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1、第6章 自动化监测技术,主要内容,概述自动化监测系统设计通用分布式测量控制单元（MCU）原理及应用安全监测自动化系统设计示例,6.1 概述,概述,自动化监测技术是20世纪60年代发展起来的一种全新的监测技术，它是随着计算机技术、网络通讯技术的发展而发展起来的。自动化监测的三种形式：第一种是数据处理自动化，俗称“后自动化”；第二种是实现数据采集自动化，俗称“前自动化”；第三种是实现在线自动采集数据，离线资料分析，俗称“全自动化”。自动化监测主要包括数据采集的自动化、数据传输的自动化、数据管理的自动化和数据分析的自动化等内容。,一般规定,（1）数据采集功能。能自动采集各类传感器的输出信号，并把模拟
2、量转换为数字量；数据采集能适应应答式和自报式两种方式，能按设计的方式自动进行定时测量，能接收命令进行选点、巡回检测和定时检测。（2）掉电保护功能。现场的数据采集装置应有储存器和掉电保护模块，能暂存已经采集的数据，并在掉电情况下不丢失数据。系统应设有备用电源，在断电情况下，系统应能自动切换，并继续工作一段时间，具体持续工作时间应根据工程的具体要求确定，一般应在3天以上。（3）自检、自诊断功能。即对仪器自身的工作性态进行检查，对发生故障的仪器应自动报警。（4）现场网络数据通讯和远程通讯功能。现场数据通讯一般采用电缆、光纤和无线传输等形式，对于远程通讯一般采用因特网和微波方式。,（5）防雷和抗干扰功
3、能。为保证系统的安全和正常运行，防止遭受雷击和外界因素的干扰，系统应具备本功能。系统的防雷一般应进行专门的设计。（6）数据管理功能。对监测数据应采用数据库技术进行有效的管理，并编制相应的管理系统软件，对监测数据实行查询、修改、统计等操作，对数据异常及故障能进行显示和报警。另外，为保证数据的安全，系统应具有数据备份功能。（7）数据分析功能。对监测数据进行及时的分析处理是自动化监测的一个重要特征，是及时发现工程隐患的重要手段。一般的数据分析主要是判断数据的正常或异常特征，并根据其异常特性作进一步的分析。,性能要求,（1）采样时间应有一定的限制，具体时间可根据工程实际情况确定。通常对某个项目的巡测时
4、应小于30分钟，对单个测点的采样时间应小于3分钟。（2）测量的周期可根据工程的实际需要调整，在特殊情况下，可实现加测、补测等。（3）自动化监测系统应建立监控室，用于对整个系统的控制和数据管理。监控室的温度一般应保持在2030，湿度保持不大于85%。（4）系统可采用交流电作为工作电源，其工作电压为220V。（5）系统应有较高的可靠性，系统的故障率应低于5%，并能稳定可靠地工作。（6）数据采集装置的测量精度应满足有关规范和工程实际需要的要求，因此，应在精度、量程、稳定性、可靠性等方面选择合适的数据采集装置。,6.2 自动化监测系统设计,设计原则,（1）适应性 根据建筑物所处的环境条件、建筑结构和运
5、行工况的不同，在设计监测自动化系统时应有较强的针对性。对于重点监测项目和重要测点应优先纳入自动化监测系统中，技术成熟的项目优先实现自动化。（2）经济性 系统建设的造价应经济、合理，采用性价比高的仪器设备；同时，应尽可能考虑整套系统采用同一厂家的产品，以提高系统的兼容性、完整性，便于管理、维护和节约经费。（3）准确性 系统的测量数据应准确，精度满足相关规范的要求，在更换零部件时不影响数据的连续性。,（4）可靠性 监测设备选型应优先考虑选用技术先进、成熟、通过多个现场环境长期考核、质量合格的产品，设备的故障率应很低，长期稳定性好，可靠性高，具有在雷电、高温、高湿等恶劣环境下正常工作的长期可靠性，有
