硕士学位论文大坝安全监测自动化测控装置的研制

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1、分类号 密级 UDC 编号 10486 武 汉 大 学硕 士 学 位 论 文大坝安全监测自动化测控装置的研制研究生姓名：指导教师姓名、职称：学科专业名称：电力系统及其自动化研究方向：电力系统在线监测The Research and Development of New Automation Measurement and Control Equipment for Dam Safety MonitoringLI Hongling武汉大学电气工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的申请硕士学位的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文

2、不包括任何其他人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密 ，在 年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日

3、期： 年 月 日摘要大坝失事将造成不可挽回的损失，直接危及大坝下游人民生命财产的安全，因此，确保大坝安全运行十分重要。大坝安全自动化监测系统是监测大坝工程安全、提高设计水平和改进施工方法的行之有效的手段，对大坝安全实行自动化监测势在必行。本文进行了大坝安全自动化监测系统的研究，设计研制了一种新型的大坝安全自动化测控装置。本大坝安全监测自动化系统设计采用分布式数据采集方式，主要由监测传感器、测控装置及监控主机三部分组成。监测传感器用于实时监测大坝的各种应力、渗流、变形以及环境量等的变化。测控装置则完成对所连接的各类监测传感器的输出信号进行采集、处理和存储，并实现与监控主机的通信等。监控主机对测控

4、装置上传的资料进行运算处理，进一步分析大坝的运行状态，以有效地评估大坝的安全状况。大坝安全监测自动化系统的监测项目和监测传感器繁多，为满足通用性的要求，本测控装置选取了具有代表性的几种监测传感器或仪器进行监测，主要有：差动电阻式传感器、振弦式传感器、静力水准仪、垂线坐标仪以及压阻式水位传感器等。文中详细介绍了所选传感器或仪器的监测项目及工作原理，并针对所选监测传感器的输出信号，设计了相应的接口电路及信号处理方法。在此基础上，从工程应用的角度对测控装置进行了总体设计，包括硬件处理电路和测量运算程序。大坝安全监测系统分布范围广，测控装置工作环境恶劣，易受多种干扰的影响。因此，在测控装置的开发过程中

5、，对测控系统可能受到的干扰和干扰的途径进行了分析，设计在装置的硬件和软件方面采取了防雷、抗干扰、防潮、温度补偿等多种有效措施，全面提高装置的可靠性和精确性。关键词：传感器；大坝；安全监测；自动化；抗干扰AbstractDam wreckage will cause tremendous damage, doing harm to peoples life and property, so it is very important to keep dam safely running. The automation system for dam safety monitoring is effe

6、ctive method, which can supervise dam security, improve the level of design, and advance construction technique, so it is imperative to carry out dam safety monitoring under the situation. The automation system for dam safety monitoring is researched in this paper, and new automation measurement and

7、 control equipment is researched and developed.The automation system for dam safety monitoring, which is adopted the principal and subordinate distributed network, is composed of the transducers, the intelligent measurement and control equipments, and the host computer. The transducers are used to m

8、onitor the change of stress, seepage, distortion, surroundings and etc. The measurement and control equipments are used to sample and process the signal of the transducers, and memorize the results, then communicate with the host computer, and etc. The host computer processes the measurement data, a

9、nalyzes the state of the dam running, so as to evaluate the status of dam safety.There are many monitoring items and transducers in the automation system for dam safety monitoring. In order to improve the compatibility of the equipment, several representational transducers are chosen to be connected

10、 with the equipment, such as, the differential resistance transducer, the vibrating wire transducer, the water level instrument, the coordinate instrument, the piezoresistive transducer and etc. The supervising and measuring items and working principles of the choosing transducers are particularly i

11、ntroduced, and the corresponding signal processing interfaces circuits of the transducers are designed. Then the measurement and control equipment is generally designed, including the hardware and software.The full extent of the dam safety monitoring system is very wide, and the field environment wh

12、ere the equipment is working is abominable, so the equipment is easy to be affected by much interference. On devising the equipment, the interfere and its passes are analyzed, then many measures, such as lightning proof, anti-interference, damp proof, temperature compensation, and etc. are took to a

13、ssure the currency and reliability of the equipment.Key Words: transducer; dam; safety monitoring; automation; anti-interference63目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 问题的提出11.2 大坝安全监测的发展21.2.1 大坝监测传感器的发展状况21.2.2 大坝安全监测自动化系统的发展状况31.3 本文所做的主要工作6第二章 大坝安全监测自动化系统简介82.1 大坝安全监测自动化系统的特点82.2 大坝安全监测自动化系统的设计原则82.3 大坝安全监

14、测自动化系统简介9第三章 本大坝安全监测自动化系统的构成113.1 系统选型113.1.1 系统数据采集方式选型113.1.2 系统通信方式133.2 系统硬件133.3 系统软件14第四章 大坝安全监测传感器164.1 差动电阻式传感器174.1.1 差动电阻式传感器基本原理174.1.2 差动电阻式传感器的接线方式及测量原理194.2 振弦式传感器204.2.1 振弦式传感器原理204.2.2 振弦式传感器的激振方式214.2.3 振弦式传感器的温度补偿234.3 静力水准仪234.3.1 差动变压器式位移传感器结构及工作原理244.3.2 差动变压器式位移传感器的信号处理254.3.3

