基于“二乘二取二”的船閘液位檢測系統(tǒng)

陸乙君，王 俊，金浪濱，汪保福，丁揚威

（ 1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.蒼南縣橋墩水庫管理處，溫州 蒼南 325806）

基于“二乘二取二”的船閘液位檢測系統(tǒng)

陸乙君1，王 俊2，金浪濱1，汪保福1，丁揚威1

（ 1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.蒼南縣橋墩水庫管理處，溫州 蒼南 325806）

針對船閘控制系統(tǒng)中液位誤差大,給閘、閥門門體和啟閉設(shè)備帶來了潛在的破壞因素，設(shè)計了1套基于“二乘二取二”的船閘液位檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)將輸出的液位信號通過“二乘二取二”結(jié)構(gòu)的激光測距儀液位檢測裝置及算法處理，顯著提高了液位檢測的精度和可靠性。

船閘；“二乘二取二”；激光測距儀

1 問題的提出

內(nèi)河水運的關(guān)鍵設(shè)施是船閘。船閘是向兩端有閘門控制的閘室注/泄水、升/降閘室的水位，使船舶能克服航道中水位落差的廂行建筑物，而這一功能的實現(xiàn)是通過船閘閘門、閥門的啟閉控制閘室內(nèi)的水位漲落完成的。這種水位的落差本身因為水流的巨大沖擊力給閘、閥門門體和啟閉設(shè)備帶來了潛在的破壞因素。為了避免這種因素造成的破壞，在船閘控制過程中，準(zhǔn)確判斷閘室內(nèi)外水位的變化是非常必要的。

而目前，船閘控制系統(tǒng)中大量使用基于壓力機理的水位計，其所代表的傳統(tǒng)水位計在船閘運行中的表現(xiàn)差強人意[1]，易損壞、不易維護、精確性低、可靠性低等缺點的存在，大大降低了船閘運行的可靠性。究其源由有2點：首先，船閘通過注/泄水進行閘室水位的升/降，閘室兩側(cè)的水位呈典型的動態(tài)水位特征，故水位計輸出的液位數(shù)據(jù)、以及液位數(shù)據(jù)派生出的液位差數(shù)據(jù)的精度欠佳；其次，船閘的注/泄水夾雜泥沙、泥沙在閘室淤積產(chǎn)生淤泥，另一方面河床航道中亦存在動態(tài)變化的淤泥層，淤泥使壓力式水位計的液位數(shù)據(jù)以及派生的液位差數(shù)據(jù)偏離真值。閘室的定時清淤不僅費時耗力，而且降低了船閘的通過能力。因此，亟待探尋既能排除淤泥影響、又能精準(zhǔn)檢測動態(tài)水位的液位檢測方法。本文采用激光測距儀檢測液位，淤泥對液位數(shù)據(jù)的負(fù)面影響將不復(fù)存在，有助于提升液位和液位差的檢測精度；激光反射板所處的測井中安裝消波網(wǎng)，消波網(wǎng)減小注/泄水時閘室動態(tài)水位的變化幅度，進一步提升液位的檢測精度。借鑒軌道交通的“二乘二取二”安全計算機技術(shù)檢測液位，提高液位檢測的精度和可靠性，為不斷發(fā)展中的更高層次的運行管理需求提供技術(shù)保障。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對船閘控制系統(tǒng)中液位誤差大，給閘、閥門門體和啟閉設(shè)備帶來了潛在的破壞因素，及船閘亟待挖掘的通行潛能，設(shè)計了基于“二乘二取二”[2]的船閘液位檢測系統(tǒng)和方法。

基于“二乘二取二”的船閘液位檢測系統(tǒng)其特征在于系統(tǒng)由船閘上游液位檢測裝置（100）、船閘上閘首（1）、船閘上閘首開度儀（3）、船閘上閘首注水泵（5）、船閘閘室液位檢測裝置（200）、船閘下閘首泄水泵（6）、船閘下閘首開度儀（4）、船閘下閘首（2）、船閘下游液位檢測裝置（300），下位機中央控制器PLC（7）、船閘閘首啟閉機控制柜（8）、上位機監(jiān)控PC（9）組成（見圖1）。

圖1 基于“二乘二取二”的船閘液位檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 “二乘二取二”安全計算機技術(shù)

“二乘二取二”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2[3]，聯(lián)鎖運算層有4個處理器單位，2個為一個系，分為A、B系，各系為“二取二”結(jié)構(gòu)，雙系互為熱備雙硬件冗余工作，系中每一單系均包括雙套采樣機實時校核工作?！岸《奔礊樵?套系統(tǒng)上集成2個處理器單位，嚴(yán)格同步，實時比較，只有2個單元運行時間一致，才對外輸出或傳輸運算結(jié)果。任何單系檢出故障均可立即倒向備系工作。而2套系統(tǒng)之間可以采取雙系熱備或二重比較。

