公路隧道計(jì)算機(jī)控制_弱電_系統(tǒng)抗干擾防雷電技術(shù)分析及應(yīng)用_圖文

1、收稿日期 :2005-11-01作者簡介 :陽永安 (1960-, 男 , 工程師 , 本科 , 主要從事高速公路機(jī)電設(shè)備管理的研究 .第 21卷第 1期 2006年 2月長 沙 電 力 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) (自 然 科 學(xué) 版 J OURNAL O F CHANG S HA UN I VER SI TY OF ELECTR I C POW ER (NATURA L SC I EN CEVo. l 21N o . 1Feb .2006公路隧道計(jì)算機(jī)控制 (弱電 系統(tǒng)抗干擾防雷電技術(shù)分析及應(yīng)用陽永安(深圳惠鹽高速公路有限公司 , 廣東 深圳 518081摘 要 :公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控 制系統(tǒng)

2、 是中長 隧道 監(jiān)控系 統(tǒng)今 后發(fā)展 的方 向 , 中長公 路隧 道的共 同特點(diǎn) :隧道內(nèi)環(huán)境惡劣 , 潮濕 , 含有腐蝕性氣體 , 電 磁干擾及 各種干 擾源多 . 就如 何處理 計(jì)算 機(jī)控 制 (弱電 系統(tǒng) 抗干 擾、 防雷電技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了較詳細(xì)分析 .關(guān) 鍵 詞 :抗干擾 ; 浪涌雷電 ; 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) ; 光電隔離器 ; 濾波技術(shù)中圖分類號(hào) :TP 273; TM 862 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1006 7140(2006 01 0033 04Su mm ary on the Analysis and Applicati on of the Anti Ja mm i ngP

3、reventive Technol ogy i n the H ighway Tunnel Co m puter Controled Syste m (L ight Current and the ThunderboltYANG Y ong an(Hu i Y an Express w ay Co . L t d of Shen z hen, Sh enz h en 518081, Ch i n aAbstract :Adopti n g the co m puter controlled syste m is the fut u re trends i n the auto m atic m

4、 onitori n g syste m of t h e h ighw ay m edium t u nne. l The terri b le env ironm ent i n the t u nne ls is the co mm on characteristic . It is not on ly w et i n side bu t a lso i n cl u des aggressi v e gas , electro m agnetic disturbance and other sources of the d isturbance . Th is paper gives

5、 a particular analysis on how to apply the anti-ja mm i n g , pro tecti n g fro mthe li g htning techn ique o f the co m puter contr o lled syste m w el. l K ey w ords :anti j a mm i n g ; surg i n g li g htning ; co mputer contro lled syste m ; OE I (Optoelectron ic Iso l a tor ; filter techn ique鹽

6、田坳隧道地處深圳梧桐山腳下 , 三面環(huán)山 , 一 面向海 , 像個(gè)口袋 , 雷擊頻繁 , 屬典型多雷區(qū) ; 隧道內(nèi)環(huán)境十分惡劣 , 潮濕 , 含有腐蝕性氣體 , 有較高的導(dǎo) 電粉塵 (汽車尾氣中的游離碳 ; 隧道內(nèi)高壓鈉燈啟 動(dòng) (或打火 時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾源 , 電纜溝內(nèi) 10kV 電纜產(chǎn)生的電磁干擾源 ; 射流風(fēng)機(jī)運(yùn)行的噪聲、 大貨 柜車通過隧道時(shí)的噪聲混合在一起產(chǎn)生的干擾源 . 雷電及各種干擾源對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn) 生嚴(yán)重影響 . 鹽田坳下行隧道機(jī)電設(shè)備工程在一期 工程 (1992年 設(shè)計(jì)時(shí) , 對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾、 防浪涌雷電未引起重視 , 造成中央控制室值班人員 不能正?？?/p>

7、制機(jī)電設(shè)備的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生 , 每年因雷 電損壞的弱電設(shè)備嚴(yán)重 , 經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 20多萬元 . 2000年對(duì)鹽田坳上行隧道機(jī)電設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì) , 同時(shí)對(duì)下行隧道機(jī)電設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造 , 計(jì)算機(jī)控 制 (弱電 系統(tǒng)抗干擾、 防浪涌雷電技術(shù)問題突顯出 來 , 此問題處理好壞 , 直接影響計(jì)算機(jī)控制 (弱電 系統(tǒng)能否正常投入運(yùn)行 .1 計(jì)算機(jī)控制 (弱電 系統(tǒng)雷害分析1. 1 雷電形式及破壞作用 1雷擊通常有 3種主要形式 :直擊雷、 感應(yīng)雷、 球形 雷 . 直擊雷 :帶電的云層與大地上某一點(diǎn)之間發(fā)生迅 猛的放電現(xiàn)象 . 感應(yīng)雷 :帶電云層由于靜電感應(yīng)作用 , 使地面某一范圍帶上異種電荷 ; 當(dāng)直擊雷發(fā)

