基于液位差的船閘恒注入和排泄流量控制系統(tǒng)研究

陸乙君，葛禮賓，屠佳佳，丁揚威，楊 勇，蔣元中，胡正松

（杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

基于液位差的船閘恒注入和排泄流量控制系統(tǒng)研究

陸乙君，葛禮賓，屠佳佳，丁揚威，楊 勇，蔣元中，胡正松

（杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

在分析和挖掘船閘通行潛能的基礎(chǔ)上，針對船閘控制系統(tǒng)船閘開啟時，浪涌現(xiàn)象對閘、閥門門體和啟閉設(shè)備帶來了潛在破壞因素，設(shè)計了1套基于液位差的船閘恒注入和排泄流量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)在船閘上/下閘首注/泄水泵協(xié)助下,根據(jù)船閘閘室水位與上/下游水位的不同液位差，設(shè)計不同的控制策略，采用多模分段控制算法控制閘、閥，顯著提高了船閘的安全與效率指標。

船閘；恒流量；多模分段

1 問題的提出

我國是一個內(nèi)河水運資源比較豐富的國家，流域面積在1 000 km2以上的河流約1 600條，內(nèi)河航道的總通航里程達12.37萬km；其中等級航道6.15萬km，占總通航里程的49.8%。6大水系的通航里程分別是：長江64 016 km，珠江15 952 km，黃河3 333 km，京杭運河1 410 km，閔江1 973 km，淮河17 201 km；此外，水運資源還涉及900余座大小湖泊的水域。古有隋煬帝建造的京杭運河貫通南北，今有新人類構(gòu)建的中華航道遍布神州；發(fā)展內(nèi)河水運是國家優(yōu)化交通運輸結(jié)構(gòu)、建設(shè)低碳運輸體系的重大舉措之一，體現(xiàn)了創(chuàng)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的國家意志[1]。

船閘作為內(nèi)河水運的關(guān)鍵設(shè)施，主要功能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。船閘按縱軸上閘室級數(shù)可分為單級船閘和多級船閘。目前，船閘控制系統(tǒng)大多構(gòu)建在以光纖為主干的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上，是集成船閘現(xiàn)地/遠程控制、視頻、消防和指揮調(diào)度功能的管控一體化系統(tǒng)；監(jiān)控上下船閘閘首的液壓啟閉機、活動鋼橋、沖淤系統(tǒng)、指揮調(diào)度系統(tǒng)、變配電設(shè)備，采集匯總船閘運行參數(shù)。隨著JTJ305 — 2001《船閘總體設(shè)計規(guī)范》[2]的實施，提高船閘的通過能力和安全性、向過往船舶提供更好的過閘服務(wù)品質(zhì)，亦已列入設(shè)計施工方、運維業(yè)主方的重要議事日程。在通航過程中，船閘控制系統(tǒng)廣受垢病的缺陷是閘室過大的浪涌現(xiàn)象和低效率的船閘通行潛能，其很大程序影響了船閘作為運輸通道的功能，現(xiàn)行條件下，亟待使用技術(shù)手段解決此浪涌現(xiàn)象和挖掘船閘的通行潛能。

2 恒流量系統(tǒng)原理

分析表明：現(xiàn)行開關(guān)量控制下的閘門，無法避免高液位差時注/泄水對船舶和閘室的沖擊；也無法解決低液位差時注/泄水量偏小的弊端 — 縮短船舶在閘室的等待時間、提高船閘的通過能力[3]。本系統(tǒng)設(shè)計了1套船閘恒注入和排泄流量控制系統(tǒng)（下稱恒流量系統(tǒng)），基于精準液位差調(diào)節(jié)閘門開度，以恒注入和恒排泄流量方式升/降閘室水位、必要時啟動注/泄輸水泵加速閘室水位的升/降；以提高船閘防浪涌沖擊能力和通航能力。

