CN104196002B - 基于液位差的恒流量船闸控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于液位差的恒流量船闸控制系统和方法，系统由船闸上游/闸室/下游液位检测装置、船闸上/下闸首、船闸上/下闸首开度仪、船闸上/下闸首注/泄水泵，下位机中央控制器PLC、船闸闸首启闭机控制柜、上位机监控PC组成。“二乘二取二”结构的激光测距仪液位检测装置、其输出的液位信号采用“二乘二取二”祘法处理；激光测距仪消除了基于压力机理的水位计的缺陷，“二乘二取二”技术提高了液位检测的精度和可靠性。在船闸上/下闸首注/泄水泵协助下，基于液位差的恒流量船闸控制采用多模分段控制算法：根据船闸闸室水位与上/下游水位的不同液位差，设计不同的控制策略；多模分段控制提高了船闸的安全与效率指标。

Description

基于液位差的恒流量船闸控制系统和方法

技术领域

本发明属船闸控制的技术范畴，特别是指立足现有船闸控制系统架构，基于液位差的恒流量船闸控制系统和方法。

背景技术

我国是一个内河水运资源比较丰富的国家，流域面积在1000平方公里以上的河流约1600条，内河航道的总通航里程达12.37万公里；其中等级航道6.15万公里，占总通航里程的49.8％。6大水系的通航里程分别是：长江64016公里，珠江15952公里，黄河3333公里，京杭运河1410公里，闵江1973公里，淮河17201公里；此外，水运资源还涉及900余座大小湖泊的水域。古有隋炀帝建造的京杭运河贯通南北，今有新人类构建的中华航道遍布神州；发展内河水运是国家优化交通运输结构、建设低碳运输体系的重大举措之一，体现了创建资源节约型、环境友好型社会的国家意志。

现代社会的可持续发展有赖于绿色经济和低碳技术的支持。水路航运较陆路和航空运输具有运量大、占地少，能耗和运费低等优势；虽然客运市场中水运的份额微不足道，但在煤炭、铁矿、黄沙、石料、粮食等大宗货物运输市场中，水运无可比拟的价格优势无疑是全部货运手段中的首选、具有举足轻重的地位。资料表明：在长江水道，水运建设每投资1亿元，产生的运能是公路的17倍，铁路的3倍；吨公里水运能耗仅为公路的1/14、铁路的1/2；污染物单位排放量则是公路的1/15、铁路的1/1.2。单位GDP能耗，水运是铁路的1/6、公路的1/20。据专家测算，珠江水系的运输能力相当于20条铁路，而一艘1000吨级货船的运输量不逊于1列重载火车，内河水运的运输潜力由此可见一斑。

必须指出，内河水运的关键设施是船闸；船闸又称“厢船闸”，由闸室、闸首、输水系统、闸门、阀门、引航道及相应设备组成。船闸是向两端有闸门控制的闸室注/泄水、升/降闸室的水位，使船舶能克服航道中水位落差的厢行建筑物。船闸按纵轴上闸室级数可分为单级船闸和多级船闸。迄今为止，长江三峡的双线5级船闸仍是世界上建成船闸中级数最多的内河船闸；但就多数通航的内河航道而言，单级船闸就能满足通航需求。不失一般性又兼顾表述的简洁性，本发明以单级船闸为对象展开论述。鉴于船闸在内河水运系统中的重要性，船闸的可靠性始终受到设计施工方、运维业主方的广泛关注；另一方面，随着《船闸总体设计规范》(JTJ305-2001)的实施，提高船闸的通过能力和安全性、向过往船舶提供更好的过闸服务品质，亦已列入设计施工方、运维业主方的重要议事日程。我国船闸的自动控制系统研发始于20世纪70年代，以继电器为主要技术特征的时代已渐行渐远。目前，船闸控制系统大多构建在以光纤为主干的工业网络上，是集成船闸现地/远程控制，视频、消防和指挥调度功能的管控一体化系统；监控上下船闸闸首的液压启闭机、活动钢桥、冲淤系统、指挥调度系统、变配电设备，采集汇总船闸的运行参数。

现有技术条件下，船闸的控制系统可满足《船闸总体设计规范》(JTJ305-2001)指定的基本要求。关键的上/下闸首单孔闸门控制借助闸门开度仪、水位计、下位机中央控制器PLC实现，并通过上位机PC进行上/下闸首闸门的联动控制。闸门开度仪又称闸门开度测控仪，输出与闸位相对应的格雷码编码、即船闸的开度；水位计亦称“液位计”或“液面计”，是测定并记录河流和湖泊等水体液位的仪器。上/下闸首闸门的控制包括闸门的开启、关闭、开度信号，阀门开闭信号，水位信号等的采集、处理和存储。闸门完全开启的理论最佳时间点是：当且仅当上游与闸室的水位齐平时，完全开启上闸门；当且仅当下游与闸室的水位齐平时，完全开启下闸门。此时，闸门两侧的水位差为零、即闸门两侧的水压差为零，故闸门开启操作对闸和启闭设备的损伤最小；第二，水位齐平可消除或消减因水位差造成的闸室浪涌现象，提高了闸室和闸室内船舶的安全性。船闸通过水位计获取闸室、上/下游的实时液位，进而给出闸室与上/下游的水位齐平信号。闸门完全开启的工程时间点有别于上述的理论最佳时间点：工程时间点的确定既要考虑闸室和船舶的安全性，亦要兼顾船闸的通行率；因此，工程界力主闸室与上/下游水位差等于或小于工程最佳液位差ΔH_Full-Open、启动闸门的完全开启操作，即确保闸室和船舶安全前提下、提高船闸的通行率；我国船闸内河通航标准：天然和渠化河流航道水深应根据航道条件和运输要求通过技术经济论证确定，参照《内河通航标准》表3.0.2-2及船闸所处的地理水文环境，综合评估可得工程最佳液位差ΔH_Full-Open。必须指出，ΔH_Full-Open与液位检测精度有关，液位检测精度提高、可酌情增大ΔH_Full-Open值；提高ΔH_Full-Open可提高船闸通行率，且能保证闸室和船舶的安全。

