大坝安全监测培训教材之系统与设备.doc

DG型大坝安全自动监测系统培训教材 大坝安全自动监测系统DG型大坝安全自动监测系统培训教材之三 大坝安全自动监测系统水利部南京水利水文自动化研究所南京达捷大坝安全技术发展公司2004年10月1 概述早在二十世纪60年代后期，国外已开始研制大坝安全监测自动化设备，日本首先在梓川的三座坝上实现了监测数据采集自动化。二十世纪70年代后期意大利在Talvacchia双曲拱坝上利用模拟计算机和垂线坐标仪实现了变形监控，在Chotas 坝上安装了集中式数据采集系统，经过改进在Ridracoli坝上安装分布式系统为主体的混合式系统。现在发展了GPDAS分布式数据采集系统，更为广泛应用。美国在二十世纪80年代初期开始大坝监测自动化工作，1981年美国垦务局在Monticello拱坝上安装了集中式数据采集系统，总结经验后认为分布式数据采集系统更好，从1981年起在Flaming Gorge等四座拱坝上安装了分布式数据采集系统，取得了成功，此后即普遍应用了分布式数据采集系统。从国外大坝监测自动化发展过程来看都是由集中式数据采集系统向分布式数据采集系统发展，目前有代表性的国外产品如意大利ISMES研究所的GPDAS系统，美国GEOMATION公司的2300系统和SINCO公司的IDA系统都是分布式系统，后二者都已在我国有所应用。我国的大坝监测自动化工作起步虽晚，至今也近30年了。从二十世纪70年代末到80年代中期，解决了差动电阻式仪器的高精度远距离自动化集中测量问题，二十世纪80年代中期已有两种类型的遥测垂线坐标仪的大坝上使用，通过国家“七五”攻关计划的实施，研制成功了集中式数据采集系统。二十世纪90年代初已有近30座大坝安装了一些遥测仪器或采用集中式数据采集系统实现大坝监测自动化。二十世纪90年代中期水利部南京水利水文自动化研究所率先研制了DG型分布式大坝安全自动监测系统并成功应用在葛洲坝水利枢纽二江泄水闸，于1996年3月通过了水利部的部级鉴定，鉴定意见认为该系统总体水平达到了国际先进水平，并在差动电阻式仪器的高精度测量和步进电机式仪器的双基准、双照准变形测量技术方面有所突破。DG型分布式大坝安全监测自动化系统的技术性能和指标满足混凝土大坝安全监测技术规范（DL/T 7178-2003）、土石坝大坝安全监测技术规范（SL60-94）和大坝安全自动监测系统设备基本技术条件（SL268-2001）等国家标准或规程规范要求，目前该系统已在三峡、葛洲坝、飞来峡、潘家口、陈村、麻石、白石、江垭、大山口等九十多座大坝上应用，在可靠性、准确性、通用性、开放性、易维护性等性能和数据采集、数据处理自动化功能方面都有更大提高，其中葛洲坝系统正常稳定运行已长达10年。2 DG型分布式大坝安全自动监测系统近年来，随着科学技术的飞速发展，虚拟仪器技术和模块化技术的应用，测控装置内的测量电路集成在一个模块内，实现了测控装置的低功耗、高速度、高集成度，系统功能更加强大。水利部南京水利水文自动化研究所利用最新的测控技术，采用了智能模块化设计，研制成功了MCU-M系列新型智能数据采集模块，可接入多种传感器，支持多种通讯方式，具有自诊断功能、多级备份和防雷抗干扰保护措施，能适应水工恶劣环境，软件平台为Windows2000/NT/XP，具有在线监控、离线分析、大坝安全管理、网络系统管理、数据库管理、远程控制与管理等功能，包括数据的人工/自动采集、在线快速安全评估、大坝性态离线分析、模型建立与管理、预测预报、工程文档信息、测值及图形图象管理、报表/图形制作、辅助工具、帮助系统、远程通信与控制、教学演示等日常大坝安全监控和管理的内容。2.1系统组成DG-2000型分布式大坝安全自动监测系统由大坝安全监测数据采集系统和大坝安全监测信息管理系统二部分组成。大坝安全监测数据采集系统由分布在大坝现场的监测仪器、测量控制装置、中央控制装置（监控主机）、信息管理主机以及电源线路、通讯媒体等部分组成。监控主机是分布式大坝安全监测自动化系统的中央节点，数据采集软件安装在监控主机上，对现场所有设备进行统一控制和管理；测量控制装置是分布式大坝安全监测自动化系统的关键设备，它能对接入系统的监测仪器进行自动测量、数据存储、数据传输等功能。大坝安全监测信息管理系统为系统的管理级，它由监控主机、管理主机（工作站）、服务器等构成安全管理监测局域网，对外可以与其它局域网和广域网互联。信管主机用于安装大坝安全信息管理软件和资料分析软件，同时作为监控主机的备用；异地的上级有关管理部门可在任何时间透明地监控远端的自动化监测系统，完成操作者所希望进行的各种操作。其监控管理系统为多任务网络运行方式，Windows xp/NT图形操作环境，人机接口以图形界面方式实现。操作者只需按图形窗口所提示的菜单或按钮进行操作即可实现操作控制和功能调用，操作极为方便、简捷。DG型分布式大坝安全监测自动化系统可以安装在各种坝型的大坝上，也可以用于高边坡、矿坑、隧道，高层建筑和桥梁上。