第七章 安全监测自动化

第七章 安全监测自动化

第一节 安全监测自动化的发展

安全监测自动化是集工程建筑、传感器、测试仪表、微电子、计算机、自动化和通讯技术为一体的系统工程。随着现代科技的进步，特别是计算机和微电子技术的巨大进展，各国均着力发展遥测仪器，并逐步推广监测的自动化。我国开展大坝安全监测自动化的研究始于二十世纪七十年代末，首先实施的是内部观测的自动化，先后于1980年和1983年在龚咀和葛洲坝安装了大坝内部观测仪器自动采集装置，而其数据处理和安全管理功能则很弱。到1990年电力自动化研究院（原南京自动化研究所）根据国家“七五”科技攻关的要求，研制成功第一套全自动化的大坝安全监测系统，并在水电工程中进行了推广应用。通过工程实践的不断改进和完善，可以说大坝安全监测自动化技术在我国己渐趋成熟。由于大坝安全监测的对象包括各种类型的地面和地下结构物，如各种形式的溢流闸坝、非溢流坝、电站地面和地下厂房、船闸、输水道（沟渠、桥涵、隧洞、引水钢管等）以及库岸和边坡，因此大坝安全监测的成熟技术很容易拓展到引水、交通、堤坝、码头、土木工程等其它工程领域。近几年在大连引碧工程、山西引黄入晋工程、广东东江─深圳供水工程、浙江白溪引水工程、引额工程等引水、供水工程，上海、北京、深圳地铁安全监测工程，广州丫髻沙大桥安全监测工程等的应用表明，大坝及工程安全自动化监测应用的深度和广度正在不断扩大，前景是广阔的。

如前所述，大坝安全监测自动化包括数据采集自动化和资料整理分析、安全管理自动化。实现采集自动化仅是监测自动化工作的一部分，而数据管理和分析的自动化是大坝监测自动化系统中不可缺少的、重要的组成部分。一套完整的自动化监测系统应满足以下技术要求：

所选用的各类传感器及测量设备在恶劣使用环境下应具有良好的可靠性和长期稳定性；

自动化数据采集系统应有良好的通用性和兼容性；系统软件应具有对实测数据进行处理分析的功能；

依据建立的各种模型，系统应具备测值预报和安全性评估的功能。

第二节 自动化监测的项目内容

自动化监测主要包括以下项目内容：

建筑物应力应变及温度自动化监测。内观仪器主要有差动电阻式和振弦式两个系列，包括应力计、应变计、测缝计、钢筋计、渗压计、温度计等；

建筑物外部变形监测，包括水平位移和垂直位移两部分。水平位移主要采用各种原理的垂线坐标仪和引张线仪进行遥测，常用的有电容感应式、步进电机式、光电耦合（CCD）式、激光准直式。垂直位移自动化遥测仪器主要有激光准直及各种原理的静力水准仪。在地基及边坡测量中，则多用多点变位计及钻孔倾斜仪等；

扬压力和渗漏量监测。扬压力监测传感器类型比较多，主要有钢弦式、差动电阻式、陶瓷电容式、电感式、压阻式，等。监测渗漏量的主要仪器仍是各种类型的量水堰水位遥测仪；

环境量监测，包括水位、气温、水温、降雨，所用的传感器的类型也比较多。

第三节 自动化系统结构模式

自动化系统按采集方式分为集中式、分布式、混合式三种结构模式。

一、集中式自动化监测系统

集中式自动化监测系统是将现场数据采集自动化、数据运算处理自动化、资料异地传输均集中在专门设置的终端监控室内进行。布设在现场的传感器经集线箱或切换装置与监控室内的采集装置相连，通过集线箱切换对传感器进行巡测或选测。集线箱到采集装置之间是模拟量传输，抗干扰能力差，可靠性低。因此，集中式适用于仪器种类少、数量不多、布置相对集中和传输距离不远的中小型工程中。二、分布式自动化监测系统

分布式自动化监测系统是一种分散采集、集中管理的结构，是将称为MCU的测量控制单元分布在传感器附近，而MCU具有模拟量测量、A/D转换、数据自动存储、与上位机进行数据通讯等功能。每个测量控制单元可看作一个子系统，各个子系统采用集中控制，所有监测数据经总线输入上位计算机集中管理。

分布式系统的优点是：测控单元靠近传感器，缩短了模拟量传输的距离，而由测控单元上传的都是数字量，传输距离大大提高，即使一个子系统发生故障也不会影响整个系统运行，适合于工程规模大、测点数量多、测点布置分散的工程项目。

