大坝安全监测自动化系统的设计与实施(精)

水利工程管理技术
大坝安全监测自动化系统的设计与实施
监测自动化系统选型： 监测自动化系统选型时，应全面规划、统一考虑，强调自动化监测 系统三个组成部分的有机结合，保证系统功能的完整性。 系统选型前，可选择类似工程和相关仪器设备厂家进行调研，根据实测 数据和资料来分析和确定系统相关的技术指标、可靠性和测量精度是否 符合工程需要。
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⑦掉电保护、短期自供电、系统自检、故障显示:在电源突然中断时， 能保证系统内存数据和参数不丢失，并能自动上电，维持7d以上正常运行； 能对系统设备、电源、通讯状态等进行自检，并显示故障信息。 数据采集系统的方式在设计时可在集中式、分布式和混合式三类方式 中任选。 对于监测范围广、测点数量多、工程规模巨大的水库工程，宜采用二级管 理方案，即根据工程结构特点，以建筑物为基本单元，将整个工程划分为 若干个监测子系统。各个子系统再组成上一级管理网络，并实现对各子系 统现场网络的管理。
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系统设计 对照上述对系统功能和性能的要求，根据各水库工程实际，监测自 动化系统在设计时需从组成系统的三大部分入手，综合考虑。
1.监测仪器系统 接入监测自动化系统的各监测仪器应经过严格检验，它们应结构简 单、传动部件少、容易维修，且可靠性高、稳定性好，能在水库工程的 恶劣气候条件下长期、稳定、可靠地工作。 监测仪器的布设应根据规范，结合水库工程实际，有目的的考虑设 计方案，做到重点突出、兼顾全面，满足有效地监控水库工程安全运行 的需要。 各监测仪器的选择应在稳定、可靠的基础上力求其先进性。应优先 选用经过长期运行考验的成熟的产品。为科学研究而设置的新仪器设备 原则上不应纳入自动化监测系统观测。 在老监测系统基础上升级改造为自动化监测时，设计前应对原有监 测仪器进行检验和鉴定，有选择地将老仪器纳入新监测系统。
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大坝安全监测自动化系统的设计与实施
主 讲 人： 张峰 黄河水利职业技术学院
2015.04
大坝安全监测自动化系统的设计与实施
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大坝安全监测自动化系统基本功能要求 系统应具备以下功能: ①数据自动采集功能:能自动采集各类传感器的输出信一号，能把模拟 量转换为数字量；数据采集能适应应答式和自报式两种方式，能按设定 的方式自动进行定时测量，能接收命令进行选点、巡回检测及定时检测。 ②掉电保护功能:在断电情况下确保持续工作3d以上。 ③自检、自诊断功能:能通过系统自身的巡检逐级查找，并找到故障点。 ④现场网络数据通信和远程通信功能。 ⑤防雷及抗干扰功能。 ⑥数据异常报警及故障显示功能。 ⑦数据备份功能。
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2.数据采集系统 数据采集系统是监测仪器与数据处理分析的中间连接部分，负责数据的 采集和传输。 数据采集装置应满足前面监测自动化系统的基本性能要求，并应具备以下 基本功能: ①数据自动采集:能按用户设定的起始时间、监测周期及条件，对接入系 统的各种监测仪器进行自动巡回检测、选测、定时定点或连续监测，并自 选保存测量结果。 ②数据自动处理:能对测值进行可靠性检查，越限时重测并报警；能对所 采集的数据进行计算，并求得所需的物理量，对计算数据进行存储、建立 数据库；能输出显示、拷贝、打印(绘制)有关监测成果图表等。 ③自动数据采集与人工观测相兼容:在系统发生故障时，可由观测人员用 便携式仪表进行观测。 ④人工键入功能:具有人工键入数据的功能，对人工测量的数据和现场巡 视检查资料可人工进机入库。
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• 主持单位: 安徽水利水电职业技术学院 山东水利职业学院
参建单位: 黄河水利职业技术学院 重庆水利电力职业技术学院 福建水利电力职业技术学院
