据采集功能、很好的数据兼容性能和很宽的量程。

MDL41和MFM71两款读数仪可测量的仪器种类有:差阻式、电阻式仪器、振弦式仪器、电解质式仪器等绝大部分种类的监测仪器。

(2)数据真实可信。

通过多种仪器比对，读数偏差极其微小。振弦式仪器测量精度误差≤0.005%F.S，其他类型仪器≤0.05%F.S。同时，用户可根据每个测点配置参数，对初始观测数据进行取舍计算，如用户可选择每次测量只观测一次并取单次观测数值，也可选择多次测量后取平均值，或者多次测量后取最优几个数据平均值等，可以极大的提高观测数据的稳定性和可靠性。

(3)测控单元先进。

读数仪采用模块化设计，测控单元灵活，扩展能力强，读数仪测量速度快，单个读数仪存储容量达20 000个数据及1 000个读数仪状态信息。用户可根据需求增加或减少测控单元的数目，从而为用户早期实施自动化或后期系统的扩展提供了极大的方便。每个测控单元预留RS232(RS485)直接通讯接口，充分保证了现场的调试和通讯方便。预留的RS485接口可以很方便的将各个读数仪组成RS485网络。在通讯距离较长的情况下，读数仪内部还可加装RS485-光信号转换器，组成光纤网络通讯。

测控单元的测量速度快，单个测控单元(20个测点)的一个测量周期不多于10 s;并且读数仪存储容量很大，单个记录仪可存储多达20 000个数据。因此，在较高测量频率下，测量数据可长时间不溢出。

记录仪硬件自带的记忆体可存储用户计划和配置且采集系统中各数据采集单元相互独立工作，既使在系统通信出现故障或监测中心出现问题后，仍然能够自动执行故障前用户配置的测量计划，从而保证了数据的连续。

每个测点都可以通过软件编程配置设置其参数，具体有:测点命名(现场仪器编号)、仪器类型、供电类型、计算参数(转化测量值到实际物理值)、设置报警值(上限、下限)，设置其测量频率(定时功能，频率设置从1 min到365 d/每次)。

(4)防 雷。

每个读数仪机箱采用16 mm2铜线与大坝接地网连接，可保证防雷要求。

(5)防潮及防浸水。

麦洛维大坝属平原水库，面积巨大，水深较浅，在旱季强烈的沙漠季风作用下，土石坝库区风浪翻越防浪墙，通过防浪墙后的沙石填料和穿线管道渗入仪器测坑。安装在基础灌浆廊道和排水廊道中的数据采集系统处于极其潮湿的环境中，以上工程环境要求应用于麦洛维大坝的数据采集系统必须具有防潮、防浸水特性。因此，读数仪采用德国SEAL公司工业级防水机箱，电缆进机箱部位均采用电缆锁防水，从而可以保证在潮湿的环境或短时间浸水的情况下读数仪也能正常工作。

(6)耐高温。

麦洛维工程处于撒哈拉热带沙漠之中，常年高温干旱，最高地表温度可达70℃。这个特点要求分布在土石坝体中的数据采集系统必须具有耐高温的能力。在耐高温方面，麦洛维工程选用的读数仪本身功率很小，每个读数仪功率大约4W左右，发热量很小。正常情况下，读数仪可以在－20℃ ～70℃内正常工作，经工程现场测试，土石坝测坑内长时间温度达40℃，仪器工作正常。

(7)断电保护及超压保护休眠功能。

测站电源采用分布式电源，就近接入麦洛维工程永久供电系统，采用三级短路和超压保护措施。系统自带备用电池，通过24 V(MFM71读数仪)/12 V(MDL41读数仪)直流转换器供电，并在读数仪机箱内部安装熔断器(菲利普23 VAC，6 A)，以达到在系统超压或短路、断路的情况下读数仪能够正常工作。

监测控制中心电源采用服务器上的UPS系统集中供电，并通过UPS电源管理程序实时监测和控制。系统还具有休眠功能，能够在系统空闲后自动进入休眠状态，达到节电的目的。系统在断电的情况下可持续工作一周以上(每天一次观测频率)。

2.1.2 监测中心

监测中心由系统服务器及软件系统构成。系统服务器采用技术较为成熟先进的Windows2003服务器，反应迅速，稳定可靠。软件核心数据库进行服务器镜像备份，以及外部500 GB扩展硬盘备份，从而可以保证系统在故障的情况下迅速恢复到故障前状态。