可以接入大坝和岩土测试用的各种类型的监测仪器（传感器），采用多种通讯介质进行数据传送和远程控制。2.2系统组网安全监测自动化系统采用分层分布式的网络结构，即包括测站层的现场网络和信息管理中心的计算机网络。2.2.1 信息管理中心组网方式Com3IDC防火墙数据库服务器交换机打印机管理主机监控主机工作站工作站现场自动化监测系统WWW服务器MIS系统信息管理中心信息管理中心一般位于监测管理室或中心站内，一般由监测服务器、监测工作站、图2-1：信息管理中心网络结构图网络交换机、打印机、便携式电脑、UPS电源设备等组成。信息管理中心网络结构如图2-1所示。监测数据、系统参数和其它信息资料存放在数据库中，数据库运行在监测服务器上以实现资源共享；监测工作站作为前端用户访问和处理数据库中的数据。除系统管理员可以直接在监测服务器上对系统进行参数设置、数据库管理等操作外，其它操作人员通过权限设置在监测工作站对监测自动化系统进行数据的查询、监视等操作。2.2.2 现场测站组网方式现场测站层由各测点传感器和测量控制装置（MCU）组成。大型工程测站层可能包括若干个现场网络，各现场网络具有相对的独立性，可以单独运行，分别进行管理，又可由信息管理中心统一管理，以满足各建筑物施工期及运行期的安全监测要求。现场网络与监测中心的通信通过水电站或水库的通信干线（串行网关）和网络交换机实现。现场网络内通信介质可采用光缆或屏蔽双绞线（或二者混用）；距离较远的数据测控装置（MCU）也可通过无线通信装置或其他通信方式接入现场网络。常用的通讯方式有RS485或422总线，也有提出CANbus，即CAN总线，另外也有星型、环形或混合型总线。随着现代通信技术的迅速发展，超短波（UHF/VHF）、手机GSM数传及GSM短信、程控电话（PSTN）、卫星等通信方式在自动化系统中UPS50HzAC220V485总线或/CANbusMCU1MCU2MCUn 监控主机接局域网RS232/RS485RS232/CANbus图2-2：现场有线网络结构图也得到了的应用。通讯介质则有双绞线、光缆或无线等。 采用电缆时的通讯方式采用电缆作为通讯介质时，通常是采用双绞屏蔽电缆，来构成RS485、422总线或CANbus总线，这种通讯方式设置简单，易于扩充，成本也相对较低，有效通讯距离一般可达3km或10 km以上（和通讯波特率有关），且维护方便。现场有线网络结构图如图2-2所示。采用485、422总线时，只要将监控主机的RS232接口转换成485、422总线即可；采用CANbus总线时，除了要在监控主机端配置RS232/CANbus转换器外，还要在测控装置处配置CANbus / RS232转换器。 采用光纤作通讯介质时的通讯方式光纤通讯也是有线通讯，随着光纤通讯技术的发展，光缆和光设备成本的降低，光纤通讯在自动化系统中的应用已越来越普遍，由于光纤的内芯是由SiO2制成，担负信号传送的激光，所以对电磁干扰脉冲（EMP）有良好的绝缘性能，这一点在水电站或水库这些雷电活动频繁或具有强电磁场环境的地方显得尤其重要。用光纤构成通讯媒介时常见的方式有以下几种。1#2#OPT232COM19#MCUOPT485EXOPT485 开环的总线结构 即接在监控主机COM口的光端机和各个观测房的光端机，通过光缆依次串联，各个观测房内有超过一个测控装置的，相互间由双绞线构成485通讯总线进行通讯。该方案的系统简图见图2-3。 这种方案的优点是：系统结构简单，成本最低。缺点是：可靠性较低，当某段 图2-3 开环总线结构光路或某个光端机发生故障时，其后面所有的光端机及所带的测控装置都将通讯不上。 自愈式的闭环网络如图2-4所示，即接在监控主机COM1口的光端机和各个观测房的光端机，通过光缆依次串联，不同于前一种方案的是，最后一个光端机还通过光缆连回机房监控主机的COM2口。这种网络方案的优点是：平时由COM1口负责和各MCU通讯，COM2备用。当任何一段光路或任何一个1#MCU9#2#OPT485EXCOM1OPT232COM2OPT2321#OPT485EXOPT485EX光端机发生故障时，主机除了从COM1口发命令和各MCU通讯外，还通过COM2口从反方向和各MCU进行通讯联络，这样只有发生故障的光端机和其所带MCU通讯 不上，而不会影响到主机和其它MCU的通讯，系统的可靠性较前一种方案得到很大提高，所以称为自愈式的闭环网络结构。 缺点是： 图2-4 自愈式闭环网络结构MCUCOM2COM1COMnOPT2321#OPT2322#OPT232n#1#2#n#增加了最后一个MCU到机房的这段光缆，另外增加一只和主机COM2口相接的光端机。 星形网络结构如图2-5所示，主机和每个观测房都通过独立的一对光端机和独立的光路相连接。这种结构的优点是：系统可靠性在三种方案中是最高的，任何一台光端机或某段光路的故障都不会对其它光端机或光路产生影响。