某多級(jí)船閘閘室水位計(jì)可靠性分析與對(duì)策

羅 飛

（長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北宜昌 443002）

0 引言

水位計(jì)在船閘安全運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，水位計(jì)是船閘中確保水平開(kāi)門(mén)、控制超灌和超泄、自動(dòng)關(guān)閥以及是否需要補(bǔ)水的關(guān)鍵傳感器。結(jié)合可靠性工程理論對(duì)船閘水位計(jì)可靠性進(jìn)行分析，提出閘室水位計(jì)采樣值程序新算法，研究水位計(jì)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，提出減小測(cè)量誤差、降低人工判斷水位計(jì)故障難度的措施，提升船閘安全運(yùn)行可靠度。

1 水位計(jì)在某多級(jí)船閘控制系統(tǒng)中的作用

某多級(jí)船閘兩線共28 支水位計(jì)，單線船閘每個(gè)閘室布置2支水位計(jì)，閘室內(nèi)的2 支水位計(jì)在船閘過(guò)閘工藝中主要用于參與平壓開(kāi)啟人字閘門(mén)、動(dòng)水關(guān)閥與補(bǔ)水控制和水位模擬顯示。

2 單閘室布置兩支水位計(jì)算法

3 閘室水位計(jì)可靠性分析

3.1 設(shè)備固有可靠性的概念

設(shè)備的健康狀況主要取決于產(chǎn)品的質(zhì)量，在可靠性工程中，健康狀況一般被認(rèn)為是離散隨機(jī)變量，在不考慮維護(hù)作用時(shí)，不同狀況之間的轉(zhuǎn)移一般符合一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。如電子產(chǎn)品的可靠性R（t）（即從正常狀況向故障狀況的轉(zhuǎn)移）一般服從參數(shù)為λ的指數(shù)分布：

MTTF（Mean Time To Failure，平均無(wú)故障時(shí)間）指系統(tǒng)無(wú)故障運(yùn)行的平均時(shí)間，取所有從系統(tǒng)開(kāi)始正常運(yùn)行到發(fā)生故障之間時(shí)間段的平均值。

3.2 船閘閘室水位計(jì)可靠性模型

假設(shè)某多級(jí)船閘閘室共布置n 支水位計(jì)，水位計(jì)的失效率為λ，單支水位計(jì)的可靠度為Ri，以2017 年某多級(jí)船閘水位計(jì)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析，2017 年某多級(jí)船閘閘室水位計(jì)故障統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 2017 年某多級(jí)船閘閘室水位計(jì)故障統(tǒng)計(jì)

水位計(jì)的失效率為λ 按照式（3）計(jì)算：

故障數(shù)量為3，總數(shù)量為28 支水位計(jì)，時(shí)間為2017 年（即8760 h），t=8760 h，代入得：

3.3 對(duì)閘室水位計(jì)可靠性產(chǎn)生影響的因素

該多級(jí)船閘閘室水位計(jì)為壓力式水位計(jì)，采用投放方式置于一定的安裝高程，根據(jù)靜水壓強(qiáng)，測(cè)定水下已知測(cè)點(diǎn)高程以上的水壓力，從而推求出水位。對(duì)閘室水位計(jì)可靠性產(chǎn)生影響的主要因素有以下4 點(diǎn)：

（1）壓力式水位計(jì)在水中受水溫、水流速度、含沙量、波浪幅度等因素的影響。

（2）水位計(jì)通氣管內(nèi)堵塞、凝露對(duì)其精度及可靠性產(chǎn)生影響。

[本刊訊]2010年 1月 12日,上海市護(hù)理學(xué)會(huì)在北京西路 1623號(hào)召開(kāi)了上海市紅十字南丁格爾志愿護(hù)理服務(wù)隊(duì)第一次工作會(huì)議。42個(gè)分隊(duì)的分隊(duì)長(zhǎng)及骨干隊(duì)員共 90余人參加了會(huì)議。會(huì)議圍繞 2009年 9月服務(wù)隊(duì)成立以來(lái)的主要工作以及新一年的工作思路展開(kāi)了討論和交流。代表們?cè)陉懕?duì)長(zhǎng)的帶領(lǐng)下進(jìn)行了宣誓并領(lǐng)取了分隊(duì)活動(dòng)用裝備箱及專(zhuān)用披肩。上海市紅十字會(huì)領(lǐng)導(dǎo)和上海市護(hù)理學(xué)會(huì)領(lǐng)導(dǎo)出席了會(huì)議并講話。各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)服務(wù)隊(duì)成立以來(lái)的主要工作給予了高度評(píng)價(jià),并鼓勵(lì)志愿者在新的一年里繼續(xù)弘揚(yáng)南丁格爾和紅十字精神,拓展志愿服務(wù)的內(nèi)涵,從醫(yī)院走向社會(huì),為更廣泛的人群服務(wù)。