8、生以后 , 云層帶電迅速消失 , 而地面某些范圍由于散流電阻 大 , 以至出現(xiàn)局部高電壓 , 或者由于直擊雷放電過程 中 , 強(qiáng)大的脈沖電流對(duì)周圍的導(dǎo)線或金屬物產(chǎn)生電磁 感應(yīng)發(fā)生高電壓以致發(fā)生 閃擊的現(xiàn)象 , 也叫 二 次 雷 , 浪涌雷 . 球形雷 :在雷電頻繁的雷雨天 , 偶然 會(huì)發(fā)現(xiàn)紫色、 殷紅色、 灰紅色、 藍(lán)色的 火球 .地電位反擊雷電現(xiàn)象 , 在中央控制室大樓內(nèi) , 一 般有防直擊雷電接地網(wǎng)、 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)接地網(wǎng)、 設(shè) 備金屬外殼共同接地網(wǎng) . 如果幾個(gè)接地網(wǎng)不連接在 一起 , 而每個(gè)接地網(wǎng)接地電阻值很難做到一致 , 一旦 屋頂防雷網(wǎng)被雷電擊中 , 在幾個(gè)接地網(wǎng)之間就會(huì)產(chǎn) 生地電

9、位反擊雷電現(xiàn)象 , 造成另外 2個(gè)接地網(wǎng)地電 位升高 , 通過接地線 , 對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生浪涌雷電 , 將 其損壞 . 原理如圖 1所示 .一般來說 , 感應(yīng)雷沒有直擊雷那么猛烈 , 但它發(fā) 生的幾率比直擊雷高得多 . 直擊雷一次只能襲擊一 二個(gè)小范圍目標(biāo) , 而一次雷閃擊可以在比較大范圍 內(nèi)多個(gè)小局部同時(shí)發(fā)生感應(yīng)雷過電流現(xiàn)象 , 并且這 種感應(yīng)高電壓可以通過電源電纜、 通信電纜等金屬 導(dǎo)線傳輸?shù)胶苓h(yuǎn) , 致使雷害范圍擴(kuò)大 .圖 1 地方電位反擊 、 地電 位抬高圖雷電是以雷電流形式出現(xiàn) , 雷電流具有電流的 一切效應(yīng) :熱效應(yīng)、 動(dòng)力效應(yīng)、 電磁感應(yīng)效應(yīng)等 . 雷電 流在很短時(shí)間 ( s 級(jí)

10、內(nèi)以脈沖形式通 過強(qiáng)大電 流 , 峰值高達(dá)幾十 kA, 乃至幾百 kA; 雷擊發(fā)生后 , 局 部地區(qū)感應(yīng)高電壓 , 在高壓架空線路感應(yīng)電壓可達(dá) 300 400kV, 一般低壓架空線路感應(yīng)電壓可達(dá) 100 kV, 電信線路感應(yīng)電壓可達(dá) 40 60k V. 所以雷電具 有很大的破壞作用 .1. 2 計(jì)算機(jī)控制 (弱電 系統(tǒng)雷電侵害特點(diǎn)在工程實(shí)例應(yīng)用中 , 設(shè)計(jì)人員對(duì)直擊雷電、 球形 雷電采取許多預(yù)防措施 , 而且效果很好 . 但是 , 浪涌 雷電 (感應(yīng)雷電 和地電位反擊雷電對(duì)計(jì)算機(jī)控制 (弱電 系統(tǒng) 造成的損 害更大 , 人們重 視的程度 不 夠 . 電子設(shè)備的共同 特點(diǎn)是 , 其 內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度

11、 集成 化 , 通信端口多 , 造成設(shè)備本身耐壓、 過電流能力下 降 , 易遭受浪涌雷電損壞 . 浪涌雷電通過電源和通信 端口對(duì)電子設(shè)備電源控制板、 通信控制板造成損壞 , 使整個(gè)控制系統(tǒng) 癱瘓 , 這是電子設(shè)備最常見的故 障現(xiàn)象 , 也是最難處理的設(shè)備故障之一 .鹽田坳下行隧道機(jī)電設(shè)備一期工程 (1992年 因抗干擾、 防浪涌雷電未引起重視 , 雷電對(duì)隧道監(jiān)控 設(shè)備每年都造成不同程度損壞 . 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在 試運(yùn)行期間被浪涌雷電嚴(yán)重?fù)p壞 , 再也沒有恢復(fù) , 一 直處于癱瘓狀態(tài) :閉路電視系統(tǒng)主機(jī)板 (MV500 被 損壞 5塊 , 廣場、 隧道內(nèi)攝像頭電源控制板被損壞 7塊 , 遠(yuǎn)控解碼