6、良好的防雷、防湿、耐高温等抗干扰能力。发生故障时能及时判断、报警，并迅速排除。为保证数据的连续可靠，系统应具有备用的人工观测手段。（5）开放性和通用性 系统应具有良好的开放性和兼容性。开放性是针对用户开放系统总线标准、系统数据采集单元的程控命令和数据格式，以及接入的任何种类标准信号传感器。系统应易于操作，人机界面友好。（6）统一性 数据采集系统和信息管理系统应相互兼容，即使采用不同的数据采集子系统，也应能实现监测信息的统一管理。,设计方案,监测系统的布置设计是安全监测设计的主要内容，由于自动化监测系统不仅测读快，测读及时，能够做到相关量同步测读，能够胜任多测点、密测次的要求，提供在时间上和空间
7、上更为连续的信息，而且测读准确性和可靠性高，因此，应普遍使用监测自动化系统。但是，监测自动化系统较为昂贵，对环境条件要求也比较高，因此，自动化系统的测点设置应以满足监测工程安全运行需要为主，纯粹为施工服务及为科学研究而设置的测点，原则上不纳入自动化系统。经多年的研制和开发，自动化监测系统的布置形成三大基本形式：集中式监测系统、分布式监测系统和混合式监测系统。,集中式,集中式系统是将传感器通过集线箱或直接连接到采集器的一端进行集中观测。在这种系统中，不同类型的传感器要用不同的采集器控制测量，由一条总线连接，形成一个独立的子系统。系统中有几种传感器，就有几个子系统和几条总线。所有采集器都集中在主机
8、附近，由主机存储和管理各个采集器数据。采集器通过集线箱实现选点，如直接选点则可靠性较差。,集中式监测系统的高技术部件均集中在机房，工作环境好，便于管理，系统重复部件少，相对投资也较少，但系统传输的是模拟量，易受外界干扰，系统风险集中，可靠性不高，技术复杂，电缆用量大，维护不便。,图6-1 集中式监测系统结构示意图,分布式,分布式数据采集系统通常由监测计算机、测控单元和传感器组成；根据不同监测任务需要而埋设的各类传感器通过一定的通信介质（一般为屏蔽电缆）接入布置其附近的测控单元；由测控单元按照采集程序的控制将监测数据转换、存储并通过数据通信网络发送至远方的监测计算机做深入分析和处理。,测控单元还
9、可以接收来自监测计算机的控制命令，将本身的工作状况以及传感器的工作状况发送给监测计算机，由操作员做出分析判断以及时排除系统中硬件设备的故障。因此，虽然系统设备的类型与集中式无大的差别，但是由于测控单元与集中式结构中的测控单元相比有了本质的变化，且系统中数据传输多为数字量信号，使得分布式系统在诸如测量精度、速度、可靠性和可扩展性上比集中式系统有了显著提高。,分布式系统是把数据采集工作分散到靠近较多传感器的采集站(测控单元)来完成，然后将所测数据传送到主机。这种系统要求每个观测现场的测控单元应是多功能智能型仪器，能对各种类型的传感器进行控制测量。分布式监测系统传输的是数字量，传输距离长，精度高，风
10、险分散，可靠性高，技术简单，电缆用量小，布置灵活，观测速度快，但系统重复部件多，投资相对较大。,图6-2 分布式监测系统结构示意图,混合式,混合式是介于集中式和分布式之间的一种采集方式。它具有分布式布置的外型，而采用集中方式进行采集的系统。设置在仪器附近的遥控转换箱类似于MCU，汇集其周围的仪器信号，但不具有MCU的A/D转换和数据暂存功能，故其结构比MCU简单。转换箱仅是将仪器的模拟信号汇集于一条总线之中，然后传到监控室进行集中测量和A/D转换，然后将数字量送入计算机进行存储处理。,混合式数据采集方式中转换箱只能起汇集周围仪器信号的作用，此种方式关键问题是既经济又可靠地解决了模拟量长距离传输
11、技术；目前国内传输距离一般在1000m2000m内，模拟量传输距离一般不能大于2000m，与分布式比较，造价可省约1/3左右。由于转换箱结构简单，维修方便，在恶劣气候条件下，比MCU产生的故障路率低，所以此种方式适应于大规模、测点数量多，相对集中的监控系统。,网络集成式,网络集成式结构是对分布式结构在开放性和标准化的方向上做出本质改变的系统结构，它在现今的企业管理控制一体化的应用需求中已经发挥着巨大的作用。网络集成式结构突破了分布式结构中因专用网络的封闭造成的缺陷，改变了分布式结构系统中模拟、数字信号混合，一个简单控制系统的信号传递需历经从现场到控制室，再从控制室到现场的往返专线传递过程。随着
