山西省万家寨引黄工程安全监测自动化系统设计

辛贵升，朱化广，张左强，李善言

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

山西省万家寨引黄工程安全监测自动化系统设计

辛贵升，朱化广，张左强，李善言

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

摘要：介绍了山西省万家寨引黄工程安全监测自动化系统的总体结构、系统组网、设备配置和系统功能、供电方案及监测管理分析软件系统等内容。

关键词：安全监测自动化；万家寨引黄工程；通信及计算机网络

1　引言

万家寨引黄工程是目前在建的一项跨流域大型调水工程，引水线路总长约450 km，主要建筑物包括6座大型泵站、6个调节水库及这些建筑物之间的隧洞、埋涵、渡槽、PCCP管道等。工程分二期建设，一期工程通水到太原；二期工程按设计规模实现向太原、大同及朔州供水。整个输水系统采用全线自动化进行控制和管理。

为了确保工程安全运行，在隧洞、渡槽及泵站等主体工程建筑物上布置了大量安全监测仪器，随着工程土建施工完毕，在工程沿线布置了37座监测站，监测仪器就近引至附近监测站的MCU进行集中观测。由于没有交流电源，多数监测站MCU只采用电池供电。MCU在无人职守情况下进行自动观测，并储存所测数据，观测人员定期到现场采用便携式计算机读取数据、更换电池，并进行维护，系统可靠性低，管理人员劳动强度大。由于引黄监测站形式较多，分布在工程不同部位，区域内地形条件复杂，沿线山谷、沟壑纵横，遇到雨雪天气，观测人员无法为监测站更换电池和读数，就可能造成缺测或数据丢失，中断观测序列，造成无法弥补的损失。为此需建立安全监测自动化系统进行自动化采集和管理。

引黄工程安全监测自动化系统总体功能是监测工程建筑物运行过程中各个物理量变化状态，并对所监测的数据及现场巡视检查资料进行管理和处理分析，及时对工程运行状态作出评价，为工程运行管理提供科学依据。

2　系统设计原则

设计遵循下述原则：

（1）设计力求实用、可靠、先进及经济；

（2）通信组网以满足安全监测测量精度和功能需求为原则；

（3）充分利用工程已建通信、供电等各类设施，进行合理设计，避免工程重复建设；

（4）选择合适的系统工作体制和数据通信方式；

（5）关键测站或分中心测站的通信要有备用通道；

（6）系统设备选用技术先进、质量优良、结构简单、性能稳定、价格适宜的产品，同时系统设备应适合在低温等恶劣环境条件下长期工作；

（7）野外无交流供电的测站采用太阳能供电方式，并具有可靠防雷措施；

（8）MTBF>10 000 h；（MTTR）<1 h；

（9）系统应具有可扩展和后续开发能力。

3　系统总体结构

根据引黄工程特点，安全监测自动化系统采用监测中心站、监测分中心站和监测站三个层次网络结构，共设1个太原中心站、1个备用中心站、4个分中心站，包括总干一级泵站、总干三级泵站、南干一级泵站、南干二级泵站及37个监测站，整个引黄工程安全监测自动化系统共计接入测点约1 600个。系统总体结构如图1所示。

图1安全监测自动化系统总体结构图

3.1监测中心站

监测中心站设在太原市，负责引黄工程安全监测系统的数据采集、数据处理、数据分析、水工建筑物的结构性态分析、安全评估，生成多种图形和报表并展现。监测中心站在内部以网络工作组的方式进行协同工作，还同远端的监测备用中心站、监测分中心站保持不间断的通信。

监测中心站主要配置包括网络交换机、主服务器、通信服务器、防火墙、网管工作站、操作员/工程师工作站、大屏幕显示器、打印机、扫描仪及相应的软件等。

3.2备用监测中心站

备用监测中心站设在总干三级泵站。正常情况下，备用监测中心站只作监测数据备份。在太原监测中心站出现故障，不能正常工作，或总干三级泵站到太原通信出现故障，监测中心站无法正常采集数据时，备用中心站代替太原中心站，控制管理整个监测系统进行正常工作。

备用监测管理中心站主要配置包括网络交换机、服务器、工控机、防火墙、电源、打印机及相应的软件等。

3.3监测分中心站

监测分中心站功能以通信为主，功能包括数据采集、储存、处理判断并按中心站要求上传数据。主要设备包括工业以太网交换机、工控机、电源及相应的软件等设备。

3.4监测站

输水沿线共布置有37座监测站。

为保证引黄工程隧洞、渡槽及泵（闸）站等主体工程建筑物的运行安全，全面掌握运行工况，在输水沿线布置了大量的监测仪器以进行变形、应力应变、渗漏及外水压力、温度、水位等监测，监测仪器随主体工程已安装埋设完毕。监测仪器电缆就近引至附近的监测站进行集中观测。

监测站内设置MCU设备、工业以太网交换机、网关、电源及附属设备。监测站MCU设备采集相关安全监测信息，进行简单数据处理、存储，并通过网关设备连接至以太网实现数据上传监测中心。

4　系统组网方案

本工程安全监测自动化系统主要采用计算机IP网络作为信息传输平台，实现信息网络化传输和共享、保证信息传输的及时性、灵活性和准确性。IP计算机网络共设太原监测中心、总一分中心、总三分中心、南一分中心、南二分中心等5个节点网络。

目前，引黄工程已建成覆盖监测中心站、监测分中心站（备用监测中心站）的计算机广域网络，安全监测自动化系统监测中心站及各监测分中心站可利用引黄计算机广域网实现各节点网络之间通信。

