淺談水閘自動化控制系統的建設

張文琎

（懷遠淮河河道管理局，安徽 蚌埠 233400）

0 引言

水閘建筑物作為現代化水利工程的重要組成部分，能有效調節水資源，是保證水資源供給的重要手段之一。水閘系統的自動化控制，即通過結合現代化信息技術與自動化技術，實時監測水閘建筑物的運行狀態，并通過圖像監控系統與自動化控制系統，實現對水閘建筑物的實時布控。一般情況下，水閘自動化系統主要由一次供電設備與二次供電設備、網絡設備、計算機設備、視頻采集設備及自動化儀表傳感器等設備組成，其系統運行的穩定性受上述設備的影響，需高度重視。

1 發展現狀分析

1.1 自動化控制硬件平臺安全現狀

水閘自動化控制系統硬件平臺主要包括系統電源、PLC、系統服務器、交換機等幾項主要結構，同類型設備因生產廠家不同，存在一定程度的質量差異。除此之外，設備的內置系統會因廠商的不同而不同，存在兼容性及穩定性的問題，影響系統的最終運行效果。

1.2 供電環境現狀

在現有水利工程供電系統中，供電電源主要由供電部門負責，引入10kV 標準的高壓電源后，為了確保水閘系統的正常運行，為水閘的各項功能提供穩定的電力支持，需要在水閘上進行專門的布置，包括安裝水閘系統專用的變壓器設備和低壓配電柜設備。此外，考慮到斷電等突發情況，還需要配置柴油發電機作為備用電源。柴油發電機能夠在主電源故障時迅速啟動，確保水閘系統的連續運行，避免因停電導致功能中斷。這樣的配置不僅提高了水閘系統的可靠性和穩定性，還保障其在各種情況下的正常運作。目前，大部分供電回路會選擇TN-C作為自己的供電系統，可以理解為“三相四線制”模式的供電系統，主要起到公用工作零線材料和保護零線的效果，這種供電系統具有一定程度的局限性，僅能夠滿足三相平衡的使用環境，并且操作環境中不可存在易燃易爆物品或引發易燃易爆的條件。如果存在三相不平衡問題，此時的零線PEN 便會攜帶電，設備外殼同樣會帶電，存在一定程度的安全隱患。從現有外部供電大環境進行分析，大部分供電系統的可靠性較高，安全性有足夠的保障，但是仍有部分工程正在使用安全性相對不足的供電系統，存在較大安全隱患。

1.3 機房環境現狀

現代化水利工程中，大部分在設計時會將機房與系統控制室進行集中布置，雖設有窗戶，但都設置在操控房內，沒有專門的防火門裝置，因此，無法對室內的濕度與灰塵進行有效控制，在防火、防盜方面表現較差，存在明顯不足；還有一部分水利工程中的機房供電形式比較單一，即利用市電直接接入，缺少專門的電源防護系統和后備電源儲備系統，停電時，系統會宕機，無法進行任何操作，此時如遇突發狀況需要對水閘進行控制，操作人員會陷入無能為力的境地，釀成無法挽回的后果；機柜布局有些也存在問題，部分操作機柜會被直接放置在普通地板上，此時機柜僅有一層外殼保護接地，無法有效屏蔽電磁干擾、處理靜電帶來的影響，效果欠佳。

1.4 機房防雷及接地現狀

對于部分水閘建筑物而言，受地理條件的限制，水閘選點存在諸多安全問題，如遇雷電頻發，會對工程水閘的正常使用造成不利影響，同時自動化控制也會出現短暫失靈，進而給水閘系統帶來巨大危害，造成干擾，具體有電感性耦合、靜電感應和電磁場耦合等幾種類型。與此同時，水閘系統自身帶有大量集成電路，這些電路均屬于實現自動化控制的關鍵結構，并且這部分集成電路本身的元器件布置間隔距離較近，所以，即使是很低的過電壓，也會對其造成反擊閃絡，影響到集成電路的正常使用，導致自動化系統無法實現有效控制。最后，控制系統本身中應用的元器件設備，在實際工作中的電壓標準為5V 或者24V，此間任何形式的、超出工作電壓標準的電流沖擊作用（如雷擊過電壓作用）均會對系統動作指令形成干擾，導致操控指令出錯，甚至可能會導致水閘自動化控制系統出現永久性破壞，后果嚴重。

