宋東國

（安慶市長江河道管理處三分處，安徽 安慶 246000）

水閘自動化控制對于提升水利工程項(xiàng)目運(yùn)行效率、工作能力具有重要意義[1]。因此，國內(nèi)外的大中型水閘，普遍建立了自動化控制系統(tǒng)[2]。自動化控制技術(shù)和系統(tǒng)在水閘中的應(yīng)用提升了水閘運(yùn)行的智能化、高效化。通過自動化控制系統(tǒng)，水閘可以根據(jù)水位的變化自動地調(diào)整蓄能、防洪和排澇的控制策略，達(dá)到更加精準(zhǔn)和及時(shí)的操作[3]。但是，水閘的自動化控制系統(tǒng)也面臨著很多問題，只有進(jìn)行準(zhǔn)確地分析和妥善地處理，才能保障水閘自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而確保水閘的正常工作。本文在分析水閘自動化系統(tǒng)常見問題的基礎(chǔ)上，以樅陽閘為例進(jìn)行具體的分析和改進(jìn)策略設(shè)計(jì)。

1 水閘自動化系統(tǒng)常見的問題分析

不同水利工程項(xiàng)目的具體情況不同，因此其水閘自動化系統(tǒng)也有所差異。但是，水閘自動化系統(tǒng)也會表現(xiàn)出一些共性的常見問題，主要集中在設(shè)計(jì)問題、硬件問題、軟件問題和維護(hù)問題等方面。

1.1 水閘自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題

水閘自動化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)的問題，是最為嚴(yán)重的一類問題，在后續(xù)很難進(jìn)行妥善處理。之所以會出現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，可能有很多種原因，例如：對自身水閘項(xiàng)目的實(shí)際情況不夠了解，盲目引入其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方案；設(shè)計(jì)人員的水平和能力不足，導(dǎo)致出現(xiàn)設(shè)計(jì)問題；由于設(shè)計(jì)人員的疏忽，導(dǎo)致出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯誤。設(shè)計(jì)問題的解決只能通過設(shè)計(jì)方案的詳細(xì)審查、設(shè)計(jì)過程中提升設(shè)計(jì)人員的專注程度、多級管理和交叉校驗(yàn)等方式解決。

1.2 水閘自動化系統(tǒng)的硬件問題

水閘自動化系統(tǒng)是一個(gè)大型的、復(fù)雜的控制系統(tǒng)，包含著眾多的硬件設(shè)備。其中的核心設(shè)備是計(jì)算機(jī)或者大型集控處理設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)和各個(gè)控制室、被控終端的聯(lián)系，自動化系統(tǒng)會構(gòu)建一個(gè)完整的通信網(wǎng)絡(luò)，這就涉及到服務(wù)器設(shè)備、交換機(jī)設(shè)備的應(yīng)用。為了獲得各種有效的數(shù)據(jù)和參數(shù)，水閘自動化系統(tǒng)還要使用各種儀器儀表，在關(guān)鍵位置處還要配置監(jiān)控?cái)z像機(jī)，以保障可視化影響的實(shí)時(shí)傳送。因?yàn)橛布O(shè)備較多，所以硬件問題也是水閘自動化系統(tǒng)最為常見的問題，一旦出現(xiàn)此類問題，就要逐一排查，有針對性地維修和更換。

1.3 水閘自動化系統(tǒng)的軟件問題

水閘自動化系統(tǒng)中硬件構(gòu)成復(fù)雜，這些硬件的有效控制又離不開相應(yīng)的軟件。因此，軟件一旦出現(xiàn)問題，也會影響到硬件的使用，進(jìn)而影響到水閘自動化系統(tǒng)的整體工作效果。最核心的軟件部分，是運(yùn)行在主控計(jì)算機(jī)上的主控程序，其和各個(gè)其他程序保留著數(shù)據(jù)交換和控制指令發(fā)送的接口。其他獨(dú)立運(yùn)行的硬件終端和硬件設(shè)備，包括一些專門的儀器儀表，也都配置自己的控制程序。無論是主控程序還是其他設(shè)備的控制程序，出現(xiàn)問題時(shí)都要逐一排查并更改修訂。程序修訂過程中，要注意和本程序關(guān)聯(lián)的其它程序也要對應(yīng)進(jìn)行修訂。

1.4 水閘自動化系統(tǒng)的維護(hù)問題

水閘自動化系統(tǒng)配置了豐富的軟件和硬件，在運(yùn)行過程中必須要進(jìn)行定期維護(hù)。對于大多數(shù)硬件設(shè)備，定期的檢查和維護(hù)是確保硬件安全、增加硬件使用壽命的有效手段。對于一些軟件，在開機(jī)時(shí)進(jìn)行自檢可以保證運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)溢出和程序跑飛。但是，一旦這種維護(hù)不夠及時(shí)、不夠全面，就可能引發(fā)水閘自動化系統(tǒng)的使用問題。解決此類問題的關(guān)鍵，在于配置專職的維護(hù)人員和隊(duì)伍，負(fù)責(zé)水閘自動化系統(tǒng)的日常維護(hù)工作，對硬件和軟件進(jìn)行定期和不定期的檢查，以確保水閘自動化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 樅陽閘自動化集控系統(tǒng)存在的問題及原因分析