12、器控制板被損壞 18塊等等 . 最后到了 每次雷雨天氣時(shí) , 監(jiān)控室值班人員需要將監(jiān)控設(shè)備 總電源關(guān)掉的地步 , 否則雷雨天氣過后 , 大量監(jiān)控 設(shè)備將被雷電損壞 .2000年對(duì)鹽田坳上、 下行隧道機(jī)電設(shè)備工程進(jìn) 行設(shè)計(jì)時(shí) , 盡管設(shè)計(jì)人員對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) (弱電 抗干擾、 防浪涌雷電引起足夠重視 , 采取了多種預(yù)防 措施 , 但還是出現(xiàn)下述問題 .計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入試運(yùn)行第 8天 , 系統(tǒng)遭遇 第 2次雷雨天氣 , 雷電過程中 , 系統(tǒng)通信突然中斷 , 無法對(duì)隧道內(nèi)設(shè)備進(jìn)行控制 . 經(jīng)檢查 , 發(fā)現(xiàn)上行隧道 內(nèi) 1, 2號(hào) PLC 終端機(jī)柜通信損壞 (2號(hào)終端機(jī)柜距 隧道口 150m . 經(jīng)

13、過認(rèn)真檢查 , PLC 模塊通信口芯 片發(fā)現(xiàn)有被高電壓燒焦變黑痕跡現(xiàn)象 , 說明浪涌雷 電通過通信總線電纜已進(jìn)入隧道內(nèi) 100m 以上 . 雖 然 PLC 終端機(jī)都安裝有通信避雷器 , 但浪涌雷電流 之大 , 通信口上感應(yīng)電壓大于 TTL 電壓 , 致使通信 芯片損壞 . 解決辦法 是 , 在每臺(tái) PLC 終端機(jī)通信入 口串聯(lián) 1個(gè)光隔離型數(shù)據(jù)中繼器 .2 抗干擾、 防雷電方法2. 1 計(jì) 算機(jī)控 制 (弱電 系 統(tǒng)常 規(guī)抗 干擾 、 防 雷 電 2, 3中央控制室樓頂用直徑為 12mm 鍍鋅圓鋼做 成避雷網(wǎng)格 , 中央控制室地面安裝防靜電地板 , 在防 靜電地板下 , 沿墻敷設(shè)截面 50mm

14、 2閉環(huán)銅等電位 連接帶 , 所有金屬門、 窗用截面 6mm 2的軟銅線與 等電位帶連接 , 室內(nèi)所有設(shè)備的金屬外殼均與等電 位帶連接 . 中央控制中心樓內(nèi)所有接地網(wǎng)連接在一 起 , 綜合接地電阻小于 1 .上、 下行隧道各敷設(shè) 1條計(jì)算機(jī)專用通信電纜 (J VPV -22-2mm 1mm , 將隧道內(nèi) 10個(gè) PLC 終 端機(jī)柜、 兩變電所 4個(gè) PLC 終 端機(jī)柜、 中央控制室 模擬屏 4個(gè) PLC 終端機(jī)柜 , 中央控制室 2臺(tái)控制主 機(jī)連成環(huán)路 , 計(jì)算機(jī)專用電纜在敷設(shè)時(shí)盡量遠(yuǎn)離強(qiáng) 電電纜 . 監(jiān)控主機(jī)與 PLC 終端機(jī)柜采用主從式呼叫 應(yīng)答和告警中斷方式聯(lián)網(wǎng)工作 , 系統(tǒng)內(nèi)部通信由系

15、 統(tǒng)軟件控制 , 信道數(shù)據(jù)傳輸過程全部采用糾錯(cuò)編碼 技術(shù) , 具有保密性好、 抗干擾能力強(qiáng)、 誤碼率低、 運(yùn)行 過程響應(yīng)及時(shí)的特點(diǎn) .主機(jī)和 PLC 終端 機(jī)柜 220V 電源 處安裝 1個(gè) f u rse(E sp240 低壓防雷器 , 同時(shí)采用抗干擾開關(guān)電 源 , 增加干擾抑制器 , 提高抗電源干擾的擬制能力 ; 中央控制室通信總線、 上下行隧道通信總線、 兩變電 所通信總線上安裝專用通信避雷器 , 上、 下行隧道中 間 PLC 終端機(jī)通信口安裝通信避雷器 .2. 2 PLC 終端機(jī)柜抗干擾 、 防浪涌雷電PLC 內(nèi)存采用 E 2PROM, 當(dāng)系統(tǒng)電源掉電時(shí) , 數(shù) 據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)到內(nèi)存中不會(huì)

