浅谈水闸自动化控制系统的建设

张文琎

（怀远淮河河道管理局，安徽 蚌埠 233400）

0 引言

水闸建筑物作为现代化水利工程的重要组成部分，能有效调节水资源，是保证水资源供给的重要手段之一。水闸系统的自动化控制，即通过结合现代化信息技术与自动化技术，实时监测水闸建筑物的运行状态，并通过图像监控系统与自动化控制系统，实现对水闸建筑物的实时布控。一般情况下，水闸自动化系统主要由一次供电设备与二次供电设备、网络设备、计算机设备、视频采集设备及自动化仪表传感器等设备组成，其系统运行的稳定性受上述设备的影响，需高度重视。

1 发展现状分析

1.1 自动化控制硬件平台安全现状

水闸自动化控制系统硬件平台主要包括系统电源、PLC、系统服务器、交换机等几项主要结构，同类型设备因生产厂家不同，存在一定程度的质量差异。除此之外，设备的内置系统会因厂商的不同而不同，存在兼容性及稳定性的问题，影响系统的最终运行效果。

1.2 供电环境现状

在现有水利工程供电系统中，供电电源主要由供电部门负责，引入10kV 标准的高压电源后，为了确保水闸系统的正常运行，为水闸的各项功能提供稳定的电力支持，需要在水闸上进行专门的布置，包括安装水闸系统专用的变压器设备和低压配电柜设备。此外，考虑到断电等突发情况，还需要配置柴油发电机作为备用电源。柴油发电机能够在主电源故障时迅速启动，确保水闸系统的连续运行，避免因停电导致功能中断。这样的配置不仅提高了水闸系统的可靠性和稳定性，还保障其在各种情况下的正常运作。目前，大部分供电回路会选择TN-C作为自己的供电系统，可以理解为“三相四线制”模式的供电系统，主要起到公用工作零线材料和保护零线的效果，这种供电系统具有一定程度的局限性，仅能够满足三相平衡的使用环境，并且操作环境中不可存在易燃易爆物品或引发易燃易爆的条件。如果存在三相不平衡问题，此时的零线PEN 便会携带电，设备外壳同样会带电，存在一定程度的安全隐患。从现有外部供电大环境进行分析，大部分供电系统的可靠性较高，安全性有足够的保障，但是仍有部分工程正在使用安全性相对不足的供电系统，存在较大安全隐患。

1.3 机房环境现状

现代化水利工程中，大部分在设计时会将机房与系统控制室进行集中布置，虽设有窗户，但都设置在操控房内，没有专门的防火门装置，因此，无法对室内的湿度与灰尘进行有效控制，在防火、防盗方面表现较差，存在明显不足；还有一部分水利工程中的机房供电形式比较单一，即利用市电直接接入，缺少专门的电源防护系统和后备电源储备系统，停电时，系统会宕机，无法进行任何操作，此时如遇突发状况需要对水闸进行控制，操作人员会陷入无能为力的境地，酿成无法挽回的后果；机柜布局有些也存在问题，部分操作机柜会被直接放置在普通地板上，此时机柜仅有一层外壳保护接地，无法有效屏蔽电磁干扰、处理静电带来的影响，效果欠佳。

1.4 机房防雷及接地现状

对于部分水闸建筑物而言，受地理条件的限制，水闸选点存在诸多安全问题，如遇雷电频发，会对工程水闸的正常使用造成不利影响，同时自动化控制也会出现短暂失灵，进而给水闸系统带来巨大危害，造成干扰，具体有电感性耦合、静电感应和电磁场耦合等几种类型。与此同时，水闸系统自身带有大量集成电路，这些电路均属于实现自动化控制的关键结构，并且这部分集成电路本身的元器件布置间隔距离较近，所以，即使是很低的过电压，也会对其造成反击闪络，影响到集成电路的正常使用，导致自动化系统无法实现有效控制。最后，控制系统本身中应用的元器件设备，在实际工作中的电压标准为5V 或者24V，此间任何形式的、超出工作电压标准的电流冲击作用（如雷击过电压作用）均会对系统动作指令形成干扰，导致操控指令出错，甚至可能会导致水闸自动化控制系统出现永久性破坏，后果严重。