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大坝安全监测自动化系统的设计与实施 数据处理分析与监控管理系统
数据处理分析与监控管理系统主要包括数据通讯设备、监控中心监控 主机、管理计算机及监测自动化系统软件。 为适应水库工程安全管理工作的需要，系统应具备以下基本功能: ①在线实时监控:在数据自动采集的基础上实现在线监控，其核心是在 线快速安全评估，即一次数据采集(包括人工采集后输入的数据)完成后， 利用该次实测数据的变化速率与监控指标(监控模型或某一界限值)进行对 比、检验，若实测值超限，则进行复测和再次对比、检验，最终对实测值 是否异常做简单、快速的评估与判断；用户可以在屏幕上方便地查看到主 要监控测点的具体状况(实测值、预报值、警戒值等)。 ②监测资料管理:建立监测资料整编数据库，可继续保留原始测值数据 库；对整编库中的监测资料可灵活地进行插入、删除、修改、查询等；输 入或修改工程安全巡视检查记录；对数据库进行备份。
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自动化监测系统的考核与验收
目前国内尚无有关自动化监测系统的考核与验收标准。根据已有 的国内自动化监测系统的实践经验，系统的考核验收可从以下两方 面进行: (1)出厂或安装前的验收 在监测仪器设备出厂前或安装前，对仪器的制造、组装等质量进 行细致的检查验收，并对各项技术指标进行复核测试，所有指标合 格后方能投入安装使用。 (2)试运行期的考核 监测自动化系统在现场安装调试成功，经合同双方同意后，系统 可正式投入一年试运行。系统试运行期间应同时进行人工对比观测。 试运行期考核内容主要有: ①系统功能考核:对数据采集、传输系统硬件和数据处理、分析、 管理系统软件进行考核，考察系统功能是否满足设计和合同文件的 要求，对各项功能指标逐项进行测定考核。
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⑤报表制作:按水库工程规范化管理的要求，将监测成果按规定的格 式进行整理，以便存档和上报。 ⑥水库工程安全档案管理:能对安全监测有关的技术文件、工程图纸、 重要图片等进行管理，制作报表、工程安全册等。 ⑦可靠、灵活的通信:可采用一种以上的并存的通信方式。 系统设计时，应充分考虑水库工程管理工作的需要。
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②系统测量精度考核:系统测量精度应在满足有关规范、设计和合同 文件要求的前提下，达到厂家给定的各种精度指标。 ③人工对比观测数据考核:主要对比分析观测资料过程线和观测值的 方差。过程线对比采用在相同时间和测次的二者的观测数据过程线进行 比较，分析其变化规律是否一致(因人工测次少、自动测次多，一般从自 动化数据中挑选与人工测次相同的观测数据进行比较)。方差分析通常采 用2倍均方差作为测值误差的限值，比较同一测次中人工测值与自动化测 值之差是否在允许的误差范围内。 ④数据缺失率考核:以人工测值为基准，统计系统试运行过程中明显的 错误测值、超限测值、缺失数据等的个数，与系统应该有正确观测数据 个数比较而得出的百分率。其中要求人工观测数据精度必须稳定可靠。 系统因人员误操作、非系统本身原因等造成的数据缺失，不计数。
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大坝安全监测自动化系统基本性能要求 系统应符合以下要求: ①采样时间:巡测时小于30 min；单点采样时小于3 min。 ②测量周期为10 min～30 d,可调。 ③监控室环境温度保持20℃～300C；湿度保持不大于85%。 ④系统工作电压为220(1±10%)V。 ⑤系统故障率不大于5%。 ⑥防雷电感应为1 000 V。 ⑦采集装置测量精度不低于规范对测量对象要求的精度。 ⑧采集装置测量范围满足被测对象有效工作范围的要求。 ⑨系统能稳定可靠地工作。