15、静力水准仪工作原理274.4 垂线坐标仪274.4.1 差动电磁式传感器工作原理284.4.2 垂线坐标仪工作原理294.2.3 垂线坐标仪的标定304.5 压阻式水位传感器314.5.1 压阻效应314.5.2 压阻式水位传感器原理324.5.3 压阻式水位传感器信号处理34第五章 测控装置（MCU）355.1 测控装置的主要功能355.2 测控装置的组成及工作原理355.2.1 差动电阻式传感器组的测量365.2.2 振弦式传感器组的测量375.2.3 静力水准仪组的测量385.2.4 垂线坐标仪组的测量395.2.5 压阻式水位传感器组的测量405.3 测控系统的电磁兼容性设计405.3

16、.1 测控系统的防雷405.3.2 测控系统的抗干扰415.3.3 测控系统的电磁兼容设计435.4 测控装置的防潮435.5 测控装置的软件445.5.1 测控装置主程序455.5.2 传感器组测量子程序465.6 测量结果及误差分析525.6.1 差阻式传感器组测量误差分析525.6.2 振弦式传感器测量结果及分析525.6.3 位移传感器组测量误差分析565.6.4 压阻式水位传感器测量结果及分析565.7 测控装置的高性能57第六章 结论与展望586.1 结论586.2 展望59参考文献60致 谢63武汉大学硕士学位论文 大坝安全监测自动化测控装置的研制第一章 绪论1.1 问题的提出二

17、十世纪初以来，随着经济的发展和科技的进步，世界各国的水利水电事业得到蓬勃发展，修建了众多规模不一、形式各异的大坝。就我国而言，目前共建成各类大坝约8.7万座，其中，坝高高于15米的就有2万多座，数量居世界首位1。这些大坝工程为我国的水电建设打下了坚实的基础，对国民经济建设发挥了重要作用。但随着大坝数量的增加，高度的增大以及地形地质条件的复杂化，大坝失事的几率也逐渐上升。上个世纪，由于各种原因，世界各国几乎都发生过溃坝事故，对大坝下游人民生命财产的安全造成极大的危害。1959年法国的马尔巴塞双曲拱坝和1963年意大利的瓦依昂拱坝先后失事均造成了惨重的损失。我国1975年8月河南省板桥、石漫滩两座

18、大型水库垮坝夺走了数以万计的生命，造成了不可估量的经济损失。2在大量惨痛事实的教育下，人们逐渐认识到大坝安全的重要性，开始研究大坝失事实例，分析影响大坝安全的具体因素。结果表明，大坝失事的原因从形成时期上主要分为三类：一类是由设计施工的不完善造成的，在大坝建成时就已确定；另一类是在运行、管理过程中逐步形成的，有一个从量变到质变的过程；还有一类是前面两种情况的混合，即设计施工中的不完善在运行中没有得到及时有效的纠正，使设计、施工中的隐患发展为破坏事故3。由此可以看出要确保大坝安全，除了保证工程质量以外，更重要的就是对大坝的实际运行状态进行监视，及时发现安全隐患，采取有效措施。大坝安全监测是人们了

19、解大坝运行状态和安全状况的有效手段。其目的就是及时获取第一手观测资料来了解大坝在正常情况下各种物理量的变化范围和变化规律，在遇到测量值异常或出现不利的发展趋势时，就能发现问题并做出判断，及时采取有效措施防止问题进一步恶化。其次，借助监测设备所反馈的信息能检验理论，修正设计。由于大坝的实际地质、环境条件复杂，且坝工设计水平不高，至今大坝设计理论还不够成熟和完善，设计中存在某种程度的假定性，坝体和坝基的物理力学模型和参数很难精确给定。而大坝监测项目广、测点多、观测频次密，能反映出大坝的真实状态，有效地修正设计中的不完善，指导大坝的合理施工和运行。此外，根据长期积累的观测资料可制订出适当的水库控制运

20、用计划以及大坝的维护措施，在保障大坝安全运行的同时，更好地发挥工程效益、节约工程投资。大量的工程实例说明，大坝的监测资料蕴藏着丰富宝贵的信息，因此，积极做好大坝监测工作，既有实际应用价值又有科学研究意义。45从20世纪30年代开始，国外已经开始开展大坝安全监测工作，但由于当时监测仪器及自动化发展水平的限制，人们通常只能对大坝进行人工观测。这种方法是由观测人员对大坝结构和基础进行直接目测，并对监测仪器进行人工读数，然后再将观测资料交由专职部门去分析。人工观测受外界环境条件以及观测人员的主观因素影响很大，且监测频次有限6。这种方法不仅耗时费力、精度低，而且效率低，不利于及时有效地掌握大坝性态和进行

21、最优运行调度控制。随着微电子技术、计算机技术以及通讯技术的发展，我国自动化水平逐步提高，实施大坝安全的自动化监测成为可能。大量新型精密监测传感器和先进的自动化数据采集装置逐渐应用到大坝安全监测系统中，从而克服了传统的人工观测的诸多弊端，能更客观地反映大坝实际安全状况。因此，为了能够迅速、准确、实时地采集监测数据，及时提供大坝安全信息，同时减轻体力劳动，增加劳动安全，提高效率，全面提高水电站及水库大坝安全管理水平，进行大坝安全自动化监测势在必行。1.2 大坝安全监测的发展大坝安全监测是监视大坝工程安全、提高设计水平和改进施工方法的行之有效的手段。为了提高大坝运行的安全性和经济运行性，各国投入了大