由于监测站机房环境恶劣，且引黄工程在输水隧洞内已敷设有光缆可以利用，因此，为适应长期在高温、低温和潮湿等恶劣环境下可靠工作、满足无人值守、功耗低、可靠性高的要求，适应网络化接入和可靠传输并构建同一IP网络平台，本工程监测分中心站与监测站之间的通信采用光纤工业以太网组网。在监测站和监测分中心站均配置工业以太网交换机，各分中心站交换机利用已建光缆就近连接附近的监测站，组成以各分中心站为核心的光纤工业以太网络环网，将各监测站信息汇集到就近的分中心站进行存储和转发。同时，采用光纤IP网络为监测站增加视频监控预留了通道。

引黄工程联接段的汾河水库坝下洞出口左侧和7号洞出口2个测站，则利用已建的联接段光纤通信系统，直接接入太原中心站。

太原监测中心站作为网络中心，总三分中心兼作备用网络中心。

本工程各节点网络为工业以太网或交换式以太网，采用TCP/IP协议。网络服务模式采用B/S（Browser/Server）结构。系统采用RIP简单路由协议，信息传输采用查询-应答式工作体制。

在太原监测中心站设置通信网络系统的网管终端，以管理网络的运行和维护。配备专用网管软件，对整个网络进行集中管理，进行状态监控、故障诊断、数据分析等工作，有效和方便地对IP网络等信息系统进行全面的设备管理和功能管理。

为使网络具备计算机病毒的预防和控制能力，在网络关键部位设置防火墙、入侵防御系统和安装防病毒软件。网络设计图见图2。

图2安全监测自动化系统组织及网络设计图

5　系统供电方案

电源系统是安全监测自动化系统的重要组成部分，为了保证自动化系统的可靠运行，电源系统必须稳定、可靠，不能中断对自动化设备的供电。

引黄工程安全监测现场监测站分布在工程沿线，异常分散。监测站的形式分室内（泵站厂房内）、支洞内、检修通道内、洞口地下、山顶地下和地面等多种形式，而且大部分测站位于无人值守的山沟谷之间，远离市电电源，引接交流电非常困难。为此根据各站实际情况，本工程采取两种供电方案。

（1）对于可引接交流电源的的监测站，采用直流供电系统，各站配置相应容量的高频开关电源和蓄电池组，浮充供电。

（2）对于没有市电供电电源的监测站，采用太阳能电源系统为测站供电。

6　数据采集单元MCU配置

由于数据采集单元MCU多年在阴冷、潮湿等恶劣的环境下运行，目前多数存在问题，且原配置的MCU型号及协议不统一，自动化采集困难，因此本工程更换全部MCU。新更换的数据采集单元MCU采用模块化结构，由测量模块、不间断电源、防潮加热器和多功能分线部件等几部分组成，安装在一个密封保护机箱内。

（1）联接、集测传感器，具有自记和应答功能；

（2）具有掉电自保护功能；

（3）具有实时观测功能，可接入采集仪器，配制相应测量模块，可采集电容式、电阻式、压阻式、电感式、振弦式（国内外、单双线圈）、电位器式、RS485总线式等传感器。此外还可采集输出为电流、电压等带有变送器的传感器；

（4）具有简单数据处理、存储、输出、上传等功能；

（5）设有RS485接口；

（6）数据存储容量：100~300测次；

（7）测量方式：定时、间断、单检、巡检、选测或任设测点群；

（8）保护箱采用密封结构，能适合水电工程使用环境，具有很好的屏蔽、防尘和防潮能力，其保护程度在现场安装符合IP56以上标准，可辅助以加热方式防潮，所有接插件触点镀金。能适应温度-25~ ＋60℃和湿度≤95%RH环境条件。

7　系统主要作用与功能

自动化系统的主要功能是合理地分析工程沿线的安全状况，对自动化采集的数据进行安全评估与分析，为决策部门提供分析结果。通过分析管理软件实现监测数据管理、处理、图形分析、报表制作等功能，使所有的结果以直观的图表形式提供给有关人员作为分析决策参考。系统提供给有关人员的信息，除数据信息外，还包括相关分析结果与评估，包括变形情况、渗流情况、警界值等。

系统应采取模块化，资源化的开发方式，至少包括系统管理、监测信息管理、数据采集、综合查询、报表图形制作、Web输出等模块。利用软件复用与模块功能组合，在不同的管理级别机构实现各自的功能，同时各系统资源可随意创建与修改，实现在不同层次的管理机构、不同的应用功能与应用范围。

管理分析软件具有数据采集接口，可以直接将自动采集的数据读取，并存入数据库，并且可以录入人工监测资料、现场巡视检查资料及工程资料。支持将文字和数据按需要导出到Excel和Word中。用户可以方便地使用该功能进行二次开发和处理，通过开放的外部数据接口可以轻松地将第三方测量数据导入。并具有在线帮助、向导功能和错误诊断功能。系统具有可扩充性和兼容性，可以提供B/S和C/S两种不同访问方式。具有系统用户帐号管理，用户权

限分配，查询检索和定制输出功能。

8　结束语

本次工程安全监测自动化系统设计只包含了MCU及以上系统的设计，未涉及已建的MCU以下监测仪器。由于监测仪器已使用多年，建议下一步工程实施中，应对已有监测仪器进行全面检测，对损坏和不准的仪器进行维修和更换。只有保障数据采集的准确性，才能更好地发挥自动化监测系统的作用，为保障工程安全提供科学的数据分析和参考。

中图分类号：TV736

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）07-0076-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.022

收稿日期：2015-04-30

作者简介：辛贵升（1966-），男，高级工工程师，从事自动化工程设计工作。