目前，船闸控制系统中大量使用基于压力机理的水位计，压力式水位计在船闸运行中的表现差強人意。究其源由有二：首先，船闸通过注/泄水进行闸室水位的升/降，闸室两侧的水位呈典型的动态水位特征，故水位计输出的液位数据、以及液位数据派生出的液位差数据的精度欠佳；其次，船闸的注/泄水夹杂泥沙、泥沙在闸室淤积产生淤泥，另一方面河床航道中亦存在动态变化的淤泥层，淤泥使压力式水位计的液位数据以及派生的液位差数据偏离真值。闸室的定时清淤不仅费时耗力，而且降低了船闸的通过能力。因此，亟待探寻既能排除淤泥影响、又能精准检测动态水位的液位检测方法。本发明采用激光测距仪检测液位，淤泥对液位数据的负面影响将不复存在，有助于提升液位和液位差的检测精度；激光反射板所处的测井中安装消波网，消波网减小注/泄水时闸室动态水位的变化幅度，进一步提升液位的检测精度；借鉴轨道交通的“二乘二取二”安全计算机技术检测液位，提高液位检测的精度和可靠性。船闸控制系统另一广受垢病的缺陷是闸室过大的浪涌现象和尚待挖掘的船闸通行潜能。分析表明：现行开关量控制下的闸门，无法避免高液位差时注/泄水对船舶和闸室的冲击；也无法解决低液位差时注/泄水量偏小的弊端--缩短船舶在闸室的等待时间、提高船闸的通过能力。本发明基于精准液位差调节闸门开度，以恒注入和恒排泄流量方式升/降闸室水位、必要时启动注/泄输水泵加速闸室水位的升/降；考虑到激光测距仪低廉的价格，采用“二乘二取二”技术检测液位是可行的。目前，船闸控制系统较有代表性的知识产权成果综述如下：

·发明专利“船闸多通道水位测量系统及滤波方法”(申请号201210430400.7)，提出一种船闸多通道水位测量系统及滤波方法，采用高精度A/D转换器，实时监测船闸上下游、闸室等多测量点水位，并将多路数据打包重构后利用485总线远程传送到上位监控PC机以实时显示各点水位值。

·发明专利“船舶吃水超限预警系统及预警方法”(专利号ZL200910305821.5)，提出一种船舶吃水超限预警系统及预警方法，在船闸引航道远方调度站一侧侧壁上方设置一个视频采集装置，测量出过闸船舶的船底与船闸门槛的相对高程，判断船舶吃水是否超限，对于吃水超限的船舶，运用声光报警装置予以警告。

·发明专利“面向船闸视频监控的智能多目标检测方法”(申请号201210287888.2)，提出利用船只前沿的图像特征，在有遮挡的情况下，在视频中识别出多个船只；利用视频监控设备，对船闸中多目标进行检测和识别，并实现船只位置速度情况的自动判别，以代替目前的人工判定。

上述有益探索，有一定的参考价值，但探索成果仍存在局限。因此，有必要立足现有研究成果、在提高船闸的通过能力和安全性、向过往船舶提供更好的过闸服务品质的方向上作深入的研究。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于液位差的恒流量船闸控制系统和方法。

本发明的技术方案如下：

基于液位差的恒流量船闸控制系统由船闸上游液位检测装置、船闸上闸首、船闸上闸首开度仪、船闸上闸首注水泵、船闸闸室液位检测装置、船闸下闸首泄水泵、船闸下闸首开度仪、船闸下闸首、船闸下游液位检测装置，下位机中央控制器PLC、船闸闸首启闭机控制柜、上位机监控PC组成；

船闸上游液位检测装置、船闸闸室液位检测装置和船闸下游液位检测装置分别位于船闸上游、闸室和下游的左右两岸，船闸上闸首注水泵就近安装在船闸上闸首、船闸下闸首泄水泵就近安装在船闸下闸首，船闸上闸首注水泵和船闸下闸首泄水泵通过注/泄水管从上/下游取/排水；船闸上闸首和船闸下闸首的闸门分别对应配置检测闸门开度的船闸上闸首开度仪和船闸下闸首开度仪，船闸上/下闸首开度仪型号为倍加福AVM58；上位机监控PC与下位机中央控制器PLC相连，下位机中央控制器PLC借助船闸闸首启闭机控制柜驱动船闸上闸首和船闸下闸首的升降，在船闸上闸首注水泵和船闸下闸首泄水泵协助下、执行基于液位差的恒流量船闸控制；船闸上游液位检测装置、船闸闸室液位检测装置和船闸下游液位检测装置的液位信号输入至下位机中央控制器PLC，船闸上闸首开度仪和船闸下闸首开度仪的开度信号输入至下位机中央控制器PLC；液位检测装置均按“二乘二取二”的结构设计，下位机中央控制器PLC采用“二乘二取二”祘法处理液位检测装置输入的液位模拟信号。

所述的船闸上游液位检测装置包括船闸上游左岸液位检测装置和船闸上游右岸液位检测装置,左/右两岸的液位检测装置相同，船闸上游左岸液位检测装置位于船闸上游的左岸，船闸上游右岸液位检测装置位于船闸上游的右岸；船闸闸室液位检测装置和船闸下游液位检测装置与船闸上游液位检测装置类同；