22、量的人力物力研制开发新型监测传感器、数据采集装置，并提出了多种监测资料分析方法，有力地了推动大坝安全监测技术的发展。大坝监测系统包括监测传感器、数据采集系统、传输介质和中央数据分析处理系统等，每一系统部件都在很大程度上受科学技术发展的影响，作为一个整体，各部件的发展相辅相成、相互促进。1.2.1 大坝监测传感器的发展状况大坝监测传感器（或仪器）是可靠获取大坝安全信息的关键手段，监测工作的实施与监测传感器的发展和进步密切相关。大坝监测项目众多，要求监测传感器的类型多样化，能检测出大坝各种微小物理量的变化。同时，大坝现场环境恶劣，要求监测传感器具有高的可靠性。因此，进行高性能的各类大坝监测传感器的

23、研制迫在眉睫。在传感器的发展过程中，传感器的工艺发展起着最重要的作用。二十世纪六十年代以前主要采用坝面标点、横臂式沉降仪及测压管等简单仪器对大坝进行变形和渗流观测，这些大坝监测仪器需人工进行读数。由于传感器自身精度不高，再加上读数也会产生误差，因此，总体精度相当低。六十年代后，由于电子技术的进步，电测传感器开始应用于大坝观测。传感器可以通过电量信号进行通信，这样传感器输出的电流、电压、阻抗和电容以及状态、脉动等测量信号开始发送给数据采集装置进行处理，有效地提高了传感器的精度78，同时数据采集和处理系统也随之得到发展。但这些监测传感器的精度和自动化程度都还不高，不能满足大坝工程实际的需要。为了提

24、高大坝监测传感器的性能，促进大坝自动化监测的发展，专业技术人员进行了多年的技术攻关。近几十年来，大坝监测传感器无论在品种、数量方面，还是在精确性和可靠性等方面都得到迅速发展，传感器能对大坝多项监测项目进行精确监测。目前常用的具有代表性的就有差动电阻式、钢弦式、电容式、电感式、步进电机式、电磁差动式、差动变压器式等十余种技术成熟的传感器，且在实际工程中应用效果较好。913同时，高科技成果开始大量应用于大坝监测中，如国外近年出现的一些新的监测手段就有大坝CT技术（计算机层析成像）、渗流热监测技术（通过观测温度分布及其变化来监测坝体、坝基渗流）、光纤传感技术（用光导纤维来感受各种物理量并传送所感受信

25、息的技术）等。利用这些新技术，进行新型大坝监测传感器的研究和开发，取得了一定的成果，已有一些研制产品在工程中试验应用1415。另外国际大坝委员会在68号会刊中所列举的新型传感器（监测仪器）就有：奥地利的声发射系统、激光垂线，法国的相对位移计和多点位移计，美国的电子测距仪，意大利的激光系统，日本的光纤电缆和测距红外激光，瑞士的滑动测微计等16。大坝监测传感器的迅猛发展有效地促进了大坝监测自动化水平的提高。1.2.2 大坝安全监测自动化系统的发展状况随着大坝监测传感器的发展，与传感器技术进步密切相关的数据采集系统及安全分析方法也发生了演变，有效地促进了大坝安全监测水平的提高，逐渐发展形成了集监控和

26、安全分析为一体的大坝安全监测自动化系统。实施大坝监测的最初方式是人工读取大坝监测信息，然后将监测资料交给专业人员进行分析处理。这种方法的精度和效率都很低，不利于及时准确地掌握大坝安全状态和进行最优运行调度控制17。大坝监测的自动化提供了及时获取监测信息，监测大坝运行的新技术，提高了尽早发现事故和隐患的可能性，这样就可以及时发现异常情况，便于尽快采取有效的补救措施，因此，实施大坝自动化监测十分必要。大坝安全自动化监测系统的研制工作，国外始于60年代末，我国起步较晚，开始于70年代末。大坝自动化监测初期，由于当时技术水平的限制，实施的是单台监测传感器的自动化测量18。这样就只能对少数几种监测传感器

27、进行自动化数据采集和控制，因此，获取的大坝状态的信息量很小，不利于大坝安全进行全面的分析。到上世纪80年代，大坝安全监测自动化才得到较为成熟地发展，表现在部分观测项目(如混凝土坝的渗流和变形观测)已完全实现自动化监测，一些能表示大坝整体安全性的数据（如最大坝顶位移和总渗透量）可被不断地采集并传输到控制中心，进行分析和处理，但总的来说其自动化水平还比较低，数据分析处理功能还有待进一步加强。1920进入90年代中期以后，随着现代科技的进步，特别是计算机和微电子技术、通讯技术的巨大发展，研制出了大量品种繁多的大坝监测传感器，传感器能对几乎所有的大坝要求的监测项目进行测量，且传感器的精确性、稳定性、可

28、靠性也日渐提高。在此基础上，大坝自动化监测系统也得到蓬勃发展，几乎全部监测项目都实现了自动化监测，数据采集的自动化集成产品（测控装置）、大坝安全监测信息管理和安全分析系统也纷纷面市，并安装于各种工程实际中，实际应用效果良好。2124随着大坝监测项目的增多，监测传感器数量的加大，不可能实行对单个传感器或传感器组进行独立的自动化监测，需设置中央监控单元进行集中监控，将大坝内外观测综合在一个自动化系统之中。实行大坝全部监测项目的自动化监测，首先采用的是集中式数据采集系统，即在各传感器附近安装遥控转换箱，将多个传感器的输出信号集中，传送给数据采集装置，最后传到坝外微机监控室进行存储管理。这种数据采集方