12、网络信息化和安全性的提高，接入Internet 的管理层可以为远方的专家和上级管理部门提供远程观测分析建筑物安全状况的手段，提高安全状况分析的效率。,图6-3 网络集成式监测系统结构示意图,系统组成,（1）电缆监测系统的不同部位和不同仪器需要联接不同规格的电缆。电缆选型和敷设是确保监测仪器和系统正常运行的基础，因此，必须予以足够的重视。电缆选型要充分了解电缆结构及信号传输和工作环境对电缆的要求，并根据实际情况进行试验分析。电缆敷设要注意对每一个环节进行严格的质量控制，避开不利的区域。,（2）传感器传感器是感应建筑物变形、渗流、应力、温度等各种物理量的仪器设备，它将测量到的模拟量、数字量、脉冲量
13、、状态量等信号输送到采集站。传感器种类可分为：电阻式、电感式、电容式、振弦式、调频式、压阻式、变压器式、电位器式等。土木工程监测中常用的传感器包括渗压计、渗流量计、垂线仪、倾斜仪、测缝计、锚杆应力计、钢筋计、应变计、温度计等各种仪器。应选择其中对监控工程安全起重要作用且人工观测又不能满足要求的关键测点纳人自动化观测系统。所有纳入自动化系统的仪器，都应预先经过现场观测值可靠性鉴定，证明其工作性态正常。,（3）采集站采集站由测控单元组成，并根据仪器分布情况决定其布置，一般设在较集中的仪器测点附近。采集站根据确定的观测参数、计划和顺序进行实际测量、计算和存储，并有自检、自动诊断功能和人工观测接口。采
14、集站除与主机通讯外，还可定期用便携式计算机读取数据。根据确定的记录条件，将观测结果及出错信息与指定监测分站或其他测控单元进行通信。能选配不同的测量模块或板卡，以实现对各种类型传感器的信号采集。检测指定的报警条件，一旦报警状态或条件改变则通知指定的监测分站。将所有观测结果保存在缓冲区中，直到这些信息被所有指定监测分站明确无误地接收完为止。管理电能消耗，在断电、过电流引起重启动或正常关机时，保留所有配置设定的信息。具有防雷、抗干扰、防尘、防腐，适用于恶劣温湿度环境。采集系统的运行方式主要分中央控制式(应答式)及自动控制式(自报式)，必要时也可采用任意控制式。,（4）监测分站一般根据建筑物规模及布置
15、情况决定，应避免强电磁干扰。如系统规模较小，也可以不设分站。监测分站的主要功能是启动测量系统，自动采集数据，实现数据的通讯和传输，可对监测数据检查校核，包括软硬件系统自身检查、数据可靠性和准确度检查及数学模型检查。可进行测量数据的存储、删除、插人、记录、显示、换算、打印、查询及仪器位置、参数工作状态显示等操作，对建筑物的安全状况实行监控、预报及报警。,（5）监测总站一个工程设一个总站，即现场安全监控中心。应有足够的设备和工作空间，良好的照明、通风和温控条件。监测总站除监测分站功能外，还应具有图像显示、工程数据库及其数据管理功能。能将各监测分站数据和人工监测数据汇集到总站数据库内，建立安全监控数
16、学模型，并进行影响因素分解及综合性的分析、预报和安全评价。,（6）管理中心 即需要远传观测数据的上级领导单位。,6.3 通用分布式测量控制单元（MCU）原理及应用,工作原理,MCU是分布式数据采集网络的节点装置，由密封机箱、智能控制模块CPU电路板、电源模块电路板、各测量模块电路板和加热模块电路板等构成。电源模块由隔离变压器、电源板、蓄电池组、电源开关组等组成。它将交流电变换成直流电并进行稳压，其中的两组充电电路，分别给12V/7.2AH和24V/7.2AH两组蓄电池充电。在无交流电源或线路发生故障的情况下，蓄电池组将自动地投入工作。模块设有休眠功能，故能降低功耗。,控制模块,控制模块CPU电
