浅谈自动化观测系统在孟家沟水库的应用

张春波，赵文卿

（1.山东临沂水利工程总公司，山东 临沂 276006；2.山东省科源工程建设监理中心，山东 济南 250014）

孟家沟水库位于胶河干流王丰屯至李家营公路桥河段两个天然弯道处，枢纽工程主要由围坝、泄洪闸、左右岸出库涵闸、灌溉引水管等组成，附属建筑物由排涝沟、祝家庄河改道、湖心岛等组成。水库总库容2 406万m3、兴利库容1 730万m3、死库容102万m3，为具有灌溉、供水、防洪、生态等综合功能的中型水库。孟家沟水库的建设，充分拦蓄了胶河雨洪资源，可灌溉农田3 466.67 hm2，年灌溉供水量为890.4万m3，每年为农村生活供水182.1万m3，每年生态补水量131.0万m3，水库年均供水能力1 203.5万m3。

1 自动化系统的主要内容

1.1 自动化系统的内容

水库调度自动化系统是集自动采集水文气象、工情、机组、闸门信息、电网信息（包括调度指令）、数据存储、数据管理、水务计算、报表制作、日常管理、决策分析（高级应用）等功能于一体的信息系统工程。其中水调自动化系统平台功能包括除决策分析（高级应用）以外的功能。采集流域水情自动测报雨量站实时雨量信息、水位站实时水位信息。

采集机组监控系统数据：包括各个机组实时有功、无功、状态。闸门监控系统数据：各个闸门实时开度。

1.2 自动化系统的布置

孟家沟水库自动化观测系统，分为监测中心（中控室）和现场网络监测两大部分。下面分别进行说明。

1.2.1 中控室

中控室设置在孟家沟水库管理局办公楼一楼西侧。它是水库监测监控自动化系统工程的重要基础设施之一。既是自动化监测监控信息的公共传输平台，又是自动化监测监控业务系统的运行环境。此外，还担负着与外界交换信息的任务。中控室主要由计算机网络及通信系统构成。

在中控室可观测到整个孟家沟水库库区及泄洪闸的整体运行状态，中控室内设置电视墙48吋大屏8块，同步显示孟家沟水库库区监控摄像头显示画面，设置研华工控机（I5-2400，4G，1T）4台，装有溢洪闸监控应用系统软件组态软件、左右出库涵闸监控应用系统软件组态软件、大坝测压应用软件组态软件，同步显示泄洪闸（两台）、左右岸出库涵闸、围坝整体运行状态。大坝安全监测系统、水情自动测报系统、闸门自动控制系统及实时视频监视系统采用各自的通信方式，将监测监控信息传输到计算机网络中，并建立统一的信息数据库，实现监测信息的共享。

设置控制主机电脑（I5，4G，1T）一台，控制整个孟家沟水库管理范围内的摄像头监控数据。

1.2.2 现场网络监控

现场网络监控，涵盖孟家沟水库库区、围坝、泄洪闸、闸后管护道路、管理局自动化监测系统五部分内容。

1）围坝自动化监测系统。孟家沟水库大坝变形观测标示点布设在19个大坝横断面处，每个断面分别布设2～3个标示点，这三处标示点分别位于上游截渗墙处、坝顶坝轴线处、和下游坝趾处，共在围坝上建设55个标示点。

孟家沟水库大坝渗压自动化监测系统共安装28个压力式坝基渗压计，28个压力式坝体渗压计，安装在围坝10个断面处，每个断面分别布设2套坝基渗压计，2套坝体渗压计。每个断面的渗压计分别位于上游截渗墙处、坝顶坝轴线处、和下游坝趾处，共56个测压管内。

大坝渗压自动化监测系统，在围坝10个断面处，各设置1套断面集线箱，放置在坝顶渗压系统集线井内，该断面4套渗压计，通过渗压计专用电缆汇集在该集线井内，通过网络交换机，经光缆将渗压计数据传输至水库管理局。

大坝渗压自动化监测系统通讯光缆采用24芯单模铠装光缆，光缆每2芯为一对，共分12对。光缆沿坝顶下游侧绿化带埋设。

围坝安装10部高清网络球型摄像机，监控杆安装在坝顶道路绿化带侧，监控球机吊装，可水平360°旋转，垂直270°旋转；实际监控有效半径600 m。风光互补供电。

考虑到供电成本，以及供电时间较短，大坝渗压自动化监测系统供电采用市电集中控制，电缆采用YJV-2×6+1×4，穿电缆保护管沿围坝坝轴线埋设。做好电源避雷保护。

2）泄洪闸自动化监测系统。泄洪闸自动化观测系统包括超声波水位数字显示仪2台，闸门开度荷重显示仪10台、闸门开度传感器含闸门上下限位传感器10台，闸门荷重传感器20台，电涌保护器10台，可编程控制器PLC11台，液晶触摸屏7寸10台，液晶触摸屏10.7寸1台，底孔测流绕流MCU2套，水位传感器2套，光电转换器2套。通讯光缆采用24芯单模铠装光缆，光缆每2芯为一对，共分十二对，组成通讯环网。将数据同步至管理局中控室。

在泄洪闸底部，布置有VWS型振弦式应变计10套，VWS型振弦式应变计适用于长期埋设在水工结构物或其它混凝土结构物内，测量结构物内部的应变量，并可同步测量埋设点的温度。

布置有VWD-J型振弦式测缝计20套，VWD-J型振弦式测缝计适用于长期布设在混凝土结构物或其它材料结构物内及表面，测量结构物伸缩缝或周边缝的开合度(变形)，并可同步测量埋设点的温度。