29、式中，传感器输出信号通过长电缆传送给采集装置，需要克服模拟量通过长电缆传输中遇到的信号衰减和抗干扰难题。因此，传感器测点数量和信号传输距离受到限制，故多应用于中小规模的大坝，如在法国和日本的中小型大坝中应用较多。为了克服集中式监测系统的不足，满足大坝实际工程监测的需要，又出现了分布式大坝自动化监测系统。分布式数据采集系统采用分布式数据采集装置取代集中式系统中的遥测转换箱，其中，数据采集装置将传感器输出量转换成数字量进行数据存储和通讯，从而消除了长电缆传输模拟信号对测量结果的影响，明显地增加了信噪比，提高了测量精度。目前国外采用这种采集方式的大坝监测系统很多，如美国GEOMATION公司的230

30、0系统和SINCO公司的ADAS监测系统，加拿大ROCTEST公司的2380监控系统，意大利的ESSDI和MAMS系统，瑞士SOLEXPERTS公司的GEOMONITOR自动监测系统等25。我国分布式大坝安全监测系统中具有代表性的有电力自动化研究院的DAMS型系统、南京水利水文自动化研究所的DG型系统、西安联能自动化工程有限责任公司的LN1018型系统和南京电力自动化设备总厂的FWC型系统26。这些分布式系统已广泛应用于多个大坝工程中，通过工程实践的检验进行不断改进和完善，自动化程度很高，技术已渐趋成熟，使大坝安全监测数据自动采集系统的实时性、稳定性和可靠性都有了显著的提高。目前，国内大坝安全

31、监测自动化系统按采集方式可粗略分为三类，即集中式、分布式和混合式。它们各有各自的应用环境和特点，满足工程监测的不同需要，在工程中都得到了应用。但应用最为广泛的是分布式系统27，它特别适合于对众多的检测项目进行监测，在可靠性、数据精确性、实用性等方面都比其它两种采集方式有较大程度的提高，而且新技术也能更方便地在分布式大坝安全监测自动化系统中得到应用。大坝安全监测自动化系统的另外一个重要环节就是根据大坝监测的现场数据资料分析大坝的安全性态。我国的大坝监测资料分析工作已开始从离线分析向在线分析发展28。大坝普遍采用了微机自动化监控系统，系统配置了包括监控指标确定、数据处理、信息管理、性态分析、异常报

32、警在内的监控软件，软件具有强大的数据处理和分析的功能，能准确而迅速地得知大坝性态结论，并对异常情况实施报警，实现了对大坝的实时监控2930。通过多年的不懈努力，我国大坝安全监测自动化研制工作已逐渐进入一个水平很高的发展时期，全国多数大坝安装了单项或多项自动化监测系统。我国大坝安全监测领域在监测仪器和数据自动采集装置研制以及数据处理分析方法研究等方面均接近或达到国际先进水平。但结合我国大坝安全监测自动化系统在大坝工程中的实际运行状况，系统在可靠性（如防雷、抗干扰）和兼容性等方面还有待于加强。要满足大坝监测的多方面的要求，实现大坝安全管理快速、准确、高效的现代管理目标，目前大坝安全监测自动化水平还

33、有较大的差距，还需进一步的努力。1.3 本文所做的主要工作本文进行了大坝安全监测自动化系统的研究工作，设计实现了高性能的测控装置。首先在分析了集中式、分布式以及混合式数据采集方式的优缺点的基础之上，设计了分布式大坝安全自动化监测系统。分布式系统由大坝监测传感器、分布式数据采集处理装置（测控装置）以及监控主机（管理软件）三部分组成，本文侧重于对监测传感器进行数据采集、处理以及控制的工作，也就是重点进行测控装置的研制。分布式通用测控装置是大坝安全监测自动化系统的核心部件，它的主要功能是完成对所连接的各类监测传感器组的输出信号进行采集、处理和存储，并实现与监控主机的通信等。随着水利资源的进一步开发，

34、大坝的规模向高大型方向发展，大坝安全显得更为突出和重要，同时也给大坝安全自动化监测提出了更高的要求。大坝安全监测项目多，监测传感器种类和数量众多且分布范围广，因此测控装置设计中的一个重点就是兼容性的问题，装置要能对绝大多数大坝监测传感器进行集中测量。在分析国内外监测传感器的性能和实际应用状况的基础上，测控装置设计接入多种监测传感器，如差动电阻式传感器、钢弦式传感器、静力水准仪、遥测垂线仪、压阻式水位传感器以及标准信号（电压、电流、频率）输出的传感器等。同时测控装置要解决的另一个难题就是可靠性的问题，现场数据采集处理装置和监测传感器的工作环境恶劣，易受电磁干扰、潮湿、气温等多种因素的影响。因此在

35、测控装置的开发研制过程中，侧重于系统的抗干扰性以及适应性的提高，保证系统能在恶劣的监测环境下长期可靠工作，为分析大坝安全状况提供精确可靠的监测资料。文中详细介绍了多种监测传感器的监测项目、工作原理以及测量电路原理。由此设计了对监测传感器进行测量和控制的分布式通用测控装置，包括装置的软硬件构成，并给出了装置的实测结果。本文的后续章节主要做了如下工作：（1） 分析研究了大坝安全监测自动化系统的特点，由此得出系统的设计原则以及基本构成原理。（2） 进行了大坝安全监测系统的数据自动采集方式的选型工作，并选取了相应通信方式，设计了大坝安全监测系统的软硬件。（3） 深入研究了大坝安全监测自动化系统的监测项