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⑤适应恶劣工作环境:系统运行的环境较为恶劣，有的露天布置，温差大、 湿度高、电磁于扰强、易遇雷击等，因此要求系统具有很好的防潮、防雷等技 术措施，以提高其环境适应能力。
⑥易扩展、易维修和兼容性:系统投入运行后，系统的规模、监测仪器的布 设等可能随着时间推移而变化，有新测点要接入、某些老测点要废弃，这要求 系统要有较好的扩展性和兼容性；系统局部单元故障时，系统维修工作要求在 较短时间内完成，如更换元器件等，这要求有较好的易维修性。
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⑤系统可靠性(故障率)考核:因系统仪器或设备原因造成系统整体或局部 不能正常工作，导致无法测得正确数据称为系统出现故障。主要考核系 统中传感器和数据采集、传输系统运行的故障率或平均无故障T作时间， 一般要求系统故障率≤1.0%，或系统平均无故障工作时间>8 000h。 其他 实施自动化监测系统时，不能忽视巡视检查和人工监测项目。应考虑 到仪器监测在空间上和时间上的不连续性，不可避免地会使一些工程安 全隐患在自动化监测仪器的范围和时间内漏掉，自动化监测仪器的零位 误差等有时也需要靠人工观测仪器来发现和纠正。相关的监测技术规范 中也明确规定监测自动化系统调试时，应与人工观测数据进行同步比测。
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系统的实施 ： 自动化监测系统实施前，需先对原有的监测设施进行全面鉴定和评价， 完善监测设施，配齐必要的监测项目，提高监测精度、稳定性和可靠性， 满足规范的基本要求。在此基础上再考虑对必要的监测项目和测点逐步 稳妥地实现自动化监测。“总体设计、分步实施”是国内水库工程自动 化监测系统实施时目前较普遍的观点。 自动化监测系统的设置要坚持少而精和经济、实用、有效的原则，在 技术经济合理的前提下，采用国内外成熟的先进技术。
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③监测资料查询:通过设置快速导航树形测点结构、测点表、仪器类型表， 首先能在空间上快速定位欲查询的测点或测点组，在此基础上只要指定查 询的时间区间后，用户就能立刻查到监测数据；用户可将已查到的监测资 料导出保存到本地机处理。 ④监测资料离线分析评价:对长系列历史资料进行全面分析，分析项目包 括变形、渗流、接裂缝、环境量等监测项目；分析模型以统计模型为主， 也可根据需要建立混合模型或确定性模型；模型的候选因子种类包括温度、 水位、降雨、时效，因子数可根据需要自行增加；软件能根据需要用图表 形式醒目地显示分析结果，并能将成果立即打印到纸张上，输出结果主要 应有模型方程、模型参数、各分量分解结果及统计值、监测量的拟合和分 解图等。
监测仪器设备选型时，应充分考虑工程特点和系统的运行环境，选择 合适的监测仪器设备来满足工程安全监测的需要。如仪器的量程、仪器 设备所适用的环境等。
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系统防雷设计
水库工程一般地处山区，属多雷区，系统的防雷是不可或缺的重要内 容。
自动化系统必需有良好的接地，其接地网不能与高压电气设备的接地网合 用，以免造成干扰。接地网宜优先采用环形网，并采取良好的防腐防锈措 施。每个数据采集单元等处均应设置接地网接入点，设备接地前应测量相 应的接地电阻，一般来自百度文库求接地电阻不大于4Ω。 采用光纤通讯是提高系统抗雷击能力的有效措施。 仪器电缆的选用和保护
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电缆作为监测自动化系统中的数据传输通道，其质量、性能的好坏直 接影响系统数据传输的可靠性和稳定性。根据工程运用的实际经验，电缆 的护套要具有抗老化、耐水压、耐高温差、抗高压等性能；电缆的芯线间 要求电阻差要小，并符合规范要求；电缆还应具有一定的抗拉、抗压等机 械性能；有屏蔽要求的电缆应具有良好的屏蔽效果。 电缆应尽量沿最短路线敷设，并尽可能避开高压线路，以减少干扰。坝外 布置的电缆应尽量少用或不用架空线，宜采用埋线并外套钢管保护，以利 于防雷击；坝内电缆的保护可采用硬质工程塑料管。