一種高水頭船閘水位計(jì)校準(zhǔn)方法

　　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)問題則會(huì)影響閘門的正常運(yùn)行，導(dǎo)致船閘運(yùn)行中斷，引起強(qiáng)拉門、機(jī)械過載等故障，甚至?xí)?duì)門體的機(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)的方式是通過技術(shù)人員人工調(diào)節(jié)校正。本文將通過一種水位計(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)

　　《山西水利雜志》辦刊宗旨是圍繞水利工作實(shí)際，宣傳與貫徹黨和國家有關(guān)水利工作的方針、政策，反映與交流水利建設(shè)與管理諸方面的成績、經(jīng)驗(yàn)、情況、問題和意見。

　　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)的水位值滿足水平要求的情況下發(fā)出的高電平。它是閘門開啟的必要條件。如果水平信號(hào)出現(xiàn)問題則會(huì)影響閘門的正常運(yùn)行，導(dǎo)致船閘運(yùn)行中斷，引起強(qiáng)拉門、機(jī)械過載等故障，甚至?xí)?duì)門體的機(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門的水位計(jì)4、5

　　6、7——閘室內(nèi)靠近B門的水位計(jì)6、7

　　8、9——B門外水位計(jì)8、9

　　10、11——閘門

　　12——控制器

　　13——上位機(jī)

　　14——觸摸屏

　　如圖1所示，以閘門為分界線布置四個(gè)水位點(diǎn)，其中，A門外為校準(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閘門外校正值是由相同區(qū)間的閘室B側(cè)和B閘門外有效水位區(qū)間平均值計(jì)算得出。

　　3.2水位區(qū)間平均值

　　水位區(qū)間平均值是用來反映一段時(shí)間內(nèi)的真實(shí)水位，用來計(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)曲線為，且水位波動(dòng)周期為Tn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以內(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 以內(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)過程中，水位是否因?yàn)樾购椤⒋笮痛胁ǖ韧獠吭虍a(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)無效。具體邏輯及保護(hù)條件不再敘述。

　　4 結(jié)語

　　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。