36、目和多种监测传感器，选取了具有代表性的几种监测传感器进行监测，详细介绍了所选用的各种监控传感器的监测项目、工作原理以及信号输出方式。（4） 针对所选用的监测传感器，采取了相应的信号处理电路，在此基础上，对大坝安全监测自动化测控装置进行了总体设计，包括测控装置的硬件和软件。同时，对装置的抗干扰、防雷击以及防潮等进行了深入的研究，并采取了有效的措施。（5） 在实验室内，对压阻式水位传感器、振弦式传感器进行了实测，同时，还对其它监测传感器或仪器进行了误差分析，实测和分析结果表明，测控装置具有较高的测量精度，满足工程实际要求。本文在测控装置的设计中，在装置的通用性方面进行了深入的研究，使得装置能满足不

37、同工程实际测量的要求，有创新。第二章 大坝安全监测自动化系统简介2.1 大坝安全监测自动化系统的特点大坝安全自动监测系统普遍存在监测项目多，测点数目大、分布广，需集中监测等特点31。具体表现为以下几个方面：环境异常恶劣 系统的观测点一般都处于野外露天，潮湿的廊道内或强电磁场环境中，系统容易受到包括雷击在内的电磁干扰以及潮湿和气温变化等多种因素的影响，故对观测传感器和设备的可靠性和适应性要求很高。观测项目众多 大坝安全监测一般包括应力、渗流、变形、温度、水位等多项监测项目。由于观测项目众多，导致自动化传感器的种类繁多，传感器的激励方式以及信号输出形式也就多种多样。测点数量多 为了能全面的掌握监测

38、信息，便于分析，系统需要设置大量的监测点，测点数量根据规模不同，少的有几十个，多的可达上千个，从而在一定程度上增加了自动化系统的难度。测点分布广且分布极不均匀 系统的监测点涵盖整个大坝，分布于大坝的多个部位，且根据实际情况的不同选取了不同分布密度的监测点，从而使传感器的信号传送和集中变得复杂和困难。需设置中央监测单元集中监测 系统监测项目多，测点分布广，不可能实行对单个测点进行单独监测，一般需设置中央监控单元进行集中监控。2.2 大坝安全监测自动化系统的设计原则基于大坝安全监测系统的以上特点，在系统选型设计过程中要充分考虑工程实际的需要，特别是要注重测控装置的可靠性、通用性等问题。一般说来，大

39、坝安全监测系统自动化的设计应满足如下原则：可靠性 系统工作环境恶劣，要求系统具有较强的防雷和抗干扰的能力，能长期稳定工作，确保资料的连续性。兼容性 系统规模大，监测传感器种类多，输出信号形式不同，要求系统具有较好的适应能力，系统应能监测多种不同类型的传感器，能够测量多种参数。先进性 要广泛了解国内外大坝自动化监测技术的发展状况，在吸取其经验和成果的基础上进行方案的选择和电路的设计，使系统具有技术上的先进性。实用性 系统的造价要合理，具有高的性价比，同时系统要易于实施，便于观测、维护，且能充分利用原有的自动化观测系统，为今后其它项目的自动化改造提供方便。3132大坝安全监测自动化系统实际上是为了

40、实现工程效益最大化的一种管理，它与人工观测相比，最大优点是精度高、速度快、省工省力。为有效地实现对大坝的自动化监测，达到大坝监测的目的，除了要遵守上述大坝监测系统的基本设计原则外，大坝安全监测自动化系统还对其组成部分有如下要求。监测项目和测点选择有鲜明的针对性，重点突出。要对能准确反映大坝性态，特别是对大坝隐患和性态异常反映灵敏的监测部位、监测项目、测点和监测物理量予以自动化监测，必要时设置多种监测项目、多个测点或备份，以便相互校核、相互印证，及时而准确地提供大坝安全状况的分析资料。对大坝性态变化反映迟钝的监测部位和监测项目可以设置少量监测点，甚至可以不予自动化，以节约工程投资33。监测数据采

41、集网络，特别是数据采集装置要有很强的抗干扰能力，保证在强的干扰环境中都能有较高的精确性、可靠性和长期稳定性；测控装置的传感器输出接口、通信规约等方面的选取要具有代表性和通用性，能适应多种工程实际需求。监控软件除具有一般数据管理及分析处理功能外，还应具备快速、准确地在线诊断监测系统本身和分析大坝性态、评估大坝安全的功能，真正为大坝运行、水库调度和电厂管理提供依据，为创造效益服务。总之，大坝安全监测自动化是集传感器、精密仪器、自动控制、通信、计算机为一体的边缘学科，所以安全监测应充分利用科技发展成果，走向实时化、智能化、网络化，确保大坝以较少的投入保证长期、稳定、安全的运行，实现效益的最大化。2.

