米山水庫(kù)大壩滲壓自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與改造

萬(wàn)宏臣，朱永琪，宮淑華（.威海市文登區(qū)米山水庫(kù)管理局，山東 文登 6444；.威海市水利局，山東 威海 6400）

米山水庫(kù)大壩滲壓自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與改造

萬(wàn)宏臣1，朱永琪2，宮淑華1
（1.威海市文登區(qū)米山水庫(kù)管理局，山東 文登 264424；2.威海市水利局，山東 威海 264200）

【摘要】通過(guò)對(duì)米山水庫(kù)大壩原滲壓觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件、采集終端、傳輸線纜等方面的檢測(cè)分析，找出存在的問(wèn)題，提出更換滲壓計(jì)、數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備、數(shù)據(jù)采集及分析軟件等措施，使該水庫(kù)大壩滲壓觀測(cè)及分析成果滿足規(guī)范要求。

【關(guān)鍵詞】米山水庫(kù)；大壩觀測(cè)；自動(dòng)化系統(tǒng)；技術(shù)改造

米山水庫(kù)位于威海市文登區(qū)母豬河中游，水庫(kù)控制流域面積440km2，總庫(kù)容2.80億m3，死庫(kù)容0.07億m3，興利庫(kù)容1.38億m3，是一座以防洪、灌溉、城市及工業(yè)供水為主，兼顧水力發(fā)電和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合功能的大（2）型水庫(kù)。水庫(kù)樞紐工程主要由大壩、溢洪道、放水洞和水力發(fā)電站組成。

1965年在壩體埋設(shè)了測(cè)壓管觀測(cè)設(shè)備，1967年對(duì)大壩進(jìn)行保安全加高時(shí)測(cè)壓管觀測(cè)設(shè)備全部報(bào)廢，1980年在壩體又重新埋設(shè)了18根測(cè)壓管。2008年水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固工程后又重新埋設(shè)了測(cè)壓管，位置0+170、0+290、0+530、0+730、0+900共5排，其中0+290、0+530、0+730每排4根，0+170、0+900每排3根，分別設(shè)在上游壩肩、壩頂、下游馬道上和壩坡與貼坡排水體交界處。2012年安裝了一套大壩滲壓觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

1　　原系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分析

米山水庫(kù)大壩滲壓觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)有5個(gè)斷面，共18個(gè)測(cè)壓管。其中，0+170和0+900斷面各含3個(gè)測(cè)壓管，其余斷面各含4個(gè)測(cè)壓管。測(cè)壓管中滲壓計(jì)均為振弦式產(chǎn)品 （型號(hào)為BGK4500AL和BGK4500S）。每個(gè)斷面通過(guò)JXD-MCU數(shù)據(jù)測(cè)控終端控制箱將滲壓計(jì)的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，通過(guò)RS485總線將數(shù)據(jù)匯聚到0+170壩面，并在此通過(guò)多模光纖將數(shù)據(jù)傳送到中控室電腦，由中控室BGKlogger軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和管理。從2012— 2013年上半年的運(yùn)行情況看，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，設(shè)備還經(jīng)常遭受到雷擊損壞，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)差值達(dá)到30～50cm，誤差較大，無(wú)法滿足大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)要求。2014-11，米山水庫(kù)管理局聘請(qǐng)了工程技術(shù)人員，對(duì)大壩滲壓觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了全面檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在許多問(wèn)題。

由于檢測(cè)時(shí)中控室電腦已經(jīng)無(wú)法采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，判斷是通訊光纜出現(xiàn)故障，故將中控室的電腦搬到0+170斷面，現(xiàn)場(chǎng)取電，并把RS485總線直接與電腦連接，繞開(kāi)了光纜通訊線路，數(shù)據(jù)得以采集。電腦只采集到0+170和0+530兩個(gè)斷面的數(shù)據(jù)，且斷面0+170和斷面0+530的1號(hào)滲壓計(jì)讀數(shù)不穩(wěn)定。進(jìn)一步的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)0+290和0+900斷面的數(shù)據(jù)采集終端控制箱中的電源或數(shù)據(jù)接線存在問(wèn)題；0+730斷面的數(shù)據(jù)采集終端中電源電路部分存在元件損壞情況，無(wú)法給設(shè)備正常供電；0+170-2和0+170-3兩個(gè)測(cè)壓管中無(wú)水。這樣只測(cè)到0+530-2、0+530-3、0+530-4號(hào)測(cè)壓管中的水位數(shù)據(jù)，這幾個(gè)數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)差值在30～50cm之間，誤差較大。

