樅陽閘自動化控制系統(tǒng)運行中存在的問題及改進措施

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目運行效率、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，達到更加精準(zhǔn)和及時的操作[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)定運行，進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，以樅陽閘為例進行具體的分析和改進策略設(shè)計。

1 水閘自動化系統(tǒng)常見的問題分析

不同水利工程項目的具體情況不同，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)計問題、硬件問題、軟件問題和維護問題等方面。

1.1 水閘自動化系統(tǒng)的設(shè)計問題

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

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)備是計算機或者大型集控處理設(shè)備。為了實現(xiàn)和各個控制室、被控終端的聯(lián)系，自動化系統(tǒng)會構(gòu)建一個完整的通信網(wǎng)絡(luò)，這就涉及到服務(wù)器設(shè)備、交換機設(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)控攝像機，以保障可視化影響的實時傳送。因為硬件設(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，是運行在主控計算機上的主控程序，其和各個其他程序保留著數(shù)據(jù)交換和控制指令發(fā)送的接口。其他獨立運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)進行修訂。

1.4 水閘自動化系統(tǒng)的維護問題

水閘自動化系統(tǒng)配置了豐富的軟件和硬件，在運行過程中必須要進行定期維護。對于大多數(shù)硬件設(shè)備，定期的檢查和維護是確保硬件安全、增加硬件使用壽命的有效手段。對于一些軟件，在開機時進行自檢可以保證運行過程的數(shù)據(jù)溢出和程序跑飛。但是，一旦這種維護不夠及時、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人員和隊伍，負責(zé)水閘自動化系統(tǒng)的日常維護工作，對硬件和軟件進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際運用中，為安慶市廣濟圩內(nèi)菜子湖的防洪、排澇、抗旱和灌溉發(fā)揮了巨大作用。樅陽閘上下游的實景照片，如圖1 和圖2 所示。

圖1 樅陽閘上游的實景照片

為實現(xiàn)工程管理自動化、信盧化的目標(biāo)，從實際出發(fā)，在2002 年除險加固建設(shè)中，配置了樅陽閘啟閉集中控制的計算機監(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 日通過竣工驗收。特別是系統(tǒng)本身具備自檢與故障報警功能，在很大程度上方便了閘門的開關(guān)，減輕了勞動強度，確保水閘安全運行，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)濟效益作用。

樅陽閘自動化控制系統(tǒng)技術(shù)上比較先進，具備測量精確、操作簡單和工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。但在實際運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)域遭強雷電襲擊，包括電腦主機、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，主要原因為：本地是雷電災(zāi)害較多的地區(qū)，夏季5～9 月之間，雷暴天氣襲擊的強度較大，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，雷電電流強度最大可以達到數(shù)百萬安培。這樣強大的電流，可以直接擊穿被接觸的用電器和各種設(shè)備。同時，強大的雷電電流可以形成強大的電磁輻射場，其場強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)境達不到設(shè)備運行的條件要求

設(shè)備運行條件是室內(nèi)溫度不超過40 ℃，室外溫度不超過45 ℃。由于樅陽閘啟閉機房為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，盛夏時啟閉機房室內(nèi)封閉時溫度遠高于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，只能寄送該所進行維修，這樣做最大的缺點一是維修時間長，即使是特快郵寄，至少也要10 d 左右；二是價格昂貴，由于所有電子產(chǎn)品均由該所獨家生產(chǎn)提供，市場上很難買到與之相匹配的零部件，價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)的接地可采用多點與浮地接地。多點接地是把分散控制系統(tǒng)（DCS）系統(tǒng)中的各個部分的地線分開接地，包括計算機的地線、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出連接，這個特殊的點位稱為中性點。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措施。集中控制系統(tǒng)的防雷屏蔽可以采用3 個方面同時實施：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?？刂剖覒?yīng)是無窗的封閉結(jié)構(gòu)，將房屋墻壁中的結(jié)構(gòu)鋼筋交點處電氣連接，并與金屬門框焊接，構(gòu)成一個帶門開口的屏蔽籠，在室內(nèi)沿墻壁四周再做一圈保護接地環(huán)（接入防雷地），接地環(huán)與屏蔽籠進行有效的電氣連接。

對于控制室的屏蔽籠的設(shè)計，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)計效果

從圖4 中可以看出，為了實現(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)計效果，整個封閉籠只有一個門可進出，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）實現(xiàn)防雷屏蔽，儀表箱（罩）要與其他現(xiàn)場的金屬設(shè)施實現(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，也要執(zhí)行全封閉的金屬層設(shè)計，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 其他改進措施

在進行電纜走線橋架和控制柜位置設(shè)計時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)各點之間電位差大致不變，從而保護設(shè)備。

采購部門在對DCS 選型時，要認真按照水利行業(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)運行條件的各項指標(biāo)。

在購置新系統(tǒng)時同時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。

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

4 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟及科學(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)存在的問題進行了深入分析，并從接地、屏蔽等方面提出了具體改進措施，以期為水利工程項目發(fā)展提供參考。