淺談水閘自動(dòng)化控制的環(huán)境建設(shè)

郭 貴

一、前言

水閘是水利工程體系中重要的控制建筑物，是科學(xué)管理、調(diào)度洪水、保障水資源供給的主要手段之一。水閘自動(dòng)化系統(tǒng)是指借助自動(dòng)化控制技術(shù)和信息化技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水閘的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、圖像監(jiān)控和自動(dòng)控制的系統(tǒng)。水閘自動(dòng)化系統(tǒng)主要由一次和二次供電設(shè)備、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、自動(dòng)化儀表傳感器、視頻采集設(shè)備等組成。這些設(shè)備是否能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行與其所處環(huán)境中的溫度、濕度、電磁干擾以及電源安全和雷擊浪涌等因素密切相關(guān)。因此影響水閘自動(dòng)化的外部環(huán)境主要因素在于供電環(huán)境、機(jī)房環(huán)境、防雷接地等。本文以安徽省淮河河道管理局窯河閘水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)為例進(jìn)行深入分析，并針對(duì)性地提出解決方案。

二、現(xiàn)狀分析

安徽省淮河河道管理局窯河閘位于安徽省淮南市大通區(qū)窯河鎮(zhèn)，地處淮河中游，是高塘湖的控制水閘。氣候上處于亞熱帶、溫帶過(guò)度地區(qū)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，梅雨明顯，雨季集中，年均雷爆天數(shù)31.6d。為減少濕度大、雷擊頻率高等外部不利環(huán)境因素帶來(lái)的影響，需針對(duì)性地考慮水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)的環(huán)境建設(shè)方案。

1.供電環(huán)境現(xiàn)狀分析

供電電源由供電部門(mén)引入10kV 高壓，在閘上布置專(zhuān)用變壓器和低壓配電柜，并配置柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源；現(xiàn)有供電回路均采用TN-C 供電系統(tǒng)，即“三相四線(xiàn)制”供電系統(tǒng)，工作零線(xiàn)和保護(hù)零線(xiàn)共用，這種供電系統(tǒng)只適用于三相平衡，并且無(wú)易燃易爆的場(chǎng)合。如果三相不平衡，零線(xiàn)PEN 就會(huì)帶電，那么外殼就會(huì)帶電，存在安全隱患。從外部供電環(huán)境看，窯河閘供電可靠性相對(duì)有保障，但采用了相對(duì)不安全的供電系統(tǒng)。

2.機(jī)房環(huán)境現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有機(jī)房與控制室布置在一起，房間南北有窗戶(hù)，沒(méi)有防火門(mén)，無(wú)法控制環(huán)境溫濕度和灰塵，防火防盜措施欠缺；機(jī)房供電采用市電直接接入，沒(méi)有電源防護(hù)和后備電源；機(jī)柜布置在普通地板上，僅有外殼接地，無(wú)法屏蔽電磁干擾和解決靜電對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響。

3.防雷和接地現(xiàn)狀分析

由于窯河閘處于雷電多發(fā)區(qū)域，雷電會(huì)對(duì)水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)產(chǎn)生巨大危害，其具體途徑有靜電感應(yīng)、電感性耦合、反擊、電磁場(chǎng)耦合。而水閘自動(dòng)化系統(tǒng)中存在大量集成電路，這些集成電路內(nèi)部絕大部分元器件的間隔很小，很低的過(guò)電壓都會(huì)造成反擊閃絡(luò)，同時(shí)控制系統(tǒng)中主要的元器件工作電壓為5V 或24V，任何超過(guò)工作電壓的沖擊（如雷擊過(guò)電壓）都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)作出錯(cuò)或永久性破壞。

窯河閘現(xiàn)有防雷措施主要為外部防雷措施，即接閃器（避雷針）、引下線(xiàn)、極地裝置。缺少防雷浪涌保護(hù)器、屏蔽隔離和完整的接地系統(tǒng)等內(nèi)部防雷措施。

三、對(duì)策分析

1.提高供電環(huán)境穩(wěn)定性和可靠性

（1）供電環(huán)境可靠性

為增強(qiáng)電源的可靠性，水閘的供電應(yīng)采用10kV高壓雙回路供電。正常情況下雙回路采用分列運(yùn)行方式，即一回路運(yùn)行，另一回路帶電備用，以保證供電電源的連續(xù)性和可靠性。

（2）供電回路安全性

為解決供電回路的安全性，必須將原有TN-C系統(tǒng)改為T(mén)N-S 系統(tǒng)，即工作零線(xiàn)N 和專(zhuān)用保護(hù)線(xiàn)PE 嚴(yán)格分開(kāi)的接線(xiàn)方式。由于現(xiàn)狀情況下柴油發(fā)電機(jī)向二次回路供電的電纜為4 芯，無(wú)法直接改造為T(mén)N-S 系統(tǒng)，因此采用TN-C-S 系統(tǒng)，即發(fā)電機(jī)一次回路工作零線(xiàn)N 和保護(hù)線(xiàn)PE 合為一保護(hù)導(dǎo)線(xiàn)PEN線(xiàn)，在配電柜二次線(xiàn)路中將工作零線(xiàn)N 和專(zhuān)用保護(hù)線(xiàn)PE 在結(jié)構(gòu)上分開(kāi)的接線(xiàn)方式。無(wú)論是TN-S 系統(tǒng)還是TN-C-S 系統(tǒng)其PE 線(xiàn)上都不會(huì)有電壓和電流，安全性大為提高。