42、3 大坝安全监测自动化系统简介安全监测自动化包括大坝安全监测数据采集自动化和大坝安全监测数据管理、处理及大坝安全评判自动化两大部分34，主要由安装在大坝(包括基岩、厂房、边坡等)内的监测传感器(或仪器)、测控装置以及安装在中控室的中央控制主机和信息管理系统组成，如图2-1所示。其中，监测传感器(仪器)用于将待测的物理量（渗流压力、应力、应变、水平位移、垂直位移、温度、上下游水位等）转换成电量信号，如电流量、电压量、频率量、开关量等，作为测控装置的输入量；测控装置(MCU)则用于对传感器进行激励、驱动及测量，并完成测量信号的预处理、存储以及将各种信号转换为数字信号发送给中央控制机(CCU)进一步

43、处理；中央控制机提供人机界面用以完成数据采集以及编辑处理、通信、越限报警等功能；信息管理系统完成对数据采集网络所采集数据(包括人工监测数据和信息)的综合分析，评判大坝性态，指导大坝安全运行。图2-1 大坝安全监测自动化系统组成结构框图大坝安全监测数据自动采集数据管理、处理及安全评判大坝安全监测自动化系统传感器或仪器测控装置中央控制机传感器或仪器测控装置传感器或仪器测控装置信息处理局域网第三章 本大坝安全监测自动化系统的构成3.1 系统选型目前国内外采用的大坝安全自动化监测系统，按数据采集方式可粗略地分为三类：集中式、分布式和混合式26。综合考虑各种采集方式的优缺点，并结合工程实际需要后，本系统

44、设计采用分布式数据采集系统。3.1.1 系统数据采集方式选型集中式数据采集系统是我国电力自动化研究院为了适应大坝监测传感器种类繁多、数量大的特点推出的。其典型设置为，在传感器附近安装遥控转换箱，将传感器输出的信号集中，然后通过总控制线和信号线与设置在大坝廊道内的采集装置相接，传感器信号通过采集装置转换成数字信号，最后传到坝外微机监控室进行存储管理35。这种数据采集方式中，遥控转换箱只进行传感器输出信号的集中，不进行模数转换，传感器输出信号通过长电缆传送给采集装置，需要克服模拟量通过长电缆传输中遇到的信号衰减和抗干扰难题。因此，传感器测点数量和信号传输距离受到限制，故多应用于中小规模的大坝。该系

45、统早期在国内工程上得到了运用，如湖南东江水电厂的差动电阻式数据采集系统。在国外，法国和日本的中小型大坝中应用较多。分布式数据采集系统采用分布式数据采集装置取代集中式系统中的遥测转换箱。其中，数据采集装置对各类传感器（仪器）输出的模拟、开关、频率等信号量进行测量，并将其转换成数字量进行数据存储和数据通信，从而消除了长电缆传输模拟信号对测量结果的影响，明显地增加了信噪比，提高了测量精度。采用这种方式的典型国家是美国，以Geomation和SINCO公司的大坝监测系统为代表，国内则有电力自动化研究院、西北勘测设计院、南京水文所及福州无线电八厂等。3638混合式是由电力部南京自动化研究所研制的介于集中

46、式和分布式之间的一种采集方式，它具有分布式系统的外型，但采用集中方式进行数据采集。系统在传感器附近设置遥控转换箱，将传感器的输出信号汇集于一条总线之中（无A/D转换和数据暂存功能），然后传到监控室进行集中测量和A/D转换，最后将数字量送入计算机进行存储和分析处理。混合式数据采集方式中转换箱起汇集周围传感器（仪器）信号的作用，既经济又有效地实现了模拟量的长距离传输(目前国内传输距离一般在1000m2000m内)，但信号相对集中就对信号传输的可靠性提出了更高的要求。转换箱结构简单，维修方便，适应于大规模、测点数量多且相对集中的监控系统。以上三种数据采集方式满足工程监测的不同需要，在工程中都得到了应

47、用。但随着自动化程度的提高并结合我国大坝监测工程的实际规模，分布式数据采集系统更加有利于大坝监测自动化的实施，它能有效地提高测量精度和监测自动化水平，具有其它两种数据采集系统所无法比拟的优点，目前国内发展趋势的主要是分布式测量系统。分布式数据采集系统的主要特点在于分散控制，集中管理。系统通常采用若干个测量控制装置对众多监测传感器进行数据采集和控制，并以计算机为核心构成一个操作站，操作站通过网络与各个测控装置连接，采集数据，传达操作指令。分布式采集方式因其采用了分散布置的测量控制单元(MCU)，从测量控制单元到监控室采用数字量传输，信号传输距离变长，因而可根据传感器的布置情况，将测控装置分散设置

48、在靠近监测传感器(仪器)的地方，从而缩短了系统中模拟量传输的距离，降低了系统抗干扰的技术难度。加之每个MCU均可根据命令或自动执行测量和暂存数据，使系统故障所造成的数据丢失相对减少。另外，系统的分布性使各测控装置能够独立地工作，它分散了系统的故障，使单支传感器（仪器）或单台测控装置发生故障而不会影响到其它的仪器设备，更不会造成系统瘫痪。同时，分布式系统有利于采用目前较成熟的智能模块化结构，实现多种模块功能，使测控装置向智能化方向发展。所以，分布式数据采集系统特别适应于大规模、测量数量多且分散的监测系统。分布式数据采集系统一般可由两级计算机组成，即为监控主机和测控装置。监控主机一般采用PC机，其

49、人机界面好，硬件、软件资源比较丰富，主要用于过程监控、优化计算和数据管理和分析报警等。测控装置一般采用单片机系统，其价格低廉，系统构成灵活，抗干扰能力强，主要用于数据采集、数据处理和实时控制等。这种分布式数据采集系统的性能价格比高，且充分利用了单片机和PC机各自的优点，因而具有广阔的应用前景39。总之，分布式数据采集系统具有许多优点，如高可靠性（危险分散），工作速度快（各部分独立工作，完成测量和数据存储），设计、开发、维护简便，扩展性强，适应大系统的逐步实施，与传感器之间相互无影响，并对传感器选择余地大等40。因此，本大坝安全监测自动化系统采用分布式数据采集系统。3.1.2 系统通信方式大坝监