2　　存在的問(wèn)題

2.1采集軟件存在的問(wèn)題

瀏覽電腦采集的原始數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)部分測(cè)壓管數(shù)據(jù)不全，數(shù)據(jù)時(shí)有時(shí)無(wú)，表明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不穩(wěn)定；采集軟件中振弦式滲壓計(jì)的初始參數(shù)設(shè)定值（0讀數(shù)）是該軟件計(jì)算測(cè)壓管內(nèi)水深的基準(zhǔn)參考，非常關(guān)鍵，但在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，部分滲壓計(jì)的初始參數(shù)設(shè)定值與合格證上的初始參數(shù)存在較大差異；采集軟件沒(méi)有數(shù)據(jù)分析與整編功能。

2.2線纜存在的問(wèn)題

1）低壓供電電纜?，F(xiàn)場(chǎng)給數(shù)據(jù)采集終端控制箱供電所用的部分低壓供電電纜，與投標(biāo)文件中的要求不符，線徑偏小，不滿足設(shè)計(jì)要求。

2）數(shù)據(jù)通信電纜。設(shè)計(jì)要求RS485數(shù)據(jù)通信電纜型號(hào)為jvvp-2×2×0.5，但是現(xiàn)場(chǎng)部分?jǐn)嗝嫠秒娎|非該型號(hào)，不滿足設(shè)計(jì)要求。

3）滲壓計(jì)電纜?，F(xiàn)場(chǎng)滲壓計(jì)電纜接頭部分浸在水中，所用熱縮管未使用含膠型熱縮管，打開(kāi)熱縮管后發(fā)現(xiàn)接頭處有進(jìn)水現(xiàn)象，表明接頭密封防水性能較差，有滲水或短路的隱患，并可能對(duì)滲壓計(jì)造成損壞。

4）布線施工。部分低壓供電電纜和通信電纜相隔太近，缺乏屏蔽隔離措施，也未接地，且沒(méi)有按照設(shè)計(jì)要求采取防雷措施。

2.3數(shù)據(jù)采集終端

斷面0+170和斷面0+530的1號(hào)滲壓計(jì)用手持讀數(shù)儀能夠穩(wěn)定讀數(shù)，但BGKlogger軟件采集時(shí)，讀數(shù)不穩(wěn)定，說(shuō)明這兩個(gè)斷面的數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步確認(rèn)；數(shù)據(jù)采集終端控制箱密封不嚴(yán)，防潮措施不可靠，部分元器件已經(jīng)受潮發(fā)霉；該系統(tǒng)未按照投標(biāo)文件要求安裝電源電纜、信號(hào)電纜避雷設(shè)備。

3　　問(wèn)題分析

3.1測(cè)值誤差分析

滲壓計(jì)的測(cè)量精度為其量程的0.1%，按現(xiàn)場(chǎng)使用滲壓計(jì)的最大量程35m計(jì)算，其測(cè)量總誤差范圍是±35mm；人工測(cè)量水位所用儀器也存在一定誤差，誤差范圍為±0.5～2mm。在不考慮人為因素造成測(cè)量誤差的情況下，累計(jì)誤差范圍可控制在±40mm內(nèi)，經(jīng)過(guò)修正后誤差還會(huì)更小。但是本次以及早期的人工測(cè)量值與電腦內(nèi)存儲(chǔ)的自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)值之間差值較大，在30～50cm之間。經(jīng)分析可能由下列因素引起。

1）滲壓計(jì)的初始參數(shù)值設(shè)置錯(cuò)誤。例如滲壓計(jì)初始模數(shù)值每相差100F，則最終得到的水位差值最多可達(dá)100cm左右。在本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，部分滲壓計(jì)的實(shí)際初始參數(shù)設(shè)定值與合格證上的初始參數(shù)存在較大差異，說(shuō)明安裝調(diào)試時(shí)，滲壓計(jì)的初始參數(shù)值設(shè)置有誤。

2）人工測(cè)量采用的是測(cè)繩，精度不夠。人工測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有嚴(yán)格按照規(guī)范要求，每次要平行測(cè)讀2次，讀數(shù)誤差較大。

3）滲壓計(jì)電纜施工不符合要求。部分接頭密封防水性能較差，傳感器進(jìn)水后也會(huì)導(dǎo)致滲壓計(jì)測(cè)量出現(xiàn)誤差，甚至毀壞。

3.2設(shè)備故障分析

1）光纜故障。根據(jù)光纜故障檢測(cè)儀分析，從大壩現(xiàn)場(chǎng)到中控室的通信光纜存在斷點(diǎn)故障，挖開(kāi)故障斷點(diǎn)檢查發(fā)現(xiàn)，該處光纜有折痕，分析可能是不規(guī)范施工造成的。