2 建設對策分析

2.1 自動化硬件平臺安全保障

最終選用的自動化硬件平臺設備應確保具備高度穩定性和安全性，保證不同類型的設備可以兼容，且不會對平臺的控制效果產生不良影響，保障自動化硬件平臺正常使用。與此同時，硬件平臺需要具備一定的繼電保護能力，在出現過載電壓、熱繼電器過載等異常電壓狀態時可以提供有效防護，防止異常電壓對自動化控制系統造成嚴重影響。在上述基礎上，還應在控制室中設置專門的“急停”控制按鈕，需要時可以立即停止運行，保證自動化控制流程的整體安全性和可靠性。

2.2 供電環境可靠性與穩定性

2.2.1 供電回路安全性

保證水閘控制效果，及時處理好供電回路問題，保證穩定、安全運行，則必須對原有TN-C 操控系統進行處理，改換為新的TN-S 操控系統，即系統中的工作零線N 與系統專用保護線PE 的接線分開處理，以這種更加安全的接線方式，保證整個系統的安全運行。以目前發展情況分析，柴油發電機向二次回路提供供電服務，需要電纜裝置，標準為4芯結構，但是原有系統不能直接改成新的TN-S 系統，需要重新應用TN-C-S 系統，布置發電機設備，使其與一次回路結構中的工作零線N 與保護線PE 正式組合成最終的保護導線，即PEN 線。對于配電柜而言，其二次線路結構中，需要將處于工作系統中的零線N 結構與專用保護線結構PE 在固有結構再次分開處理，利用這種接線方式才能有效保證后續階段的設備可以正常運行。在上述內容中，TN-S 系統與TN-C-S 系統，結構內的PE 線均都不會攜帶電壓或電流，系統的整體安全性可以得到顯著提升，呈現出極佳的應用效果。

2.2.2 供電環境可靠性

對于水閘系統而言，系統應用電源需要高級別的可靠性，需要10kV 標準的高壓雙回路供電方式。系統處于正常工作狀態時，雙回路需要設定為分列運行方式，對應的另一回路則需要處于帶電備用狀態，通過這種更加全面的處理方式，確保供電電源在使用過程中的連續和穩定，確保安全的同時，保證操作效果。

2.3 機房環境建設方案

在水利工程的實際運行中，機房環境建設尤為重要。為保障計算機設備的正常使用，機房提供的物理環境必須達到要求，計算機所處環境內的溫度、濕度等幾項關鍵技術指標都要明確要求。另外，在物理環境達標的基礎上，機房空間內的所有服務器設備、交換機設備、存儲設備等均需長期放置在恒溫、恒濕、恒壓、低噪聲且低粉塵的環境中。機房環境的建設需要先將房間內的整體空間進行有效整改，使其成為一種密閉式的空間，再利用空調對機房的室內濕度和溫度進行有效調節，保證空間內的溫濕度常年處于同一水平。還需要設置專門防火門結構和防靜電地板結構，目的是在發生緊急險情時，可以有效地起到防火、防靜電作用，也能使機房的安全等級達到要求標準。為保證所有設備都不會因電源電壓波動（過高或過低）造成直接損害，還需要借助線式UPS 設備以及后備電池設備對電壓進行有效調控，UPS 具有較多使用優勢，如穩壓、穩頻、防止浪涌等，后備電池設備需要具備斷電后進行數據保存的能力，并確保關機期間維持電流供應的安全性和穩定性。

在上述基礎上，機房管理人員還需要對機房進行全方位檢測，對其內部存在的各種不合理情況逐一處理，在關鍵位置安裝專業的溫濕度監控、煙霧傳感器等設備，以實現對機房空間環境的溫濕度調控，及時掌握室內空間的水浸程度、煙霧濃度、供電情況和網絡運行穩定性，這些關鍵數據均處于監測中，方可保證機房的工作穩定性。最后，還需要對水閘建筑物結構進行深入優化，尤其是自動化控制系統，其室內需要設置專門的工作狀態監測主機，采集處理機房提供的監測數據，如果機房空間內出現故障，或當實際壓力值超出限值標準，會第一時間發出相應的聲光報警，并及時利用短信或電話的通信形式，將現場信息傳送匯報給管理人員，便于管理人員及時采取相應處理對策。

