潘 誠(chéng)，熊錦玲，胡志芳

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

水位計(jì)是三峽船閘中確保水平開(kāi)門、控制超灌和超泄、自動(dòng)關(guān)閥以及是否需要補(bǔ)水運(yùn)行的關(guān)鍵傳感設(shè)備[1]。三峽船閘閘室水位檢測(cè)是否精準(zhǔn)、可靠直接關(guān)系到船閘是否能夠正常運(yùn)行，是船閘運(yùn)行的一項(xiàng)重要檢測(cè)工藝。目前三峽船閘采用閘室上游側(cè)和下游側(cè)各投放1支壓阻式水位計(jì)、1#閘首上游及6#閘首下游分別投放2支水位計(jì)的檢測(cè)布點(diǎn)，采用閘首水平時(shí)4支水位計(jì)加權(quán)平均的計(jì)算方法給出水平信號(hào)，由于單點(diǎn)布置的只有1支水位計(jì)，因此單點(diǎn)水位檢測(cè)缺乏可靠性和比對(duì)性，如果同一閘室的2支水位計(jì)同時(shí)故障或檢測(cè)波動(dòng)較大，則控制系統(tǒng)無(wú)法生成水平信號(hào)，導(dǎo)致船閘運(yùn)行中斷。

為進(jìn)一步優(yōu)化閘室水位檢測(cè)工藝，提高閘室水位檢測(cè)工藝的可靠性，本文在充分研究的基礎(chǔ)上，選擇南線船閘1#和2#閘室實(shí)施水位檢測(cè)工藝優(yōu)化與應(yīng)用，有效增加單點(diǎn)水位檢測(cè)的可靠性，并實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)水位計(jì)跳變?cè)诰€故障檢測(cè)、異常預(yù)警和不停航條件下的故障水位計(jì)更換等功能。

1 奇數(shù)表決法

奇數(shù)表決法，類似于若干人對(duì)一事物的取舍表決，表決對(duì)象為奇數(shù)，多數(shù)人意見(jiàn)相同則取，否則應(yīng)舍[2]。一般在某系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，鑒于工作量的限制，采集頻率可取一個(gè)奇數(shù)，用多次采集的結(jié)果進(jìn)行表決，最終決定系統(tǒng)數(shù)據(jù)的取舍。這樣可以有效消除硬件故障對(duì)系統(tǒng)的影響，是系統(tǒng)抗干擾能力的一種體現(xiàn)，同時(shí)可提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性和可信度。從硬件冗余的角度，不僅對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行掩蓋，且能通過(guò)故障檢測(cè)判斷故障類型和故障位置，并借助軟件手段將故障部分進(jìn)行隔離或替代，使系統(tǒng)運(yùn)行保持在正常狀態(tài)[3]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 水位計(jì)布設(shè)

水位計(jì)選用與三峽船閘目前使用的規(guī)格型號(hào)一致的美國(guó)GE德魯克公司PTX1830型產(chǎn)品，根據(jù)不同的水位計(jì)井高程，選擇不同量程的水位計(jì)。水位計(jì)檢測(cè)精度為±0.06%，防護(hù)等級(jí)為IP68，滿足水下工作環(huán)境要求。

本文將三峽南線船閘1#、2#閘室的水位檢測(cè)系統(tǒng)作為優(yōu)化應(yīng)用對(duì)象，在這兩個(gè)閘室現(xiàn)有的4個(gè)水位計(jì)井中各增設(shè)2支水位計(jì)，每個(gè)水位計(jì)井中的3支水位計(jì)(編號(hào)A、B、C)應(yīng)用奇數(shù)表決法計(jì)算有效單井水位，形成自動(dòng)判斷機(jī)制，便于消除單支水位計(jì)無(wú)法校準(zhǔn)的問(wèn)題，可有效判斷單支水位計(jì)的工作健康狀況。

為保證水位計(jì)在水下使用環(huán)境的性能良好，實(shí)際應(yīng)用中為每支水位計(jì)配套提供水位計(jì)專用接線盒，盡量減少信號(hào)連接和傳輸過(guò)程中的干擾。具體現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)如圖1所示。

圖1 水位計(jì)及接線盒現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)

2.2 信號(hào)采集與傳輸

為實(shí)現(xiàn)新增水位信號(hào)的采集，本優(yōu)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(hào)接口為8通道、供電DC 24V(輸出4～20 mA)、精度16位。

水位計(jì)信號(hào)連接電纜采用對(duì)屏總屏蔽信號(hào)電纜[4]，由水位計(jì)井接線盒敷設(shè)至現(xiàn)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(jīng)CPU(中央處理器)運(yùn)算處理，上傳至集中控制系統(tǒng)。