17、路板由单片微处理器80C31、时钟电路、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、看门狗电路、通讯接口电路、V/F转换电路、电源控制电路以及键盘显示接口电路等组成，是MCU的核心部分，主要完成对仪器的供电控制、数据测量、转换、预处理、存储和传输等功能。,测量模块板的功能,把监测仪器（传感器）所感受到的非电量值，转换成符合一定标准的电压、电流、频率或TTL电平信号，然后经总线母板传送给控制模块CPU板。每一类型的测量模块电路板联接一定数量的相应类型的监测仪器。在每个测量模块上，通过DIP开关可选择该模块的仪器类型和接入监测仪器的数量，控制模块能够自动识别，并生成监测仪器类型编码和测点编码，以便
18、监测数据的入库。,特点,该装置采用冗余、并联、减额等措施，使用先进的测量技术，实现差阻式、钢弦式仪器远距离高精度测量，能消除4/5芯差阻式仪器的芯线电阻和长电缆电阻对测量的影响。其中红外脉冲、双照准和双基准技术实现了步进式仪器的高精度、高可靠测量；交流桥路不平衡测量技术实现了差动电容式仪器的测量。,图6-4 MCU测量原理图,图6-5 通用分布式MCU结构示意图,主要功能,（1）控制功能 MCU可接受CCU（中央控制装置）或笔记本电脑的命令，实现以下功能：中央控制方式的巡测或选测；自动控制方式的巡测；在CCU出现故障、线路故障或断电情况下，自动利用自备电源继续实现定时测量等功能。（2）测量功能
19、 根据控制程序自动对所接入的传感器进行巡测（逐点依次自动测量并存储数据）或选测（对选定的某一测点进行测量）。,（3）计时和定时功能 设置的实时时钟电路，可供用户查询和修改时间，或设定起始测量时间和测量时间间隔。（4）通讯功能 可与CCU中央控制装置或笔记本电脑实现双向通讯。（5）供电功能 MCU的备用电源，能在外部电源中断的情况下自动投入工作，平时则处于浮充状态。电源电路设有过压和欠压保护措施，以防止电池组过充电或过放电，提高了电池组的使用寿命。（6）雷电保护 在电源、通讯和传感器接口的入口处均设有防雷保护电路，以防止感应雷电流对内部电路造成损坏，保证MCU长期可靠地工作。另外，该装置还具有差
20、阻式、步进式、差动电容式和差动电磁式仪器的自校功能，可输出自校基准测值，用以检验这类仪器测值的可靠性。,应用实例,飞来峡水利枢纽大坝安全监测自动化系统，是目前国内已建成的水利枢纽安全监测项目齐全、仪器种类多、自动化程度很高的大坝安全监测自动化系统。32台MCU就地接入了400余台（支）国内外优秀厂家生产的最先进的传感器。高度的自动化使观测班的4名工作人员，完成了几十个人难以完成的工作量。,自1999年3月30日蓄水并正式投入运行以来，该系统为管理单位取得了大量的安全监测数据。这些数据，对于掌握大坝的运行状况、了解各建筑物的安全性态起到了非常重要的作用；在防洪调度中，为领导决策提供有力的科学依据
21、。,图6-6 飞来峡大坝安全监测自动化系统示意图,6.4 安全监测自动化系统设计示例,工程概况,彭水水电站最大坝高116.5m，总装机1750MW，具有工程规模大、综合效益显著、技术复杂、自动化要求高等特点。鉴于彭水水电站的重要性，无论在施工期、蓄水期和运行期都应确保工程的高度安全。安全监测系统的设计，不仅要结合彭水水电站的工程特点，还要充分考虑当前工程安全监测技术的发展现状，力求采用先进的监测手段，以便及时、准确地掌握建筑物及其基础从建设到运行全过程的性状演变，并能向业主迅速反馈有关信息，为业主分析、评价工程安全和决策提供可靠依据。监测设计力求做到施工期与永久监测相结合，仪表量测与人工巡查相