船閘上/下閘首閘門的控制包括閘門的開啟、關(guān)閉、開度信號，閥門開閉信號，水位信號等的采集、處理和存儲。閘門完全開啟的理論最佳時間點是：當且僅當上游與閘室的水位齊平時，完全開啟上閘門；當且僅當下游與閘室的水位齊平時，完全開啟下閘門。此時，閘門兩側(cè)的水位差為零、即閘門兩側(cè)的水壓差為零，故閘門開啟操作對閘和啟閉設(shè)備的損傷最小；第二，水位齊平可消除或消減因水位差造成的閘室浪涌現(xiàn)象，提高了閘室和閘室內(nèi)船舶的安全性。船閘通過水位計獲取閘室、上/下游的實時液位，進而給出閘室與上/下游的水位齊平信號。閘門完全開啟的工程時間點有別于上述的理論最佳時間點：工程時間點的確定既要考慮閘室和船舶的安全性，亦要兼顧船閘的通行率；因此，工程界力主閘室與上/下游水位差等于或小于工程最佳液位差ΔHFull-Open、啟動閘門的完全開啟操作，即確保閘室和船舶安全前提下、提高船閘的通行率；我國船閘內(nèi)河通航標準：天然和渠化河流航道水深應(yīng)根據(jù)航道條件和運輸要求通過技術(shù)經(jīng)濟論證確定，參照《內(nèi)河通航標準》的表3.0.2 - 2及船閘所處的地理水文環(huán)境，綜合評估可得工程最佳液位差ΔHFull-Open。必須指出，ΔHFull-Open與液位檢測精度有關(guān)，液位檢測精度提高、可酌情增大ΔHFull-Open值；提高ΔHFull-Open可提高船閘通行率，且能保證閘室和船舶的安全。

3 恒流量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船閘恒注入和排泄流量控制系統(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；基于“二乘二取二”的船閘液位檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 船閘恒注入和排泄流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 恒流量系統(tǒng)配置

船閘恒流量系統(tǒng)功能實現(xiàn)使用中央控制器施耐德Premium x系列PLC，由電源模塊PSY2600M，CPU P571634M，通訊模塊ETY PORT，數(shù)字量輸入模塊EDY32D2K，數(shù)字量輸出模塊DSY16T2，模擬量輸入模塊AEY 800組成，DI信號使用的位號是I0.0 ～ I0.5，I1.0 ～ I1.4，I2.0 ～ I2.5，I3.0 ～ I3.4，備用的位號是I0.6 ～ I0.7，I1.5 ～ I1.7，I2.6 ～ I2.7，I3.5 ～ I3.7；DO信號使用的位號是Q0.0 ～ Q0.5，Q1.0 ～ Q1.5，備用的位號是Q0.6 ～ Q0.7，Q1.6 ～ Q1.7；AI信號使用的位號是IW0.0 ～IW0.1，備用的位號是IW0.2 ～ IW0.7[4]。

船閘上閘首啟閉機操作回路與數(shù)字量輸入模塊EDY 32D2K、數(shù)字量輸出模塊DSY 16T2、模擬量輸入模塊AEY 800相連，點位分配如下：Q0.0開啟按鈕、Q0.1關(guān)閉按鈕、Q0.2停止按鈕、I0.0遠控狀態(tài)、I0.1全開狀態(tài)、I0.2超限位狀態(tài)、I0.3全關(guān)狀態(tài)、I0.4故障狀態(tài)、I0.5電源狀態(tài)、IW0.0閘門開度；船閘下閘首啟閉機操作回路與船閘上閘首的類同，其點位分配如下：Q0.3開啟按鈕、Q0.4關(guān)閉按鈕、Q0.5停止按鈕、I2.0遠控狀態(tài)、I2.1全開狀態(tài)、I2.2超限位狀態(tài)、I2.3全關(guān)狀態(tài)、I2.4故障狀態(tài)、I2.5電源狀態(tài)、IW0.1閘門開度。

船閘上閘首注水泵操作回路與數(shù)字量輸入模塊EDY 32D2K、數(shù)字量輸出模塊DSY 16T2相連，點位分配：Q1.0開啟按鈕、Q1.1關(guān)閉按鈕、Q1.2停止按鈕、I0.0遠控狀態(tài)、I0.1全開狀態(tài)、I0.2全關(guān)狀態(tài)、I0.3故障狀態(tài)、I0.4電源狀態(tài)；船閘下閘首泄水泵操作回路與船閘上閘首注水泵的類同，點位分配如下：Q1.3開啟按鈕、Q1.4關(guān)閉按鈕、Q1.5停止按鈕、I3.0遠控狀態(tài)、I3.1全開狀態(tài)、I3.2全關(guān)狀態(tài)、I3.3故障狀態(tài)、I3.4電源狀態(tài)；PLC結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 下位機中央控制器P L C的結(jié)構(gòu)圖

