永勝地震臺遠程防雷控制裝置的設計與應用

李 璘 湯長江 楊學慧

1.云南省地震局，云南昆明 650224；2.云南省地震局永勝地震臺，云南昆明 674200

地震監測臺站經“九五”、“十五”改造后，地震監測設備發生了很大變化，由以模擬物理量為主的監測設備逐步轉變為微電子化、網絡化、集成度高的監測設備，監測設備數字化以后，減少了人為操作，監測設備更加的精密、監測數據更加準確。地震臺多處于偏遠地區，通常存在臺站易斷電、電壓波動范圍大、電源和信號線易遭受雷擊等問題[1]。當臺站信號中斷時，維護人員無法遠程了解故障原因，導致信號恢復延誤。當前，能否盡快確定故障類型，迅速采取積極有效的維修手段，顯得越來越重要[2]。據統計，地震監測儀器的電源線路、數據采集線及通信線路引雷是雷擊儀器的主要原因[3]。我們針對永勝地震臺洞體形變觀測的情況，研制一套實用性強、使用簡便、成本低廉、可靠性高的臺站遠程監控裝置，遠程對地震臺站設備提前進行相關操作，減少雷擊等事故的發生，并能做到第一時間儀器故障報警并及時搶修，對于地震監測和臺站維護工作具有保障作用。希望能對其他地震臺遠程網絡監控系統建設起到一定參考作用。

1 永勝地震臺山洞供電系統常見問題

永勝地震臺洞體形變觀測山洞位于云南永勝盆地東緣，即程海斷裂北段山腳下，距離臺站值班室路程400m，從值班室到觀測山洞需經過陡坡，穿過一條環山公路。永勝地震臺日常工作中常見的問題有：（1）無報警，永勝地震臺供電系統無監控和儀器故障無報警，在實際工作中經常出現臺站值班人員巡視檢查儀器時，儀器工作正常，但剛檢查完離開后供電就發生故障，特別是夜間儀器發生故障，造成數據長時間缺記。（2）防雷效果差，防雷方面由高靈敏的電源3級防雷系統，各種主動防雷措施，如：放電器、浪涌二極管、快恢復二極管、壓敏電阻、過壓保險，以及UPS等設備構成。在市電不穩定、過壓、過流或者雷擊時燒毀防雷元器件來保護儀器。但由于供電方式不能做到完全物理隔離，地震觀測儀器與電源等輔助設備總是不同程度地受到雷擊損壞。目前的解決方法是在發生雷電時手動切斷市電，儀器由UPS供電使雷電不能從電力線路入侵。缺點是工作人員不能及時快速地到達山洞現場拉閘斷電，夜晚常常人起床到山洞，儀器已被雷擊壞。而且工作人員中途有被雷擊和山體落石砸傷的安全隱患。

供電系統無監控、儀器故障無報警及雷擊災害直接影響了數據連續率、完整率及數據質量，同時也增大了工作人員的心理壓力。

2 裝置結構及工作原理

在日常生活中，遠程監測裝置已在各行業得到廣泛應用。鑒于地震臺站的實際需求，基于GSM技術的遠程監控裝置引入無線、遠程、雙向操作的理念，不僅可以收發臺站的監控信息，也可以遠程控制設備[4]。通過遠程監控，可將無人值守臺站儀器供電狀態反饋到工作人員手中，也可做到儀器設備電源供電系統故障前早預警、早干預，及時有效的確保地震觀測儀器穩定可靠的連續運行[5]。

我們針對永勝臺的實際工作情況研發了本裝置，見圖1。該裝置通過工作人員日常用手機24h監控各儀器及供電設備的供電狀態，通過手機發送短信控制市電與備用電源的切換，完全獨立于觀測山洞的供電系統，不參與改變儀器內部結構，安全可靠。該裝置與工作人員的通信方式為GSM通訊。該裝置由3個模塊組成：短信遠程控制模塊、供電監控模塊、裝置供電模塊，見圖2。

圖1 供電遠程監控、防雷控制器應用圖

圖2 裝置設計原理圖

2.1 短信遠程控制模塊

本裝置核心模塊是由Donghaosen公司生產的型號為GL4-GSM短信遠程控制模塊， 主要由Modem TC35手機模塊和STC89C52單片機組成，見圖3。TC35手機模塊的核心部件是GSM/GPRS基帶處理器，相當于協議處理器，其外部集成了通用的RS232串行數據通信接口。STC89C52單片機，該單片機是新一代高速、功耗低、超強抗干擾的單片機。TC35手機模塊的RS232串口與STC89C52單片機的串口相連，通過AT指令進行信息通信。TC35手機模塊負責短信的收發，STC89C52單片機核心單元來讀取TC35收到的短信，并執行相應的監控操作。