22、结合，人工采集与自动化半自动化采集相结合。监测系统的重点为变形和渗流。,设计目的,以确保各类建筑物在施工期、蓄水期和运行期的安全为主要目的，同时兼顾验证设计、指导施工等需要。通过对各类建筑物整体状态全过程持续的监测，采集建筑物的变形、渗流、应力、应变、温度的初始值、基准值和各阶段变化过程的数据，及时进行分析与评价。对危及建筑物的不安全因素及时提出处理措施，为有关部门决策提供依据。通过安全监测提供的有效数据，检验设计方案的正确性，施工质量是否满足设计要求。施工期的监测，还可以检验施工和措施是否符合设计意图，也可以检验某些设计是否符合实际，从而为改进和完善施工方法和措施，优化和完善设计服务 以达到
23、设计、施工动态结合及不断优化的目的。,设计原则,根据该工程结构特点和地质条件，确定安全监测的总原则为“突出重点，兼顾全面，统一规划，逐步实施”。选取工程中有代表性的部位作为重要部位（断面），其他部位为一般部位（断面）。重要部位（断面）观测项目齐全，仪器布置相对集中，对重要的效应量采取多种方法平行进行观测。一般部位（断面）以重要物理量为主，仅布置少量仪器和测点，以掌握工程的整体工作状态或施工过程中出现的新情况。监测系统作为一个有机整体，必须在工程开始施工前进行统一规划。,监测系统总体组成,该工程安全监测系统是一个由多类建筑物、多种监测项目和数以千计的监测仪器、设备和计算机硬、软件组成的复杂而庞大
24、的信息采集、管理、分析、评价和反馈系统。总体结构可以概括为：“一个整体系统，三个子系统；三大环节，三级监控；设计单位提供技术支持，业主单位决策”。,图6-7 彭水水电站工程安全监测系统结构,主要监测项目和设施,（1）变形监测。监测内容包括水平位移、垂直位移、坝基倾斜、洞室收敛、基岩变形和坝体挠度等，主要监测设施包括外观变形测点、正垂线、倒垂线、静力水准、基岩变形计、多点位移计、测斜管、倾斜仪等。（2）渗流监测。监测内容包括渗流量、扬压力、坝体渗压、绕坝渗流和水质分析等。主要监测设施包括测压管、渗压计、量水堰、水质分析设备等。（3）应力应变监测。监测内容包括坝踵、坝趾应力、混凝土自身体积变化、钢
25、筋应力、预应力、接合缝开度、裂缝发展及温度分布等。主要监测设施包括应变计、无应力计、钢筋计、温度计、测缝计、位错计、裂缝计、锚杆应力计、锚索测力计等。,（4）水力学监测。监测内容包括水位、流态、动水压力、流速、泄流量、空蚀空化、水面线、水舌、冲坑及下游冲刷情况、下游雾化等。主要监测设施包括水尺、压力传感器、流速仪、水听器等。（5）动力监测。监测内容包括动荷载作用下建筑物的动力反应及动态特性的时空变化。主要监测仪器为强震仪及配套设施。（6）其它监测项目。监测内容包括上下游水位、气温、变形监测网、岩体爆破振动高边坡等监测项目。主要监测设施包括遥测水位计、气温计、变形监测网点、声波监测设备等。,自动
26、化系统的组成与结构,该工程自动化监测系统是一个很大的信息网络系统，采用3级监控、一级决策和技术支持的分级结构模式，系统层次分明，各级任务明确，便于进行操作、管理和统一调控。整个系统由大坝监测子系统、地下电站监测子系统、通航建筑物子系统和强震监测子系统组成，采用开放型分层分布式智能化网络结构；,整个系统分为3个监控层次；第1层监控是将分布于大坝、地下电站和通航建筑物的各类传感器就近引入相应的MCU（测量控制单元），由测量控制单元进行第1级监控；第2层监控是将分布于各部位的MCU及强震监测子系统接入建筑物监控站，由建筑物监控站进行第2级监控；第3层监控是将各建筑物监控站接入彭水水电站办公大楼内的安全监控中心，由安全监控中心进行第3级监控。,图6-8 彭水水电站安全监测自动化系统结构,系统运行方式,（1）中央控制方式（应答式）。按建筑物监控站或安全监控中心监控主机命令，所有MCU同时巡测或指定单台单点测量（选测），测量完毕将数据存于MCU或计算机中。（2）自动控制方式（自报式）。由各台MCU按设定时间自动进行巡测、存储，并将所测数据送到监控主机。（3）特殊控制方式。出现特殊情况时，安全监控中心可以根据某个MCU的测值状态，决定对系统中的任意接点进行通信和控制。监测数据的采集方式可为常规巡测、检查巡测、定时巡测、常规选测、检查选测、人工测量等。,
