張政凱　徐臻榮

大運(yùn)河立交地涵自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行故障及處理方法

張政凱徐臻榮

一、概述

淮河入海水道是擴(kuò)大洪澤湖洪水出路，保證大堤安全的戰(zhàn)略性骨干工程。大運(yùn)河立交地涵工程是其第二級(jí)主要控制建筑物，位于淮安市楚州區(qū)南郊，淮河入海水道與京杭大運(yùn)河交匯處，其作用是滿足淮河入海水道泄洪和京杭運(yùn)河通航。

大運(yùn)河立交地涵自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括：閘門(mén)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)。該工程監(jiān)控范圍大，對(duì)象分散，涉及設(shè)備監(jiān)控、視頻監(jiān)控和涵體安全監(jiān)控等多個(gè)方面。整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)種類多，通訊方式多樣化，在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊和實(shí)施上都有相當(dāng)難度。作為防洪工程重要組成部分，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性、安全性和技術(shù)性能都有非常嚴(yán)格的要求。根據(jù)水利工程聯(lián)網(wǎng)管理要求，系統(tǒng)還具備高度開(kāi)放性和信息可共享性。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外水利行業(yè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行管理情況，本著安全可靠、簡(jiǎn)單實(shí)用、技術(shù)先進(jìn)等原則，選用了在自動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的西門(mén)子主流工控產(chǎn)品S7-300系列和SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，是一套經(jīng)濟(jì)耐用，允許少人值守，分布式開(kāi)放式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在2003年和2007年淮河流域特大洪水中，大運(yùn)河立交工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)啟用行洪，為保護(hù)淮河流域國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全起到了關(guān)鍵作用，發(fā)揮了顯著的工程、經(jīng)濟(jì)效益。

二、運(yùn)行中的故障及處理方法

1.閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)

受工程土建結(jié)構(gòu)限制，PLC LCU柜分布在上游橋頭堡一層和上游門(mén)機(jī)庫(kù)后，機(jī)房建在空箱岸墻上方。空箱內(nèi)水汽經(jīng)電纜穿線孔滲入柜內(nèi)，在設(shè)備表面形成結(jié)露，柜內(nèi)雖有加熱除濕裝置仍不能完全消除水汽，先后造成開(kāi)關(guān)電源燒毀，TP27觸摸屏黑屏、花屏，SM338模塊、開(kāi)度儀表等損壞。為消除水汽，在兩個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)安裝空調(diào)除濕，將PLC柜門(mén)長(zhǎng)期打開(kāi)，降低了設(shè)備損壞率。

閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行主要故障為閘門(mén)左右缸開(kāi)度無(wú)法正常傳輸給PLC和開(kāi)度儀表，讀取閘門(mén)左右缸開(kāi)度數(shù)值異常，造成同步超差保護(hù)，使系統(tǒng)拒絕運(yùn)行。SM338模塊、開(kāi)度儀表、自動(dòng)收緊裝置、ROQ425編碼器損壞均能引起閘門(mén)開(kāi)度無(wú)法正常讀取故障，其中編碼器故障占了很大比例。近幾年維修中先后更換過(guò)4塊SM338模塊、兩套自動(dòng)收緊裝置、多只編碼器，閘門(mén)開(kāi)度儀表多次進(jìn)行維修。

在故障維修過(guò)程中還出現(xiàn)了3只多圈型絕對(duì)編碼器與閘門(mén)開(kāi)度儀通訊不上，導(dǎo)致開(kāi)度儀不能正常工作，但編碼器與SM338模塊可以通訊的故障。經(jīng)排查測(cè)試，用示波器測(cè)量顯示出編碼器數(shù)據(jù)輸出波形出現(xiàn)異常梯狀圖，正常圖形應(yīng)為方波輸出。原閘門(mén)開(kāi)度儀與編碼器通訊，通過(guò)光電隔離，編碼器非規(guī)則輸出數(shù)據(jù)波形經(jīng)過(guò)光電隔離器后，數(shù)據(jù)波形出現(xiàn)變化，因此開(kāi)度儀無(wú)法讀取編碼器數(shù)據(jù)。而SM338模塊與編碼器連接，是通過(guò)RS422方式連接，RS422驅(qū)動(dòng)芯片為高阻抗輸入，只檢測(cè)電平變化，不需要驅(qū)動(dòng)光電耦合器，因此可以與編碼器通訊上。解決故障方法有兩種：一是維修編碼器，恢復(fù)正常數(shù)據(jù)輸出波型；二是由生產(chǎn)商將閘門(mén)開(kāi)度儀與編碼器光電隔離連接方式改為RS422通訊方式，即西門(mén)子SM338模塊與編碼器通訊方式。但該通訊方式存在一定隱患，因?yàn)殚l門(mén)開(kāi)度儀與編碼器之間沒(méi)有電氣隔離，如編碼器、閘門(mén)開(kāi)度儀任一端出現(xiàn)異常，都可能導(dǎo)致對(duì)方損壞?？紤]編碼器維修費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)分析，選擇了方案二解決編碼器與開(kāi)度儀正常通訊問(wèn)題，同時(shí)對(duì)原有接線方式進(jìn)行調(diào)整，增加中間繼電器，對(duì)編碼器進(jìn)入PLC控制柜信號(hào)接線進(jìn)行選擇性轉(zhuǎn)換。原閘門(mén)開(kāi)度信號(hào)工作方式為任何工作狀態(tài)下閘門(mén)開(kāi)度儀表均正常工作和顯示閘門(mén)開(kāi)度、超差值，即編碼器與開(kāi)度儀一直處于通訊狀態(tài)。經(jīng)改造后，只有在手動(dòng)操作狀態(tài)時(shí)開(kāi)度儀表才工作與編碼器通訊，而手動(dòng)操作概率很低，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在PLC控制方式，編碼器和開(kāi)度儀表雙方故障時(shí)相互影響可能性很小。其他工作狀態(tài)下編碼器均直接與SM338模塊進(jìn)行通訊，即保持系統(tǒng)原有的編碼器與PLC通訊方式，節(jié)省了經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，解決了系統(tǒng)閘門(mén)開(kāi)度數(shù)據(jù)正常采集問(wèn)題。