2.1 樅陽閘自動化控制系統(tǒng)概述

樅陽閘在五十多年的實(shí)際運(yùn)用中，為安慶市廣濟(jì)圩內(nèi)菜子湖的防洪、排澇、抗旱和灌溉發(fā)揮了巨大作用。樅陽閘上下游的實(shí)景照片，如圖1 和圖2 所示。

圖1 樅陽閘上游的實(shí)景照片

為實(shí)現(xiàn)工程管理自動化、信盧化的目標(biāo)，從實(shí)際出發(fā)，在2002 年除險(xiǎn)加固建設(shè)中，配置了樅陽閘啟閉集中控制的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該套系統(tǒng)于2002 年4 月8日開始安裝，2002 年6 月9 日通過竣工驗(yàn)收。特別是系統(tǒng)本身具備自檢與故障報(bào)警功能，在很大程度上方便了閘門的開關(guān)，減輕了勞動強(qiáng)度，確保水閘安全運(yùn)行，在安全度汛中起到了不可忽視的作用。系統(tǒng)安裝至今，近20 年間共運(yùn)行約1 000 多次，在防洪、排澇、引水及蓄水抗旱中發(fā)揮了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益作用。

樅陽閘自動化控制系統(tǒng)技術(shù)上比較先進(jìn)，具備測量精確、操作簡單和工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際運(yùn)行過程中任然存在著一些問題，主要表現(xiàn)在以下方面。

2.2 系統(tǒng)元件易遭雷電電磁脈沖損壞

2010 年9 月13 日，樅陽閘周圍區(qū)域遭強(qiáng)雷電襲擊，包括電腦主機(jī)、閘門開度儀和荷重儀等電器元件遭雷擊壞，自動化系統(tǒng)幾乎癱瘓，主要原因?yàn)椋罕镜厥抢纂姙?zāi)害較多的地區(qū)，夏季5～9 月之間，雷暴天氣襲擊的強(qiáng)度較大，現(xiàn)有的防范措施只能防御直擊雷的侵襲。雷暴天氣下，雷電會產(chǎn)生較大的電流，雷電電流強(qiáng)度最大可以達(dá)到數(shù)百萬安培。這樣強(qiáng)大的電流，可以直接擊穿被接觸的用電器和各種設(shè)備。同時(shí)，強(qiáng)大的雷電電流可以形成強(qiáng)大的電磁輻射場，其場強(qiáng)可以干擾其中的任何電器裝置和電器元件。電器元件受到干擾，則會造成元器件的損壞。

2.3 系統(tǒng)的工作環(huán)境達(dá)不到設(shè)備運(yùn)行的條件要求

設(shè)備運(yùn)行條件是室內(nèi)溫度不超過40 ℃，室外溫度不超過45 ℃。由于樅陽閘啟閉機(jī)房為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，盛夏時(shí)啟閉機(jī)房室內(nèi)封閉時(shí)溫度遠(yuǎn)高于40 ℃以上，高于設(shè)備工作要求。致使電器設(shè)備易老化、損壞，從而影響閘門的啟閉。

2.4 系統(tǒng)電器儀表維修更新不便

樅陽閘閘門集控系統(tǒng)由徐州市電子研究所設(shè)計(jì)安裝，電器、儀表損壞后市場上很難買到相匹配的原件。一旦損壞，只能寄送該所進(jìn)行維修，這樣做最大的缺點(diǎn)一是維修時(shí)間長，即使是特快郵寄，至少也要10 d 左右；二是價(jià)格昂貴，由于所有電子產(chǎn)品均由該所獨(dú)家生產(chǎn)提供，市場上很難買到與之相匹配的零部件，價(jià)格往往也由供貨方敲定。

3 樅陽閘自動化控制系統(tǒng)的改進(jìn)措施及建議

3.1 接地處理

樅陽閘自動化集控系統(tǒng)的接地可采用多點(diǎn)與浮地接地。多點(diǎn)接地是把分散控制系統(tǒng)（DCS）系統(tǒng)中的各個(gè)部分的地線分開接地，包括計(jì)算機(jī)的地線、變送器的地線、儀表的地線、執(zhí)行器的地線、其他裝置和設(shè)備的地線等。多點(diǎn)接地最突出的優(yōu)勢就是可以根據(jù)不同系統(tǒng)模塊和組成部分的位置差異，進(jìn)行就近接地，避免了多條電線牽引到一起。這就在相當(dāng)程度上避免了個(gè)別引線過長所引發(fā)的各種干擾。

DCS 的電源系統(tǒng)主要采用TN-S 系統(tǒng)的接地方式，這種方式只保留了中性線和地線在一點(diǎn)出連接，這個(gè)特殊的點(diǎn)位稱為中性點(diǎn)。在這樣的處理方式下，中性線和地線沒有任何其他的連接，從而帶來了更大的安全性。DCS 的電源系統(tǒng)的可靠地線處理，如圖3 所示。

