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(jì)是三峽船閘中確保水平開門、控制超灌和超泄、自動關(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，由于單點(diǎn)布置的只有1支水位計(jì)，因此單點(diǎn)水位檢測缺乏可靠性和比對性，如果同一閘室的2支水位計(jì)同時(shí)故障或檢測波動較大，則控制系統(tǒng)無法生成水平信號，導(dǎo)致船閘運(yùn)行中斷。

為進(jìn)一步優(yōu)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(chǔ)上，選擇南線船閘1#和2#閘室實(shí)施水位檢測工藝優(yōu)化與應(yīng)用，有效增加單點(diǎn)水位檢測的可靠性，并實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)水位計(jì)跳變在線故障檢測、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，類似于若干人對一事物的取舍表決，表決對象為奇數(shù)，多數(shù)人意見相同則取，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，不僅對系統(tǒng)故障進(jìn)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(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)格型號一致的美國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)檢測精度為±0.06%，防護(hù)等級為IP68，滿足水下工作環(huán)境要求。

本文將三峽南線船閘1#、2#閘室的水位檢測系統(tǒng)作為優(yōu)化應(yīng)用對象，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，形成自動判斷機(jī)制，便于消除單支水位計(jì)無法校準(zhǔn)的問題，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，盡量減少信號連接和傳輸過程中的干擾。具體現(xiàn)場布設(shè)如圖1所示。

圖1 水位計(jì)及接線盒現(xiàn)場布設(shè)

2.2 信號采集與傳輸

為實(shí)現(xiàn)新增水位信號的采集，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)信號連接電纜采用對屏總屏蔽信號電纜[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)，自動斷開A水位計(jì)；同理控制B、C水位計(jì)的單支自動斷開；當(dāng)出現(xiàn)單支斷開后，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)斷開剩余的2支水位計(jì)，并給出水位計(jì)井故障信號(即3支水位計(jì)均斷開)。

同時(shí)，對某個(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)，自動斷開該支水位計(jì)。

當(dāng)通過異常檢測及自動切除判斷后，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(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)信號采集、處理綜合功能模塊，新水位計(jì)零點(diǎn)計(jì)算、信號采集、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)測畫面，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)，并對單支水位計(jì)、兩兩差值、單井水位進(jìn)行對比顯示，還可方便地對單支水位計(jì)進(jìn)行投入、斷開設(shè)置。在趨勢曲線畫面可以對單支或多支水位計(jì)的歷史趨勢曲線進(jìn)行查詢、對比分析等功能，方便水位計(jì)檢測數(shù)據(jù)的追溯，同時(shí)可對所有水位數(shù)據(jù)及水位計(jì)檢測狀態(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

1)通過對水位計(jì)檢測工藝優(yōu)化及應(yīng)用，3支水位計(jì)檢測實(shí)時(shí)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(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢。通過3支水位計(jì)檢測值的相互比較，解決了原單支水位計(jì)無法實(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)故障或差值超過設(shè)定的故障參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)均會自動報(bào)警并斷開故障水位計(jì)，利用另 2 支水位計(jì)平均值作為單井水位值，正常工作。管理人員可對斷開狀態(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)異常檢測閥值設(shè)置過低，在閘室沖泄水過程中因涌水等原因會頻繁出現(xiàn)非正常的超限報(bào)警。后期可通過長期運(yùn)行記錄正常狀態(tài)下的超限最大值作為檢測閥值參數(shù)，完善軟件的檢測及故障判斷功能。