枞阳闸自动化控制系统运行中存在的问题及改进措施

宋东国

（安庆市长江河道管理处三分处，安徽 安庆 246000）

水闸自动化控制对于提升水利工程项目运行效率、工作能力具有重要意义[1]。因此，国内外的大中型水闸，普遍建立了自动化控制系统[2]。自动化控制技术和系统在水闸中的应用提升了水闸运行的智能化、高效化。通过自动化控制系统，水闸可以根据水位的变化自动地调整蓄能、防洪和排涝的控制策略，达到更加精准和及时的操作[3]。但是，水闸的自动化控制系统也面临着很多问题，只有进行准确地分析和妥善地处理，才能保障水闸自动化系统的稳定运行，进而确保水闸的正常工作。本文在分析水闸自动化系统常见问题的基础上，以枞阳闸为例进行具体的分析和改进策略设计。

1 水闸自动化系统常见的问题分析

不同水利工程项目的具体情况不同，因此其水闸自动化系统也有所差异。但是，水闸自动化系统也会表现出一些共性的常见问题，主要集中在设计问题、硬件问题、软件问题和维护问题等方面。

1.1 水闸自动化系统的设计问题

水闸自动化系统在设计阶段出现的问题，是最为严重的一类问题，在后续很难进行妥善处理。之所以会出现设计问题，可能有很多种原因，例如：对自身水闸项目的实际情况不够了解，盲目引入其他项目的设计思路和设计方案；设计人员的水平和能力不足，导致出现设计问题；由于设计人员的疏忽，导致出现设计错误。设计问题的解决只能通过设计方案的详细审查、设计过程中提升设计人员的专注程度、多级管理和交叉校验等方式解决。

1.2 水闸自动化系统的硬件问题

水闸自动化系统是一个大型的、复杂的控制系统，包含着众多的硬件设备。其中的核心设备是计算机或者大型集控处理设备。为了实现和各个控制室、被控终端的联系，自动化系统会构建一个完整的通信网络，这就涉及到服务器设备、交换机设备的应用。为了获得各种有效的数据和参数，水闸自动化系统还要使用各种仪器仪表，在关键位置处还要配置监控摄像机，以保障可视化影响的实时传送。因为硬件设备较多，所以硬件问题也是水闸自动化系统最为常见的问题，一旦出现此类问题，就要逐一排查，有针对性地维修和更换。

1.3 水闸自动化系统的软件问题

水闸自动化系统中硬件构成复杂，这些硬件的有效控制又离不开相应的软件。因此，软件一旦出现问题，也会影响到硬件的使用，进而影响到水闸自动化系统的整体工作效果。最核心的软件部分，是运行在主控计算机上的主控程序，其和各个其他程序保留着数据交换和控制指令发送的接口。其他独立运行的硬件终端和硬件设备，包括一些专门的仪器仪表，也都配置自己的控制程序。无论是主控程序还是其他设备的控制程序，出现问题时都要逐一排查并更改修订。程序修订过程中，要注意和本程序关联的其它程序也要对应进行修订。

1.4 水闸自动化系统的维护问题

水闸自动化系统配置了丰富的软件和硬件，在运行过程中必须要进行定期维护。对于大多数硬件设备，定期的检查和维护是确保硬件安全、增加硬件使用寿命的有效手段。对于一些软件，在开机时进行自检可以保证运行过程的数据溢出和程序跑飞。但是，一旦这种维护不够及时、不够全面，就可能引发水闸自动化系统的使用问题。解决此类问题的关键，在于配置专职的维护人员和队伍，负责水闸自动化系统的日常维护工作，对硬件和软件进行定期和不定期的检查，以确保水闸自动化系统的正常运行。

2 枞阳闸自动化集控系统存在的问题及原因分析

2.1 枞阳闸自动化控制系统概述

枞阳闸在五十多年的实际运用中，为安庆市广济圩内菜子湖的防洪、排涝、抗旱和灌溉发挥了巨大作用。枞阳闸上下游的实景照片，如图1 和图2 所示。

图1 枞阳闸上游的实景照片

为实现工程管理自动化、信卢化的目标，从实际出发，在2002 年除险加固建设中，配置了枞阳闸启闭集中控制的计算机监控系统。该套系统于2002 年4 月8日开始安装，2002 年6 月9 日通过竣工验收。特别是系统本身具备自检与故障报警功能，在很大程度上方便了闸门的开关，减轻了劳动强度，确保水闸安全运行，在安全度汛中起到了不可忽视的作用。系统安装至今，近20 年间共运行约1 000 多次，在防洪、排涝、引水及蓄水抗旱中发挥了巨大的社会经济效益作用。

枞阳闸自动化控制系统技术上比较先进，具备测量精确、操作简单和工作稳定可靠等优点。但在实际运行过程中任然存在着一些问题，主要表现在以下方面。

2.2 系统元件易遭雷电电磁脉冲损坏

2010 年9 月13 日，枞阳闸周围区域遭强雷电袭击，包括电脑主机、闸门开度仪和荷重仪等电器元件遭雷击坏，自动化系统几乎瘫痪，主要原因为：本地是雷电灾害较多的地区，夏季5～9 月之间，雷暴天气袭击的强度较大，现有的防范措施只能防御直击雷的侵袭。雷暴天气下，雷电会产生较大的电流，雷电电流强度最大可以达到数百万安培。这样强大的电流，可以直接击穿被接触的用电器和各种设备。同时，强大的雷电电流可以形成强大的电磁辐射场，其场强可以干扰其中的任何电器装置和电器元件。电器元件受到干扰，则会造成元器件的损坏。