缺点是：主机需扩展多个串口，所用光缆较前两种方案有很大增加，光端机数量也有较大增加，另外光缆敷设等安装费用 图 2-5 星形网络结构也有增加。当主机扩展多个串口时（串口总数超过4个时），其可靠性也应加以注意。 UHF/VHF通信UHF/VHF频段超短波是一种地面可视通信，其传播特性依赖于工作频率、距离、地形及气象因子等因数。目前我国国内已建系统的超短波频率大多在150450MHz之间，它主要适用于平原丘陵地带、且中继站数目少、中继级数较少的水文测报系统。应用UHF/VHF频段超短波通信方式通信具有通信质量较好、设备简单、投资较少、建设周期短、易于实现的优点。但是若在长距离、多高山阻挡情况下使用此种通信方式传输数据，所需中继站数目及中转次数将明显增加，从而导致设备费、土建费的增加，系统可靠性下降，中继站址交通条件差还会给建设、安装、维护带来一定的困难。根据现场具体情况，大坝安全自动监测系统也可采用UHF/VHF频段超短波进行通讯，其通信网络结构见图2-6。无线MODEM监控主机U485A测控装置485总线无线MODEM天线天线图2-6：UHF/VHF频段超短波通信网络结构 程控电话交换网（PSTN）通信MODEM监控主机MODEMU485A测控装置485总线PSTN（Public Switching Telephone Network）网络系统是近年来迅速崛起的种具有适用范围广、设备简单、高可靠性、组网灵活、成本低、维护方便等优势的新型通信传输手段，通信网络结构见图2-7。其缺点是：需要系统运行通话费用，运行成本较高，若增加发送数据间隔时间，则又不能及时实时地反映站点的水雨情数据。图2-7：程控电话交换网（PSTN）通信网络结构 手机GSM通信GSM公网通信具有网络稳定可靠、通信费用低、不受地域限制的优点，其最大的好处是设备体积小，安装在室内，没有引雷部件，不需要作防雷处理。 短消息业务(Short Message Service)是GSM系统中提供的一种GSM手机之间及与短消息实体(Short Message Entity)之间通过业务中心(Service Center)进行文字信息收发的方式，其中业务中心完成信息的存储和转发功能。短消息业务可以认为是GSM系统中最为简单和方便的数据通信方式，它不需要附加其它较为庞大的数据终端设备，仅使用手机就可以达到进行中、英文信息交流目的。由于作为公网的GSM网络具有覆盖面广、网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵建网费用和维护费用，同时，它对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大，维护费高，且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。利用GSM短消息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程监控设备的通信提供了一个强大的管理支持平台。 卫星通信组网卫星通信具有传输距离远，通信频带宽，传输容量大，组网机动灵活，不受地理条件的限制，建站成本及通信费用与通信距离无关等特点。目前可以利用的卫星通信方式有北斗卫星通信、VSAT卫星通信、海事卫星C通信和全线通SCADA卫星通信系统。 以太网组网以太网也是局域网的一种，发展很快，现在已有千兆以太网，即通过千兆以太网交换机等组成的高速局域网，通过以太网/485转换器，测控装置可以与交换机连接，实现数据的快速传送和处理。通信网络结构见图2-8。交换机监控主机以太网/485转换器测控装置485总线图2-8：以太网通信网络结构2.3自动化系统的供电方式对数据采集系统来说供电方式一般有集中供电和分散供电两种方式，电源种类一般包括电缆供电和太阳能供电，测控装置（MCU）采用交流浮充或太阳能板浮充，蓄电池供电方式，见图2-9。采用电缆方式要考虑到电缆敷设保护、屏蔽保护和接地等问题，采用太阳能供电方式要考虑到降低系统的能耗，所配蓄电池的可靠性，从而确保阴雨季节系统仍能正常工作，测控装置边增设100AH蓄电池。对于位于办公楼内的计算机系统来说一般都采用常规市电供电，但是为确保系统稳定，需设置隔离变压器、防雷器和UPS等设备。隔离变压器电源防雷器220V AC测控装置UPS（a）系统设备市电供电方式测控装置蓄电池太阳能电池板（b）系统设备太阳能供电方式图2-9：数据采集系统供电方式2.4自动化系统的防雷抗干扰2.4.1 干扰的种类对大坝监测自动化系统这样的弱电系统来说，雷击发生时产生的雷电磁脉冲（LEMP）和电厂内的高电压、大电流等大功率设备都可能成为系统的干扰源。一般来说，雷电磁脉冲是干扰系统正常工作或对系统造成危害的主要干扰源。雷击造成危害可有两种方式：直击雷击和感应雷击。