50、测系统的测值变化极为缓慢，在实际监测中平均每天仅需对其进行几次监测即可，因此，大坝监测系统对测量数据的传输速度要求不高。但大坝监测系统的测点分布范围广，数据传输距离长，需要适合长线通信的传输总线。RS485具有网络连接方便，抗干扰性能好，传输距离远等特点；而RS-232通信接口除数据传输距离短，抗干扰能力差等缺点外，它只适合两机之间的数据通信，无法将更多的计算机组成一个网络41。因此大坝监测系统选用RS485通信方式，通信传输介质选为屏蔽双绞线。RS485网络采用主从式总线式结构，由一台PC机作为监控主机，允许同时存在32个通信节点，并且传输距离可达1200m，特别适合大坝监测系统的实际要求。

51、由于监控主机设置的是RS232串行口，应用中监控主机的RS232串行口需经过外插式RS232/RS485转换器进行电平转换后，再与RS485数据总线相接。测控装置设置RS485接口，监控主机与测控装置组成RS485通信网络进行双向串行通信。在分布式大坝监测系统的实际应用中，监控主机有许多的前台任务需要处理，包括监测资料的运算处理，大坝安全状态的分析和预测等，同时监控主机需从测控装置收集信息并向测控装置发送测量命令和进行控制等。各个测控装置按照监控主机命令进行测量、修改测控参数以及传送测量结果等，同时测控装置能实现定时自动测量并存储测量结果。基于此种情况，监控系统的通信控制权主要应由监控主机掌握

52、，因此，系统采用了测控装置查询监控主机指令的通信方式。这种通信方式在无监控主机命令的情况下，测控装置自动对所连接的所有监测传感器进行循环测量，并将监测数据保存在测控装置中；监控主机需要测量数据或要对测控装置进行控制时，即向测控装置发送相应指令（不同的指令对应不同的操作，所要完成的功能事先约定），测控装置再根据指令向监控主机发送数据，或进行相应操作。这样能合理地利用资源，并提高监测效率。3.2 系统硬件本系统采用主、从分布式网络结构，主要由监测传感器（或仪器）、测控装置及监控主机（管理软件）三部分组成。传感器用于实时监测反映大坝性态的各种参数，如应力、渗流、变形以及环境量等的变化，并将这些监测量

53、转换为电量信号，然后传输到测控装置中进行处理并转换为数字量，存储在测控装置的数据存储器中。最后这些数据通过RS485总线传送给监控主机，通过安装于监控主机中的管理软件进一步分析大坝的运行状态，以有效地评估大坝的安全状况。大坝监测系统以测控装置为节点组成局域网，由监控主机进行管理，构成一个主从式RS485通信系统。各测控装置为一单片机应用系统，通过总线方式与监控主机相连，监控主机可向各测控装置发送监控指令，对各测控装置的工作状态进行监测与控制，同时，测控装置也可自动进行定时测控。这样就形成能够用中央控制方式（监控主机发送命令进行监控），节点自控方式（测控装置定时自动监控）运行的自动化系统。系统采

54、用总线拓扑结构，其结构框图如图3-1所示。该分布式系统由一台监控主机与若干台测控装置组成，监控主机放置于水电站的中央控制室，测控装置放置于测试现场，每台测控装置控制近范围内的一批测点。测控装置与监控主机之间通过数字通信系统建立连接，传递相关操作命令和进行数据交换。测控装置及传感器与RS485总线、监控主机共同组成RS485总线网络。图3-1 系统组成框图RS485总线监控主机测控装置1测控装置2传感器组传感器组测控装置n传感器组3.3 系统软件系统的数据采集软件安装于测控装置，采用汇编语言编写，实现对监测传感器的自动数据采集、处理、存储和传输等。用户通过监控主机控制接入系统的全部测控装置，测控

55、装置根据监控主机的要求实现定时巡回监测、选择性监测，同时，测控装置能独立工作，实现定时自动监测等。数据分析与管理软件安装于监控主机，最终所有采集数据存入数据库中。系统的数据管理功能主要包括：计算各监测项目的测值，并对数据进行可靠性检验，将监测量的实测值与预报值比较，计算出偏差值；将有效的数据和处理结果存入数据库；绘制各类参数变化的过程线，如绘制水平、垂直位移过程线，坝体绕度曲线，坝基位移过程线等；根据监测的数据定时打印各种报表。数据分析主要根据所建立的数学模型进行计算，并分析评价大坝的工作性态。第四章 大坝安全监测传感器通常大坝监测项目可分为应力、渗流、变形及环境量监测。其中应力监测包括混凝土

56、、钢筋等应力监测及坝体的温度监测，其监测结果从微观上反映了大坝承受的外荷载和由此产生的工作性态的变化。渗流监测的观测内容主要包括绕坝渗流、渗透流量、扬压力、孔隙水压力等。变形监测主要包括监测大坝及其基础在其自重、水压力、扬压力、淤沙压力等荷载下产生的水平位移、垂直位移、坝体挠度、坝体和坝基转角等内容。环境量监测包括库区温度、水位、雨量、地壳变形等42。大坝实际监测中，必须对以上各个监测项目都进行监测，并将监测资料综合起来分析，这样才能对大坝的安全性及发生异常的原因做出正确的判断。大坝安全监测传感器或仪器是可靠获取大坝安全信息的关键手段。因此，监测传感器应具有足够的精确性、可靠性、稳定性和耐久性