2）采集終端元件損壞。0+730斷面數(shù)據(jù)采集終端中的元件損壞，造成數(shù)據(jù)采集終端運(yùn)行不正常，經(jīng)分析，可能與未安裝防雷設(shè)備而遭受雷擊有關(guān)。

3）供電故障。0+290和0+900斷面的數(shù)據(jù)采集終端控制箱中的電源不正常，采集的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，可能由于未按照設(shè)計(jì)要求選用供電電纜，造成供電不穩(wěn)定。

4　　技術(shù)改造措施

米山水庫(kù)管理局為解決上述問(wèn)題，確定在原自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)施技術(shù)改造。保留線管、部分電源和通信電纜、中控室電腦和光端設(shè)備，并對(duì)通信光纜斷點(diǎn)進(jìn)行維修。更換滲壓計(jì)、數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備、數(shù)據(jù)采集及分析軟件以及不符合要求的線纜，增加電源及信號(hào)電纜防雷設(shè)施，并采用動(dòng)態(tài)電源控制方案，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電源進(jìn)行管理，增加庫(kù)水位自動(dòng)和人工輸入功能。

4.1數(shù)據(jù)采集傳輸

滲壓計(jì)采用帶485信號(hào)輸出功能的某款智能液位變送器，滲壓計(jì)電纜為空心通氣電纜，在測(cè)壓管管口將空心通氣電纜通過(guò)具有防雷、密封、防潮功能的轉(zhuǎn)接盒與壩上通信電纜連接，然后將各測(cè)壓管的通信線纜匯集到本斷面的終端采集箱。全部5個(gè)斷面的終端采集箱用485通信電纜連接至0+170斷面，再通過(guò)光端機(jī)、光纜、485-232轉(zhuǎn)換器等與中控室電腦連接。電腦通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析軟件，完成測(cè)壓管數(shù)據(jù)的采集、分析、電源控制與報(bào)表輸出等功能。

4.2動(dòng)態(tài)電源控制

大壩滲壓觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)每次采集數(shù)據(jù)所需供電時(shí)間較短，如果現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備始終處于供電狀態(tài)，不僅會(huì)縮短傳感器使用壽命，而且遭雷電干擾損壞的可能性也顯著提高。因此，本次技術(shù)改造方案中，采用動(dòng)態(tài)電源控制方式，對(duì)設(shè)備實(shí)施按需供電，即在采集數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)接通電源，電源穩(wěn)定運(yùn)行1～3min后，再采集傳輸數(shù)據(jù)，不采集數(shù)據(jù)時(shí)斷開(kāi)電源，可大幅度延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

4.3防雷措施

為保障米山水庫(kù)大壩滲壓觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行,本次系統(tǒng)改造時(shí)重點(diǎn)加強(qiáng)了防雷保護(hù)措施。所有電纜金屬線管和屏蔽層以及測(cè)壓管壁都做等電位連接，組成接地網(wǎng)；所有電源電纜的進(jìn)出線都安裝電源避雷裝置；所有信號(hào)電纜的進(jìn)出線都安裝信號(hào)避雷裝置；對(duì)中控室設(shè)備接地和室外接地體重新進(jìn)行了檢查和埋設(shè)；對(duì)從配電室出線到中控室進(jìn)線的低壓供電線路都安裝了電源避雷器。

4.4數(shù)據(jù)采集軟件

本次技術(shù)改造采用的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)軟件，能夠?qū)λ畮?kù)大壩傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集、傳輸、存儲(chǔ)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)大壩的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)，主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)錄入、綜合查詢、綜合報(bào)表、圖形圖像、最大值分析查詢、數(shù)據(jù)維護(hù)、綜合設(shè)置等功能模塊。

5　結(jié)語(yǔ)

米山水庫(kù)大壩滲壓自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)改造工程于2013-12-22完成安裝調(diào)試并投入試運(yùn)行。經(jīng)過(guò)近一年的試運(yùn)行表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集到的數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)誤差在2cm內(nèi)，達(dá)到了大壩安全監(jiān)測(cè)規(guī)范要求。2014-10，米山水庫(kù)國(guó)家級(jí)水利工程管理單位績(jī)效考核驗(yàn)收時(shí)，一致認(rèn)為該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、功能齊全，滲壓觀測(cè)及分析成果滿足規(guī)范要求，整體提升了水庫(kù)工程管理的現(xiàn)代化水平。

（責(zé)任編輯鄭繼勝）

【中圖分類(lèi)號(hào)】TV698.1

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1009-6159（2015）-04-0030-03

收稿日期：2015-02-22

作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)宏臣（1976—），男，工程師