基于西門子IS平臺的三峽船閘 運行數據故障輔助分析應用

李相宜 劉祖偉 熊錦玲 朱志剛 程勇

摘 要：三峽五級船閘運行多年，對船閘運行各種數據的應用目前只是停留在記錄和查找層面，本文基于西門子IS平臺，結合運行數據統計，提出了對船閘運行數據進行故障輔助分析的設計應用，對出現的異常數據進行對比和分析，并及時反饋分析結果，從而有效協助故障處理，定位故障具體信息，保障船閘故障處理效率，進一步維護三峽船閘穩定安全高效運行。

關鍵詞：三峽船閘;數據處理;IS平臺;故障分析

中圖分類號：U641? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）02-0049-03

三峽船閘運行數據種類多且數量龐大，隨著工作流程不斷運轉，運行數據不斷被存儲，運行過程中設備的異常狀態也通過數據被存儲，將歷史數據以一定的需求規則進行重組和再現，能夠以最直觀的方式將設備異常狀態再現，為設備異常的輔助判斷和分析提供平臺和工具。充分利用三峽船閘實時數據庫平臺和運行數據，使管理人員能更好地了解設備狀態劣化情況，縮短設備故障排查時間，提高三峽船閘設備運行的安全性和穩定性，為三峽通航的安全高效運行提供新思路新方法。

1 三峽船閘目前數據庫的統計和現狀

1.1三峽船閘處數據庫的組成

三峽船閘現有數據庫系統運用到了SIMATIC Process Historian（簡稱PH）和SIMATICImformation Server（簡稱IS）。PH是一個基于SQL server的實時數據庫，直接連接到操作員站的WinCC系統，進行實時數據采集和歸檔，作為統一的中央數據服務器，PH長期歸檔整個三峽船閘的運行數據。IS是針對PH數據庫的用戶接口。他可以直接訪問PH中歸檔的所有數據，通過報表服務器生成數據報表，將用戶所需的數據以圖表的形式展現出來，同時IS可以連接EXCEL，對數據進行進一步的統計分析，給用戶呈現最直觀的數據需求。目前針對該實時數據庫系統，三峽船閘數據處理僅僅進行了基礎應用。在IS平臺上，創建了閘閥門運行狀態數據報表、油壓數據報表、水位數據報表等船閘重要運行參數的報表，未對數據進行任何統計分析，只是按照時標將其讀取出來，對于關鍵節點的數據篩選，故障點前后各個設備運行參數之間的數據比對分析等，都沒有進行研究。

1.2三峽船閘運行數據的提取和顯示

西門子信息服務器作為數據發布的平臺，進行一系列數據和圖形報表的查詢和導出，可以查詢PH中存儲的故障報警信息、運行命令和動作指令以及傳感設備采集的現場水位、閘閥門行程、液壓系統油壓油位等數據信息，為船閘運行過程的規律及運行異常情況進行統計分析提供歷史數據的導出接口，并基于Web、MS Word 和 Excel進行歷史數據的再現及輔助分析。

數據查詢有三種展現方式，即IE瀏覽器、Excel、Wincc客戶端。正常運行狀態下，打開IE瀏覽器，通過數據服務器IP訪問，便可進入數據查詢界面。在IS系統可選的報表模版基礎上，選擇查詢時段，并從歸檔數據類型中選擇所需要的數據如人字門壓力、行程等等對數據進行篩選，形成以時標和變量為基礎的報表，并可將該報表導出，用于進一步分析。

2 三峽船閘控制系統主要故障數據梳理

三峽船閘常見典型故障可以分為電源故障、鎖定故障、閥門故障、閘門故障、液壓系統故障以及其他故障這六類。

2.1電源故障

常見的電源故障主要有UPS故障，可通過檢查UPS檢測信號以及輸入輸出電壓來判斷故障原因。

2.2鎖定故障

常見的鎖定故障主要有閘門鎖定（解鎖）傳感器故障，鎖定（解鎖）到位超時故障。通過檢查鎖定油缸壓力、鎖定油缸行程、繼電器KM10得電情況、PLC控制輸入輸出信號來判斷鎖定故障的原因。

2.3閥門故障

常見的閥門故障主要有補水過程中關閥故障以及輸水過程中關閥故障。可通過檢查相關閉鎖信號、相鄰閘室水位變化、閥門運行情況以及PLC控制輸入輸出信號來判斷鎖定故障的原因。

2.4閘門故障

常見的閘門故障主要有人字門速度異常故障。閘門故障可以通過監測油缸行程曲線來判斷。當出現人字門爬行現象時，其行程曲線的斜率出現上下波動的現象;當人字門全低速運行時，其行程曲線為直線，但是斜率小于正常的行程曲線;當人字門出現開（關）極限狀態時，行程曲線的轉折點會偏離正常狀態下的位置。

2.5 液壓系統故障

常見的液壓系統故障主要包括油溫過高（過低）和油位過低。油溫高低可以通過監測油溫曲線來判斷，油位的高低也可以通過監測油位和油壓曲線來控制。

2.6其他故障

其他常見的典型故障主要有：集控程序不轉換故障，現地程序故障，水位計故障，合攏丟失故障，防撞裝置故障。可以通過監測閘閥門開關終信號、閘閥門開度、動水關閥開度、補水閥開度及動水關閥水位、水位計信號、防撞兩側行程、防撞運行確認指令信號，上到位及下到位信號、閘室水位來判斷具體原因。

