蒲浩清

摘 要：在許多高水頭船閘控制系統(tǒng)中，水位計(jì)所產(chǎn)生的水平信號(hào)是確保船閘正常運(yùn)行的重要條件。如果水平信號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題則會(huì)影響閘門(mén)的正常運(yùn)行，導(dǎo)致船閘運(yùn)行中斷，引起強(qiáng)拉門(mén)、機(jī)械過(guò)載等故障，甚至?xí)?duì)門(mén)體的機(jī)械結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p壞。所以在船閘運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，對(duì)水位計(jì)的校正是必不可少的。目前傳統(tǒng)的方式是通過(guò)技術(shù)人員人工調(diào)節(jié)校正。本文將通過(guò)一種水位計(jì)布置方式和區(qū)間自動(dòng)校準(zhǔn)流程兩個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)的調(diào)整校正的方式進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)水位計(jì)實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)的目的。

關(guān)鍵詞：船閘;水位計(jì);區(qū)間;校準(zhǔn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U641? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）09-0016-02

1背景

1.1水平信號(hào)

水平信號(hào)是程序接受到水位計(jì)的測(cè)量值后，經(jīng)過(guò)換算判斷得出船閘閘室內(nèi)和閘室外水位計(jì)的水位值滿(mǎn)足水平要求的情況下發(fā)出的高電平。它是閘門(mén)開(kāi)啟的必要條件。如果水平信號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題則會(huì)影響閘門(mén)的正常運(yùn)行，導(dǎo)致船閘運(yùn)行中斷，引起強(qiáng)拉門(mén)、機(jī)械過(guò)載等故障，甚至?xí)?duì)門(mén)體的機(jī)械結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p壞。

1.2水位計(jì)使用校準(zhǔn)現(xiàn)狀

目前船閘常用壓力式水位計(jì)檢測(cè)水位，在實(shí)際使用中我們發(fā)現(xiàn)，這種水壓原理的水位計(jì)在工作一段時(shí)間后，數(shù)值會(huì)產(chǎn)生一定的漂移，但本身設(shè)備并沒(méi)有損壞而是正常的工作狀態(tài)。所以為了保證船閘的正常運(yùn)行，會(huì)定期對(duì)船閘所有的水位計(jì)進(jìn)行校正。壓力式水位計(jì)顯示值是設(shè)置零點(diǎn)值與測(cè)量值的和，如式1：

S= L0+P? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （式1）

其中：S ——水位值;L0——水位計(jì)零點(diǎn)值;P ——水位計(jì)測(cè)得水深。

目前，對(duì)于水位計(jì)校準(zhǔn)大多數(shù)船閘采用的是人工整定的方式，定期對(duì)發(fā)生零點(diǎn)漂移的水位計(jì)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。然而人工整定的區(qū)間并不能完全切合水位計(jì)零點(diǎn)漂移的時(shí)間，并且人工整定一般為瞬時(shí)值校準(zhǔn)，易受船閘超灌超泄、船舶進(jìn)出閘、往復(fù)流等水位波動(dòng)影響，產(chǎn)生人為的誤差，（累積誤差）影響水位計(jì)整定后的使用效果。

2 一種水位計(jì)布置方式

1、2、3——基點(diǎn)水位計(jì)1、2、3

4、5——閘室內(nèi)靠近A門(mén)的水位計(jì)4、5

6、7——閘室內(nèi)靠近B門(mén)的水位計(jì)6、7

8、9——B門(mén)外水位計(jì)8、9

10、11——閘門(mén)

12——控制器

13——上位機(jī)

14——觸摸屏

如圖1所示，以閘門(mén)為分界線(xiàn)布置四個(gè)水位點(diǎn)，其中，A門(mén)外為校準(zhǔn)基點(diǎn)布置三只水位計(jì)（水位計(jì)1、2、3）、閘室A側(cè)布置兩只水位計(jì)（水位計(jì)4、5）、閘室B側(cè)布置兩只水位計(jì)（水位計(jì)6、7）、B門(mén)外布置兩只水位計(jì)（水位計(jì)8、9），整個(gè)校準(zhǔn)流程會(huì)以A門(mén)外水位點(diǎn)為基點(diǎn)進(jìn)行，布置在船閘四個(gè)水位點(diǎn)的9支水位計(jì)，將采集到的水位瞬時(shí)數(shù)據(jù)，傳輸給控制器，控制器采用算法編制水位計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)程序，在特定時(shí)間計(jì)算出各水位點(diǎn)校正值，最后整體賦值，以達(dá)到對(duì)水位計(jì)校準(zhǔn)的目的。相關(guān)參數(shù)可以通過(guò)上位機(jī)和觸摸屏進(jìn)行設(shè)置。

3 水位計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)

3.1水位計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)整體流程

水位計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)具體流程如圖2。其中閘室A側(cè)校正值是由相同區(qū)間的基點(diǎn)有效區(qū)間平均值和閘室A側(cè)有效區(qū)間平均值計(jì)算得出;閘室B側(cè)校正值是由相同區(qū)間的閘室A側(cè)和閘室B側(cè)有效水位區(qū)間平均值計(jì)算得出;B閘門(mén)外校正值是由相同區(qū)間的閘室B側(cè)和B閘門(mén)外有效水位區(qū)間平均值計(jì)算得出。

3.2水位區(qū)間平均值

水位區(qū)間平均值是用來(lái)反映一段時(shí)間內(nèi)的真實(shí)水位，用來(lái)計(jì)算相鄰水位點(diǎn)之間的真實(shí)水位差，形成校準(zhǔn)值。