泄洪闸共安装监控摄像头17部，用于观测泄洪闸闸前、闸后、各个闸门的运行实时状态、泄洪闸控制室、机房内部的具体工作状态实时监控，反馈至管理局中控室。

3）左右岸出库涵闸自动化监测系统。左右岸出库涵闸自动化监测系统，布置有WFX-40ZWFX-40Z浮子式水位计2套，以浮子感测水位变化，工作状态下，浮子、平衡锤与悬索连接牢固，悬索悬挂在水位轮的“V”形槽中。平衡锤起拉紧悬索和平衡作用，调整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃水线上。在水位不变的情况下，浮子与平衡锤两边的力是平衡的。当水位上升时，浮子产生向上浮力，使平衡锤拉动悬索带动水位轮作顺时针方向旋转，水位编码器的显示读数增加；水位下降时，则浮子下沉，并拉动悬索带动水位轮逆时针方向旋转，水位编码器的显示器读数减小。本仪器的水位轮测量圆周长为32 cm，且水位轮与编码器为同轴联接，水位轮每转一圈，编码器也转一圈，输出对应的32组数字编码。当水位上升或下降，编码器的轴就旋转一定的角度，编码器同步输出一组对应的数字编码。不同量程的仪器使用不同长度的悬索能够输出1 024～4 096组不同的编码，可以用于测量10～40 m水位变幅。

通过与仪器插座相联接的多芯电缆线可将编码信号传输给中控室内的工控机，用作观测、记录或进行数据处理；安装有RS485数字通信接口（或4～20 mA）的水位计，直接与通信机、计算机或仪表相联接，组成为水文自动测报系统。

共安装监控摄像头4部，用于左右岸出库涵闸机房内外部的具体工作状态实时监控，反馈至管理局中控室。

2 运行操作

2.1 数据采集模块（CCU）控制运行操作

1）每周一次自动化监测系统巡测，可采取中央控制方式，也可采用自动控制方式运行。

2）在汛期高水位，低温高水位，以及某些部位出现异常等情况下，可根据有关领导决定加密测次并采取自动控制方式运行。

3）正常情况下，数据采集模块处于工作状态，显示器可以关掉运行。

4）数据采集模块控制测量步骤：

（1）数据采集模块向各远程终端采集单元提供的系统工作电源（220VAC50Hz）和系统加热电源（220VAC50Hz）应可靠工作。

（2）MCU的RS-422通讯总线接入数据采集模块（CCU）的RS-485通讯卡的1口。

（3）数据采集模块在Windows 10环境下运行。

（4）首先数据采集模块进行系统自检，自检完毕后查阅自检结果。若系统正常，进行正常自动化测量。若系统不正常，根据系统维护规程进行维修，若维修不了即和厂方联系。

（5）读取各远程终端采集单元自报数据入库。

（6）进行系统巡测。

（7）对本次系统巡测的所有数据进行浏览，检查数据采集情况和数据可靠性。

2.2 中控室主机远程数据采集模块运行操作

1）远程终端采集单元的RS-422通讯总线接入CCU的RS-485通讯卡的1口。

2）数据采集模块的RS-422通讯总线一端接入数据采集模块的RS-485通讯卡的2口，另一端接入主机的RS-485通讯卡的1口。

3）在主机上即可进行远控自动化数据采集。

4）测量完毕后，逐级退出系统，再关机。

2.3 主机直接远程控制各MCU测量的操作

1）数据采集模块的RS-422通讯总线一端通过总线驱动器接入MCU的RS-422通讯总线的另一端，另一端接入主机的RS-485通讯卡的1口。

2）数据采集模块向各远程终端采集单元提供正常的系统工作电源（220VAC50HZ）和系统加热电源（220VAC50HZ）。

3）主机在Windows 10环境下运行系统软件。

4）进行远控自动化数据采集。

5）测量完毕后，逐级退出系统，再关机。

3 功能特点

1）可实时远程监测水库的各测试参数，可根据需要设定采集频率、测点数据，对原始数据可进行各种计算。

2）数据能够以各种数据库形式保存并可进行历史数据的查询，还可以对数据分类、统计直接生成Excel或其他形式的报表。

3）数据可以以图形方式显示，包括水位流量关系，水位过程线，雨量柱状图，渗压、渗流过程线，时间历程曲线图，X/Y坐标图，模拟图，直方图，柱状图等形式。

4）具有数据越限报警功能，水位超汛限水位报警和水位涨落率越限报警，现场即时上传报警信息时，主机会出现明显的报警画面和报警信息。

5）自动化采集雨量、水位等水情信息，渗压、渗流等大坝监测信息，实现水库大坝浸润线的自动监测。

6）采用标准化、开放式设计，标准的MODBUS通讯协议，可以接入通用的工控组态软件或专用的安全监测软件，采用近距离无线网或GPRS/CDMA通讯，降低了安全监测系统的实施难度。

7）分布式系统结构，具有高度的可靠性及经济性，各数据采集单元分布在传感器安装地点附近，系统可靠性及稳定性大幅提高，同时可大幅减少信号电缆的用量，系统的经济性大大提高，工程的实施及维护更加方便。

4 结语

随着国家实施大数据战略加快数字中国建设，水利工程管理也向智慧水利转变，实现水利信息感知、采集、传输、汇总、分析、预警及应用的网络化、自动化、智能化和可视化，实时实现水利信息共享，提升水利工程运用和管理的效率和效能，实现精准管理、科学管理，以创新管理增加效益。