三峽船閘閘室水位檢測工藝的優化與應用

潘 誠，熊錦玲，胡志芳

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

水位計是三峽船閘中確保水平開門、控制超灌和超泄、自動關閥以及是否需要補水運行的關鍵傳感設備[1]。三峽船閘閘室水位檢測是否精準、可靠直接關系到船閘是否能夠正常運行，是船閘運行的一項重要檢測工藝。目前三峽船閘采用閘室上游側和下游側各投放1支壓阻式水位計、1#閘首上游及6#閘首下游分別投放2支水位計的檢測布點，采用閘首水平時4支水位計加權平均的計算方法給出水平信號，由于單點布置的只有1支水位計，因此單點水位檢測缺乏可靠性和比對性，如果同一閘室的2支水位計同時故障或檢測波動較大，則控制系統無法生成水平信號，導致船閘運行中斷。

為進一步優化閘室水位檢測工藝，提高閘室水位檢測工藝的可靠性，本文在充分研究的基礎上，選擇南線船閘1#和2#閘室實施水位檢測工藝優化與應用，有效增加單點水位檢測的可靠性，并實現單點水位計跳變在線故障檢測、異常預警和不停航條件下的故障水位計更換等功能。

1 奇數表決法

奇數表決法，類似于若干人對一事物的取舍表決，表決對象為奇數，多數人意見相同則取，否則應舍[2]。一般在某系統進行數據采集時，鑒于工作量的限制，采集頻率可取一個奇數，用多次采集的結果進行表決，最終決定系統數據的取舍。這樣可以有效消除硬件故障對系統的影響，是系統抗干擾能力的一種體現，同時可提高系統數據的可靠性和可信度。從硬件冗余的角度，不僅對系統故障進行掩蓋，且能通過故障檢測判斷故障類型和故障位置，并借助軟件手段將故障部分進行隔離或替代，使系統運行保持在正常狀態[3]。

2 硬件設計

2.1 水位計布設

水位計選用與三峽船閘目前使用的規格型號一致的美國GE德魯克公司PTX1830型產品，根據不同的水位計井高程，選擇不同量程的水位計。水位計檢測精度為±0.06%，防護等級為IP68，滿足水下工作環境要求。

本文將三峽南線船閘1#、2#閘室的水位檢測系統作為優化應用對象，在這兩個閘室現有的4個水位計井中各增設2支水位計，每個水位計井中的3支水位計(編號A、B、C)應用奇數表決法計算有效單井水位，形成自動判斷機制，便于消除單支水位計無法校準的問題，可有效判斷單支水位計的工作健康狀況。

為保證水位計在水下使用環境的性能良好，實際應用中為每支水位計配套提供水位計專用接線盒，盡量減少信號連接和傳輸過程中的干擾。具體現場布設如圖1所示。

圖1 水位計及接線盒現場布設

2.2 信號采集與傳輸

為實現新增水位信號的采集，本優化方案采用西門子S7-300系列模擬量采集模塊6ES7331-7NF00-0AB0，模塊信號接口為8通道、供電DC 24V(輸出4～20 mA)、精度16位。

水位計信號連接電纜采用對屏總屏蔽信號電纜[4]，由水位計井接線盒敷設至現地子站控制柜，接入PLC(可編程邏輯控制器)模擬量采集模塊通道，經CPU(中央處理器)運算處理，上傳至集中控制系統。

3 軟件優化

3.1 程序算法及有效性判斷

單支水位計采用原程序中模擬量功能模塊進行斜率換算及零點校正算法。處理后的水位值通過多次采集取平均算法(5次)，得出單支水位計的有效水位值，分別為HA、HB、HC。

3支水位計的有效水位值進行兩兩差值絕對值計算，得到3支水位計有效水位值的差值分別為σAB、σAC、σBC：

σAB=|HA-HB|

(1)

σAC=|HA-HC|

(2)

σBC=|HB-HC|

(3)

當3支水位計均為投入狀態，σBC同時小于σAC和σAB，且程序計算σAB或σAC大于設定的異常報警閾值時，給出A水位計異常報警信息;同理判斷 B、C 水位計的異常。

當3支水位計均為投入狀態，σBC同時小于σAC及σAB，且程序計算σAB及σAC均大于設定的切除值閾值時，自動斷開A水位計；同理控制B、C水位計的單支自動斷開；當出現單支斷開后，另2支水位計的差值也大于設定的切除值時，同時斷開剩余的2支水位計，并給出水位計井故障信號(即3支水位計均斷開)。

同時，對某個水位計井3支水位計的有效水位值取平均值ΔH，其值為：

(4)

(5)

(6)

(7)

3支水位計均投入時，當某一水位計的差方值最大，且大于設定切除值時，自動斷開該支水位計。

當通過異常檢測及自動切除判斷后，采用投入水位計的有效平均值作為單井水位的有效值H(3支均斷開時該值保持上一周期值不變化)。當單井水位計只有1支投入時，采用該支水位計的有效水位值作為單井水位的有效值H。

當單井的3支水位計均斷開(水位計故障)時，程序將采用同閘室另一側水位井水位值替代該水位井水位。

3.2 程序設計說明

在現有的水位采集控制程序中，增加了新水位計信號采集、處理綜合功能模塊，新水位計零點計算、信號采集、濾波處理功能模塊，單井3支水位計的差值計算、異常判斷、超限自動切除功能模塊、3支水位計故障狀態、投切數據處理功能模塊、3支水位計比選功能模塊等9個功能模塊，如圖2所示。

圖2 集控程序優化

3.3 人機交互界面設計

在集控操作員站設置新增水位計數據的監測畫面，同屏顯示同閘室上、下游兩側水位計井的 6 支水位計數據，并對單支水位計、兩兩差值、單井水位進行對比顯示，還可方便地對單支水位計進行投入、斷開設置。在趨勢曲線畫面可以對單支或多支水位計的歷史趨勢曲線進行查詢、對比分析等功能，方便水位計檢測數據的追溯，同時可對所有水位數據及水位計檢測狀態進行分析，如圖3所示。

圖3 上位機單支水位計水位值監控界面

4 結語

1)通過對水位計檢測工藝優化及應用，3支水位計檢測實時值和兩兩差值可在集控操作員站畫面清晰顯示，并可在趨勢曲線畫面進行歷史數據查詢。通過3支水位計檢測值的相互比較，解決了原單支水位計無法實現自校準判斷的難題；控制系統能根據設定值自動判斷單井內某支水位計超限異常，給出提示，有利于水位計的故障預判；單支水位計出現故障或差值超過設定的故障參數時，系統均會自動報警并斷開故障水位計，利用另 2 支水位計平均值作為單井水位值，正常工作。管理人員可對斷開狀態下的水位計進行在線更換和處理，并且不影響船閘的正常運行。

2)運行初期，水位計異常檢測閥值設置過低，在閘室沖泄水過程中因涌水等原因會頻繁出現非正常的超限報警。后期可通過長期運行記錄正常狀態下的超限最大值作為檢測閥值參數，完善軟件的檢測及故障判斷功能。