一種高水頭船閘水位計校準方法

蒲浩清

摘 要：在許多高水頭船閘控制系統(tǒng)中，水位計所產(chǎn)生的水平信號是確保船閘正常運行的重要條件。如果水平信號出現(xiàn)問題則會影響閘門的正常運行，導致船閘運行中斷，引起強拉門、機械過載等故障，甚至會對門體的機械結(jié)構(gòu)造成嚴重損壞。所以在船閘運行維護過程中，對水位計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布置方式和區(qū)間自動校準流程兩個方面對傳統(tǒng)的調(diào)整校正的方式進行優(yōu)化，實現(xiàn)水位計實時自動校準的目的。

關(guān)鍵詞：船閘;水位計;區(qū)間;校準

中圖分類號：U641? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）09-0016-02

1背景

1.1水平信號

水平信號是程序接受到水位計的測量值后，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。如果水平信號出現(xiàn)問題則會影響閘門的正常運行，導致船閘運行中斷，引起強拉門、機械過載等故障，甚至會對門體的機械結(jié)構(gòu)造成嚴重損壞。

1.2水位計使用校準現(xiàn)狀

目前船閘常用壓力式水位計檢測水位，在實際使用中我們發(fā)現(xiàn)，這種水壓原理的水位計在工作一段時間后，數(shù)值會產(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行，會定期對船閘所有的水位計進行校正。壓力式水位計顯示值是設(shè)置零點值與測量值的和，如式1：

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

其中：S ——水位值;L0——水位計零點值;P ——水位計測得水深。

目前，對于水位計校準大多數(shù)船閘采用的是人工整定的方式，定期對發(fā)生零點漂移的水位計進行參數(shù)調(diào)整。然而人工整定的區(qū)間并不能完全切合水位計零點漂移的時間，并且人工整定一般為瞬時值校準，易受船閘超灌超泄、船舶進出閘、往復流等水位波動影響，產(chǎn)生人為的誤差，（累積誤差）影響水位計整定后的使用效果。

2 一種水位計布置方式

1、2、3——基點水位計1、2、3

4、5——閘室內(nèi)靠近A門的水位計4、5

6、7——閘室內(nèi)靠近B門的水位計6、7

8、9——B門外水位計8、9

10、11——閘門

12——控制器

13——上位機

14——觸摸屏

如圖1所示，以閘門為分界線布置四個水位點，其中，A門外為校準基點布置三只水位計（水位計1、2、3）、閘室A側(cè)布置兩只水位計（水位計4、5）、閘室B側(cè)布置兩只水位計（水位計6、7）、B門外布置兩只水位計（水位計8、9），整個校準流程會以A門外水位點為基點進行，布置在船閘四個水位點的9支水位計，將采集到的水位瞬時數(shù)據(jù)，傳輸給控制器，控制器采用算法編制水位計自動校準程序，在特定時間計算出各水位點校正值，最后整體賦值，以達到對水位計校準的目的。相關(guān)參數(shù)可以通過上位機和觸摸屏進行設(shè)置。

3 水位計自動校準

3.1水位計自動校準整體流程

水位計自動校準具體流程如圖2。其中閘室A側(cè)校正值是由相同區(qū)間的基點有效區(qū)間平均值和閘室A側(cè)有效區(qū)間平均值計算得出;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間內(nèi)的真實水位，用來計算相鄰水位點之間的真實水位差，形成校準值。

在一個區(qū)間內(nèi)，按一定頻率采集水位點各水位計的瞬時值而求得平均值，可計算出水位區(qū)間平均值，其公式如式2：

其中：—水位區(qū)間平均值;—水位計瞬時值;—水位點的水位計個數(shù);—水位采集區(qū)間;—瞬時值采集頻率;、…—水位計1在采集頻率n下依次采集到的第1、2…α個瞬時值;、—水位計2在采集頻率n下依次采集到的第1、2…α個瞬時值;、…—水位計ω在采集頻率n下依次采集到的第1、2…α個瞬時值。

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

在船閘實際工作中，會隨著水位、時間的變化而變化，并不是一個固定的值，但是通過統(tǒng)計其變化范圍是可以確定的。

所以的計算方法如下：將船閘水位波動視為標準正弦波，設(shè)周期變化區(qū)間為～（單位：s），尋找到合適的區(qū)間（≦≦），使得當水位波動周期在～之間變化時，每個區(qū)間內(nèi)的水位平均值變幅最小，對該問題建立數(shù)學模型，計算求解得到的最優(yōu)值。

設(shè)水位波動為標準正弦波，絕對水平時水位為0，正弦波幅值為M，當水位波動周期為時，波動曲線為，且水位波動周期為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

本文中自動校準方法所提的有效性判斷分為單個水位點瞬時讀值的有效性判斷和水位點區(qū)間平均值的有效性判斷。判斷方法如下：

給定閥值f用于水位點內(nèi)水位計比較，當某一水位點內(nèi)兩支水位計的差值在設(shè)定閥值f以內(nèi)，則判斷水位點瞬時讀值可用。此有效性判斷是用于判斷同一水位點內(nèi)的水位計是否跳變過大發(fā)生故障。

給定閥值F用于水位點逐級比較，當某一水位點相鄰兩個區(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過程中，水位是否因為泄洪、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)境下校準時產(chǎn)生的誤差。

當且僅當水位點讀值和水位區(qū)間平均值均有效的情況下，方可進行校準。

3.4基點自整定

本文中對基點數(shù)據(jù)的整定分為人工整定和自整定兩種方式。

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

（2）基點自整定是指基點處三支水位計的數(shù)據(jù)采用兩兩校準取平均的方式進行自整定。設(shè)基點三支水位計的讀數(shù)分別為A、B、C，相鄰水位點的讀數(shù)允許偏差為P。當且僅當某一支水位計與另兩支水位計的讀數(shù)誤差均大于P時，判定該水位計的讀數(shù)無效。具體邏輯及保護條件不再敘述。

4 結(jié)語

綜上所述，本水位計自動校準方法邏輯設(shè)計是每一閘次進行自動校準，但是由于保護條件和有效性驗證等問題，在實際校準中并不是每一閘次都會進行水位計的校準，而且本水位計自動校準方法修改值為存儲值，并不是即時修改，不會影響到當次閘次的運行安全。而且該方法實現(xiàn)對船閘水位計的直接實時控制，校準后的水位計能長時間保持在允許范圍內(nèi)，校準精度不受船閘水工建筑、水位、調(diào)峰、船舶進出閘、船閘充泄水、往復流等諸多隨機性變化因素的影響，能使得船閘水位計自動化控制效果顯著提升。