57、。具体说就是监测传感器或仪器的测量值应能满足资料分析和评判大坝安全的需要，且其原理、结构、安装、运行必须适应具体水工环境，保证能长期稳定运行（即传感器能在潮湿高、温差大、水压高、强电磁干扰，以及容易出现腐蚀、锈蚀、水垢、微生物的条件下可靠运行），并能与自动化系统的兼容。纵观大坝监测传感器的发展及应用情况，可知国内对大坝内部性态进行长期监测的传感器主要为差动电阻式传感器和振弦式传感器43，二者无论在测量精度还是长期可靠性方面都处于领先地位。大坝变形监测自动化中的垂线监测自动化是一项重要内容，近年来发展起来的CCD式和感应式垂线坐标仪，有技术先进，结构简单，成本低，防水性能强等一系列显著优点，得到

58、广泛应用。引张线仪与垂线坐标仪原理相同，区别在于它进行坝体基础沉降、倾斜监测，仅测量大坝垂直方向的位移，目前多采使用由武汉地震所研制生产的浮子式静力水准仪44。而电力自动化研究院生产的压阻式水位传感器灵敏度高，分辨率高，体积小，在大坝工程上得到普遍应用。为了满足系统的通用性的要求，本系统尽量做到了对国内常用的大多数监测传感器都可进行监测。因此在传感器的选取上除了考虑精确性、可靠性、稳定性和耐久性等要求外，还考虑到了通用性和可替代性的要求。本测控装置连接的常用监测传感器或仪器类型有：差动电阻式传感器、振弦式传感器、静力水准仪、垂线坐标仪以及压阻式水位传感器等，可以监测大坝内部的应力以及温度量，大

59、坝的水平和垂直位移以及大坝上下游水位量等。这些传感器的输出信号形式多样化，有阻抗、电流、电压以及频率信号等，能代表大多数大坝监测传感器的输出信号形式，只要是具有上述输出信号方式的监测仪器都能方便地接入测控装置进行相应的信号转换和处理，提高了测控装置对监测传感器的兼容性。各种传感器的监测项目和输出信号方式参见表4-1。表4-1 传感器的监测项目和输出信号方式监测传感器监测项目输出信号方式差动电阻式传感器应力温度阻抗振弦式传感器应力温度频率直流电压静力水准仪垂直位移2V双极性直流电压信号垂线坐标仪二维位移2V双极性直流电压信号压阻式水位传感器水位420mA标准直流电流4.1 差动电阻式传感器差动电

60、阻式传感器又称卡尔逊仪器，它是在1932年由美国加利福尼亚大学卡尔逊教授应用钢丝变形使其电阻产生相应变化的原理研制成功的。由于这种传感器能同时感应坝体所受应力与温度的变化，而且其防潮性好，长期测量稳定可靠，测试方法简单，适于大体积混凝土建筑物变形、应力、渗压等监测，因而在大坝观测与土工测试中得到广泛应用。4.1.1 差动电阻式传感器基本原理金属导线的电阻与其截面积和长度的关系如下 (4-1)式中，R为导线电阻，为电阻率，L为导线长度，A为导线面积。当钢丝受到外力作用，产生弹性变形，其变形和电阻变化的关系为 (4-2)式中，R为钢丝电阻的变化量，R为钢丝电阻，为钢丝电阻应变的灵敏系数，L为钢丝变

61、形增量，L为钢丝有效长度。由（4-2）式可见钢丝长度变化和钢丝的电阻变化是线性关系。也就是说测定钢丝电阻变化后就可以利用（4-2）式求得钢丝的变形量。钢丝还有一种特性，即钢丝电阻随其本身的温度变化而变化，两者之间的关系如下 (4-3)式中，Rt是温度为t时的钢丝电阻，R0是温度为t0时的钢丝电阻，是电阻温度系数，t为钢丝温度。其中，R0、对于确定的钢丝为一定值，只要测定了传感器内部钢丝的电阻值，就可以利用（4-3）式计算出传感器所在环境的温度。差动电阻式传感器就是基于这两个原理设计而成的，它在传感器内部设置有两根经过特殊方式固定的钢丝，钢丝都经过预拉，紧张在支架上，支架的一端固定，一端可动，如

62、图4-1所示。R2LLR1图4-1 差动电阻式传感器原理当传感器受到外界的拉压而变形时，一根钢丝（R1）受压，其电阻减小R，另一根钢丝（R2）受拉，其电阻增加R。温度引起两根钢丝的电阻变化是同方向的，温度升高时，两根钢丝的电阻都增加Rt。则两根钢丝的电阻比Z以及电阻和Rt可表示如下（4-4）由上式可知，两根钢丝的电阻和Rt只与Rt相关，即电阻和Rt的变化是由温度变化引起的，因此测量两根钢丝的串联电阻Rt，就可以得到Rt，据此求得传感器所感受的外界温度；钢丝的电阻比的变化量与R和Rt二者都相关，测得两根钢丝电阻的比值Z后，代入计算所得的Rt值，就可以求得R值，然后推算出传感器钢丝的变形量。因此，差动电阻式传感器能同时测量传感器所受的应力和所在环境的温度。4.1.2 差动电阻式传感器的接线方式及测量原理由差动电阻式传感器的原理可知，利用该传感器进行大坝内部应力和温度的测量中，所要检测的主要是两根钢丝的电阻和与电阻比值。因此，差动电阻式传感器的检测必须充分考虑长线电阻、开关导通电阻、接触电阻、引线电阻等对被测电阻量的影响。常用的二、三、四线制测量方法无法消除以上诸因素的影响，而