3 軟件優(yōu)化

3.1 程序算法及有效性判斷

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

3支水位計(jì)的有效水位值進(jìn)行兩兩差值絕對(duì)值計(jì)算，得到3支水位計(jì)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(dāng)3支水位計(jì)均為投入狀態(tài)，σBC同時(shí)小于σAC和σAB，且程序計(jì)算σAB或σAC大于設(shè)定的異常報(bào)警閾值時(shí)，給出A水位計(jì)異常報(bào)警信息;同理判斷 B、C 水位計(jì)的異常。

當(dāng)3支水位計(jì)均為投入狀態(tài)，σBC同時(shí)小于σAC及σAB，且程序計(jì)算σAB及σAC均大于設(shè)定的切除值閾值時(shí)，自動(dòng)斷開(kāi)A水位計(jì)；同理控制B、C水位計(jì)的單支自動(dòng)斷開(kāi)；當(dāng)出現(xiàn)單支斷開(kāi)后，另2支水位計(jì)的差值也大于設(shè)定的切除值時(shí)，同時(shí)斷開(kāi)剩余的2支水位計(jì)，并給出水位計(jì)井故障信號(hào)(即3支水位計(jì)均斷開(kāi))。

同時(shí)，對(duì)某個(gè)水位計(jì)井3支水位計(jì)的有效水位值取平均值ΔH，其值為：

(4)

(5)

(6)

(7)

3支水位計(jì)均投入時(shí)，當(dāng)某一水位計(jì)的差方值最大，且大于設(shè)定切除值時(shí)，自動(dòng)斷開(kāi)該支水位計(jì)。

當(dāng)通過(guò)異常檢測(cè)及自動(dòng)切除判斷后，采用投入水位計(jì)的有效平均值作為單井水位的有效值H(3支均斷開(kāi)時(shí)該值保持上一周期值不變化)。當(dāng)單井水位計(jì)只有1支投入時(shí)，采用該支水位計(jì)的有效水位值作為單井水位的有效值H。

當(dāng)單井的3支水位計(jì)均斷開(kāi)(水位計(jì)故障)時(shí)，程序?qū)⒉捎猛l室另一側(cè)水位井水位值替代該水位井水位。

3.2 程序設(shè)計(jì)說(shuō)明

在現(xiàn)有的水位采集控制程序中，增加了新水位計(jì)信號(hào)采集、處理綜合功能模塊，新水位計(jì)零點(diǎn)計(jì)算、信號(hào)采集、濾波處理功能模塊，單井3支水位計(jì)的差值計(jì)算、異常判斷、超限自動(dòng)切除功能模塊、3支水位計(jì)故障狀態(tài)、投切數(shù)據(jù)處理功能模塊、3支水位計(jì)比選功能模塊等9個(gè)功能模塊，如圖2所示。

圖2 集控程序優(yōu)化

3.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

在集控操作員站設(shè)置新增水位計(jì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)畫(huà)面，同屏顯示同閘室上、下游兩側(cè)水位計(jì)井的 6 支水位計(jì)數(shù)據(jù)，并對(duì)單支水位計(jì)、兩兩差值、單井水位進(jìn)行對(duì)比顯示，還可方便地對(duì)單支水位計(jì)進(jìn)行投入、斷開(kāi)設(shè)置。在趨勢(shì)曲線畫(huà)面可以對(duì)單支或多支水位計(jì)的歷史趨勢(shì)曲線進(jìn)行查詢、對(duì)比分析等功能，方便水位計(jì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的追溯，同時(shí)可對(duì)所有水位數(shù)據(jù)及水位計(jì)檢測(cè)狀態(tài)進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 上位機(jī)單支水位計(jì)水位值監(jiān)控界面

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)水位計(jì)檢測(cè)工藝優(yōu)化及應(yīng)用，3支水位計(jì)檢測(cè)實(shí)時(shí)值和兩兩差值可在集控操作員站畫(huà)面清晰顯示，并可在趨勢(shì)曲線畫(huà)面進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢。通過(guò)3支水位計(jì)檢測(cè)值的相互比較，解決了原單支水位計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)判斷的難題；控制系統(tǒng)能根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)判斷單井內(nèi)某支水位計(jì)超限異常，給出提示，有利于水位計(jì)的故障預(yù)判；單支水位計(jì)出現(xiàn)故障或差值超過(guò)設(shè)定的故障參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)均會(huì)自動(dòng)報(bào)警并斷開(kāi)故障水位計(jì)，利用另 2 支水位計(jì)平均值作為單井水位值，正常工作。管理人員可對(duì)斷開(kāi)狀態(tài)下的水位計(jì)進(jìn)行在線更換和處理，并且不影響船閘的正常運(yùn)行。

2)運(yùn)行初期，水位計(jì)異常檢測(cè)閥值設(shè)置過(guò)低，在閘室沖泄水過(guò)程中因涌水等原因會(huì)頻繁出現(xiàn)非正常的超限報(bào)警。后期可通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行記錄正常狀態(tài)下的超限最大值作為檢測(cè)閥值參數(shù)，完善軟件的檢測(cè)及故障判斷功能。