當工作人員手機發送一條短信，短信遠程控制模塊中的Modem TC35接收地震臺站工作人員發來的短消息，將收到的短消息以AT指令的格式，送到單片機，單片機按事先編好的程序對收到的短消息進行邏輯判斷，根據處理結果輸出相應的控制信號，控制中間繼電器，由中間繼電器驅動交流接觸器來實現對山洞電源的接通和斷開。單片機中的程序進行邏輯判斷來確定需要操作的事件。同樣，STC89C52單片機接收監控部分的電平信號，經過邏輯判斷發送到Modem TC35模塊，再發送到工作人員手機，工作人員就了解了當前儀器工作狀態。

圖3 短信遠程控制模塊硬件組成

2.2 供電監控模塊

控制器監控信息采集采用完全外掛式不改變現行儀器，和儀器完全物理隔離。由光敏二極管和光電隔離開關量檢測電路完成信號采集，光敏二極管只需固定在要監控的設備LED工作指示燈上，為使裝置簡易易用將各光敏二極管串聯，設備故障時其中一個LED滅，此時光敏二極管給出低電平，單片機開關量檢測低電平信號，程序進行邏輯判斷，通過AT指令發送到Modem TC35T，馬上向管理人員手機發送短信和撥打電話兩種方式告知工作人員儀器供電故障。

2.3 裝置供電模塊

該裝置電源由UPS提供的220V交流電經電源適配器轉換為12V直流，再經DC/DC隔離模塊后提供。后備12V鋰電池8800mA，即使斷電也可以工作6～8h。本裝置完全采用外掛式，不改變現有的供電系統的物理鏈路，即使本裝置故障關機，不會影響儀器正常工作。安全可靠。

3 裝置應用

該裝置研發后，在永勝臺進行了使用。我們在該裝置正面設置了“裝置開關”按鈕、“市電”狀態顯示燈、“防雷啟動”顯示燈、“水管儀”供電顯示燈、“伸縮儀”供電顯示燈、“垂直擺”供電顯示燈及“SET”設置按鍵；背面設置了12V電源插孔、SIM卡插槽、天線插孔、4組接線開關。該裝置輸入電壓：12V；輸入功率：0.9W；輸出電壓：AC 10A/220V 15A/125V/30V；輸出功率：2000W/路感性負載減半；工作電流：＜10A；GSM頻率：850/900/1800/1900MHz。

3.1 應用實驗

插入SIM卡后接通電源即可使用。該裝置可設置5個主人號碼，只有這5個主人號碼才能與之通信，號碼具有掉電記憶功能。我們通過實驗的方法來測試該裝置的性能。實驗內容及結果見表1。

表1 實驗表

3.2 應用案例

防雷應用：在雷電到來前臺站管理人員用短信的形式隨時隨地發送指令控制12V繼電器吸合（控制時間1～90min有延時自動恢復功能）。交流接觸器得電吸合，常閉端斷開，斷開市電輸入切斷雷電從電力線路入侵途徑，儀器由UPS供電，同時控制器向管理人員手機發送短信和撥打呼叫2種模式反饋狀態信息。下面是2016年10月18日成功防雷案例，見圖4，2016年10月18日02：00分臺站觀測人員察覺雷雨危險天氣，02：00分通過手機發送短信“關市電600”，交流接觸器常閉端斷開，斷開市電輸入切斷雷電從電力線路入侵途徑，由于雷電超高電壓影響，洞體應變儀器原始數據出現階躍和突跳，若未切斷市電，超高電壓將會對儀器設備產生嚴重的破壞，損失慘重。

圖4 2016年10月18日永勝地震臺原始數據曲線

4 結語

自從2014年使用以來，臺站工作人員時刻關注當地天氣情況，并結合當地天氣預報，在雷電來臨之前，多次通過短信提前關閉市電，從根本上切斷了雷擊災害的途徑，防止了雷擊事故的發生。實現了全天24h對臺站供電系統的監控。其完全外掛式的設計保證了臺站觀測系統安全性。該裝置減輕了工作人員的負擔，提高了工作效率，更為產出連續、準確、可靠的地震監測數據提供了保障，達到了預期設計要求。