2 建设对策分析

2.1 自动化硬件平台安全保障

最终选用的自动化硬件平台设备应确保具备高度稳定性和安全性，保证不同类型的设备可以兼容，且不会对平台的控制效果产生不良影响，保障自动化硬件平台正常使用。与此同时，硬件平台需要具备一定的继电保护能力，在出现过载电压、热继电器过载等异常电压状态时可以提供有效防护，防止异常电压对自动化控制系统造成严重影响。在上述基础上，还应在控制室中设置专门的“急停”控制按钮，需要时可以立即停止运行，保证自动化控制流程的整体安全性和可靠性。

2.2 供电环境可靠性与稳定性

2.2.1 供电回路安全性

保证水闸控制效果，及时处理好供电回路问题，保证稳定、安全运行，则必须对原有TN-C 操控系统进行处理，改换为新的TN-S 操控系统，即系统中的工作零线N 与系统专用保护线PE 的接线分开处理，以这种更加安全的接线方式，保证整个系统的安全运行。以目前发展情况分析，柴油发电机向二次回路提供供电服务，需要电缆装置，标准为4芯结构，但是原有系统不能直接改成新的TN-S 系统，需要重新应用TN-C-S 系统，布置发电机设备，使其与一次回路结构中的工作零线N 与保护线PE 正式组合成最终的保护导线，即PEN 线。对于配电柜而言，其二次线路结构中，需要将处于工作系统中的零线N 结构与专用保护线结构PE 在固有结构再次分开处理，利用这种接线方式才能有效保证后续阶段的设备可以正常运行。在上述内容中，TN-S 系统与TN-C-S 系统，结构内的PE 线均都不会携带电压或电流，系统的整体安全性可以得到显著提升，呈现出极佳的应用效果。

2.2.2 供电环境可靠性

对于水闸系统而言，系统应用电源需要高级别的可靠性，需要10kV 标准的高压双回路供电方式。系统处于正常工作状态时，双回路需要设定为分列运行方式，对应的另一回路则需要处于带电备用状态，通过这种更加全面的处理方式，确保供电电源在使用过程中的连续和稳定，确保安全的同时，保证操作效果。

2.3 机房环境建设方案

在水利工程的实际运行中，机房环境建设尤为重要。为保障计算机设备的正常使用，机房提供的物理环境必须达到要求，计算机所处环境内的温度、湿度等几项关键技术指标都要明确要求。另外，在物理环境达标的基础上，机房空间内的所有服务器设备、交换机设备、存储设备等均需长期放置在恒温、恒湿、恒压、低噪声且低粉尘的环境中。机房环境的建设需要先将房间内的整体空间进行有效整改，使其成为一种密闭式的空间，再利用空调对机房的室内湿度和温度进行有效调节，保证空间内的温湿度常年处于同一水平。还需要设置专门防火门结构和防静电地板结构，目的是在发生紧急险情时，可以有效地起到防火、防静电作用，也能使机房的安全等级达到要求标准。为保证所有设备都不会因电源电压波动（过高或过低）造成直接损害，还需要借助线式UPS 设备以及后备电池设备对电压进行有效调控，UPS 具有较多使用优势，如稳压、稳频、防止浪涌等，后备电池设备需要具备断电后进行数据保存的能力，并确保关机期间维持电流供应的安全性和稳定性。

在上述基础上，机房管理人员还需要对机房进行全方位检测，对其内部存在的各种不合理情况逐一处理，在关键位置安装专业的温湿度监控、烟雾传感器等设备，以实现对机房空间环境的温湿度调控，及时掌握室内空间的水浸程度、烟雾浓度、供电情况和网络运行稳定性，这些关键数据均处于监测中，方可保证机房的工作稳定性。最后，还需要对水闸建筑物结构进行深入优化，尤其是自动化控制系统，其室内需要设置专门的工作状态监测主机，采集处理机房提供的监测数据，如果机房空间内出现故障，或当实际压力值超出限值标准，会第一时间发出相应的声光报警，并及时利用短信或电话的通信形式，将现场信息传送汇报给管理人员，便于管理人员及时采取相应处理对策。