圖2 “二乘二取二”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

“二乘二取二”系統(tǒng)是熱備系統(tǒng)，無論當(dāng)前是否為主系，4臺主機都要一直工作。正常工作情況下，4臺主機均要接收數(shù)據(jù)，并時刻檢測接收數(shù)據(jù)的通信端口是否正常工作。一旦檢測到通信端口工作異常，無論主系還是備系都要及時報告故障情況。每次主機接收到數(shù)據(jù)時，都必須對所有接收到數(shù)據(jù)進行二取二表決，當(dāng)表決一致時，才將數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)表決不一致時，直接報告主備切換器并視情況進行切換。

“二乘二取二”冗余系統(tǒng)的工作狀態(tài)主要介紹系統(tǒng)當(dāng)前的故障情況、主備情況和輸出情況（見表1）。

表1 “二乘二取二”主備系統(tǒng)狀態(tài)表

“二乘二取二”結(jié)構(gòu)構(gòu)成的系統(tǒng)是互為校核與互為備用的組合?！岸硕《卑踩嬎銠C技術(shù)做到了保證每個單位都有自檢測能力；每系平等關(guān)系且沒有主次之分；系統(tǒng)定期檢測。

當(dāng)前的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)主要采用雙機熱備系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在長期應(yīng)用和發(fā)展中已經(jīng)暴露出軟、硬件設(shè)計上的缺欠。隨著提速、客運專線、大型客運站、重點車站、重載路線的建設(shè)和改造，他們對計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性、安全性提出了更高的要求，以適應(yīng)鐵路跨越式發(fā)展形式的需要[6]。世界上許多國家的實際證明，具有“二乘二取二”冗余結(jié)構(gòu)的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)具有極高的可靠性和安全性。

3 “二乘二取二”液位檢測系統(tǒng)

系統(tǒng)選用激光測距儀，將輸出的液位信號采用“二乘二取二”結(jié)構(gòu)的激光測距儀液位檢測裝置[4]及算法處理，提高液位檢測的精度和可靠性。

船閘上游液位檢測裝置（100）、船閘閘室液位檢測裝置（200）和船閘下游液位檢測裝置（300）分別位于船閘上游、閘室和下游的左右兩岸，水位計在船閘廂行建筑物中的分布見圖3。上位機監(jiān)控PC（9）與下位機中央控制器PLC（7）相連，船閘上游液位檢測裝置、船閘閘室液位檢測裝置和船閘下游液位檢測裝置的液位信號輸入至下位機中央控制器PLC；液位檢測裝置均按“二乘二取二”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，下位機中央控制器PLC采用“二乘二取二”算法處理液位檢測裝置輸入的液位模擬信號。

圖3 水位計在船閘廂行建筑物中的分布圖

船閘上游液位檢測裝置包括船閘上游左岸液位檢測裝置（110）和船閘上游右岸液位檢測裝置（120）,左/右兩岸的液位檢測裝置相同，船閘上游左岸液位檢測裝置位于船閘上游的左岸，船閘上游右岸液位檢測裝置位于船閘上游的右岸；船閘閘室液位檢測裝置和船閘下游液位檢測裝置與船閘上游液位檢測裝置類同。

船閘上游左岸液位檢測裝置由船閘上游左岸測井（111）、船閘上游左岸消波網(wǎng)（112）、船閘上游左岸激光反射板（113）、船閘上游左岸第1激光測距儀（114）和船閘上游左岸第2激光測距儀（115）組成[5]，“二乘二取二”水位計液位檢測的結(jié)構(gòu)見圖4。船閘上游左岸第1激光測距儀和船閘上游左岸第2激光測距儀安裝于船閘上游左岸測井頂部，船閘上游左岸消波網(wǎng)安裝于船閘上游左岸測井下端，船閘上游左岸激光反射板懸浮與船閘上游左岸測井水面，并與船閘上游左岸第1激光測距儀、船閘上游左岸第2激光測距儀配套；船閘上游液位檢測裝置配置4臺激光測距儀、左/右岸液位檢測裝置各配2臺，通過RS485與下位機中央控制器PLC的485口相連；4臺激光測距儀構(gòu)成經(jīng)典的、“二乘二取二”液位檢測架構(gòu)，液位信號則采用“二乘二取二”的算法處理；在基于“二乘二取二”的船閘液位檢測系統(tǒng)中，共計配備6座測井，12臺激光測距儀。