三、混合式自动化监测系统

混合式是介于集中式和分布式之间的一种结构形式。

第四节 自动化监测系统介绍

目前国内外已投入运行的自动化监测系统很多，下面以智能分布式数据采集系统为例，简要介绍自动化监测系统。

智能型分布式数据采集系统是在Windows工作平台上开发的新一代工程安全监测系统。由于采用了微电子测量技术和通信技术的最新成果，并通过在结构上的模块化技术和虚拟仪器技术的结合，该系统具有功能更强，测量精度更高，系统组态更灵活，运行更可靠的特点。系统具有通用性，可应用于大坝及其它水工建筑物，包括高边坡、供水工程、建筑工程和交通工程的安全监测，适用于从中小型到大型、特大型自动化监测系统。

一 自动化监测系统的设计

1、自动化监测系统的组成

由于工程监测自动化系统具有规模大、测点多、常年处于潮湿、高低温、强电磁场干扰环境下连续不间断工作的特点，对监测系统提出了功能强、可靠性高、抗干扰能力强、数据测量稳定的要求。集中式测量系统难以满足以上要求，因此，本文介绍的自动化监测系统采用分布式，系统的基本组成如图7-4-1所示。

自动化监测系统由上位计算机及数据采集单元（DAU）组成。上位计算机可为一台通用微机或工控机或服务器；各个数据采集单元置于测量现场，数据采集单元自身具有自动数据采集、处理、存贮及通信等功能，可于系统运行，是自动化监测系统中的关键部分，在本文的以下部分中将对其功能及设计进行详述。上位计算机与数据采集单元之间通过现场总线网络进行通信，用于命令和数据的传输，通信可采用普通双绞线、电话线、光纤、无线等多种形式。图7-4-1表示自动化监测系统的最基本形式，可以用多个这种基本系统组成大型或特大型分布式系统，各上位计算机之间通过通信方式相联系，可以用另一台上位计算机统一管理。分布式系统具有以下特点：

（1）可靠性高：数据采集单元化，其结构相对简单，而且各DAU相互互不影响，某一单元出故障不会影响全局。系统故障的危险降低，可靠性提高；

（2）实时性强：各数据采集单元并行工作，整个系统的工作速度大为提高，整个系统中各个数据测量时间的一致性好；

（3）测量精度高：各数据采集单元均在传感器现场，模拟信号传输距离短，测量精度得到提高；

（4）可扩充性好，配置灵活：用户可根据需要增加或减少数据采集单元以增减测量的内容；

（5）维护方便：由于数据采集单元采用了模块化设计，如某一单元出故障，只要更换备用模块即可；

（6）电缆减少：各数据采集单元均在现场，距离传感器很近，各DAU之间通过通信总线相连接，因此，整个系统的电缆大为减少。

由于分布式数据采集系统具有这些特点，再在设计中结合模块化技术和虚拟仪器技术，即在硬件结构上把整个测量单元的电路设计在一个模块内，取消了所有的开关、旋钮、显示等环节而其功能由计算机软件来实现。因此，系统的功能及可靠性进一步加强。

图7-4-1 自动化监测系统的基本组成

2、自动化监测系统的总体功能

通过系统的硬件及软件配置，自动化监测系统可实现以下的功能。

（1）数据采集功能

各台DAU均具备常规巡测、定时巡测、选点巡测、选点单测等数据采集功能，采集的数据或存贮于DAU中，或传输至上位计算机。

（2）显示功能

显示被监测建筑物对象及监测系统的总貌、各监测子系统概貌、监测布置图、过程曲线、

报警等窗口。

（3）操纵功能

在上位计算机上可实现监视操作、显示打印、在线实时测量、曲线作图、数据报表、修改系统配置及离线分析等操作。

（4）数据通信功能

数据通信包括现场级和管理级的通信，现场级通信为数据采集单元（DAU）之间及DAU与监测管理中心上位计算机之间的双向数据通信；管理级通信为监测管理中心内部及其与上级主管部门计算机之间的双向数据通信。

（5）自检功能

系统具有自检功能，通过运行自检程序，可对整个系统或某台DAU进行自检，最大限度地诊断出故障的部位及类型，为及时维修提供方便。

（6）现场操作功能

在现场的每台DAU都备有与便携式操作仪或便携式微机的接口，能够实现现场仪器的标定、调试及数据采集等功能。

（7）防雷击、抗干扰功能

在系统中的电源系统、通信线接口、传感器引线接口的设计中的均采取了各种抗雷击措施，各单元采取隔离等措施及抗电磁干扰设计，使系统具备很强的防雷击、抗干扰能力。

（8）自动化监测系统的测量精度满足《混凝土工程安全监测技术规范》（SDJ336-）中的各项要求。

二 数据采集单元（DAU）的设计

数据采集单元(DAU)是分布式系统的重要组成部分，其性能是影响整个系统性能的关键。图7-4-2为数据采集单元(DAU)的外观图，图7-4-3为数据采集单元(DAU)的组成框图。