船闸上游左岸液位检测装置由船闸上游左岸测井、船闸上游左岸消波网、船闸上游左岸激光反射板、船闸上游左岸第1激光测距仪和船闸上游左岸第2激光测距仪组成；船闸上游左岸第1激光测距仪和船闸上游左岸第2激光测距仪安装于船闸上游左岸测井顶部，船闸上游左岸消波网安装于船闸上游左岸测井下端，船闸上游左岸激光反射板悬浮与船闸上游左岸测井水面，并与船闸上游左岸第1激光测距仪、船闸上游左岸第2激光测距仪配套；船闸上游液位检测装置配置4台激光测距仪、左/右岸液位检测装置各配2台，通过RS485与下位机中央控制器PLC的485口相连；4台激光测距仪构成经典的、“二乘二取二”液位检测架构，液位信号则采用“二乘二取二”的祘法处理；在基于液位差的恒流量船闸控制系统中，共计配备6座测井：船闸上游左岸测井、船闸上游右岸测井，船闸闸室左岸测井、船闸闸室右岸测井，船闸下游左岸测井、船闸下游右岸测井，12台激光测距仪：船闸上游左岸第1激光测距仪、船闸上游左岸第2激光测距仪、船闸上游右岸第1激光测距仪、船闸上游右岸第2激光测距仪，船闸闸室左岸第1激光测距仪、船闸闸室左岸第2激光测距仪、船闸闸室右岸第1激光测距仪、船闸闸室右岸第2激光测距仪，船闸下游左岸第1激光测距仪、船闸下游左岸第2激光测距仪、船闸下游右岸第1激光测距仪、船闸下游右岸第2激光测距仪；变量check100＝110或120、check200＝210或220、check300＝310或320分别表征船闸上游左/右岸液位检测装置、船闸闸室左/右岸液位检测装置、船闸下游左/右岸液位检测装置处于检测/备用或备用/检测状态；

船闸上游液位检测装置“二乘二取二”水位计液位检测的流程如下：

0.ESP＝0.05m，check100＝110

1.检测状态的激光测距仪采样

1-1.check100＝110

船闸上游左岸第1激光测距仪和船闸上游左岸第2激光测距仪分别采样4次液位、通过RS485上传至下位机中央控制器PLC

1-2.check100＝120

船闸上游右岸第1激光测距仪和船闸上游右岸第2激光测距仪分别采样4次液位、通过RS485上传至下位机中央控制器PLC

2.激光测距仪液位数据的中位均值滤波

2-1.check100＝110

船闸上游左岸第1激光测距仪液位数据的中位均值滤波，即

$\begin{array}{c}D{114}_{Average}=\{\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}D114\[i\]-\min (D114\[1\],D114\[2\],D114\[3\],D114\[4\])\\ -\max (D114\[1\],D114\[2\],D114\[3\],D114\[4\])\}/2\end{array}$

第2激光测距仪液位数据亦中位均值滤波得D115_Average

D110＝(D114_Average+D115_Average)/2

2-2.check100＝120

船闸上游右岸第1激光测距仪液位数据的中位均值滤波，即

$\begin{array}{c}D{124}_{Average}=\{\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}D124\[i\]-\min (D124\[1\],D124\[2\],D124\[3\],D124\[4\])\\ -\max (D124\[1\],D124\[2\],D124\[3\],D124\[4\])\}/2\end{array}$

第2激光测距仪液位数据亦中位均值滤波得D125_Average

D120＝(D124_Average+D125_Average)/2

3.“二乘二取二”祘法处理

3-1.check100＝110

3-1-1.|D114Average-D115Average|<ESP

D100＝D110

返回“1”

3-1-2.|D114Average-D115Average|≥ESP

check100＝120、故障报警

返回“1”

3-2.check100＝120

3-2-1.|D124Average-D125Average|<ESP

D100＝D120

返回“1”

3-2-2.|D124Average-D125Average|≥ESP

check100＝110、故障报警

返回“1”

船闸闸室液位检测装置、船闸下游液位检测装置的“二乘二取二”水位计液位检测流程，与船闸上游液位检测装置类同；激光测距仪型号为DISTOD8；

船闸上游左岸液位检测装置和船闸上游右岸液位检测装置互为备份，由主备检测切换变量check100控制切换；check100＝110时，船闸上游左岸液位检测装置的两支激光测距仪检测上游液位、液位数据中位均值滤波、二乘二取二表决，若两支激光测距仪的检测数据偏差<ESP、输出检测的液位，反之check100＝120、船闸上游右岸液位检测装置转为检测状态、故障报警；check100＝120时，流程与check100＝110类同；船闸闸室液位检测装置、船闸下游液位检测装置的“二乘二取二”水位计液位检测原理，与船闸上游液位检测装置类同。

所述的下位机中央控制器PLC采用施耐德Premiumx系列，由电源模块PSY2600M，CPUP571634M，通讯模块ETYPORT，数字量输入模块EDY32D2K，数字量输出模块DSY16T2，模拟量输入模块AEY800组成，DI信号使用的位号是I0.0～I0.5、I1.0～I1.4、I2.0～I2.5、I3.0～I3.4，备用的位号是I0.6～I0.7、I1.5～1.7、I2.6～I2.7、I3.5～3.7；DO信号使用的位号是Q0.0～Q0.5、Q1.0～Q1.5，备用的位号是Q0.6～Q0.7、Q1.6～Q1.7；AI信号使用的位号是IW0.0～IW0.1，备用的位号是IW0.2～IW0.7；

船闸上闸首启闭机操作回路与数字量输入模块EDY32D2K、数字量输出模块DSY16T2、模拟量输入模块AEY800相连，点位分配如下：Q0.0开启按钮、Q0.1关闭按钮、Q0.2停止按钮、I0.0远控状态、I0.1全开状态、I0.2超限位状态、I0.3全关状态、I0.4故障状态、I0.5电源状态、IW0.0闸门开度；船闸下闸首启闭机操作回路与船闸上闸首的类同，其点位分配如下：Q0.3开启按钮、Q0.4关闭按钮、Q0.5停止按钮、I2.0远控状态、I2.1全开状态、I2.2超限位状态、I2.3全关状态、I2.4故障状态、I2.5电源状态、IW0.1闸门开度；

船闸上闸首注水泵操作回路与数字量输入模块EDY32D2K、数字量输出模块DSY16T2相连，点位分配：Q1.0开启按钮、Q1.1关闭按钮、Q1.2停止按钮、I0.0远控状态、I0.1全开状态、I0.2全关状态、I0.3故障状态、I0.4电源状态；船闸下闸首泄水泵操作回路与船闸上闸首注水泵的类同，点位分配如下：Q1.3开启按钮、Q1.4关闭按钮、Q1.5停止按钮、I3.0远控状态、I3.1全开状态、I3.2全关状态、I3.3故障状态、I3.4电源状态；

