大运河立交地涵自动化控制系统运行故障及处理方法

张政凯　徐臻荣

大运河立交地涵自动化控制系统运行故障及处理方法

张政凯徐臻荣

一、概述

淮河入海水道是扩大洪泽湖洪水出路，保证大堤安全的战略性骨干工程。大运河立交地涵工程是其第二级主要控制建筑物，位于淮安市楚州区南郊，淮河入海水道与京杭大运河交汇处，其作用是满足淮河入海水道泄洪和京杭运河通航。

大运河立交地涵自动化控制系统包括：闸门计算机监控系统，工业视频监控系统，大坝安全自动监测系统3个子系统。该工程监控范围大，对象分散，涉及设备监控、视频监控和涵体安全监控等多个方面。整个系统信号种类多，通讯方式多样化，在系统网络通讯和实施上都有相当难度。作为防洪工程重要组成部分，计算机监控系统可靠性、安全性和技术性能都有非常严格的要求。根据水利工程联网管理要求，系统还具备高度开放性和信息可共享性。

该系统设计时结合国内外水利行业计算机监控系统运行管理情况，本着安全可靠、简单实用、技术先进等原则，选用了在自动控制领域内得到广泛应用的西门子主流工控产品S7-300系列和SIMATIC NET工业以太网技术，是一套经济耐用，允许少人值守，分布式开放式计算机监控系统，系统总体网络结构如图1所示。在2003年和2007年淮河流域特大洪水中，大运河立交工程计算机监控系统启用行洪，为保护淮河流域国家和人民生命财产安全起到了关键作用，发挥了显著的工程、经济效益。

二、运行中的故障及处理方法

1.闸门自动控制系统

受工程土建结构限制，PLC LCU柜分布在上游桥头堡一层和上游门机库后，机房建在空箱岸墙上方。空箱内水汽经电缆穿线孔渗入柜内，在设备表面形成结露，柜内虽有加热除湿装置仍不能完全消除水汽，先后造成开关电源烧毁，TP27触摸屏黑屏、花屏，SM338模块、开度仪表等损坏。为消除水汽，在两个机房内安装空调除湿，将PLC柜门长期打开，降低了设备损坏率。

闸门自动控制系统运行主要故障为闸门左右缸开度无法正常传输给PLC和开度仪表，读取闸门左右缸开度数值异常，造成同步超差保护，使系统拒绝运行。SM338模块、开度仪表、自动收紧装置、ROQ425编码器损坏均能引起闸门开度无法正常读取故障，其中编码器故障占了很大比例。近几年维修中先后更换过4块SM338模块、两套自动收紧装置、多只编码器，闸门开度仪表多次进行维修。

在故障维修过程中还出现了3只多圈型绝对编码器与闸门开度仪通讯不上，导致开度仪不能正常工作，但编码器与SM338模块可以通讯的故障。经排查测试，用示波器测量显示出编码器数据输出波形出现异常梯状图，正常图形应为方波输出。原闸门开度仪与编码器通讯，通过光电隔离，编码器非规则输出数据波形经过光电隔离器后，数据波形出现变化，因此开度仪无法读取编码器数据。而SM338模块与编码器连接，是通过RS422方式连接，RS422驱动芯片为高阻抗输入，只检测电平变化，不需要驱动光电耦合器，因此可以与编码器通讯上。解决故障方法有两种：一是维修编码器，恢复正常数据输出波型；二是由生产商将闸门开度仪与编码器光电隔离连接方式改为RS422通讯方式，即西门子SM338模块与编码器通讯方式。但该通讯方式存在一定隐患，因为闸门开度仪与编码器之间没有电气隔离，如编码器、闸门开度仪任一端出现异常，都可能导致对方损坏。考虑编码器维修费用高、时间长，经分析，选择了方案二解决编码器与开度仪正常通讯问题，同时对原有接线方式进行调整，增加中间继电器，对编码器进入PLC控制柜信号接线进行选择性转换。原闸门开度信号工作方式为任何工作状态下闸门开度仪表均正常工作和显示闸门开度、超差值，即编码器与开度仪一直处于通讯状态。经改造后，只有在手动操作状态时开度仪表才工作与编码器通讯，而手动操作概率很低，系统长时间运行在PLC控制方式，编码器和开度仪表双方故障时相互影响可能性很小。其他工作状态下编码器均直接与SM338模块进行通讯，即保持系统原有的编码器与PLC通讯方式，节省了经费和时间，解决了系统闸门开度数据正常采集问题。

图1　大运河立交地涵计算机监控系统网络结构图

运行中还出现PLC柜CPU模块备用电池失电，PLC程序丢失，更换电池重新下载程序后，短时间内又出现电池失电程序丢失现象。该型号CPU模块带扩展存储卡卡槽，通过购置西门子PLC专用Flash EPROM内存卡对程序进行固化，彻底解决程序丢失问题。

2.视频监控系统

视频监控系统摄像机安装在上下游桥头堡及门机库顶部，视角虽好，监视范围广，但维修时拆除、安装不方便，同时易受雷击影响。摄像机对电源要求高，虽系统经中控室UPS电源供电，但UPS长时间工作在线路模式，先后出现多台摄像机控制解码板、电源板、内置电源变压器损坏等故障。在一次电网停电后恢复供电时，还造成多台摄像机同时损坏。由于美国PELCO品牌摄像机普通厂家无法进行维修，只能寄回原厂家维修，邮寄费用高，维修费用更高，在运输过程中还易造成二次损坏。为解决电源质量问题，在UPS电源后级增加一台2kVA的稳压滤波静化电源为摄像机供电，供电方式改造后摄像机故障率明显下降。

控录一体机及视频分配器、画面分割器及相关电源等设备集中在控制台内。设备处于长期不间断工作状态，发热量大，虽在柜后门设有排风扇，也不能及时排出热量，引起电子和电气设备老化、烧毁等故障。更换维修相关设备后，运行时打开柜门加强散热，并配备了一台水冷空调降温，有效降低了设备故障率。

3.大坝安全监测系统

大坝安全监测系统一共有14块DAU数据采集智能模块，主要用来测量渗透压力、内部混凝土缝宽度变化、扬压力等数据。经常发生MCU内DAU模块与CCU通讯失败，测量值无法采集，数据异常，模块数据值为1等故障。故障原因主要是电子设备长期处于高温环境，发生老化和运行死机现象。

针对上述故障，定期对MCU内蓄电池电压进行监测并及时更换损坏蓄电池，保证MCU可靠供电。使用现场手动测量装置对DAU模块进行复位和数据测量，确认各智能模块工作状态。检查各485通讯线接点连接情况，用万用表检查通讯线路阻值是否正常，对氧化和松动的接点进行处理和紧固，通讯仍不能恢复时则更换损坏的RS232-485转换器。

三、结语

传统水利管理中，自动化只是一种辅助手段，监测多控制少。大运河立交地涵自动化控制系统则将管理、控制、安全功能全部建立在计算机控制基础上，采用了SIMATICNET工业以太网络，实现了多种类监控信息高度集成化的高速光纤以太环网多媒体计算机监控系统，该系统的应用实现了大运河立交地涵安全高效运行。但系统设备安装条件、工作环境影响了安全运行，电子、电气设备在相对潮湿和高温环境中故障率增高。需要在设计安装时优化方案，提升自动化控制系统可靠性。随着自动化和信息化技术的发展，新材料、新设备、新技术的出现，水利工程管理模式会快速转变，水利工程管理水平将不断迈进■

（作者单位：江苏省淮河入海水道工程管理处223200）