前者能量极大，但通过设置避雷针、避雷线和可靠接地，以及尽量避免设备安装位置过分突出等，基本上可以避免被直接雷击，而感应雷击则无法避免，从我们以往的教训和经验来看，这正是问题的关键所在。2.4.2 干扰的耦合途径根据传输线理论，只有当某个电子设备或系统其尺寸能和电磁波波长相比拟时，才可能受到该电磁波的较大感应，就大坝监测自动化系统而言，像计算机、测控装置（MCU）、传感器等设备，其尺寸和雷电磁脉冲的波长相比都太小，更别说MCU内的电子器件了，它们不会成为雷电磁脉冲的主要感应体，那么雷电磁脉冲是如何进入系统并造成危害的呢？是通过电缆，包括电源电缆、大量的传感器电缆，如采用电缆作为通讯总线的话，通讯电缆也会是一大感应体（如采用光纤通讯，这一条就可以避免了）。2.4.3 堵塞干扰进入系统的方法既然已确定各种电缆是雷电磁脉冲的主要感应体，那么如何堵塞这些耦合通道呢？主要的措施包括：屏蔽、接地和滤波，根据我们的经验，通过把这三种措施综合应用可基本避免监测系统被LEMP所干扰。一般采取的具体措施如下： 电源电缆a. 中心机房：从已有可靠电源的水情测报系统引入电源，通过隔离变压器、UPS滤波后作为局域网的电源； b.观测房：通过加装隔离变压器和防雷滤波器后作为MCU电源；c.从附近引电源时，通过穿钢管地埋后引至观测房，钢管可靠接地，在观测房内通过隔离变压器和防雷滤波器后作为MCU电源； 传感器电缆所有新设置传感器其电缆在引向观测房时都用钢管保护后地埋敷设，钢管接头处都可靠搭焊并和每个测压管搭焊。 电缆进入MCU前后的措施对电源来说，其一般通过隔离变压器和滤波器后再进入MCU。对传感器来说，沿线能加屏蔽保护的加屏蔽保护，另外在MCU和传感器的接口部分也作了抗干扰考虑，使大量传感器电缆在绝大部分非测量时间内都和系统处于电器隔离状态，只有测量的瞬间才会接上，从而大大降低沿线进入的干扰脉冲感染系统的机率，实践证明这种措施虽然增加了成本，却很有效果。另外数据采集单元的供电系统、数据采集单元和传感器的接口、通信接口都设有防雷器件，保证系统在雷击和电源波动等情况下能正常工作。电源和通讯线路可防1500W雷电感应，传感器输入口可防1500W雷电感应。2.5自动化系统系统接地如前所述，系统接地在自动化系统的防雷抗干扰扮演着非常重要的角色，同样从操作管理人员的人身安全角度出发，也需要电子设备可靠接地。这个问题可分为两个方面： 接地体的制作一般来说，通过在地下埋设铜板、角钢等可作为接地体，但这样设置接地体要想达到比较理想的接地效果或者说要有比较低的接地电阻是不容易的，对水工建筑物来说，有大量散布于坝上的测压管存在，测压管一般都深入地下几十米，所以可以把测压管的保护钢管作为现成的接地体，在新设置传感器时，把传感器的保护钢管和测压管搭焊，用这样的方式把多个测压管搭焊在一起后可形成很好的有很小接地电阻的接地体，再通过传感器电缆的保护钢管引向观测房。各个观测房都可以用这样的方式获得良好的接地，这样形成接地网后，应测试各观测房内地线的接地电阻，一般要小于5。 接地体的利用 所有新增传感器其电缆的保护钢管都要和接地体可靠搭焊，隔离变压器、MCU的机壳等也要和已引至MCU房的接地钢管有效连接。2.6 系统技术指标（1）采样对象：步进式、差阻式、电阻式、振弦式（国内外、单双线圈）、压阻式、电感式、差动变压器式等传感器，此外还可采集输出为标准工业信号的传感器； （2）通讯接口(a) RS-485(两线或四线制可选)(b) RS-232-C（3）通讯方式(a)采用标准RS-485现场总线，支持128个节点（智能数据采集模块），传输距离与速率：3km /1200bps，1.2km /9600bps；采用总线驱动器可将485现场总线的节点进行扩展、分支，并延长通讯距离。 (b) 利用RS-485接口和RS-232接口，实现无线、光纤、微波、电话线、CANbus总线、GMS短信息、GPRS/CDMA、以太网等通讯方式可选；（4）测量方式：巡测、选测、定时自动测量、自检等；（5）测控装置的容量：内置13个智能数据采集模块；（6）定时间隔： 1分钟每月采样一次，可设置；（7）采样时间：2S55S点；（8）数据测量技术指标见各数据采集模块；（9）工作电源：220VAC15%，50Hz或太阳能电源可选，配12V4AH蓄电池，断电后工作时间：7天，每天测次不少于1次；（10）工作环境：温度2050（3060可选）， 湿度95Rh；（11）系统平均无故障时间（MTBF）： 20000小时，平均故障修复时间(MTTR)不大于1小时；（12）系统防雷电感应： 600W1500W。2.7 系统功能DG型分布式系统是一个开放式的自动化监测系统，采用多项专利技术、最新电路和最新元件，具有高度可靠性、稳定性、准确性和可利用率，功能完善、性能先进、维修方便，便于今后扩展和升级，有备品备件支持。