船閘上游液位檢測裝置的4臺激光測距儀、船閘閘室液位檢測裝置的4臺激光測距儀、船閘下游液位檢測裝置的4臺激光測距儀，及船閘閘首啟閉機控制柜均經(jīng)RS485與通訊模塊ETY PORT相連。

5 恒流量系統(tǒng)多模分段控制方法

恒流量船閘的多模分段控制方法基于液位差的的檢測及計算，按船舶過閘的下/上行表述包括如下步驟，步驟流程圖基于液位差的恒流量船閘的多模分段控制原理見圖3。

圖3 基于液位差的恒流量船閘的多模分段控制原理圖

船閘上/下閘首的閘門開啟、船閘閘室的水位與上/下游水位齊平；

船舶駛?cè)氪l閘室、船閘上/下閘首的閘門關(guān)閉；

根據(jù)液位差流量模型進行船閘恒流量的PID控制[4]；液位差流量模型：

流量軟測量模型：

啟動船閘下閘首泄水泵/啟動船閘上閘首注水泵；

④ΔH≤ΔHFull-Open

切斷船閘下閘首泄水泵/切斷船閘上閘首注水泵；

船閘下/上閘首的閘門完全開啟；

船舶駛離船閘閘室、進入下/上游 ；

⑤返回步驟“①”。

式中：ΔHFull-Open為閘門完全開啟的工程最佳液位差—切斷船閘下閘首泄水泵/切斷船閘上閘首注水泵的液位差上限（m）；ΔHChamber-Downstream為啟動船閘下閘首泄水泵的、閘室與下游液位差的上限，ΔHUpstream-Chamber為啟動船閘上閘首注水泵的、上游與閘室液位差的上限(m)；ΔH為上游與閘室的液位差或閘室與下游的液位差(m)；Q為閘室的注/泄流量、Q0為閘室的最佳注/泄流量(m3/s)；D200(i)為i時刻的閘室液位(m)；TS為閘室液位的采樣周期(s)；A為閘室截面(m2)；μ為流量系數(shù)；b為閘門寬(m)；e為閘門開啟高度(m)；g為重力加速度(m/s2)。

在船閘上/下閘首注/泄水泵協(xié)助下，基于液位差的恒流量船閘控制采用多模分段控制算法：根據(jù)船閘閘室水位與上/下游水位的不同液位差，設(shè)計不同的控制策略；多模分段控制提高了船閘的安全與效率指標。

6 結(jié) 語

本文采用多模分段控制算法，利用船閘上/下閘首注/泄水泵，根據(jù)船閘閘室水位與上/下游水位的不同液位差，設(shè)計一套閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)完成船閘的恒流量啟閉，降低閘室的浪涌現(xiàn)象，提高了船閘的通行能力和安全性，使得船閘運行可靠性大大提高，向過往船舶提供更好的過閘服務(wù)品質(zhì)的方向上作深入的研究。

[1] 蔣新明.充分發(fā)揮水運優(yōu)勢 實現(xiàn)內(nèi)河航運現(xiàn)代化[J].中國水運，2009(12)：44 - 45.

[2] 中交水運規(guī)劃設(shè)計院.JTJ 305 — 2001船閘總體設(shè)計規(guī)范[S].佛山：南海出版社，2010.

[3] 黃海鷗.船閘交通流模型與服務(wù)水平研究[D].南京：河海大學(xué)港口、海岸及近海工程學(xué)院，2007：12.

[4] 陳勇，陳鵬翔.模糊自適應(yīng)PID在水工模型中的應(yīng)用[J].微計算機信息，2007(10)，101 - 102.

[5] 張黎明.船閘輸水系統(tǒng)流量系數(shù)原、模型對比分析[J].水運工程，2000，315(4)：31 - 33.

（責任編輯 姚小槐）

TP273

B

1008 - 701X(2017)04 - 0074 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.04.022

2016-12-25

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