2.3 系统的工作环境达不到设备运行的条件要求

设备运行条件是室内温度不超过40 ℃，室外温度不超过45 ℃。由于枞阳闸启闭机房为钢筋混凝土结构，盛夏时启闭机房室内封闭时温度远高于40 ℃以上，高于设备工作要求。致使电器设备易老化、损坏，从而影响闸门的启闭。

2.4 系统电器仪表维修更新不便

枞阳闸闸门集控系统由徐州市电子研究所设计安装，电器、仪表损坏后市场上很难买到相匹配的原件。一旦损坏，只能寄送该所进行维修，这样做最大的缺点一是维修时间长，即使是特快邮寄，至少也要10 d 左右；二是价格昂贵，由于所有电子产品均由该所独家生产提供，市场上很难买到与之相匹配的零部件，价格往往也由供货方敲定。

3 枞阳闸自动化控制系统的改进措施及建议

3.1 接地处理

枞阳闸自动化集控系统的接地可采用多点与浮地接地。多点接地是把分散控制系统（DCS）系统中的各个部分的地线分开接地，包括计算机的地线、变送器的地线、仪表的地线、执行器的地线、其他装置和设备的地线等。多点接地最突出的优势就是可以根据不同系统模块和组成部分的位置差异，进行就近接地，避免了多条电线牵引到一起。这就在相当程度上避免了个别引线过长所引发的各种干扰。

DCS 的电源系统主要采用TN-S 系统的接地方式，这种方式只保留了中性线和地线在一点出连接，这个特殊的点位称为中性点。在这样的处理方式下，中性线和地线没有任何其他的连接，从而带来了更大的安全性。DCS 的电源系统的可靠地线处理，如图3 所示。

图3 DCS 系统的可靠地线处理

3.2 屏蔽处理

水闸集中控制系统采用大量半导体器件、集成电路和传递信号的电缆，由雷击产生的瞬态电磁脉冲可以直接辐射到这些元器件上，也可以在电源或信号线上感应出瞬态过电压波，沿线路侵入电子设备，使电子设备工作失灵或损坏。利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措施。集中控制系统的防雷屏蔽可以采用3 个方面同时实施：控制室屏蔽、现场仪表屏蔽、信号线和电源线屏蔽。

3.2.1 控制室屏蔽

控制室（电子间）是DCS 系统的心脏，对雷电产生的电磁脉冲十分敏感，需要特别注意其屏蔽问题。控制室应是无窗的封闭结构，将房屋墙壁中的结构钢筋交点处电气连接，并与金属门框焊接，构成一个带门开口的屏蔽笼，在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环（接入防雷地），接地环与屏蔽笼进行有效的电气连接。

对于控制室的屏蔽笼的设计，其封闭形态的结构如图4 所示。

图4 控制室的屏蔽笼设计效果

从图4 中可以看出，为了实现枞阳闸自动化控制系统控制室对于电磁脉冲的完全屏蔽，最有效的方法就是全密闭的封闭设计效果，整个封闭笼只有一个门可进出，没有窗户等其他结构。

3.2.2 现场仪表屏蔽

现场仪表屏蔽可采用金属的仪表箱（罩）实现防雷屏蔽，仪表箱（罩）要与其他现场的金属设施实现等电位连接，并接入防雷接地系统。对重要仪表的屏蔽，可以采用特制的金属壳体进行外包屏蔽，屏蔽壳体的示意情况如图5 所示。

从图5 中可以看出，对于关键仪表的屏蔽壳体设计，也要执行全封闭的金属层设计，这样可以最大限度地避免外界的电磁干扰。

图5 金属屏蔽壳体

3.2.3 信号线和电源线屏蔽

为了防止雷电电磁脉冲在信号或电源线路上感应出瞬态过电压波，所有的信号线及低压电源线都应采用有金属屏蔽层的电缆。信号线的屏蔽效果如图6所示。

图6 信号线的屏蔽效果

从图6 可以看出，经过屏蔽处理的信号线与一般的信号线处理不同，线芯和绝缘层之间，加了一层金属漆皮，这一层金属漆皮就起到了屏蔽的效果。

3.3 其他改进措施

在进行电缆走线桥架和控制柜位置设计时要尽量避免靠近建筑物防直接雷装置的引下线，控制柜和操作站也要和窗户、门口保持一定的距离。

按实用性、发生雷击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）。其是一种限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件，能在最短时间内将线路上因感应雷产生的浪涌电流释放到地网，使建筑物内各点之间电位差大致不变，从而保护设备。

采购部门在对DCS 选型时，要认真按照水利行业有关规程标准要求，必须要考虑水闸自动化疾控系统的电磁兼容性及系统运行条件的各项指标。

在购置新系统时同时要考虑同型号的电器、仪表等零部件在市场上便于购买，便于管理和维修。

定期对操作人员进行培训，提高其业务水平，系统所使用的计算机要求专机、专人和专用。

4 结束语

随着我国经济及科学技术的发展，水闸自动化系统的合理配置对于该流域的灌溉、防洪等起着非常重要的作用，而对运行中存在和急需解决的问题，需要引起管理者的高度重视和上级主管部门的大力支持，这样才能更好地服务水利、造福于人民。本文针对枞阳闸自动化集控系统存在的问题进行了深入分析，并从接地、屏蔽等方面提出了具体改进措施，以期为水利工程项目发展提供参考。