该系统由监测仪器、MCU-1/2/3M型测控装置、计算机及配套软件组成，布置在现场的测控装置（MCU）能在野外恶劣的环境下长期可靠运行、低能耗，并备有备用电源，有可靠的防雷抗干扰保护措施，可采用多种通讯方式，便于系统组成和扩展。具有以下几方面功能：2.7.1 采集功能 系统运行方式实现大坝安全数据自动采集功能，有六种不同的数据采集运行方式，具有较大的灵活性和可靠性。系统的运行方式有：（1）中央控制方式：由监控主机发出命令，测控装置接收命令、完成规定的测量，测量完毕将数据暂存，并根据命令将测量数据传送至监控主机内存储；（2）自动控制方式（即无人值班方式）：由各台测控装置自动按设定的时间和方式（可由人工按需设定）进行数据采集，并将所测数据暂存，同时传送至监控主机内存储。该方式主要用于日常测量；（3）特殊条件下自动控制方式：在汛期或其它特殊情况下，电源和通讯完全中断,各测控装置能依靠自备电源继续进行自动化巡测，如每天巡测2次可维持运行一周，所有测值全部自动存储，等待故障修复后提取；（4）人工测量方式：作为一种后备方式，当监控主机或通讯线路发生故障时，在通讯线路恢复前，采用便携式计算机或键盘显示器进行数据采集或提取自动测量数据；在测控装置发生故障时，采用便携式检测仪进行人工数据采集；（5）网络化测量方式：系统具有网络化管理功能，在添加一些计算机终端等设备后，有关领导和专家可在主管领导办公室、总工室、水工管理部门等一切相关部门的计算机上进行数据采集、资料查询等；（6）远程控制测量方式：当管理人员远离现场或上级主管部门希望经常了解大坝的安全状况时，本系统提供了远程控制测量功能，在添加一些计算机终端等设备后，通过电话线等可在远方计算机进行数据采集和数据查询。数据采集方式监测数据的采集方式有：选点测量、选箱测量、巡回测量、定时测量、人工测量。采集周期根据工程要求，运行人员可在监控主机或信息管理主机上设定或修改监测周期。2.7.2显示功能显示大坝及监测系统的全貌、测点布置平面和剖面图，各种监测数据过程线、分布线、多种监测数据的相关线及其它图形，显示报警状态，显示所有监测数据、监测成果、各种报表及分析计算成果，显示有关工程安全的技术资料和巡视检查信息，若接投影仪可实现大屏幕显示。2.7.3存储功能系统所有实测数据分三级存储：测控装置可暂存所测数据，存储容量为128KB，存满后自动覆盖；监控主机接受所有测控装置的监测数据，自动检验，对超差数据自动报警，检验后的数据存入数据库中；合格监测数据包括人工监测数据和巡视检查信息全部存入信息管理系统数据库中，可存档或进一步处理。2.7.4 数据通讯功能数据通讯包括现场级和管理级的数据通讯。（1）现场级数据通讯功能现场测控装置和监控主机之间，可通过有线、无线、光缆、GMS、电话线等通讯媒体，实现双向通讯功能。（2）管理级数据通讯功能管理主机可对现场测控装置实现远程控制功能；通过有线、光缆、电话线、微波、无线、宽带网等与上级管理部门的计算机之间通讯，实现远程监控，也可与局域网联网，实现资源共享。2.7.5 操作功能在监控主机或管理计算机上可实现监视操作、输入输出、显示打印、报告现在测值状态、调用历史数据、评估运行状态；根据程序执行状况或系统工作状况发出相应的音响；整个系统的运行管理（包括系统调度、过程信息文件的形成、进库、通信等一系列管理功能，利用键盘调度各级显示画面及修改相应的参数等）；修改系统配置、系统测试、系统维护等。2.7.6 管理功能监控主机具有监测数据监视操作、输入/输出、显示打印等一般管理能力，存储系统所有监测数据，对测控装置传输来的原始测值进行初步处理，供运行人员进行浏览、检查、绘图、打印等，并有数据越限报警功能。可调度各级显示画面及修改/设置仪器的参数、修改/设置系统的配置、进行系统测试、系统维护等，完成系统调度、过程信息文件形成、入库、通讯等任务。信息管理主机作为系统的综合信息管理中心，具有在线监测、大坝性态的离线分析、数据库管理、测点管理、安全管理、系统管理、监控模型管理及安全评估等。包括数据的人工/自动采集、测值的离线分析、工程档案资料、报表制作、图形制作、浏览器、辅助工具、帮助系统等内容。2.7.7 网络浏览功能建立与电厂MIS网的联结，可与网内各站点通过Web、FTTP和Email进行信息交流，网内各站点可通过浏览器访问本系统有关的实时数据和图表。2.7.8 系统自检功能系统具有自检功能，可对测控装置内的数据存储器、CPU、时钟、供电状况、电池电压、测量电路和传感器线路等进行自检，监控主机和管理主机可显示系统运行状态、故障部位及类型等信息，以便及时维护系统。任何硬件和软件的故障都不危及系统设备和人身安全。2.7.9 系统防雷抗干扰功能在系统的供电线路、传感器到测控装置的入口、通讯线路及计算机房等重要部位均设有防雷设备，采取了三级防雷保护措施，确保系统在雷击和电源波动等情况下能正常工作。电源和通讯线路可防1500W雷电感应，传感器输入口可防600W雷电感应。