2.計(jì)算機(jī)機(jī)房環(huán)境建設(shè)方案

機(jī)房物理環(huán)境必須滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)設(shè)備對(duì)溫度、濕度等技術(shù)要求，機(jī)房?jī)?nèi)的服務(wù)器、交換機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備等需要長(zhǎng)期處在恒溫、恒濕、恒壓、低噪聲、低粉塵的環(huán)境中，機(jī)房的環(huán)境建設(shè)首先要將房間改造為密閉的空間，通過(guò)空調(diào)長(zhǎng)年運(yùn)行來(lái)維持合適的濕度和溫度，并設(shè)置防火門(mén)和防靜電地板來(lái)解決防火、防靜電等安全問(wèn)題。為保護(hù)設(shè)備免遭電源電壓波動(dòng)（過(guò)高或過(guò)低）損害，應(yīng)使用在線(xiàn)式UPS 和后備電池，UPS 具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抗干擾、防止浪涌等功能，后備電池可以提供斷電后保存數(shù)據(jù)和關(guān)機(jī)的時(shí)間。

在此基礎(chǔ)上，還需在機(jī)房?jī)?nèi)部合理位置安裝溫度、濕度、煙霧等傳感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)溫濕度、煙霧、水浸、供電和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最后，在水閘自動(dòng)化控制室內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)主機(jī)用于采集機(jī)房監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)機(jī)房出現(xiàn)故障或超限值時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警并向管理員發(fā)送短信或撥打電話(huà)。

控制室內(nèi)主要設(shè)備為計(jì)算機(jī)和顯示器，在功能上與機(jī)房完全不同，因此應(yīng)與機(jī)房分開(kāi)布置。控制室一般僅配置靜電地板用于防靜電和電磁干擾，配置UPS 和后備電池保護(hù)計(jì)算機(jī)等設(shè)備。

3.防雷和接地措施

結(jié)合窯河閘原有的防雷接地系統(tǒng)，采用共用接地網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)防雷、防觸電等，即以等電位為主體思想的多點(diǎn)連接接地網(wǎng)絡(luò)。等電位接地網(wǎng)是一種設(shè)備和裝置外漏可導(dǎo)電部分的電位基本相等的電氣連接網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)有水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)備外殼接地、LCU 控制柜（現(xiàn)地控制柜）、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房和控制室多點(diǎn)接入等電位接地網(wǎng)，且接地電阻必須小于1Ω。

針對(duì)水閘自動(dòng)化系統(tǒng)中的不同設(shè)備，應(yīng)采用不同的雷電防護(hù)策略，具體分析如下：

（1）不間斷電源UPS

UPS 電源在水閘自動(dòng)化系統(tǒng)中起到保護(hù)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的作用，其雷電防護(hù)應(yīng)采用三級(jí)保護(hù)策略，即在總配電柜、UPS 前端和后端一些重要用電設(shè)備前安裝電源防雷器。

（2）控制柜

水閘LCU 控制柜（現(xiàn)地控制柜）中存在大量?jī)x表和控制器，除控制柜進(jìn)線(xiàn)處安裝交流220V 防雷器外，還應(yīng)在24V 開(kāi)關(guān)電源模塊前加裝24V 防雷器，用于保護(hù)PLC、觸摸屏和開(kāi)度儀表等精密設(shè)備。

（3）傳感器

閘室內(nèi)外傳感器如水位計(jì)信號(hào)線(xiàn)等必須使用屏蔽電纜，且屏蔽電纜單端接地，用于屏蔽電磁干擾；同時(shí)在水閘LCU 控制柜（現(xiàn)地控制柜）內(nèi)加裝浪涌保護(hù)器（SPD），保護(hù)PLC 模擬量輸入模塊和自動(dòng)化儀表。

（4）攝像機(jī)

閘室外攝像機(jī)采用超五類(lèi)（或以上）屏蔽網(wǎng)線(xiàn)，屏蔽層單端接地，屏蔽電磁干擾；同時(shí)加裝信號(hào)防雷器，防止感應(yīng)雷通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)直接進(jìn)入控制機(jī)柜損壞交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

（5）太陽(yáng)能板和蓄電池

室外太陽(yáng)能電池板和蓄電池安裝在室外桿塔上，二者之間的電纜在雷雨天氣需承受雷電感應(yīng)電壓，應(yīng)使用屏蔽電纜降低雷電感應(yīng)過(guò)電壓，同時(shí)在蓄電池輸入端增加防雷器，使蓄電池能夠長(zhǎng)期正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，環(huán)境對(duì)水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性影響不容忽視，鑒于此，要想保障水閘的穩(wěn)定安全運(yùn)行，必須在水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)建設(shè)前期對(duì)其供電環(huán)境、機(jī)房環(huán)境、防雷接地等措施做認(rèn)真分析，并給出合理、規(guī)范的解決方案。目前很多水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)的環(huán)境建設(shè)方面均存在不同程度的問(wèn)題，因此提出水閘自動(dòng)化控制的環(huán)境建設(shè)的思路和優(yōu)化辦法具有很高的參考價(jià)值