船闸上游液位检测装置的4台激光测距仪、船闸闸室液位检测装置的4台激光测距仪、船闸下游液位检测装置的4台激光测距仪，及船闸闸首启闭机控制柜均经RS485与通讯模块ETYPORT相连。

所述的基于液位差的恒流量船闸的多模分段控制方法按船舶过闸的下/上行表述包括如下步骤：

①初始化

船闸上/下闸首的闸门开启、船闸闸室的水位与上/下游水位齐平；

船舶驶入船闸闸室、船闸上/下闸首的闸门关闭；

②ΔH>ΔH_{Chamber-Downstream}/ΔH_{Upstream-Chamber}

根据液位差流量模型进行船闸恒流量的PID控制；

液位差流量模型： $Q=\mathrm{\&mu;}be\sqrt{2g\mathrm{\&Delta;}H},Q_0={\mathrm{\&mu;be}}_0\sqrt{2g\mathrm{\&Delta;}H};$

流量软测量模型：Q＝[D200(k+1)-D200(k)]*A/T_S；

③ΔH_Full-Open<ΔH≤ΔH_{Chamber-Downstream}/ΔH_{Upstream-Chamber}

启动船闸下闸首泄水泵/启动船闸上闸首注水泵；

④ΔH≤ΔH_Full-Open

切断船闸下闸首泄水泵/切断船闸上闸首注水泵；

船闸下/上闸首的闸门完全开启；

船舶驶离船闸闸室、进入下/上游；

⑤返回步骤“①”；

式中：

ΔH_Full-Open为闸门完全开启的工程最佳液位差--切断船闸下闸首泄水泵/切断船闸上闸首注水泵的液位差上限，ΔH_{Chamber-Downstream}为启动船闸下闸首泄水泵的、闸室与下游液位差的上限，ΔH_{Upstream-Chamber}为启动船闸上闸首注水泵的、上游与闸室液位差的上限，ΔH为上游与闸室的液位差或闸室与下游的液位差，

Q为闸室的注/泄流量、Q₀为闸室的最佳注/泄流量，

D200(k)为k时刻的闸室液位、T_S为闸室液位的采样周期，A为闸室截面，

μ为流量系数、b为闸门宽、e为闸门开启高度、g为重力加速度。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

“二乘二取二”结构的激光测距仪液位检测装置、其输出的液位信号采用“二乘二取二”祘法处理；激光测距仪消除了基于压力机理的水位计的缺陷，“二乘二取二”技术提高了液位检测的精度和可靠性。在船闸上/下闸首注/泄水泵协助下，基于液位差的恒流量船闸控制采用多模分段控制算法：根据船闸闸室水位与上/下游水位的不同液位差，设计不同的控制策略；多模分段控制提高了船闸的安全与效率指标。

附图说明

图1是基于液位差的恒流量船闸控制系统结构图；

图2a是水位计在船闸厢行建筑物中的分布图；

图2b是“二乘二取二”水位计液位检测的结构图；

图2c是“二乘二取二”水位计液位检测的流程图；

图2d是“二乘二取二”水位计液位检测的原理图；

图3是下位机中央控制器PLC的结构图；

图4是基于液位差的恒流量船闸的多模分段控制原理图。

具体实施方式

如图1所示，沿船舶过闸的下行方向、基于液位差的恒流量船闸控制系统由船闸上游液位检测装置100、船闸上闸首1、船闸上闸首开度仪3、船闸上闸首注水泵5、船闸闸室液位检测装置200、船闸下闸首泄水泵6、船闸下闸首开度仪4、船闸下闸首2、船闸下游液位检测装置300，下位机中央控制器PLC7、船闸闸首启闭机控制柜8、上位机监控PC9组成；

船闸上游液位检测装置100、船闸闸室液位检测装置200和船闸下游液位检测装置300分别位于船闸上游、闸室和下游的左右两岸，船闸上闸首注水泵5就近安装在船闸上闸首1、船闸下闸首泄水泵6就近安装在船闸下闸首2，船闸上闸首注水泵5和船闸下闸首泄水泵6通过注/泄水管从上/下游取/排水；船闸上闸首1和船闸下闸首2的闸门分别对应配置检测闸门开度的船闸上闸首开度仪3和船闸下闸首开度仪4，船闸上/下闸首开度仪的型号为倍加福AVM58：SSI数字输出，分辨率4096/圈；上位机监控PC9与下位机中央控制器PLC7相连，下位机中央控制器PLC7借助船闸闸首启闭机控制柜8、驱动船闸上闸首1和船闸下闸首2的升降，在船闸上闸首注水泵5和船闸下闸首泄水泵6协助下、执行基于液位差的恒流量船闸控制；船闸上游液位检测装置100、船闸闸室液位检测装置200和船闸下游液位检测装置300的液位信号输入至下位机中央控制器PLC7，船闸上闸首开度仪3和船闸下闸首开度仪4的开度信号输入至下位机中央控制器PLC7；液位检测装置均按“二乘二取二”的结构设计，下位机中央控制器PLC7采用“二乘二取二”祘法处理液位检测装置输入的液位模拟信号；

我国船闸内河通航标准：天然和渠化河流航道水深应根据航道条件和运输要求通过技术经济论证确定，参照《内河通航标准》表3.0.2-2及船闸所处的地理水文环境，评估确定：闸门完全开启的工程最佳液位差ΔH_Full-Open，船闸上闸首注水泵5启动的、上游与闸室的液位差上限ΔH_{Upstream-Chamber}，船闸下闸首泄水泵6启动的、闸室与下游的液位差上限ΔH_{Chamber-Downstream}；以浙江省某船闸为例：兼顾船闸的安全与效率，高/低精度液位检测时ΔH_Full-Open＝0.3/0.2m，ΔH_{Upstream-Chamber}＝1.3m、ΔH_{Chamber-Downstream}＝1.3m；