2.7.10人工测量功能自动化监测系统备有与便携式检测仪表的接口，无需改变测控装置和系统的接线，通过人工测量接口，能够使用便携式检测仪表采集监测数据，并送入监测系统，实现人工比测，并可防止资料中断。2.8 系统性能2.8.1 先进性DG型分布式系统同国际上的几种先进产品如美国的Geomation 2300系统，SINCO的IDA系统，意大利的GPDAS系统是相当的，系统功能、技术性能和总体结构都很接近，且在中国的大坝上应用时更具有优越性，更适应中国的大坝安全监测仪器。如在差动电阻式仪器测量方面采用了消除导线电阻及芯线电阻变差影响的五芯测量技术，这项性能优于国外系统。2.8.2 可靠性 DG型分布式系统在研制和生产过程中特别注意提高系统可靠性。和国内现有大坝安全监测自动化系统比较，DG型分布式数据监测自动化系统处于领先地位，表现在下述方面：（1）DG型分布式系统具有总体结构上的优越性，因测量、控制和数据储存等重要功能均分散到每一台测控装置上，由若干台测控装置组成系统。当单台或少数测控装置发生故障时，只有与发生故障的测控装置连接的监测仪器不能测量，整个系统并不会停测。系统的数据总线中通讯和数据传输均为数字量，不仅对电缆的要求较低而且抗干扰能力特强，DG型分布式系统在数据总线上又设置了雷电流保护器及其他保护措施，因此使系统的可靠性大大提高。（2）DG型分布式系统具有功能上的优越性，DG型分布式系统不仅有中央控制功能，即由前方的监控主机发出数据采集命令进行全系统的巡测或选测，而且有自动控制功能，即由数据采集网络各节点上的测控装置自动进行巡测且存储、发送数据。在特别严重的运行情况下，例如特大洪水，厂房不能发电，电源中断，总线破坏等，DG型分布式系统的各台测控装置仍能在一周之内自动巡测和储存数据，避免数据丢失，确保自动化采集的可靠性。 （3）DG型分布式系统采取了多级备用措施，最大限度地保障监测数据的连续性。（4）DG型分布式系统能适应现场的工作环境，具有三级防雷、抗干扰措施，电源和通讯口可防1500W雷电感应，传感器输入口可防600W雷电感应，故具有足够高的防雷、抗干扰性能，能长期可靠地稳定运行。（5）DG型分布式系统的电路板，经过防潮、防霉、防腐蚀处理。元器件经过老化筛选，出所前经过长时间系统考机，现场运行时可靠性已达浴盆曲线平稳阶段，因此故障率低，寿命长。采用进口密封防潮机箱，设置了加热驱湿器件，具有长寿命、耐低温、抗干扰、抗潮湿的优良性能，可保证长期在水工环境中稳定运行。（6）系统设备的平均无故障工作时间(MTBF)不小于20000小时，平均故障修复时间(MTTR)不大于1小时。（7）系统考核可按每周一次计算系统运行次数和数据采集次数： 传感器和测控装置（MCU）测量通道故障影响的数据个数传感器年运行的监测数据个数和的2%。 测控装置（MCU）和监控主机故障引起的缺失监测数据个数MCU和监控主机年运行监测数据个数和的2%。（8） 数据采集系统测得的监测数据准确可靠，系统的监测精度满足以下要求：(超差数据5%)。人工测量和自动化测量的绝对误差DG型分布式系统总线电缆中传输的是数字量，且具有防潮、屏蔽等措施，又安装了雷电流保护器，系统设计和施工中还采用防鼠防人为破坏等措施，这些措施均有效地提高了系统可靠性。2.8.3 兼容性 MCU-M型测控装置可接入各类监测仪器(传感器)，即步进式、差阻式、振弦式、电感式、电容式、差动变压器式、可变电阻式、浮子式以及输出标准信号(电压、电流、频率)的传感器，基本上兼容了我国混凝土坝、土石坝和岩土工程所用的各类国内外监测仪器，对于个别尚未接入的品种也可根据用户选择采取的软硬件接口或变送器予以接入。在这一方面，DG型的监测系统兼容性优于国外系统。例如国外系统不能接入五芯差阻式仪器，本系统不仅可接四芯差阻式仪器，还可接入五芯差阻式仪器。又如进口振弦式仪器的激振电压为5V，而国内振弦式仪器的激振电压高达160180V，本系统均可接入测量，这是国内现有其他振弦式仪器的测量仪表或测量装置所做不到的。2.8.4 可扩充性DG型分布式系统采用现场数据总线或其他通讯方式将各测控装置连成总线拓扑，便于扩展和分期实施，在系统扩展时不需要对已有系统进行改动或停测。由于同一测控装置可接入各类监测仪器，因此只要延伸数据总线，增加测控装置即可将系统扩大。当系统分期实施时，设计时对每期工程已预先划分，后期工程将更加易于续建。2.8.5 易维修性系统具有自检自校功能，同时显示故障信息，便于维护和修复。运行人员只要针对故障信息更换备用线路板或零配件即可恢复运行，一般故障修复时间不会超过半小时。对于运行人员无法修复的故障，我们维修人员到达现场恢复运行的时间不超过12小时。同时，我们将从远传监测数据了解系统运行情况，以便主动协助运行人员维护管理。2.8.6 经济性由于采用通用型测控装置可以就近接入各种类型的传感器，既方便系统设计又可以减少测控装置和电缆的数量，从而减少系统价格。