对于控制室而言，其操作设备主要有计算机主机和显示器设备两种，在使用上与机房有较大区别，所以，控制室需要与机房独立分开布置。控制室需配置相应的静电地板，防止静电或者电磁干扰，同时需配置UPS 与相应的后备电池保护系统，保证设备正常使用。

2.4 防雷及接地保障措施

水闸系统需要一定的安全保障措施，达到防雷、防触电的效果，可以采用多点接地的处理方式，并保证接地电阻值始终低于10。水闸系统中包含的各种设备均需要采用相应的防护措施，具体内容如下。

2.4.1 不间断电源UPS

UPS 电源可以为水闸自动化控制系统提供必要的保护，同时对计算机设备与网络设备也具有良好的维护作用。对应的雷电防护等级可设定为三级保护策略，为所有的重要用电设备匹配相应的电源防雷器设备，保证使用安全性。

2.4.2 控制柜

水闸系统中的LCU 控制柜结构中有大量仪表设备和控制器设备，不仅需要在控制柜进线位置专门安装220V 标准的防雷保护装置，同时还需要在24V 开关电源模块位置加装24V 标准的防雷装置，为PLC、触摸屏以及开度仪表等众多精密设备提供安全保障。

2.4.3 传感器

对于闸室内部空间而言，其外传感器系统尤为重要，例如水位计信号线，这种类型的关键设备必须利用屏蔽电缆形成关键的屏蔽作用，并且其屏蔽电缆需要保持单端接地状态，达到屏蔽电磁干扰的效果。与此同时，还需要在水闸系统中的LCU 控制柜内部加装专门的液位浪涌保护器装置（SPD），用于保护PLC 模拟量输入模块与自动化仪表设备的正常工作状态。

2.4.4 摄像机

对于闸室外部空间而言，摄像机设备需要应用超五类级别的屏蔽网线，用于保证屏蔽层始终处于单端接地状态，有效屏蔽电磁造成的干扰；同时还需要加装专门的信号防雷器装置，避免感应雷电经由网线直接进入到控制机柜内，对交换机设备和网络设备造成严重破坏作用。

安装摄像机设备时，需要注意以下几个问题。

1）选择合适的安装位置，摄像机的安装位置应该能覆盖需要监测的区域，避免被遮挡或干扰。同时，要考虑到摄像机的视野、角度和高度等因素，以确保获得清晰、全面的图像。使用合适的安装工具和固定装置，牢固地安装在合适的位置，确保摄像机安装稳定。供电和网络连接，确保摄像机有稳定的电源供应，并正确连接到网络中。检查电源线和网络线的连接是否牢固，避免松动或接触不良。

2）安全防护。根据室外具体环境和需求，为摄像机设备提供适当的安全防护措施，如安装防护罩、防水罩等，以保护设备免受损坏或被盗。

3）安全存储和数据保护。考虑数据的安全性，选择合适的存储设备和数据保护措施，防止数据丢失或被非法访问。

2.4.5 太阳能板与蓄电池

当室外的太阳能电池板设备和蓄电池设备安装完成后，二者的连接电缆会在雷雨天气时承受一定程度雷电感应电压，需要使用屏蔽电缆设备，降低由雷电感应造成的过电压现象，同时还需要在蓄电池设备中的输入端增设防雷器装置，以确保蓄电池设备长期正常运转。

3 结语

综上所述，外部环境会对水闸控制系统造成严重的影响。基于此，为保证水闸系统安全、稳定的运行状态，需要对供电环境、防雷接地装置、机房环境需采取有效保护措施，为水闸控制系统提供必要保护。目前仍有一部分水闸控制系统的内外部环境在设计时存在布局缺陷，安装完成后遗留较多安全隐患，本文由此提出水闸自动化控制环境建设发展思路和优化方法，具有一定的参考作用