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中，水位計所產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構造成嚴重損壞。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。目前傳統的方式是通過技術人員人工調節校正。本文將通過一種水位計布置方式和區間自動校準流程兩個方面對傳統的調整校正的方式進行優化，實現水位計實時自動校準的目的。

關鍵詞：船閘;水位計;區間;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，經過換算判斷得出船閘閘室內和閘室外水位計的水位值滿足水平要求的情況下發出的高電平。它是閘門開啟的必要條件。如果水平信號出現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構造成嚴重損壞。

1.2水位計使用校準現狀

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現，這種水壓原理的水位計在工作一段時間后，數值會產生一定的漂移，但本身設備并沒有損壞而是正常的工作狀態。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船閘采用的是人工整定的方式，定期對發生零點漂移的水位計進行參數調整。然而人工整定的區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——閘室內靠近A門的水位計4、5

6、7——閘室內靠近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側布置兩只水位計（水位計4、5）、閘室B側布置兩只水位計（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據，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。相關參數可以通過上位機和觸摸屏進行設置。

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側校正值是由相同區間的基點有效區間平均值和閘室A側有效區間平均值計算得出;閘室B側校正值是由相同區間的閘室A側和閘室B側有效水位區間平均值計算得出;B閘門外校正值是由相同區間的閘室B側和B閘門外有效水位區間平均值計算得出。

3.2水位區間平均值

水位區間平均值是用來反映一段時間內的真實水位，用來計算相鄰水位點之間的真實水位差，形成校準值。

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

其中：—水位區間平均值;—水位計瞬時值;—水位點的水位計個數;—水位采集區間;—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置數據，因此水位計采集區間的時長是求水位區間平均值的關鍵。

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，設周期變化區間為～（單位：s），尋找到合適的區間（≦≦），使得當水位波動周期在～之間變化時，每個區間內的水位平均值變幅最小，對該問題建立數學模型，計算求解得到的最優值。

設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用于水位點內水位計比較，當某一水位點內兩支水位計的差值在設定閥值f以內，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的水位計是否跳變過大發生故障。

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間平均值的差值在設定閥值F 以內，則判斷水位區間平均值可用。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生較大的變幅，從而避免在此不利的環境下校準時產生的誤差。

當且僅當水位點讀值和水位區間平均值均有效的情況下，方可進行校準。

3.4基點自整定

本文中對基點數據的整定分為人工整定和自整定兩種方式。

（1）基點數據人工整定是指人工對基點水位值直接賦值，人工整定是根據船閘水尺數據修正自動校準程序的基點水位值。人工整定設置為一次有效，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據采用兩兩校準取平均的方式進行自整定。設基點三支水位計的讀數分別為A、B、C，相鄰水位點的讀數允許偏差為P。當且僅當某一支水位計與另兩支水位計的讀數誤差均大于P時，判定該水位計的讀數無效。具體邏輯及保護條件不再敘述。

4 結語

綜上所述，本水位計自動校準方法邏輯設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，校準精度不受船閘水工建筑、水位、調峰、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。