2.9大坝监测自动化系统的发展趋势随着国家对水库、堤坝安全的不断重视，资金投入的增加，大坝安全监测的自动化是个必然的趋势，因为只有实现自动化，才能提高测量的快速性、准确性，才能实现实时测量。而自动化系统能否满足用户对快速性、准确性的要求，能否长期稳定可靠地运行，即自动化系统的成熟程度，实际上决定着我国大坝安全监测实现自动化的进程。大坝监测自动化系统的发展趋势可从以下几个方面加以阐述。 高度可靠性自动化系统的高度可靠性是指系统在运行中平均单台硬设备的故障率、系统的全年自动化平均数据采集故障率均要小于一个规定的数值，而系统的平均无故障工作时间（MTBF）则要达到一定的天数或小时数（详见行业标准）。另外当自动化系统发生故障不能采集某些传感器的数据时，应有人工测量仪表可供观测人员进行该传感器的数据采集，防止数据因自动化系统故障而丢失。系统的可靠性还体现系统的耐久程度上，一般系统中各台设备和电缆应能在水工环境中稳定工作十年以上。 高度的精确性 自动化系统采集数据应具备高度的精确性。在环境温度湿度条件下，全量程范围内数据采集精度要满足一定的要求，例如：水平位移和垂直位移的精度一般要优于0.1mm，差动电阻式仪器精度，测电阻比要优于20.01，测电阻要优于20.01。 系统的先进性 先进性体现在系统的几个方面，包括传感器、测控装置、控制计算机和其它网络设备等，要尽量选用先进、可靠的设备来组成系统，从而保证系统的先进性。 系统的快速性用于大坝监测的仪器无论种类还是数量都很繁多，作为自动化系统来数，除了要具有一定的兼容性和开放性，以便于不同厂家的仪器接入系统并能进行正常测量外，还需具有数据采集的快速性和数据处理和得出结论的快速性，虽然这一点目前在不少地方还不突出，但随着技术的发展，随着大家对自动化系统期望的不断提高，对系统快速性的要求也将不断提高。 易维修性作为自动化系统来说，首先要有高度的可靠性，故障率要低，但任何再可靠的系统也不能保证不出问题，出了问题就有一个维修的问题，所以作为自动化系统要具备易维修性，以便于故障的及时排除，保证系统的正常运行。系统的可扩展性对于大型系统来说，系统的复杂性决定了整个系统不可能一步建成，必须是分期实施，所以整个自动化系统应具有可扩展性，便于后续系统设备的不断加入，最终组成一个完整的系统。3 DG型大坝安全监测自动化系统的设备DG型大坝安全监测数据采集系统由分布在大坝现场的各类传感器（测点）、测量控制装置（MCU）、中央控制装置（CCU）和配套软件、电缆及通信设施等组成。测控装置放置在监测仪器附近，通过电缆实现对监测仪器的自动采集，测控装置内各仪器测量模块自带CPU，独立并行工作，对所接入的仪器按照中央控制装置的命令或预先设定的时间进行自动控制、测量，并就地转换为数字量暂存在测量模块内，向监控主机自报或根据监控主机的命令向主机传送所测数据。DG-2000型自动化系统设备主要为测控装置（MCU）、中央控制装置（CCU）、测量小仪表（PSM-R、PSM-V及PSM-S）等设备。3.1 测控装置（MCU）测控装置是大坝安全监测自动化系统的关键设备，是分布式数据采集网络的节点装置，它决定了系统的规模、功能和性能，DG-2000型分布式大坝安全监测系统中的测控装置为MCU-1/2/3M型，已取得国家质量技术监督局颁发的生产产品许可证，生产许可证号为：XK34-233-50001。该装置用于系统中各种类型监测仪器（传感器）的数据测量、存储和传输，安装在监测仪器附近，适合于在恶劣的水工环境下长期使用，可靠性高，平均无故障时间达20000小时。MCU-M测控装置由智能数据采集模块、电源模块、人工比测模块、防雷模块、进口密封机箱等部件组成，各数据采集智能模块均有CPU、时钟电路、数据存贮电路、数据通讯电路、接口转换电路、测量电路等，可对水工建筑物及岩土工程的变形、渗流、渗压、温度、应力应变、水位、气象等项目进行自动监测。由于MCU内部采集模块的独立性和智能化，使分布式数据采集进一步分散到了模块一级，系统故障的危险得以进一步降低，系统的采集速度和可靠性大为提高。MCU-M系列测控装置还可作为现场自动采集装置使用，自动进行传感器数据采集和存贮，定期用便携式计算机从MCU中读取数据。3.1.1测控装置（MCU）结构MCU-1/2/3M型测控装置由进口密封机箱、智能数据采集模块、电源模块、人工比测模块和防雷模块等组成，各功能模块布局合理、独立工作、标志清楚、维修方便，还有温控加热除湿装置，完全满足自动化监测系统有关设备的要求。MCU-1M型测控装置有1个智能控制数据采集模块，MCU-2M型测控装置有2个智能控制数据采集模块，MCU-3M型测控装置有3个智能控制数据采集模块。 MCU-2M型测控装置结构 测控装置采用进口全密封防水机箱，机箱底部采用塑料密封接头，所有部件固定在机箱安装钢板上，测控装置的结构示意图如图3-1所示（以MCU-2M为例）,图中采集模块1和采集模块2为智能数据采集模块，防雷模块由防雷底板和防雷器L10M组成，电源模块由充电器、蓄电池、电源端子组成，人工比测模块由拨动开关和航空接头组成。