16、丟失 , 亦不會(huì)因外部干擾 信號(hào)的影響而丟失 ; PLC 的 I/O輸入、 A /I 口設(shè)計(jì)有 軟件濾波功能 , 所有輸入、 輸出模塊全部采用光電隔 離模式或繼電器輸出結(jié)構(gòu)模式 , 其中 D I/DO端口全 部采用機(jī)外繼電器二次隔離 , 具有較強(qiáng)的抗干擾能 力 , 提高設(shè)備運(yùn)行可靠性 .為了確保計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行 , 任何 1臺(tái) PLC 終端機(jī)出現(xiàn)故障時(shí) , 不會(huì)影響整個(gè)計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)正常運(yùn)行 . 每臺(tái) PLC 終端機(jī)之間、 PLC 終 端機(jī)與主機(jī)之間要有完整的隔離措施 , 在每臺(tái) PLC 終端機(jī)通信入口、 主機(jī)通信入口串聯(lián) 1個(gè)光隔離型 數(shù)據(jù)中繼器 (ADC-109-RS-422/

17、RS-485. 光隔 離型數(shù)據(jù)中繼器內(nèi)置光電隔離器及 DC /DC直流變 換器 , 能夠提供 3500V 的隔離電壓 , 快速的瞬態(tài)電 壓抑制器 (TVS 可以有效地抑制閃電 (Lightn i n g 和 ESD , 提供每線 600W 的雷擊浪涌保護(hù)功率 , 可以有 效防止雷擊和共地干擾 .性能參數(shù) . 電氣接口 :RS-422/RS-485; 隔離 度 :隔離電壓 3500V(RM S, 500V (DC 連續(xù) ; 保護(hù) 等級(jí) :RS-422, RS-485接口每線 600W 的雷擊浪 涌保護(hù) , 延長距離 , 05km; 傳輸速率 :115. 2kBPS , 1. 2km, 38. 4

18、kBPS , 2. 4km , 9600BPS , 5km ; 使用環(huán) 境 :-2570 , 相對(duì)濕度為 5%95%.電路功能如圖 2所示 .圖 2 電路功能示意圖2. 3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)抗干擾系統(tǒng)軟件采用數(shù)字濾波和慣性濾波技術(shù) , 可有 效減少干擾對(duì)測量數(shù)據(jù)的影響 ; 系統(tǒng)軟件中設(shè)有抗 干擾處理程序 , 當(dāng) 系統(tǒng)設(shè) 備受 到電磁 干擾 而引 起 程序跑飛 時(shí) , 利用其看門狗功能 , 自動(dòng)恢復(fù)程序 正常運(yùn)行 .監(jiān)控主機(jī)啟動(dòng)看門狗電路 , 程序如下 :MOV DX , 443H ; (設(shè)置端口寄存器 MOV AL , 8; (啟動(dòng) 看門狗 功能 , 并 設(shè)定時(shí) 間為 2s OUT DX

19、, AL; (寫 8到端口 443輸出看門狗響 應(yīng)信號(hào) , 清除定時(shí)器 , 開始新一輪計(jì)時(shí) MOV DX , 441H ; (看門狗設(shè)定 MOV AL , O ;OUT DX, ALMOV DX , 443HI N AL , DX3 運(yùn)行效果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)于 2002年 6月投入運(yùn)行 , 經(jīng)過 三年多時(shí)間運(yùn)行檢驗(yàn) , 從來沒有因?yàn)槔纂娀蚱渌?擾信號(hào)引起系統(tǒng)出現(xiàn) 死 機(jī)現(xiàn)象 , 系統(tǒng)性能穩(wěn)定性 很高 . 時(shí)間檢驗(yàn) , 實(shí)踐證明 , 對(duì)計(jì)算機(jī)控制 (弱電 系 統(tǒng)采取的抗干擾、 防雷電方法完全正確 , 確保計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)在多干擾源、 多雷區(qū)環(huán)境十分惡劣的情況 下能正常運(yùn)行 , 解 決了公 路中 長隧道 計(jì)算 機(jī)控 制 (弱電 系統(tǒng)中一大難題 , 為公司每年節(jié)約因雷電損 壞弱電設(shè)備 20多萬元 .參考文獻(xiàn) :1蘇邦禮 , 崔秉球 , 吳望平 , 等 . 雷電 與避雷 工程 M.廣州 :中山 大學(xué)出版社 , 1996.2GB 50057-94, 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范 S.3李朝青 . PC 機(jī)及單片 機(jī)數(shù)據(jù) 通信 技術(shù) M.北京 :北京 航空航 天大學(xué)出版社 , 2