（3）安裝精度問(wèn)題。投入式水位計(jì)安裝高程不準(zhǔn)確影響測(cè)量值。

（4）安裝在鉆有孔的鋼管中，動(dòng)水沖擊引起測(cè)量誤差。

4 3 支水位計(jì)采樣決策邏輯

為提高閘室水位計(jì)參與船閘運(yùn)行工藝流程時(shí)的容錯(cuò)能力，可采用3 支水位計(jì)決策邏輯。建立“3 支水位計(jì)決策算法”流程：當(dāng)3 支水位計(jì)測(cè)量值互不相等，PLC 系統(tǒng)將3 支水位計(jì)的水位值SW1、SW2、SW3兩兩進(jìn)行比較，每一路都輸出最小值，再將得到的3 個(gè)值中的兩路取大值，得到兩個(gè)值，取任一路輸出即為SW中，當(dāng)3 支水位計(jì)測(cè)量值任意兩路相等，則把互為相等的兩路中的一路賦值給SW中，SW中作為該閘室水位值參與系統(tǒng)控制。單支水位計(jì)故障時(shí)系統(tǒng)發(fā)出A 類(lèi)報(bào)警，不影響系統(tǒng)控制運(yùn)行，當(dāng)2 支水位計(jì)故障時(shí)系統(tǒng)發(fā)出C 類(lèi)報(bào)警，提示運(yùn)行人員切除故障水位計(jì)，由剩余的1 支水位計(jì)參與控制運(yùn)行。3 支水位計(jì)采樣決策流程如圖1 所示。

圖1 3 支水位計(jì)采樣決策流程

5 水位計(jì)的在線監(jiān)測(cè)

船閘閘室水位顯示值按照式（4）計(jì)算：

船閘閘室水位顯示值=水位計(jì)安裝高程+水位高度（4）

該多級(jí)船閘各閘室水位測(cè)量選用PTX1830型投入式液位計(jì)，該水位計(jì)采用可控硅作為壓力檢測(cè)元件，硅晶片在受壓變形時(shí)，其電阻率呈線性變化，在外加直流電壓條件下，水位計(jì)將閘室水位值轉(zhuǎn)化為4～20 mA 電流值輸入到PLC 系統(tǒng)。

水溫23 ℃時(shí)，PTX1830型水位計(jì)水位測(cè)量校驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2，表2 給出在不同水位高度下、不同溫度下正常水位計(jì)輸出電流值、誤差。

表2 作為測(cè)量記錄表1，產(chǎn)品名稱(chēng)為水位計(jì)；產(chǎn)品型號(hào)為PTX1830；量程為40 m，測(cè)試水溫度為23 ℃，使用的儀表為DPI615 壓力校驗(yàn)儀。

表2 PTX1830型水位計(jì)水位測(cè)量校驗(yàn)參數(shù)（水溫23 ℃）

水溫15 ℃時(shí)，PTX1830型水位計(jì)水位測(cè)量校驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3，表3 給出在不同水位高度下、不同溫度下正常水位計(jì)動(dòng)態(tài)電流值、誤差。

表3 作為測(cè)量記錄表2，產(chǎn)品名稱(chēng)為水位計(jì)；產(chǎn)品型號(hào)為PTX1830；量程為40 m，測(cè)試水溫度為15 ℃，使用的儀表為DPI615 壓力校驗(yàn)儀。

表3 PTX1830型水位計(jì)水位測(cè)量校驗(yàn)參數(shù)（水溫15 ℃）

從表2 中可以看出，隨著水深的不斷變化，水位計(jì)電流值基本呈線性變化。以表3 數(shù)據(jù)為例，在水溫15 ℃時(shí)，設(shè)水位高度為x m，電流值為y mA，則可得線性方程為式（5）：

如果將水位計(jì)輸出電流值作為集控系統(tǒng)顯示參數(shù)，運(yùn)行人員可通過(guò)電流與水位高度的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行水位計(jì)性能指標(biāo)越限（即：性能指標(biāo)超出正常范圍）檢測(cè)與性能降低檢測(cè)，可對(duì)水位計(jì)工作狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)評(píng)估，判斷設(shè)備健康狀況。

6 結(jié)束語(yǔ)

2019 年某多級(jí)船閘共3 次出現(xiàn)相鄰閘室（或一閘室與上游）水頭差顯示異常情況，例如11 月份出現(xiàn)一閘首人字閘門(mén)在開(kāi)終狀態(tài)下，實(shí)際上游水位與一閘室水位已持平，而監(jiān)控界面顯示水頭差為+0.26 m，需對(duì)偏差水位計(jì)進(jìn)行矯正率定。結(jié)合多年船閘水位計(jì)運(yùn)行實(shí)際，建議如下：

（1）閘室內(nèi)布置3 支水位計(jì)，采用新算法提高水位值采樣精度，降低人工判斷水位計(jì)故障的難度。

（2）維護(hù)人員投放水位計(jì)應(yīng)精確，確保投放在規(guī)定安裝高程，水位計(jì)測(cè)量誤差也會(huì)減小。

（3）定期維護(hù)校準(zhǔn)水位計(jì)，確保船閘安全可靠運(yùn)行。