说明:流量正比液位差平方根，船舶过闸上/下行结尾段，小液位差的流量灵敏度大，非线性控制的精度欠佳、是船闸安全的一大隐患；启动辅助的注/泄水泵维系注/泄水流量、缩短船舶等待时间，可提高船闸通行率。

如图2a所示，船闸上游液位检测装置100包括船闸上游左岸液位检测装置110和船闸上游右岸液位检测装置120、左/右两岸的液位检测装置相同，船闸上游左岸液位检测装置110位于船闸上游的左岸，船闸上游右岸液位检测装置120位于船闸上游的右岸；船闸闸室液位检测装置200和船闸下游液位检测装置300与船闸上游液位检测装置100类同；

如图2b所示，以船闸上游左岸液位检测装置110由船闸上游左岸测井111、船闸上游左岸消波网112、船闸上游左岸激光反射板113、船闸上游左岸第1激光测距仪114和船闸上游左岸第2激光测距仪115组成；船闸上游左岸第1激光测距仪114和船闸上游左岸第2激光测距仪115安装于船闸上游左岸测井111顶部，船闸上游左岸消波网112安装于船闸上游左岸测井111下端，船闸上游左岸激光反射板113悬浮与船闸上游左岸测井111水面，并与船闸上游左岸第1激光测距仪114、船闸上游左岸第2激光测距仪115配套；船闸上游液位检测装置100配置4台激光测距仪、左/右岸液位检测装置各配2台，通过RS485与下位机中央控制器PLC7的485口相连；4台激光测距仪构成经典的、“二乘二取二”液位检测架构，液位信号则采用“二乘二取二”的祘法处理；在基于液位差的恒流量船闸控制系统中，共计配备6座测井：船闸上游左岸测井111、船闸上游右岸测井121，船闸闸室左岸测井、船闸闸室右岸测井，船闸下游左岸测井、船闸下游右岸测井，12台激光测距仪：船闸上游左岸第1激光测距仪114、船闸上游左岸第2激光测距仪115、船闸上游右岸第1激光测距仪124、船闸上游右岸第2激光测距仪125，船闸闸室左岸第1激光测距仪、船闸闸室左岸第2激光测距仪、船闸闸室右岸第1激光测距仪、船闸闸室右岸第2激光测距仪，船闸下游左岸第1激光测距仪、船闸下游左岸第2激光测距仪、船闸下游右岸第1激光测距仪、船闸下游右岸第2激光测距仪；变量check100＝110或120、check200＝210或220、check300＝310或320分别表征船闸上游左/右岸液位检测装置、船闸闸室左/右岸液位检测装置、船闸下游左/右岸液位检测装置处于检测/备用或备用/检测状态；

如图2c所示，船闸上游液位检测装置“二乘二取二”水位计液位检测的流程如下：

0.ESP＝0.05m，check100＝110

1.检测状态的激光测距仪采样

1-1.check100＝110注：船闸上游左/右岸液位检测装置处在检测/备用

船闸上游左岸第1激光测距仪114和船闸上游左岸第2激光测距仪115分别采样4次液位、通过RS485上传至下位机中央控制器PLC7

1-2.check100＝120注：船闸上游左/右岸液位检测装置处在备用/检测

船闸上游右岸第1激光测距仪124和船闸上游右岸第2激光测距仪125分别采样4次液位、通过RS485上传至下位机中央控制器PLC7

2.激光测距仪液位数据的中位均值滤波

2-1.check100＝110

船闸上游左岸第1激光测距仪114液位数据的中位均值滤波，即

$\begin{array}{c}D{114}_{Average}=\{\underset{i=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}D114\&lsqb;i\&rsqb;-\min D114\&lsqb;1\&rsqb;,D114\&lsqb;2\&rsqb;,D114\&lsqb;3\&rsqb;,D114\&lsqb;4\&rsqb;\\ -\max D114\&lsqb;1\&rsqb;,D114\&lsqb;2\&rsqb;,D114\&lsqb;3\&rsqb;,D114\&lsqb;4\&rsqb;\}/2\end{array}$

第2激光测距仪115液位数据亦中位均值滤波得D115_Average

D110＝D114_Average+D115_Average/2

2-2.check100＝120

船闸上游右岸第1激光测距仪124液位数据的中位均值滤波，即

$\begin{array}{c}D{124}_{Average}=\{\underset{i=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}D124\&lsqb;i\&rsqb;-\min D124\&lsqb;1\&rsqb;,D124\&lsqb;2\&rsqb;,D124\&lsqb;3\&rsqb;,D124\&lsqb;4\&rsqb;\\ -\max D124\&lsqb;1\&rsqb;,D124\&lsqb;2\&rsqb;,D124\&lsqb;3\&rsqb;,D124\&lsqb;4\&rsqb;\}/2\end{array}$

第2激光测距仪125液位数据亦中位均值滤波得D125_Average

D120＝D124_Average+D125_Average/2

3.“二乘二取二”祘法处理

3-1.check100＝110

3-1-1.|D114Average-D115Average|<ESP

D100＝D110

返回“1”

3-1-2.|D114Average-D115Average|≥ESP注：左岸液位检测装置故障

check100＝120、故障报警注：右岸液位检测装置投运

返回“1”

3-2.check100＝120

3-2-1.|D124Average-D125Average|<ESP

D100＝D120

返回“1”

3-2-2.|D124Average-D125Average|≥ESP注：右岸液位检测装置故障

check100＝110、故障报警注：左岸液位检测装置投运

返回“1”

船闸闸室液位检测装置200、船闸下游液位检测装置300的“二乘二取二”水位计液位检测流程，与船闸上游液位检测装置100类同；激光测距仪的型号为DISTOD8：量程0.05～200m，精度lmm，供电AA电池；

说明：根椐激光测距仪和船闸GB50139-201《内河通航标准》：船闸通航需要相当精度的水位，建议液位检测偏差的上限值ESP不超过通航水位要求精度的5倍。以浙江某船闸为例，最高通航水位和设计最低通航水位分别为3.42和2.12米，其测量水位精度需要达到±0.01米，建议ESP取值为0.05m。