图7-4-2 DAU 2000采集单元机箱外观图

数据采集单元(DAU)由NDA智能模块、NDA专用不间断电源、防潮加热器和多功能分线排等几部分组成，安装在一个密封保护箱内。一个DAU内部可根据不同的监测对象配置不同类型及数量的NDA智能模块；NDA专用不间断电源为NDA模块提供电源，内含免维护蓄电池和充电器，正常情况下，由市电或太阳能通过充电器给蓄电池充电，发生停电事件时，蓄电池可维持NDA模块工作，保证测量数据的连续性；多功能分线排用于将电源线和通信线合理地分接给DAU内的各个部分，分线排内含有保险丝和开关，为安装、调试及维护提供方便。防潮加热器用于在潮湿环境下保证DAU内部的相对干燥。NDA内各部分互相，安装、维修十分方便。1、数据采集单元(DAU)的组成

NDA专用 不间断电源 安装保护箱 防潮 加热器 NDA系列 智能模块 多功能 分线排 通信线 电源线 传感器引线

图7-4-3 数据采集单元(DAU)的组成框图

2、NDA系列模块的设计

NDA系列模块是数据采集单元(DAU)的关键部分。智能模块通常由微控制器电路、实时时钟电路、通信接口电路、数据存储器、传感器信号调理电路、传感器激励信号发生电路、防雷击电路及电源管理电路组成，其组成框图如图7-4-4所示。

´传感器1´传感器2 . . .´传感器n多路开关信号调理通信接口实时时钟AD转换器微控制器存储器抗雷击 电路多路开关激励信号电源管理

图7-4-4 数据采集智能模块组成框图

模块以微控制器为核心，扩展日历实时时钟电路。定时测量时间、测量周期均由时钟电路产生。时钟电路自带电池，保证模块掉电后时钟仍然走时正确。用于工程参数监测的传感器一般为无源传感器，通常需要施加具有一定能量的直流或交流激励信号。因此，不同模块根据不同类型的传感器产生恒电压源、恒电流源、正弦波或脉冲信号作为传感器的激励信号。信号调理电路将传感器的信号经过放大、滤波、检波等处理后转换为适合于模数转换器输入的标准电压信号，模数转换器再将此信号转换成数字量输入微控制器进行处理。另外，一个模块含有多个通道可接入多个传感器，模块内通过多路开关来选择不同通道进行测量。

由于每个模块都带有微控制器（单片机或DSP处理器），因此可以方便地实现故障自诊断。自诊断内容包括对数据存储器、程序存储器、处理器、实时时钟电路、供电状况、电池电压、测量电路以及某些传感器线路的状态进行自检查。

另外，由于工程安全监测系统要求能够抗雷击、停电不间断工作，因此在NDA智能模块中包括电源线、通信线、传感器接线的所有外接引线入口都采取了抗雷击措施，并且设计了专用的电源管理电路。