圖4 “二乘二取二”水位計液位檢測的結(jié)構(gòu)圖

3.2 “二乘二取二“液位檢測算法

變量check 100 = 110或120、check 200 = 210或220、check 300 = 310或320分別表征船閘上游左/右岸液位檢測裝置、船閘閘室左/右岸液位檢測裝置、船閘下游左/右岸液位檢測裝置處于檢測/備用或備用/檢測狀態(tài)。

船閘上游液位檢測裝置“二乘二取二”水位計液位檢測的流程見圖5，具體操作如下：

ESP：同一水位井液位差標(biāo)準(zhǔn)值

（1）檢測狀態(tài)的激光測距儀采樣

船閘上游左岸第1激光測距儀和船閘上游左岸第2激光測距儀分別采樣4次液位、通過RS485上傳至下位機中央控制器PLC

船閘上游右岸第1激光測距儀和船閘上游右岸第2激光測距儀分別采樣4次液位、通過RS485上傳至下位機中央控制器PLC

（2）激光測距儀液位數(shù)據(jù)的中位均值濾波

船閘上游左岸第1激光測距儀液位數(shù)據(jù)的中位均值濾波，即：

第2激光測距儀液位數(shù)據(jù)亦中位均值濾波得D115Average

船閘上游右岸第1激光測距儀液位數(shù)據(jù)的中位均值濾波，即：

船閘閘室液位檢測裝置、船閘下游液位檢測裝置的“二乘二取二”水位計液位檢測流程，與船閘上游液位檢測裝置類同。

激光測距儀參數(shù)：最大測量范圍：10 m；精度：±3 mm；測量方式：連續(xù)測量；數(shù)據(jù)采集時間：1 s；防護等級：IP55,可有效防淋雨；技術(shù)參數(shù)輸出：4 ～ 20 mA模擬量輸出、RS485、網(wǎng)口、RS232、USB、GSM模塊。

船閘上游左岸液位檢測裝置和船閘上游右岸液位檢測裝置互為備份，由主備檢測切換變量check 100控制切換；check 100 = 110時，船閘上游左岸液位檢測裝置的2支激光測距儀檢測上游液位、液位數(shù)據(jù)中位均值濾波、“二乘二取二”表決，若2支激光測距儀的檢測數(shù)據(jù)偏差＜ ESP、輸出檢測的液位，反之check 100 = 120、船閘上游右岸液位檢測裝置轉(zhuǎn)為檢測狀態(tài)、故障報警；check 100 = 120時，流程與check 100 = 110類同；通過“二乘二取二”液位檢測系統(tǒng)，檢測出船閘上下游和閘室的水位。船閘閘室液位檢測裝置、船閘下游液位檢測裝置的“二乘二取二”水位計液位檢測原理，與船閘上游液位檢測裝置類同?！岸硕《彼挥嬕何粰z測的原理見圖6。

4 結(jié) 語

本文對船閘液位檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進行了根本性的改變。利用“二乘二取二”結(jié)構(gòu)的激光測距儀液位檢測裝置和“二乘二取二”液位信號算法處理；消除了傳統(tǒng)水位計的缺陷，“二乘二取二”技術(shù)提高了液位檢測的精度和可靠性，使得船閘運行可靠性大大提高，節(jié)省了人力資源在維護上的投入，并為船閘運行快速，準(zhǔn)確調(diào)度提供了保障，在更深層次發(fā)揮了其綜合效益。

圖5 “二乘二取二”水位計液位檢測流程圖

圖6 “二乘二取二”水位計液位檢測的原理圖

[1] 蔣本雨.壓力傳感器性能參數(shù)問題[J].傳感器世界，1999（12）：31 - 35.

[2] 李翔.“二乘二取二”冗余機制研究[D].成都：西南交通大學(xué)控制工程學(xué)院， 2012：5.

[3] 薛剛.基于“二乘二取二”的列車惰行控制研究與分析[D].北京：北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 2013：3.

[4] 張曉林，施銀清，張晗秋.水庫及船閘水位激光監(jiān)測系統(tǒng)的原理與實踐[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2009(3)：76 - 79.

[5] 陳永剛，黃濤.船閘水位與水位差值激光檢測系統(tǒng)的原理與實踐[J].山東交通科技，2010(1)：63 - 68.

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（責(zé)任編輯 姚小槐）

TP273

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1008 - 701X(2017)03 - 0084 - 05

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.024

2016-11-22

陸乙君(1986 - )，男，工程師，碩士，主要從事水利信息自動化研究。E-mail：332378294@qq.com