如图2d所示，船闸上游左岸液位检测装置110和船闸上游右岸液位检测装置120互为备份，由主备检测切换变量check100控制切换：check100＝110、左岸液位检测装置为检测状态而右岸液位检测装置备份，check100＝120、右岸液位检测装置为检测状态而左岸液位检测装置备份；check100＝110时，船闸上游左岸液位检测装置的两支激光测距仪检测上游液位、液位数据中位均值滤波、二乘二取二表决，若两支激光测距仪的检测数据偏差<ESP、输出检测的液位，反之check100＝120、船闸上游右岸液位检测装置120转为检测状态、故障报警；check100＝120时，流程与check100＝110类同；船闸闸室液位检测装置200、船闸下游液位检测装置300的“二乘二取二”水位计液位检测原理，与船闸上游液位检测装置100类同；

二乘二取二水位计液位检测是一种组合了双机热备结构和二取二结构的一种复合结构，继承双机热备结构持续运行能力强、可维护性好的优点和二取二结构的可靠性高的优点。

如图3所示，下位机中央控制器PLC7采用施耐德Premiumx系列，由电源模块PSY2600M71，CPUP571634M72，通讯模块ETYPORT73，数字量输入模块EDY32D2K74，数字量输出模块DSY16T275，模拟量输入模块AEY80076组成；DI信号使用的位号是I0.0～I0.5、I1.0～I1.4、I2.0～I2.5、I3.0～I3.4，备用的位号是I0.6～I0.7、I1.5～1.7、I2.6～I2.7、I3.5～3.7；DO信号使用的位号是Q0.0～Q0.5、Q1.0～Q1.5，备用的位号是Q0.6～Q0.7、Q1.6～Q1.7；AI信号使用的位号是IW0.0～IW0.1，备用的位号是IW0.2～IW0.7；

船闸上闸首1启闭机操作回路与数字量输入模块EDY32D2K74、数字量输出模块DSY16T275、模拟量输入模块AEY80076相连，点位分配如下：Q0.0开启按钮、Q0.1关闭按钮、Q0.2停止按钮、I0.0远控状态、I0.1全开状态、I0.2超限位状态、I0.3全关状态、I0.4故障状态、I0.5电源状态、IW0.0闸门开度；船闸下闸首2启闭机操作回路与船闸上闸首2的类同，其点位分配如下：Q0.3开启按钮、Q0.4关闭按钮、Q0.5停止按钮、I2.0远控状态、I2.1全开状态、I2.2超限位状态、I2.3全关状态、I2.4故障状态、I2.5电源状态、IW0.1闸门开度。

船闸上闸首注水泵5操作回路与数字量输入模块EDY32D2K74、数字量输出模块DSY16T275相连，点位分配：Q1.0开启按钮、Q1.1关闭按钮、Q1.2停止按钮、I0.0远控状态、I0.1全开状态、I0.2全关状态、I0.3故障状态、I0.4电源状态；船闸下闸首泄水泵6操作回路与船闸上闸首注水泵5的类同，点位分配如下：Q1.3开启按钮、Q1.4关闭按钮、Q1.5停止按钮、I3.0远控状态、I3.1全开状态、I3.2全关状态、I3.3故障状态、I3.4电源状态。

船闸上游液位检测装置100的4台激光测距仪、船闸闸室液位检测装置200的4台激光测距仪、船闸下游液位检测装置300的4台激光测距仪，及船闸闸首启闭机控制柜8均经RS485与通讯模块ETYPORT73相连。

如图4所示，基于液位差的恒流量船闸控制采用多模分段控制算法，按船舶过闸的下/上行表述：

①初始化

船闸上/下闸首的闸门开启、船闸闸室的水位与上/下游水位齐平

船舶驶入船闸闸室、船闸上/下闸首的闸门关闭

②ΔH>ΔH_{Chamber-Downstream}/ΔH_{Upstream-Chamber}

根据液位差流量模型进行船闸恒流量的PID控制

液位差流量模型： $Q=\mathrm{\&mu;}be\sqrt{2g\mathrm{\&Delta;}H},Q_0={\mathrm{\&mu;be}}_0\sqrt{2g\mathrm{\&Delta;}H}$

流量软测量模型：Q＝[D200k+1-D200k]*A/T_S

③ΔH_Full-Open<ΔH≤ΔH_{Chamber-Downstream}/ΔH_{Upstream-Chamber}

启动船闸下闸首泄水泵/启动船闸上闸首注水泵

④ΔH≤ΔH_Full-Open

切断船闸下闸首泄水泵/切断船闸上闸首注水泵

船闸下/上闸首的闸门完全开启

船舶驶离船闸闸室、进入下/上游

⑤返回“①”；

式中：

ΔH_Full-Open为闸门完全开启的工程最佳液位差--切断船闸下闸首泄水泵/切断船闸上闸首注水泵的液位差上限，ΔH_{Chamber-Downstream}为启动船闸下闸首泄水泵的、闸室与下游液位差的上限，ΔH_{Upstream-Chamber}为启动船闸上闸首注水泵的、上游与闸室液位差的上限，ΔH为上游与闸室的液位差或闸室与下游的液位差，

Q为闸室的注/泄流量、Q₀为闸室的最佳注/泄流量，

D200k为k时刻的闸室液位、T_S为闸室液位的采样周期，A为闸室截面，

μ为流量系数、b为闸门宽、e为闸门开启高度、g为重力加速度；

说明：

1、闸室注/泄流量Q采用检测闸室液位变化量的间接测量方法获取，

2、根据液位差流量模型进行的船闸恒流量PID控制，设定值Q₀、输入变量ΔQ＝Q₀-Q，ΔQ经PID运祘后输出控制量u、借助船闸闸首启闭机控制柜调节e、Q，使ΔQ→0。

Claims (4)

1.一种基于液位差的恒流量船闸控制系统，其特征在于系统由船闸上游液位检测装置(100)、船闸上闸首(1)、船闸上闸首开度仪(3)、船闸上闸首注水泵(5)、船闸闸室液位检测装置(200)、船闸下闸首泄水泵(6)、船闸下闸首开度仪(4)、船闸下闸首(2)、船闸下游液位检测装置(300)，下位机中央控制器PLC(7)、船闸闸首启闭机控制柜(8)、上位机监控PC(9)组成；

