刍议大坝安全监测技术

摘 要：随着现代信息技术的迅速发展，大坝安全监测也得到了广泛的应用与推广。就目前已投入使用的遥测仪器和自动化数据采集系统运行情况来看，普遍存在系统故障率高，长期运行不稳定，部分仪器或系统的数据不十分可靠等问题，较难作为大坝安全监控的依据。针对以上这些问题，本文将现场总线技术应用到水库及水电厂大坝安全监控领域中，取得了良好的效果。

关键词：大坝安全监测 现场总线技术 数据采集 结构 网络模型

1、大坝安全监测系统结构

大坝安全监测系统是融汇电子技术、传感器技术、通信技术、遥测遥控技术和计算机技术等实现对水库和水电厂大坝安全进行监控的自动化系统。系统一般由现场传感器、测控单元及中央处理机组成，从系统的组成结构上讲可分为集中式监测数据采集系统、分布式监测数据采集系统和本文探讨的现场总线数据监测系统。

1.1 集中式监测数据采集系统

集中式监测数据采集系统只有一台测控单元，安放于远离测点现场的监控室内，测点现场安装切换单元（集线箱、开关箱），由电缆将传感器信号通过切换单元接入到测控单元中。测量时由测控单元直接控制切换单元，对所有测点的传感器进行逐个测量。这种系统在传感器-切换单元-测控单元之间传送的是电模拟量，且连接电缆一般较长，易于受到干扰，所以对连接电缆的要求较高 （芯数、阻抗特性、屏蔽、绝缘电阻等）。

集中式系统虽然结构简单，但其可靠性较低，且测量时间长，不易扩展等。当测控单元发生故障时，整个系统运行即告中断。

1.2 分布式数据采集系统

分布式数据采集系统由计算机、测控单元及传感器组成。这种系统将集中式测控单元小型化，并和切换单元集成到一起，安放于测点现场，每个测控单元连接若干个传感器，测控单元将监测量变换成数字量，由"数据总线"直接传送到监控微机中。分布式数据采集系统与集中式数据采集系统相比，有下列优点：

（1）可靠性得到了提高，因为每台测控单元均独立进行测量，如果发生故障，只影响这台测控单元上所接入的传感器，不会使系统全部停测。

（2）抗干扰能力强，分布式数据采集系统的数据总线上传输的是数据信号，因此采用一般的通讯电缆即可，接口方便，抗干扰能力强，目前普通采用的通讯制式有 RS-232/RS-485/RS-422。

（3）测量时间短，每台测控单元可同时进行测量，系统测量时间只取决于单台测控单元的时间，因此测量速度快，特别适合于那些物理量和效应量变化较快的水工建筑物，能够满足实时安全监控的需要。同时，测量速度快，保证了各测点各类监测量在一个几乎相同的短时间内测完，使监测参数基本同步，便于比较分析。

（4）便于扩展，只需在原有系统上延伸数据总线，增加测控单元，就可以在不影响原有系统正常运行的情况下扩展系统，将更多的传感器接入。目前在国内已建成的大坝安全监测数据采集系统中绝大部分是分布式监测数据采集系统。

1.3 现场总线式数据采集系统

现场总线技术于 80 年代初提出，经过近二十年的发展，技术上越来越成熟。现场总线是用于现场仪表与测控系统和监控中心之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的分布式通讯系统，按 ISO的 OSI标准提供网络服务，其可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，通讯速率快，造价低，维护成本低。

现场总线的基本内容是在测控现场建立一条高可靠性的数据通讯线路，实现传感器之间及传感器与监控计算机之间的数据交换。这条数据通讯线路在传输方面不追求商业计算机网络那种高速度，而把注意力集中在系统的可靠性方面。在可靠性方面，不是简单采用传统的多机冗余方式，而是试图提高网络自身的可靠性。在这种网络中，引入自带测量、状态检测、控制器和数据通讯能力的智能传感器，组成现场总线监测网络，原来前置机的测控功能和数据通讯功能，被下装到传感器中，而原来的系统管理、后台数据处理、系统组态等功能被上装到管理级计算机中。在这种系统中，系统监测功能和监测点可根据需要在网络上的任何一点灵活设置，实现动态组态功能。

2、现场总线监测网络模型

大坝安全监测现场总线本质上是一种测控网络，因此网络技术是重要基础。监控网络直接面向监控现场，因此要求有较高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。为满足这些特性，大坝安全监测数据采集系统的现场测控总线对标准的网络协议做了简化，只包括ISO/OSI七层模型中的三层，物理层、数据链路层和应用层。此外，为了与上级网的信息系统进行数据交互和传递，现场测控总线网络模型还涉及从底层现场设备到上层信息网络的数据传输过程。

2.1 物理层

物理层是现场智能设备层。依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成参数采集、A/D 转换、数字滤波、温度补偿等各种功能。智能转换器对传统检测仪器的电信号进行数字转换和补偿。现场设备是以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，为保证节点之间实时、可靠的数据传输，现场总线通讯网络采用令牌总线网，它结合环形网和总线网的优点，即物理上是总线网，逻辑上是令牌网。这样网络传输时延确定无冲突，同时节点接入方便，可靠性好。现场设备层（即物理层）的关键技术是现场设备必须采用统一的协议标准，实现标准化，使不同类型的监测传感器实现完全互操作，使之达到：①全数字双向通信；②实施标准的功能块功能；③多变量传输，包括状态信息和诊断信息；④集成自诊断、报警和趋势分析功能；⑤便于现场安装。

2.2 数据链路层

这一层从现场设备中获取数据，完成各种观测量的监测、报警和趋势分析等。监控层的功能由上位计算机完成，它通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，协调网络节点之间的数据通信，充当链路活动调度器角色；或者通过专门的现场总线接实现现场总线网段与以太网段的连接，这种方式使系统配置更加灵活。这一层主要负责现场总线协议与以太网协议的转换，保证数据包的正确解释和传输，其关键技术是以太网与底层现场设备网络之间的接口设计。

2.3 应用层

上层是基于以太网的应用层。其主要目的是在计算机网络环境下，构建一个安全的远程监控分析处理系统。首先将中间监控层实时数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样网络中的其他工作站就能随时查询到大坝安全监控信息，远程用户也能通过浏览器查询到上述信息，赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数。网络中的分析处理和决策工作站可应用数据库中的信息进行数据处理和分析评价。

在整个现场总线网络中，现场设备层的可靠性是整个网络的关键，只有确保总线设备之间可靠、准确、完整的数据传输，上层网络才能获取信息以实现其大坝安全监控功能。

3、结语

随着科学技术的发展，大坝安全监测系统结构从最初的集中式发展到了现在普通采用的分布式，系统的可靠性有了较大的提高。现场总线式系统结构是未来监测系统发展的必然趋势，它协议简单、安全可靠、容错性好。

参考文献：

[1]方卫华.国内外水库安全管理与大坝安全监测现状与展望[J].水利水文自动化，2008（4）.

[2]王学明.大坝安全监测新技术[J].黑龙江水利科技，2008（4）.

[3]梁沛华，何金平.大坝安全监测若干新技术[J].装备制造技术，2008（2）.