2.2 通信系统

通信系统的主要功能是根据相关协议建立各设备之间的物理联系并进行信息传递，主要包括数据采集装置与传感器之间、数据采集装置与监测站之间、监测站与监测管理中心之间。

麦洛维工程具有规模巨大、监测仪器分散、仪器类型多、监测数据传输距离长等特点，为确保自动化系统的可靠和实用并综合经济考虑，该工程安全监测自动化网络结构采用分布式，即:数据分散采集、分散传输、集中管理。

测站选择在监测仪器相对集中、接近监测中心、安全、干净、易于维护的地方。

测站分布在监测仪器附近，能独立采集、存储和传输数据，自身也带RS232接口和RS485接口，可直接与计算机连接，任何其他测站或监测中心发生故障均不会影响该测控单元的运行。

麦洛维工程自动化监测网络结构复杂，但灵活实用，网络通信模式多样，通过读数仪内部信号转换器而无需调制解调器，最远单线传输距离可达到3.4 km，网络布线7.7 km，网络实现了远距离传输实时监控。

2.3 监测数据管理分析系统

安全监测信息管理系统的主要功能是对所有观测数据以及有关的设计文件、施工资料等进行科学有序的管理、整理整编与综合分析，最终将分析成果、原始信息等以可视化的方式输出，为实时掌握工程的运行状况提供有效的参考依据。对目前所有纳入自动化范围的仪器，包括自动仪器观测数据、人工测读数据以及外观测量数据，在安全监测信息管理及综合分析系统层面实现集中统一管理。安全监测信息管理及分析评价系统用于对监测资料的深入分析和对在线监测疑点进行跟踪，具备监测数据的采集、整理整编、分析和报表制作上报、信息浏览发布等功能。

麦洛维工程选用德国Gloetzl公司自主研发的数据管理软件。该软件具有以下功能和特性:

(1)数据管理软件采用树形结构的模块化设计，系统采用树形结构，符合人的思维习惯，软件操作容易学习和掌握。该自动化软件为量身定制的软件，针对性强，所有软件模块和功能均按照工程的实际需求制定，信息容量大，清晰明了。

(2)软件具有较强的可扩展性，软件基于文本的指令语言简单，兼容各种编程语言，同时可以方便地进行数据库的交互，后期自动化软件的二次开发用户仅需更新软件中的"updated"文件就可以实现软件的升级和更新而不影响系统的运行，从而保证了数据的连续性。

2.4 GPS自动授时系统

为实现系统监测数据时间参数的准确，以满足远程数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能的同步要求，麦洛维工程自动化安全监测系统采用德国Gude公司GPS接收仪采集GPS信号，通过9针RS232 COM端口、USB接口连接至监测中心服务器，同步计算机时间。标准时间为UTC时间，精度可达1 μs。当然，用户可采用该型号GPS接收仪相应软件将UTC时间转换为当地时间。

监测中心通过GKSpro软件同步系统内所有测站时间参数，以达到系统在测量频率和数据采集等过程中时间参数的准确性。

3 自动化监测系统的施工

根据麦洛维大坝蓄水计划、机组发电及整体工程进度要求，该系统的建设分7个建设阶段。

第1阶段:2004年10月31日～2008年8月，分部位完成(2A左岸坝段，2B混凝土坝段，2C右岸面板堆石坝)所有内部监测仪器的安装埋设。

第2阶段:2008年9月进行了所有埋设仪器的检查和校验。

第3阶段:2008年10月～2009年3月，完成自动化系统的设计，完成各混凝土坝电缆线牵引工作自动化安装前的准备工作，并开始自动化软件的编程设计工作。

第4阶段:2009年4月，完成混凝土坝自动化系统的测站安装并进行试运行。

第5阶段:2009年8月，完成土石坝自动化系统的测站安装并装修监测中心。

第6阶段:2010年1月，铺设各个测站的通讯电缆并连接各个测站，安装监测中心服务器和自动化管理软件。对业主人员进行培训并进行试运行。

第7阶段:2010年4～6月，进行系统的最终验收和移交。

4 结语

麦络维水电站安全监测自动化系统建设工期长达6年。麦洛维水电站自动化监测系统起步较早，从工程之初就开始全面规划和设计，从而使得该自动化系统成为为麦洛维工程量身定制的系统。系统从硬件到软件进行了长时间的运行和测试，并根据国际工程规范、苏丹业主和德国拉美尔咨询工程师的要求不断地进行了改进和完善。在系统建设过程中，麦洛维大坝监测项目充分吸收消化了国外自动化监测系统的先进成果，为日后研发、设计、建设完整的大坝安全监测自动化系统积累了宝贵的经验和技术。