船闸上游液位检测装置(100)、船闸闸室液位检测装置(200)和船闸下游液位检测装置(300)分别位于船闸上游、闸室和下游的左右两岸，船闸上闸首注水泵(5)就近安装在船闸上闸首(1)、船闸下闸首泄水泵(6)就近安装在船闸下闸首(2)，船闸上闸首注水泵(5)通过注水管从上游取水,船闸下闸首泄水泵(6)通过泄水管从下游排水；船闸上闸首(1)和船闸下闸首(2)的闸门分别对应配置检测闸门开度的船闸上闸首开度仪(3)和船闸下闸首开度仪(4)，船闸上/下闸首开度仪型号为倍加福AVM58；上位机监控PC(9)与下位机中央控制器PLC(7)相连，下位机中央控制器PLC(7)借助船闸闸首启闭机控制柜(8)驱动船闸上闸首(1)和船闸下闸首(2)的升降，在船闸上闸首注水泵(5)和船闸下闸首泄水泵(6)协助下、执行基于液位差的恒流量船闸控制；船闸上游液位检测装置(100)、船闸闸室液位检测装置(200)和船闸下游液位检测装置(300)的液位信号输入至下位机中央控制器PLC(7)，船闸上闸首开度仪(3)和船闸下闸首开度仪(4)的开度信号输入至下位机中央控制器PLC(7)；液位检测装置均按“二乘二取二”的结构设计，下位机中央控制器PLC(7)采用“二乘二取二”算法处理液位检测装置输入的液位模拟信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于液位差的恒流量船闸控制系统，其特征在于所述的船闸上游液位检测装置(100)包括船闸上游左岸液位检测装置(110)和船闸上游右岸液位检测装置(120),左/右两岸的液位检测装置相同，船闸上游左岸液位检测装置(110)位于船闸上游的左岸，船闸上游右岸液位检测装置(120)位于船闸上游的右岸；船闸闸室液位检测装置(200)和船闸下游液位检测装置(300)与船闸上游液位检测装置(100)相同；

船闸上游左岸液位检测装置(110)由船闸上游左岸测井(111)、船闸上游左岸消波网(112)、船闸上游左岸激光反射板(113)、船闸上游左岸第1激光测距仪(114)和船闸上游左岸第2激光测距仪(115)组成；船闸上游左岸第1激光测距仪(114)和船闸上游左岸第2激光测距仪(115)安装于船闸上游左岸测井(111)顶部，船闸上游左岸消波网(112)安装于船闸上游左岸测井(111)下端，船闸上游左岸激光反射板(113)悬浮于船闸上游左岸测井(111)水面，并与船闸上游左岸第1激光测距仪(114)、船闸上游左岸第2激光测距仪(115)配套；船闸上游液位检测装置(100)配置4台激光测距仪、左/右岸液位检测装置各配2台，通过RS485与下位机中央控制器PLC(7)的485口相连；4台激光测距仪构成经典的“二乘二取二”液位检测架构，液位信号则采用“二乘二取二”的算法处理；在基于液位差的恒流量船闸控制系统中，共计配备6座测井：船闸上游左岸测井(111)、船闸上游右岸测井(121)，船闸闸室左岸测井、船闸闸室右岸测井，船闸下游左岸测井、船闸下游右岸测井，12台激光测距仪：船闸上游左岸第1激光测距仪(114)、船闸上游左岸第2激光测距仪(115)、船闸上游右岸第1激光测距仪(124)、船闸上游右岸第2激光测距仪(125)，船闸闸室左岸第1激光测距仪、船闸闸室左岸第2激光测距仪、船闸闸室右岸第1激光测距仪、船闸闸室右岸第2激光测距仪，船闸下游左岸第1激光测距仪、船闸下游左岸第2激光测距仪、船闸下游右岸第1激光测距仪、船闸下游右岸第2激光测距仪；变量check100＝110或120、check200＝210或220、check300＝310或320分别表征船闸上游左/右岸液位检测装置、船闸闸室左/右岸液位检测装置、船闸下游左/右岸液位检测装置处于检测/备用或备用/检测状态；

船闸上游液位检测装置“二乘二取二”水位计液位检测的流程如下：

0.ESP＝0.05m，check100＝110

1.检测状态的激光测距仪采样

1-1.check100＝110

船闸上游左岸第1激光测距仪(114)和船闸上游左岸第2激光测距仪(115)分别采样4次液位、通过RS485上传至下位机中央控制器PLC(7)

1-2.check100＝120

船闸上游右岸第1激光测距仪(124)和船闸上游右岸第2激光测距仪(125)分别采样4次液位、通过RS485上传至下位机中央控制器PLC(7)

2.激光测距仪液位数据的中位均值滤波

2-1.check100＝110

船闸上游左岸第1激光测距仪(114)液位数据的中位均值滤波，即

$\begin{array}{c}D{114}_{Average}=\{\underset{i=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}D114\&lsqb;i\&rsqb;-\min (D114\&lsqb;1\&rsqb;,D114\&lsqb;2\&rsqb;,D114\&lsqb;3\&rsqb;,D114\&lsqb;4\&rsqb;)\\ -\max (D114\&lsqb;1\&rsqb;,D114\&lsqb;2\&rsqb;,D114\&lsqb;3\&rsqb;,D114\&lsqb;4\&rsqb;)\}/2\end{array}$

第2激光测距仪(115)液位数据亦中位均值滤波得D115_Average

D110＝(D114_Average+D115_Average)/2

2-2.check100＝120

船闸上游右岸第1激光测距仪(124)液位数据的中位均值滤波，即

$\begin{array}{c}D{124}_{Average}=\{\underset{i=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}D124\&lsqb;i\&rsqb;-\min (D124\&lsqb;1\&rsqb;,D124\&lsqb;2\&rsqb;,D124\&lsqb;3\&rsqb;,D124\&lsqb;4\&rsqb;)\\ -\max (D124\&lsqb;1\&rsqb;,D124\&lsqb;2\&rsqb;,D124\&lsqb;3\&rsqb;,D124\&lsqb;4\&rsqb;)\}/2\end{array}$