圖1　大運(yùn)河立交地涵計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)行中還出現(xiàn)PLC柜CPU模塊備用電池失電，PLC程序丟失，更換電池重新下載程序后，短時(shí)間內(nèi)又出現(xiàn)電池失電程序丟失現(xiàn)象。該型號(hào)CPU模塊帶擴(kuò)展存儲(chǔ)卡卡槽，通過(guò)購(gòu)置西門(mén)子PLC專用Flash EPROM內(nèi)存卡對(duì)程序進(jìn)行固化，徹底解決程序丟失問(wèn)題。

2.視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)攝像機(jī)安裝在上下游橋頭堡及門(mén)機(jī)庫(kù)頂部，視角雖好，監(jiān)視范圍廣，但維修時(shí)拆除、安裝不方便，同時(shí)易受雷擊影響。攝像機(jī)對(duì)電源要求高，雖系統(tǒng)經(jīng)中控室UPS電源供電，但UPS長(zhǎng)時(shí)間工作在線路模式，先后出現(xiàn)多臺(tái)攝像機(jī)控制解碼板、電源板、內(nèi)置電源變壓器損壞等故障。在一次電網(wǎng)停電后恢復(fù)供電時(shí)，還造成多臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)損壞。由于美國(guó)PELCO品牌攝像機(jī)普通廠家無(wú)法進(jìn)行維修，只能寄回原廠家維修，郵寄費(fèi)用高，維修費(fèi)用更高，在運(yùn)輸過(guò)程中還易造成二次損壞。為解決電源質(zhì)量問(wèn)題，在UPS電源后級(jí)增加一臺(tái)2kVA的穩(wěn)壓濾波靜化電源為攝像機(jī)供電，供電方式改造后攝像機(jī)故障率明顯下降。

控錄一體機(jī)及視頻分配器、畫(huà)面分割器及相關(guān)電源等設(shè)備集中在控制臺(tái)內(nèi)。設(shè)備處于長(zhǎng)期不間斷工作狀態(tài)，發(fā)熱量大，雖在柜后門(mén)設(shè)有排風(fēng)扇，也不能及時(shí)排出熱量，引起電子和電氣設(shè)備老化、燒毀等故障。更換維修相關(guān)設(shè)備后，運(yùn)行時(shí)打開(kāi)柜門(mén)加強(qiáng)散熱，并配備了一臺(tái)水冷空調(diào)降溫，有效降低了設(shè)備故障率。

3.大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一共有14塊DAU數(shù)據(jù)采集智能模塊，主要用來(lái)測(cè)量滲透壓力、內(nèi)部混凝土縫寬度變化、揚(yáng)壓力等數(shù)據(jù)。經(jīng)常發(fā)生MCU內(nèi)DAU模塊與CCU通訊失敗，測(cè)量值無(wú)法采集，數(shù)據(jù)異常，模塊數(shù)據(jù)值為1等故障。故障原因主要是電子設(shè)備長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，發(fā)生老化和運(yùn)行死機(jī)現(xiàn)象。

針對(duì)上述故障，定期對(duì)MCU內(nèi)蓄電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)并及時(shí)更換損壞蓄電池，保證MCU可靠供電。使用現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)測(cè)量裝置對(duì)DAU模塊進(jìn)行復(fù)位和數(shù)據(jù)測(cè)量，確認(rèn)各智能模塊工作狀態(tài)。檢查各485通訊線接點(diǎn)連接情況，用萬(wàn)用表檢查通訊線路阻值是否正常，對(duì)氧化和松動(dòng)的接點(diǎn)進(jìn)行處理和緊固，通訊仍不能恢復(fù)時(shí)則更換損壞的RS232-485轉(zhuǎn)換器。

三、結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)水利管理中，自動(dòng)化只是一種輔助手段，監(jiān)測(cè)多控制少。大運(yùn)河立交地涵自動(dòng)化控制系統(tǒng)則將管理、控制、安全功能全部建立在計(jì)算機(jī)控制基礎(chǔ)上，采用了SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了多種類監(jiān)控信息高度集成化的高速光纖以太環(huán)網(wǎng)多媒體計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了大運(yùn)河立交地涵安全高效運(yùn)行。但系統(tǒng)設(shè)備安裝條件、工作環(huán)境影響了安全運(yùn)行，電子、電氣設(shè)備在相對(duì)潮濕和高溫環(huán)境中故障率增高。需要在設(shè)計(jì)安裝時(shí)優(yōu)化方案，提升自動(dòng)化控制系統(tǒng)可靠性。隨著自動(dòng)化和信息化技術(shù)的發(fā)展，新材料、新設(shè)備、新技術(shù)的出現(xiàn)，水利工程管理模式會(huì)快速轉(zhuǎn)變，水利工程管理水平將不斷邁進(jìn)■

（作者單位：江蘇省淮河入海水道工程管理處223200）