一种高水头船闸水位计校准方法

　　摘 要：在许多高水头船闸控制系统中，水位计所产生的水平信号是确保船闸正常运行的重要条件。如果水平信号出现问题则会影响闸门的正常运行，导致船闸运行中断，引起强拉门、机械过载等故障，甚至会对门体的机械结构造成严重损坏。所以在船闸运行维护过程中，对水位计的校正是必不可少的。目前传统的方式是通过技术人员人工调节校正。本文将通过一种水位计布置方式和区间自动校准流程两个方面对传统的调整校正的方式进行优化，实现水位计实时自动校准的目的。

　　关键词：船闸;水位计;区间;校准

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　　1背景

　　1.1水平信号

　　水平信号是程序接受到水位计的测量值后，经过换算判断得出船闸闸室内和闸室外水位计的水位值满足水平要求的情况下发出的高电平。它是闸门开启的必要条件。如果水平信号出现问题则会影响闸门的正常运行，导致船闸运行中断，引起强拉门、机械过载等故障，甚至会对门体的机械结构造成严重损坏。

　　1.2水位计使用校准现状

　　目前船闸常用压力式水位计检测水位，在实际使用中我们发现，这种水压原理的水位计在工作一段时间后，数值会产生一定的漂移，但本身设备并没有损坏而是正常的工作状态。所以为了保证船闸的正常运行，会定期对船闸所有的水位计进行校正。压力式水位计显示值是设置零点值与测量值的和，如式1：

　　S= L0+P (式1)

　　其中：S ——水位值;L0——水位計零点值;P ——水位计测得水深。

　　目前，对于水位计校准大多数船闸采用的是人工整定的方式，定期对发生零点漂移的水位计进行参数调整。然而人工整定的区间并不能完全切合水位计零点漂移的时间，并且人工整定一般为瞬时值校准，易受船闸超灌超泄、船舶进出闸、往复流等水位波动影响，产生人为的误差，(累积误差)影响水位计整定后的使用效果。

　　2 一种水位计布置方式

　　1、2、3——基点水位计1、2、3

　　4、5——闸室内靠近A门的水位计4、5

　　6、7——闸室内靠近B门的水位计6、7

　　8、9——B门外水位计8、9

　　10、11——闸门

　　12——控制器

　　13——上位机

　　14——触摸屏

　　如图1所示，以闸门为分界线布置四个水位点，其中，A门外为校准基点布置三只水位计(水位计1、2、3)、闸室A侧布置两只水位计(水位计4、5)、闸室B侧布置两只水位计(水位计6、7)、B门外布置两只水位计(水位计8、9)，整个校准流程会以A门外水位点为基点进行，布置在船闸四个水位点的9支水位计，将采集到的水位瞬时数据，传输给控制器，控制器采用算法编制水位计自动校准程序，在特定时间计算出各水位点校正值，最后整体赋值，以达到对水位计校准的目的。相关参数可以通过上位机和触摸屏进行设置。

　　3 水位计自动校准

　　3.1水位计自动校准整体流程

　　水位计自动校准具体流程如图2。其中闸室A侧校正值是由相同区间的基点有效区间平均值和闸室A侧有效区间平均值计算得出;闸室B侧校正值是由相同区间的闸室A侧和闸室B侧有效水位区间平均值计算得出;B闸门外校正值是由相同区间的闸室B侧和B闸门外有效水位区间平均值计算得出。

　　3.2水位区间平均值

　　水位区间平均值是用来反映一段时间内的真实水位，用来计算相邻水位点之间的真实水位差，形成校准值。

　　在一个区间内，按一定频率采集水位点各水位计的瞬时值而求得平均值，可计算出水位区间平均值，其公式如式2：

　　其中：—水位区间平均值;—水位计瞬时值;—水位点的水位计个数;—水位采集区间;—瞬时值采集频率;、…—水位计1在采集频率n下依次采集到的第1、2…α个瞬时值;、—水位计2在采集频率n下依次采集到的第1、2…α个瞬时值;、…—水位计ω在采集频率n下依次采集到的第1、2…α个瞬时值。

　　上述公式中，水位计瞬时值可采集得到，瞬时值采集频率是固定可设置数据，因此水位计采集区间的时长是求水位区间平均值的关键。

　　在船闸实际工作中，会随着水位、时间的变化而变化，并不是一个固定的值，但是通过统计其变化范围是可以确定的。

　　所以的计算方法如下：将船闸水位波动视为标准正弦波，设周期变化区间为～(单位：s)，寻找到合适的区间(≦≦)，使得当水位波动周期在～之间变化时，每个区间内的水位平均值变幅最小，对该问题建立数学模型，计算求解得到的最优值。

　　设水位波动为标准正弦波，绝对水平时水位为0，正弦波幅值为M，当水位波动周期为时，波动曲线为，且水位波动周期为Tn的概率为。则有：

　　求出即为水位采集区间。

　　其中：

　　;

　　3.3有效性判断

　　本文中自动校准方法所提的有效性判断分为单个水位点瞬时读值的有效性判断和水位点区间平均值的有效性判断。判断方法如下：

　　给定阀值f用于水位点内水位计比较，当某一水位点内两支水位计的差值在设定阀值f以内，则判断水位点瞬时读值可用。此有效性判断是用于判断同一水位点内的水位计是否跳变过大发生故障。

　　给定阀值F用于水位点逐级比较，当某一水位点相邻两个区间平均值的差值在设定阀值F 以内，则判断水位区间平均值可用。此有效性判断是为了判断在校准过程中，水位是否因为泄洪、大型船行波等外部原因产生较大的变幅，从而避免在此不利的环境下校准时产生的误差。

　　当且仅当水位点读值和水位区间平均值均有效的情况下，方可进行校准。

　　3.4基点自整定

　　本文中对基点数据的整定分为人工整定和自整定两种方式。

　　(1)基点数据人工整定是指人工对基点水位值直接赋值，人工整定是根据船闸水尺数据修正自动校准程序的基点水位值。人工整定设置为一次有效，下一水位计自动校准流程中则不再读取人工整定值。

　　(2)基点自整定是指基点处三支水位计的数据采用两两校准取平均的方式进行自整定。设基点三支水位计的读数分别为A、B、C，相邻水位点的读数允许偏差为P。当且仅当某一支水位计与另两支水位计的读数误差均大于P时，判定该水位计的读数无效。具体逻辑及保护条件不再叙述。

　　4 结语

　　综上所述，本水位计自动校准方法逻辑设计是每一闸次进行自动校准，但是由于保护条件和有效性验证等问题，在实际校准中并不是每一闸次都会进行水位计的校准，而且本水位计自动校准方法修改值为存储值，并不是即时修改，不会影响到当次闸次的运行安全。而且该方法实现对船闸水位计的直接实时控制，校准后的水位计能长时间保持在允许范围内，校准精度不受船闸水工建筑、水位、调峰、船舶进出闸、船闸充泄水、往复流等诸多随机性变化因素的影响，能使得船闸水位计自动化控制效果显著提升。