3 三峽船閘運行數據在故障分析中的應用

三峽船閘運行數據在故障分析中的應用設計是利用數據庫中存儲的歷史數據，分析三峽船閘現場故障的底層原因，并找出與相關數據參數的聯系，定位正常狀態和故障狀態下數據參數的不同點，把以往查找故障的流程借用數據的形式展示出來，用邏輯語言建立故障輔助判斷分析統計工具，增加簡單的選擇框、輸入框、按鈕、彈窗、操作說明等直觀顯示工具，輔助故障原因分析，輔助查找故障源頭、縮短故障處理時間，提高故障處理效率，并將分析出的故障原因進行整理，作為后續判斷分析的基礎。

3.1確定性故障的數據應用分析

對于故障報警信息比較明確，故障點位置清晰，故障原因較為單一的情況，利用故障發生前后時段的運行數據，輔助分析其具體故障數據和時間、趨勢圖，確定故障是否為誤報，且通過異常數據的定位，輔助運維人員及時準確的對相關元器件參數進行調整，為參數調整的范圍提供一定的參考依據。如集控報中北一人字工作閘門開極限故障，故障點為中北一人字工作閘門開極限限位開關被觸發，針對這種故障。可通過設計Excel的宏或是表格來進行判斷分析，如設計Excel表格通過輸入故障點時間及名稱從故障發生時的數據中運用函數如Vlookup進行查找篩選，找出對應運行數據，與故障判斷報表中設定的標準范圍或標準值進行對比計算，對計算結果運用函數如IF函數輸出故障或正常字樣。

3.2模糊性故障的數據應用分析

模糊性故障就是當發生故障時，故障報警較為模糊，大多為運行過程報警，如人字工作閘、閥門開閘、閥運行超時、或解鎖運行超時，緊急關閥等等，故障原因較為多樣，涉及設備器件較多，無法直觀判斷故障報警原因。針對這種故障原因較多的情況可以在模板中設計套表，即在一個表中有多個分表，針對可能出現這個故障的每個原因進行單獨分析比對，不同原因有不同的判斷分析方法，通過查看各個分表的輸出結果進行綜合判斷，其中每個子表都如確定性分析表格設計思路一樣進行單一比對，也可用錄制宏的方式對數據進行處理，減少輔助分析模板的設計難度，便于初步摸索應用。

報表設計思路是應用EXCEL的數據處理函數和宏命令，根據實際需求選定查找方式。從數據庫導出當天相關數據后，應用INDEX函數、MATCH函數和VLOOKUP函數定位故障時間和故障地點，用MAXA函數、MINA函數、ABS函數、AVERAGE函數、COUNTIF函數等對數據作進一步處理，然后利用IF THEN函數、AND函數、OR函數、SELECT CASE函數、DO WHILE函數等建立數據的邏輯判斷規則，最后MSGBOX函數顯示計算判斷結果，用錄制宏制作自動彈出的折線圖，用窗體控件添加交互按鈕等附加功能。

4 基于IS平臺數據統計的故障分析處理案例

案例一：以人字門運行超時為例，如果某閘首人字門在開門或關門運行過程中出現超時故障，分析與該運行過程相關的閘門運行數據，包括閘門行程、閘門運行油壓以及水位信號，根據人字門運行超時故障發生前后的時段，應用人字門運行超時原因分析模板，導入故障發生前后5分鐘的相關數據，以彈窗的形式直觀的給出異常數據的說明，如下圖1所示。在人字門運行超時原因分析工具中，直觀的給出故障時段的人字門運行同步性是否良好，人字門運行過程中其水位數值是否超出水平信號保持范圍，即閘門運行過程中水平信號是否丟失等，并直觀標識出超出閾值的變量，輔助定位異常數據產生的具體時刻，給故障分析人員提供最直觀的故障信息。基于對故障發生時刻前后時段的數據綜合分析，輔助定位該故障可能是水位信號的失衡所致，需要對水位信號進行率定或檢查該閘首水位計是否損壞，檢查水位信號的傳輸線路和水位信號接收模塊等等，這對故障的綜合定位有較大的幫助。

案例二：以人字門超壓報警故障數據分析為例，應用人字門超壓報警分析工具，導入故障時刻前后時段的數據，可以生成直觀的數據曲線，同時給出超過設定閾值的數據的具體時刻，對于定位故障時刻提供了便捷的數據分析工具，或給出油壓數據并未出現異常的分析結果，排除系統誤報，避免運維人員的盲目排查，運行結果如圖2所示。

5 總結

三峽船閘主要運行設備包括人字閘門和輸水閥門及其液壓啟閉系統和電氣控制系統，三峽船閘六個閘首共24套閘閥門運行控制系統，設備運行維護工作量大，故障點分布廣泛，設備運維難度和復雜度都較大，且各個閘首之間存在控制關聯，使得設備運行維護工作存在較大的風險性。 基于IS平臺對運行數據的應用研究，生成在數據應用基礎上的故障輔助判斷工具，能夠有效幫助現場運維人員推斷故障發生位置范圍，分析故障發生的可能原因，節省現場故障摸排的時間，降低故障排查工作量和工作難度，盡快找到實際故障點，提升故障處理時效，保障船閘安全高效運行。

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