三峡船闸闸室水位检测工艺的优化与应用

潘 诚，熊锦玲，胡志芳

(长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443002)

水位计是三峡船闸中确保水平开门、控制超灌和超泄、自动关阀以及是否需要补水运行的关键传感设备[1]。三峡船闸闸室水位检测是否精准、可靠直接关系到船闸是否能够正常运行，是船闸运行的一项重要检测工艺。目前三峡船闸采用闸室上游侧和下游侧各投放1支压阻式水位计、1#闸首上游及6#闸首下游分别投放2支水位计的检测布点，采用闸首水平时4支水位计加权平均的计算方法给出水平信号，由于单点布置的只有1支水位计，因此单点水位检测缺乏可靠性和比对性，如果同一闸室的2支水位计同时故障或检测波动较大，则控制系统无法生成水平信号，导致船闸运行中断。

为进一步优化闸室水位检测工艺，提高闸室水位检测工艺的可靠性，本文在充分研究的基础上，选择南线船闸1#和2#闸室实施水位检测工艺优化与应用，有效增加单点水位检测的可靠性，并实现单点水位计跳变在线故障检测、异常预警和不停航条件下的故障水位计更换等功能。

1 奇数表决法

奇数表决法，类似于若干人对一事物的取舍表决，表决对象为奇数，多数人意见相同则取，否则应舍[2]。一般在某系统进行数据采集时，鉴于工作量的限制，采集频率可取一个奇数，用多次采集的结果进行表决，最终决定系统数据的取舍。这样可以有效消除硬件故障对系统的影响，是系统抗干扰能力的一种体现，同时可提高系统数据的可靠性和可信度。从硬件冗余的角度，不仅对系统故障进行掩盖，且能通过故障检测判断故障类型和故障位置，并借助软件手段将故障部分进行隔离或替代，使系统运行保持在正常状态[3]。

2 硬件设计

2.1 水位计布设

水位计选用与三峡船闸目前使用的规格型号一致的美国GE德鲁克公司PTX1830型产品，根据不同的水位计井高程，选择不同量程的水位计。水位计检测精度为±0.06%，防护等级为IP68，满足水下工作环境要求。

本文将三峡南线船闸1#、2#闸室的水位检测系统作为优化应用对象，在这两个闸室现有的4个水位计井中各增设2支水位计，每个水位计井中的3支水位计(编号A、B、C)应用奇数表决法计算有效单井水位，形成自动判断机制，便于消除单支水位计无法校准的问题，可有效判断单支水位计的工作健康状况。

为保证水位计在水下使用环境的性能良好，实际应用中为每支水位计配套提供水位计专用接线盒，尽量减少信号连接和传输过程中的干扰。具体现场布设如图1所示。

图1 水位计及接线盒现场布设

2.2 信号采集与传输

为实现新增水位信号的采集，本优化方案采用西门子S7-300系列模拟量采集模块6ES7331-7NF00-0AB0，模块信号接口为8通道、供电DC 24V(输出4～20 mA)、精度16位。

水位计信号连接电缆采用对屏总屏蔽信号电缆[4]，由水位计井接线盒敷设至现地子站控制柜，接入PLC(可编程逻辑控制器)模拟量采集模块通道，经CPU(中央处理器)运算处理，上传至集中控制系统。

3 软件优化

3.1 程序算法及有效性判断

单支水位计采用原程序中模拟量功能模块进行斜率换算及零点校正算法。处理后的水位值通过多次采集取平均算法(5次)，得出单支水位计的有效水位值，分别为HA、HB、HC。

3支水位计的有效水位值进行两两差值绝对值计算，得到3支水位计有效水位值的差值分别为σAB、σAC、σBC：

σAB=|HA-HB|

(1)

σAC=|HA-HC|

(2)

σBC=|HB-HC|

(3)

当3支水位计均为投入状态，σBC同时小于σAC和σAB，且程序计算σAB或σAC大于设定的异常报警阈值时，给出A水位计异常报警信息;同理判断 B、C 水位计的异常。

当3支水位计均为投入状态，σBC同时小于σAC及σAB，且程序计算σAB及σAC均大于设定的切除值阈值时，自动断开A水位计；同理控制B、C水位计的单支自动断开；当出现单支断开后，另2支水位计的差值也大于设定的切除值时，同时断开剩余的2支水位计，并给出水位计井故障信号(即3支水位计均断开)。

同时，对某个水位计井3支水位计的有效水位值取平均值ΔH，其值为：

(4)

(5)

(6)

(7)

3支水位计均投入时，当某一水位计的差方值最大，且大于设定切除值时，自动断开该支水位计。

当通过异常检测及自动切除判断后，采用投入水位计的有效平均值作为单井水位的有效值H(3支均断开时该值保持上一周期值不变化)。当单井水位计只有1支投入时，采用该支水位计的有效水位值作为单井水位的有效值H。

当单井的3支水位计均断开(水位计故障)时，程序将采用同闸室另一侧水位井水位值替代该水位井水位。

3.2 程序设计说明

在现有的水位采集控制程序中，增加了新水位计信号采集、处理综合功能模块，新水位计零点计算、信号采集、滤波处理功能模块，单井3支水位计的差值计算、异常判断、超限自动切除功能模块、3支水位计故障状态、投切数据处理功能模块、3支水位计比选功能模块等9个功能模块，如图2所示。

图2 集控程序优化

3.3 人机交互界面设计

在集控操作员站设置新增水位计数据的监测画面，同屏显示同闸室上、下游两侧水位计井的 6 支水位计数据，并对单支水位计、两两差值、单井水位进行对比显示，还可方便地对单支水位计进行投入、断开设置。在趋势曲线画面可以对单支或多支水位计的历史趋势曲线进行查询、对比分析等功能，方便水位计检测数据的追溯，同时可对所有水位数据及水位计检测状态进行分析，如图3所示。

图3 上位机单支水位计水位值监控界面

4 结语

1)通过对水位计检测工艺优化及应用，3支水位计检测实时值和两两差值可在集控操作员站画面清晰显示，并可在趋势曲线画面进行历史数据查询。通过3支水位计检测值的相互比较，解决了原单支水位计无法实现自校准判断的难题；控制系统能根据设定值自动判断单井内某支水位计超限异常，给出提示，有利于水位计的故障预判；单支水位计出现故障或差值超过设定的故障参数时，系统均会自动报警并断开故障水位计，利用另 2 支水位计平均值作为单井水位值，正常工作。管理人员可对断开状态下的水位计进行在线更换和处理，并且不影响船闸的正常运行。

2)运行初期，水位计异常检测阀值设置过低，在闸室冲泄水过程中因涌水等原因会频繁出现非正常的超限报警。后期可通过长期运行记录正常状态下的超限最大值作为检测阀值参数，完善软件的检测及故障判断功能。