3、NDA系列模块的主要功能特点

NDA系列智能模块具有以下功能和特点：（1）实时时钟管理功能

模块自带实时时钟，可实现定时测量，自动存贮，起始测量时间及定时测量周期可由用户设置；

（2）参数及数据掉电保护

所有设置参数及自动定时测量数据都存贮于专用的存贮器内，可实现掉电后的可靠保存；

（3）串行通信接口

命令和数据均通过串行口通信，可方便地实现通过各种通信介质与上位主机联络；

（4）电源备用系统

无论何时发生停电，模块自动切换至备用电池供电，可充电的免维护蓄电池可供模块连续工作较长时间。因此，电路采用低功耗设计技术；

（5）自诊断功能

模块具有自诊断功能，可对数据存贮器、程序存贮器、处理器、实时时钟电路、供电状况、电池电压、测量电路以及传感器线路状态进行自检查，实现故障自诊断；

（6）抗雷击

模块电源系统、通信线接口、传感器引线接口等均采取了抗雷击的措施；

（7）高可靠性、强抗干扰、免维护

由于采用了全封闭模块化结构，可靠性、抗干扰能力大为提高。如果模块失效，只需更换模块，用户免于维护。

另外模块具备对传感器测点的选择设置、选择单个测点连续多次测量、定时测量周期查询、定时测量的测量次数、测量时间和测量数据的查询及清除等基本功能。

三 NDA系列模块的种类及其主要技术指标

分布式系统中的NDA系列模块除了含有上述的主要功能特点外，根据所测量的传感器信号的不同可分为以下几种类型。

1、电阻式模块

用于测量差动电阻式（卡尔逊式）传感器或电阻式温度计信号。其主要技术指标为：

通道容量：16

精 度：电阻比：0.0002 电阻和：0.02Ω

分辨力：电阻比：0.0001 电阻和：0.01Ω2、电感式模块

用于测量差动电感式仪器信号。其主要技术指标为：

通道容量：8

精 度：0.05%FS分 辨 率：0.01%FS3、电容式模块

用于测量差动电容式仪器信号，其主要技术指标为：通道容量：8

精 度：0.1%FS

分 辨 率：0.01%FS4、振弦式模块

用于测量振弦式仪器信号。其主要技术指标为：通道容量：8/16

时基精度：0.01%

分 辨 率：0.001us测温精度： 0.5℃测温分辨力：0.1℃

5、振弦式无线测量模块

供电方式：4节普通5号碱性干电池

工作功耗：守候电流：＜0.1mA，工作电流＜400mA工作时间：>1年

无线通信技术：ZigBee技术无线通信距离：>500米

传感器通道数：频率6个，温度1个

测量范围：频率400Hz～6000Hz，温度-20℃～80℃分辨率： 频率0.1Hz，温度0.1℃6、电压电流信号模块

用于测量变送器输出的电压电流信号。其主要技术指标为：通道容量：16

精 度：0.1%FS

分 辨 率：0.01%FS

7、二线制变送器信号模块

用于测量与传感器配套的二线制变送器输出的电流信号。8、电位器式模块

用于测量各种电位器式传感器信号。其主要技术指标为：通道容量：12

精 度：0.05%FS分 辨 率：0.01%FS

四 系统的通信方式

通信是分布式系统的重要环节。数据采集单元DAU与上位计算机之间，要求建立一个一点对多点或多点总线式的双向数字通信系统。在DAMS-IV型系统中，设计了多种通信方式，可以根据现场环境和用户要求来选择有线、无线、光纤通信等多种介质的方式，这几种通信方式均可通过基于RS485或CANbus现场总线来实现。DAU具备与以上几种通信方式的直接接口能力。下面以最常用的RS485方式为例介绍系统的通信方式。

1、有线通信方式

有线通信方式是系统最常用的方式，通常采用双绞屏蔽电缆作为通信介质，按RS485通信接口方法构成二线平衡式半双工通信系统；这种通信系统，配置经济方便，工作可靠，不加中继在9600bps的通信速率下的有效通信距离为1.2km，降低通信速率可加长有效通信距离；可同时接32个NDA模块，加中继器可同时延长有效通信距离及增加接入的NDA模块数量。在图7-4-5中的NDA3200为RS485中继器，NDA3100为RS232/485转换器，用于将RS485通信总线转换后和计算机的RS232串行口相连接。

计算机NDA3100NDA3200NDA3200 RS485．．．．．． RS485NDA3200

DAU11DAU1mDAU21．．．．．．DAU2m

图7-4-5 有线通信方式

2、光纤通信方式

光纤通信属于有线通信的范畴，只是通信介质为光导纤维，通信媒体为激光。如图7-4-6所示，系统通过配有RS485接口的光端机NDA3400可方便地进行光纤通信。NDA3400光端机使用LD或LED光发射器及PIN光接收器作为光电转换器件，选用短波长，多模光缆，有效通信距离大于5km，通信速率可达1Mbit/s。

RS485NDA3100RS232计算机 光缆NDA3400NDA3400 RS485DAU1．．．．．．DAUm

图7-4-6 光纤通信方式

在光纤通信方式中，由于通信各方在电气上处于完全隔离和绝缘状态，因此，具有较强的抗电磁干扰和雷电袭击能力。在特殊环境下采用光纤通信方式可有效地排除上述干扰。

3、无线通信方式

在监测中心距测量现场的DAU较远以及在雷电活动频繁的地区时，可采用无线通信方式。在系统中，可配置NDA3300无线通信模块进行点对点或一点对多点的无线通信，如图7-4-7所示。NDA3300模块为配有RS485接口的无线收发电台，使用的通信频率属甚高频（VHF）范围，如可用国家无委会批准分配给防讯遥测专用的频率230MHz，发信功率为10W（40dBm），开阔地区有效通信距离可达数十公里。另外，NDA3300可设置为低功耗节电工作模式，适用于无市电而采用太阳能电提供能源的应用场合。

RS485NDA3100RS232NDA3300NDA3300 RS485DAU1计算机．．．．．．DAUm

图7-4-7无线通信方式

4、公用电话网通信方式

RS232MODEM电话线 公用 电话网电话线MODEMNDA3100RS232计算机图7-4-8 公用电话网通信方式

RS485．．．．．．

DAU1DAUm

如图7-4-8所示，在系统中配置具有自动摘机功能的MODEM通过电话终端接入公用电话网可进行远距离通信，实现远程直接操作。