圖3 DCS 系統(tǒng)的可靠地線處理

3.2 屏蔽處理

水閘集中控制系統(tǒng)采用大量半導(dǎo)體器件、集成電路和傳遞信號的電纜，由雷擊產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁脈沖可以直接輻射到這些元器件上，也可以在電源或信號線上感應(yīng)出瞬態(tài)過電壓波，沿線路侵入電子設(shè)備，使電子設(shè)備工作失靈或損壞。利用屏蔽體來阻擋或衰減電磁脈沖的能量傳播是一種有效的防護(hù)措施。集中控制系統(tǒng)的防雷屏蔽可以采用3 個(gè)方面同時(shí)實(shí)施：控制室屏蔽、現(xiàn)場儀表屏蔽、信號線和電源線屏蔽。

3.2.1 控制室屏蔽

控制室（電子間）是DCS 系統(tǒng)的心臟，對雷電產(chǎn)生的電磁脈沖十分敏感，需要特別注意其屏蔽問題。控制室應(yīng)是無窗的封閉結(jié)構(gòu)，將房屋墻壁中的結(jié)構(gòu)鋼筋交點(diǎn)處電氣連接，并與金屬門框焊接，構(gòu)成一個(gè)帶門開口的屏蔽籠，在室內(nèi)沿墻壁四周再做一圈保護(hù)接地環(huán)（接入防雷地），接地環(huán)與屏蔽籠進(jìn)行有效的電氣連接。

對于控制室的屏蔽籠的設(shè)計(jì)，其封閉形態(tài)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 控制室的屏蔽籠設(shè)計(jì)效果

從圖4 中可以看出，為了實(shí)現(xiàn)樅陽閘自動化控制系統(tǒng)控制室對于電磁脈沖的完全屏蔽，最有效的方法就是全密閉的封閉設(shè)計(jì)效果，整個(gè)封閉籠只有一個(gè)門可進(jìn)出，沒有窗戶等其他結(jié)構(gòu)。

3.2.2 現(xiàn)場儀表屏蔽

現(xiàn)場儀表屏蔽可采用金屬的儀表箱（罩）實(shí)現(xiàn)防雷屏蔽，儀表箱（罩）要與其他現(xiàn)場的金屬設(shè)施實(shí)現(xiàn)等電位連接，并接入防雷接地系統(tǒng)。對重要儀表的屏蔽，可以采用特制的金屬殼體進(jìn)行外包屏蔽，屏蔽殼體的示意情況如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，對于關(guān)鍵儀表的屏蔽殼體設(shè)計(jì)，也要執(zhí)行全封閉的金屬層設(shè)計(jì)，這樣可以最大限度地避免外界的電磁干擾。

圖5 金屬屏蔽殼體

3.2.3 信號線和電源線屏蔽

為了防止雷電電磁脈沖在信號或電源線路上感應(yīng)出瞬態(tài)過電壓波，所有的信號線及低壓電源線都應(yīng)采用有金屬屏蔽層的電纜。信號線的屏蔽效果如圖6所示。

圖6 信號線的屏蔽效果

從圖6 可以看出，經(jīng)過屏蔽處理的信號線與一般的信號線處理不同，線芯和絕緣層之間，加了一層金屬漆皮，這一層金屬漆皮就起到了屏蔽的效果。

3.3 其他改進(jìn)措施

在進(jìn)行電纜走線橋架和控制柜位置設(shè)計(jì)時(shí)要盡量避免靠近建筑物防直接雷裝置的引下線，控制柜和操作站也要和窗戶、門口保持一定的距離。

按實(shí)用性、發(fā)生雷擊事故的可能性和后果，在必要的地方合理配置浪涌吸收器（SPD）。其是一種限制瞬態(tài)過電壓和分走電涌電流的器件，能在最短時(shí)間內(nèi)將線路上因感應(yīng)雷產(chǎn)生的浪涌電流釋放到地網(wǎng)，使建筑物內(nèi)各點(diǎn)之間電位差大致不變，從而保護(hù)設(shè)備。

采購部門在對DCS 選型時(shí)，要認(rèn)真按照水利行業(yè)有關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)要求，必須要考慮水閘自動化疾控系統(tǒng)的電磁兼容性及系統(tǒng)運(yùn)行條件的各項(xiàng)指標(biāo)。

在購置新系統(tǒng)時(shí)同時(shí)要考慮同型號的電器、儀表等零部件在市場上便于購買，便于管理和維修。

定期對操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，提高其業(yè)務(wù)水平，系統(tǒng)所使用的計(jì)算機(jī)要求專機(jī)、專人和專用。

4 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水閘自動化系統(tǒng)的合理配置對于該流域的灌溉、防洪等起著非常重要的作用，而對運(yùn)行中存在和急需解決的問題，需要引起管理者的高度重視和上級主管部門的大力支持，這樣才能更好地服務(wù)水利、造福于人民。本文針對樅陽閘自動化集控系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了深入分析，并從接地、屏蔽等方面提出了具體改進(jìn)措施，以期為水利工程項(xiàng)目發(fā)展提供參考。