图3-1 测控装置的结构示意图智能数据采集模块结构图2-1：测控装置的结构示意图智能数据采集模块安装在不锈钢盒内，由微处理器、时钟电路、数据存储电路、测量电路、接口电路、电源电路、通讯电路和键盘显示接口组成，其结构示意图如图3-2所示。图中接口1和接口2通过防雷底板与仪器相连，电源和通讯接口分别与充电器、蓄电池、通讯线等相连，键盘显示接口与专用的键盘显示器KD12相连。数据采集模块采用单板结构设计，CMOS集成芯片，具有智能化程度高，功耗低，抗干扰能力强，测量精度高，可靠性好，安装、运行、维护方便等特点。图3-2 智能数据采集模块结构示意图 测 量 电 路 CPU接口电路 RAM 时 钟 电 路 键盘显 示接口 通 讯 电 路 电 源 电 路接口II接口I接RS485接充电器 接大地接蓄电池PEGNDZYBABATTGNDCHRGGND接线柱定义 防雷底板结构 接 口I-1 接 口I-2 接 口II-1 接 口II-2插座1插座3插座2插座41 2 3防雷底板安装在不锈钢盒内，下部与传感器电缆直接相连，上部与智能数据采集模块和人工比测盒相连，中部为四个防雷器L10M插座，其结构示意图如图3-3所示，图中接口I-1和接口II-1与智能数据采集模块相连，接口I-2、接口II-2与人工比测盒相连，插座1至插座4用于安装防雷器L10M，传感器接线端子与传感器电缆相连。图3-3 防雷器底板结构示意图L10M防雷器由信号隔离电路和内置的信号防雷器件组成，传感器的每一根芯线均采取三级防雷措施。为了提高测量电路的防雷抗干扰能力，只有在测量该仪器时才将仪器芯线与测量控制电路连接，并在测量控制电路内置信号防雷器件。同时在电源和通讯接口设置专用防雷器。在一些部位，不需要对传感器端设置防雷器，其底板结构则没有防雷器插座，仪器电缆经接线端子直接通过接口I和接口II与智能数据采集模块和人工比测盒相连。 充电器结构电源模块由防浪涌保护器件、电源隔离变压器、蓄电池浮充电路、供电及控制电路等组成，对来自外部电源的雷击及干扰采取多级保护措施，优化系统供电，提高设备用电的安全性和可靠性，其结构示意图如图3-4所示。图中交流进线与交流端子排相连，充电电源与智能数据采集模块的充电电源相连。R型变压器充电及控制电路 交流 进线 充电 电压图3-4 充电器结构示意图 测控装置（MCU）采用交流浮充或太阳能板浮充，蓄电池供电方式。模块内置电源管理与控制电路，在有市电或太阳日照时，给蓄电池浮充，测控装置直接由蓄电池供电，确保供电质量，详见图3-5。此种供电方式的特点：（1） MCU电源系统能在市电电压变化范围达20%的恶劣供电情况下，保证MCU设备的测量、采集和通信正常工作。（2）MCU电源在市电因故掉电时，能保证MCU设备供电不中断并持续工作。确保测量数据的连续性。MCU内蓄电池的标准配置，可保证测控装置正常工作7天。在市电供给可靠性很差的场合，还可按用户要求做出备选配置，以延长掉电后的供电时间。（3）太阳能电源设备在无市电供给的现场，可采用太阳能电源板与蓄电池浮充工作的电源设备为MCU供电。具体配置须根据测控装置的数量以及当地全年日照时间和最大连续无日照时间来选择太阳板和蓄电池的容量。市电蓄电池供电控制整流稳压防雷保护隔离测控装置接地（a）采用市电供电蓄电池供电控制测控装置（b）采用太阳能供电图3-5：测控装置供电原理 人工比测盒结构人工比测盒的进线与防雷器底板相连，其结构示意图如图3-6所示。图中，与模块1相对应，与模块2相对应，5芯航空插座与便携式仪表相连，多路拔动开关用于选择被测的仪器，实现被选仪器的人工测量。利用人工比测接口，可用便携式仪表十分方便地实现人工测量，实现与自动化系统测量数据相互校核，互为备用。多路拔动开关五芯航空插座1 23 456 7 89 10 11 1214 15 16131 23 456 7 89 10 11 1214 15 1613图3-6 人工比测盒结构示意图 测控装置机箱测控装置采用进口密封机箱，防水性能好，所有电路板均经过三防处理，机箱内有温控加热驱潮器件，可保证在水工环境下长期稳定地运行。机箱结构紧凑、轻巧，安装灵活方便，可放置在廊道、电缆沟、观测站等狭小空间。测控装置的尺寸如下（单位：mm）： MCU1M：400600210 MCU2M：600600210 MCU3M：8006002103.1.2测控装置（MCU）特点测控装置是整个数据自动采集系统的关键设备，完全智能模块化结构，每个模块均自带CPU，形成整个测控装置多CPU并行运行的模式，智能分布式数据采集系统的测控装置具有以下特点：（1）MCU为高集成智能模块化结构，各数据采集智能模块能独立运行、互不干扰。（2）MCU的软件已经固化在存储器中，且能根据用户的需要可对程序进行检查、维护和修改。（3）MCU能暂存采集来的数据，并且在断电的情况下不丢失数据。（4）MCU具