對于控制室而言，其操作設備主要有計算機主機和顯示器設備兩種，在使用上與機房有較大區別，所以，控制室需要與機房獨立分開布置。控制室需配置相應的靜電地板，防止靜電或者電磁干擾，同時需配置UPS 與相應的后備電池保護系統，保證設備正常使用。

2.4 防雷及接地保障措施

水閘系統需要一定的安全保障措施，達到防雷、防觸電的效果，可以采用多點接地的處理方式，并保證接地電阻值始終低于10。水閘系統中包含的各種設備均需要采用相應的防護措施，具體內容如下。

2.4.1 不間斷電源UPS

UPS 電源可以為水閘自動化控制系統提供必要的保護，同時對計算機設備與網絡設備也具有良好的維護作用。對應的雷電防護等級可設定為三級保護策略，為所有的重要用電設備匹配相應的電源防雷器設備，保證使用安全性。

2.4.2 控制柜

水閘系統中的LCU 控制柜結構中有大量儀表設備和控制器設備，不僅需要在控制柜進線位置專門安裝220V 標準的防雷保護裝置，同時還需要在24V 開關電源模塊位置加裝24V 標準的防雷裝置，為PLC、觸摸屏以及開度儀表等眾多精密設備提供安全保障。

2.4.3 傳感器

對于閘室內部空間而言，其外傳感器系統尤為重要，例如水位計信號線，這種類型的關鍵設備必須利用屏蔽電纜形成關鍵的屏蔽作用，并且其屏蔽電纜需要保持單端接地狀態，達到屏蔽電磁干擾的效果。與此同時，還需要在水閘系統中的LCU 控制柜內部加裝專門的液位浪涌保護器裝置（SPD），用于保護PLC 模擬量輸入模塊與自動化儀表設備的正常工作狀態。

2.4.4 攝像機

對于閘室外部空間而言，攝像機設備需要應用超五類級別的屏蔽網線，用于保證屏蔽層始終處于單端接地狀態，有效屏蔽電磁造成的干擾；同時還需要加裝專門的信號防雷器裝置，避免感應雷電經由網線直接進入到控制機柜內，對交換機設備和網絡設備造成嚴重破壞作用。

安裝攝像機設備時，需要注意以下幾個問題。

1）選擇合適的安裝位置，攝像機的安裝位置應該能覆蓋需要監測的區域，避免被遮擋或干擾。同時，要考慮到攝像機的視野、角度和高度等因素，以確保獲得清晰、全面的圖像。使用合適的安裝工具和固定裝置，牢固地安裝在合適的位置，確保攝像機安裝穩定。供電和網絡連接，確保攝像機有穩定的電源供應，并正確連接到網絡中。檢查電源線和網絡線的連接是否牢固，避免松動或接觸不良。

2）安全防護。根據室外具體環境和需求，為攝像機設備提供適當的安全防護措施，如安裝防護罩、防水罩等，以保護設備免受損壞或被盜。

3）安全存儲和數據保護。考慮數據的安全性，選擇合適的存儲設備和數據保護措施，防止數據丟失或被非法訪問。

2.4.5 太陽能板與蓄電池

當室外的太陽能電池板設備和蓄電池設備安裝完成后，二者的連接電纜會在雷雨天氣時承受一定程度雷電感應電壓，需要使用屏蔽電纜設備，降低由雷電感應造成的過電壓現象，同時還需要在蓄電池設備中的輸入端增設防雷器裝置，以確保蓄電池設備長期正常運轉。

3 結語

綜上所述，外部環境會對水閘控制系統造成嚴重的影響。基于此，為保證水閘系統安全、穩定的運行狀態，需要對供電環境、防雷接地裝置、機房環境需采取有效保護措施，為水閘控制系統提供必要保護。目前仍有一部分水閘控制系統的內外部環境在設計時存在布局缺陷，安裝完成后遺留較多安全隱患，本文由此提出水閘自動化控制環境建設發展思路和優化方法，具有一定的參考作用