在一個(gè)區(qū)間內(nèi)，按一定頻率采集水位點(diǎn)各水位計(jì)的瞬時(shí)值而求得平均值，可計(jì)算出水位區(qū)間平均值，其公式如式2：

其中：—水位區(qū)間平均值;—水位計(jì)瞬時(shí)值;—水位點(diǎn)的水位計(jì)個(gè)數(shù);—水位采集區(qū)間;—瞬時(shí)值采集頻率;、…—水位計(jì)1在采集頻率n下依次采集到的第1、2…α個(gè)瞬時(shí)值;、—水位計(jì)2在采集頻率n下依次采集到的第1、2…α個(gè)瞬時(shí)值;、…—水位計(jì)ω在采集頻率n下依次采集到的第1、2…α個(gè)瞬時(shí)值。

上述公式中，水位計(jì)瞬時(shí)值可采集得到，瞬時(shí)值采集頻率是固定可設(shè)置數(shù)據(jù)，因此水位計(jì)采集區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)是求水位區(qū)間平均值的關(guān)鍵。

在船閘實(shí)際工作中，會(huì)隨著水位、時(shí)間的變化而變化，并不是一個(gè)固定的值，但是通過(guò)統(tǒng)計(jì)其變化范圍是可以確定的。

所以的計(jì)算方法如下：將船閘水位波動(dòng)視為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，設(shè)周期變化區(qū)間為～（單位：s），尋找到合適的區(qū)間（≦≦），使得當(dāng)水位波動(dòng)周期在～之間變化時(shí)，每個(gè)區(qū)間內(nèi)的水位平均值變幅最小，對(duì)該問(wèn)題建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算求解得到的最優(yōu)值。

設(shè)水位波動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，絕對(duì)水平時(shí)水位為0，正弦波幅值為M，當(dāng)水位波動(dòng)周期為時(shí)，波動(dòng)曲線(xiàn)為，且水位波動(dòng)周期為T(mén)n的概率為。則有：

求出即為水位采集區(qū)間。

其中：

;

3.3有效性判斷

本文中自動(dòng)校準(zhǔn)方法所提的有效性判斷分為單個(gè)水位點(diǎn)瞬時(shí)讀值的有效性判斷和水位點(diǎn)區(qū)間平均值的有效性判斷。判斷方法如下：

給定閥值f用于水位點(diǎn)內(nèi)水位計(jì)比較，當(dāng)某一水位點(diǎn)內(nèi)兩支水位計(jì)的差值在設(shè)定閥值f以?xún)?nèi)，則判斷水位點(diǎn)瞬時(shí)讀值可用。此有效性判斷是用于判斷同一水位點(diǎn)內(nèi)的水位計(jì)是否跳變過(guò)大發(fā)生故障。

給定閥值F用于水位點(diǎn)逐級(jí)比較，當(dāng)某一水位點(diǎn)相鄰兩個(gè)區(qū)間平均值的差值在設(shè)定閥值F 以?xún)?nèi)，則判斷水位區(qū)間平均值可用。此有效性判斷是為了判斷在校準(zhǔn)過(guò)程中，水位是否因?yàn)樾购?、大型船行波等外部原因產(chǎn)生較大的變幅，從而避免在此不利的環(huán)境下校準(zhǔn)時(shí)產(chǎn)生的誤差。

當(dāng)且僅當(dāng)水位點(diǎn)讀值和水位區(qū)間平均值均有效的情況下，方可進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.4基點(diǎn)自整定

本文中對(duì)基點(diǎn)數(shù)據(jù)的整定分為人工整定和自整定兩種方式。

（1）基點(diǎn)數(shù)據(jù)人工整定是指人工對(duì)基點(diǎn)水位值直接賦值，人工整定是根據(jù)船閘水尺數(shù)據(jù)修正自動(dòng)校準(zhǔn)程序的基點(diǎn)水位值。人工整定設(shè)置為一次有效，下一水位計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)流程中則不再讀取人工整定值。

（2）基點(diǎn)自整定是指基點(diǎn)處三支水位計(jì)的數(shù)據(jù)采用兩兩校準(zhǔn)取平均的方式進(jìn)行自整定。設(shè)基點(diǎn)三支水位計(jì)的讀數(shù)分別為A、B、C，相鄰水位點(diǎn)的讀數(shù)允許偏差為P。當(dāng)且僅當(dāng)某一支水位計(jì)與另兩支水位計(jì)的讀數(shù)誤差均大于P時(shí)，判定該水位計(jì)的讀數(shù)無(wú)效。具體邏輯及保護(hù)條件不再敘述。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本水位計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)方法邏輯設(shè)計(jì)是每一閘次進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，但是由于保護(hù)條件和有效性驗(yàn)證等問(wèn)題，在實(shí)際校準(zhǔn)中并不是每一閘次都會(huì)進(jìn)行水位計(jì)的校準(zhǔn)，而且本水位計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)方法修改值為存儲(chǔ)值，并不是即時(shí)修改，不會(huì)影響到當(dāng)次閘次的運(yùn)行安全。而且該方法實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘水位計(jì)的直接實(shí)時(shí)控制，校準(zhǔn)后的水位計(jì)能長(zhǎng)時(shí)間保持在允許范圍內(nèi)，校準(zhǔn)精度不受船閘水工建筑、水位、調(diào)峰、船舶進(jìn)出閘、船閘充泄水、往復(fù)流等諸多隨機(jī)性變化因素的影響，能使得船閘水位計(jì)自動(dòng)化控制效果顯著提升。