第2激光测距仪(125)液位数据亦中位均值滤波得D125_Average

D120＝(D124_Average+D125_Average)/2

3.“二乘二取二”算法处理

3-1.check100＝110

3-1-1.|D114Average-D115Average|<ESP

D100＝D110

返回“1”

3-1-2.|D114Average-D115Average|≥ESP

check100＝120、故障报警

返回“1”

3-2.check100＝120

3-2-1.|D124Average-D125Average|<ESP

D100＝D120

返回“1”

3-2-2.|D124Average-D125Average|≥ESP

check100＝110、故障报警

返回“1”

船闸闸室液位检测装置(200)、船闸下游液位检测装置(300)的“二乘二取二”水位计液位检测流程，与船闸上游液位检测装置(100)相同；激光测距仪型号为DISTOD8；

船闸上游左岸液位检测装置(110)和船闸上游右岸液位检测装置(120)互为备份，由主备检测切换变量check100控制切换；check100＝110时，船闸上游左岸液位检测装置的两支激光测距仪检测上游液位、液位数据中位均值滤波、二乘二取二表决，若两支激光测距仪的检测数据偏差<ESP、输出检测的液位，反之check100＝120、船闸上游右岸液位检测装置(120)转为检测状态、故障报警；check100＝120时，流程与check100＝110相同；船闸闸室液位检测装置(200)、船闸下游液位检测装置(300)的“二乘二取二”水位计液位检测原理，与船闸上游液位检测装置(100)相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于液位差的恒流量船闸控制系统，其特征在于所述的下位机中央控制器PLC(7)采用施耐德Premiumx系列，由电源模块PSY2600M(71)，CPUP571634M(72)，通讯模块ETYPORT(73)，数字量输入模块EDY32D2K(74)，数字量输出模块DSY16T2(75)，模拟量输入模块AEY800(76)组成，DI信号使用的位号是I0.0～I0.5、I1.0～I1.4、I2.0～I2.5、I3.0～I3.4，备用的位号是I0.6～I0.7、I1.5～1.7、I2.6～I2.7、I3.5～3.7；DO信号使用的位号是Q0.0～Q0.5、Q1.0～Q1.5，备用的位号是Q0.6～Q0.7、Q1.6～Q1.7；AI信号使用的位号是IW0.0～IW0.1，备用的位号是IW0.2～IW0.7；

船闸上闸首(1)启闭机操作回路与数字量输入模块EDY32D2K(74)、数字量输出模块DSY16T2(75)、模拟量输入模块AEY800(76)相连，点位分配如下：Q0.0开启按钮、Q0.1关闭按钮、Q0.2停止按钮、I0.0远控状态、I0.1全开状态、I0.2超限位状态、I0.3全关状态、I0.4故障状态、I0.5电源状态、IW0.0闸门开度；船闸下闸首(2)启闭机操作回路与船闸上闸首(2)的相同，其点位分配如下：Q0.3开启按钮、Q0.4关闭按钮、Q0.5停止按钮、I2.0远控状态、I2.1全开状态、I2.2超限位状态、I2.3全关状态、I2.4故障状态、I2.5电源状态、IW0.1闸门开度；

船闸上闸首注水泵(5)操作回路与数字量输入模块EDY32D2K(74)、数字量输出模块DSY16T2(75)相连，点位分配：Q1.0开启按钮、Q1.1关闭按钮、Q1.2停止按钮、I0.0远控状态、I0.1全开状态、I0.2全关状态、I0.3故障状态、I0.4电源状态；船闸下闸首泄水泵(6)操作回路与船闸上闸首注水泵(5)的相同，点位分配如下：Q1.3开启按钮、Q1.4关闭按钮、Q1.5停止按钮、I3.0远控状态、I3.1全开状态、I3.2全关状态、I3.3故障状态、I3.4电源状态；

船闸上游液位检测装置(100)的4台激光测距仪、船闸闸室液位检测装置(200)的4台激光测距仪、船闸下游液位检测装置(300)的4台激光测距仪，及船闸闸首启闭机控制柜(8)均经RS485与通讯模块ETYPORT(73)相连。

4.一种使用如权利要求1所述的基于液位差的恒流量船闸控制系统的多模分段控制方法，其特征在于按船舶过闸的下/上行表述包括如下步骤：

①初始化

船闸上/下闸首的闸门开启、船闸闸室的水位与上/下游水位齐平；

船舶驶入船闸闸室、船闸上/下闸首的闸门关闭；

②ΔH>ΔH_{Chamber-Downstream}/ΔH_{Upstream-Chamber}

根据液位差流量模型进行船闸恒流量的PID控制；

液位差流量模型： $Q=\mathrm{\&mu;}be\sqrt{2g\mathrm{\&Delta;}H},Q_0={\mathrm{\&mu;be}}_0\sqrt{2g\mathrm{\&Delta;}H};$

流量软测量模型：Q＝[D200(k+1)-D200(k)]*A/T_S；

③ΔH_Full-Open<ΔH≤ΔH_{Chamber-Downstream}/ΔH_{Upstream-Chamber}

启动船闸下闸首泄水泵/启动船闸上闸首注水泵；

④ΔH≤ΔH_Full-Open

切断船闸下闸首泄水泵/切断船闸上闸首注水泵；

船闸下/上闸首的闸门完全开启；

船舶驶离船闸闸室、进入下/上游；

⑤返回步骤“①”；

式中：

ΔH_Full-Open为闸门完全开启的工程最佳液位差--切断船闸下闸首泄水泵/切断船闸上闸首注水泵的液位差上限，ΔH_{Chamber-Downstream}为启动船闸下闸首泄水泵的、闸室与下游液位差的上限，ΔH_{Upstream-Chamber}为启动船闸上闸首注水泵的、上游与闸室液位差的上限，ΔH为上游与闸室的液位差或闸室与下游的液位差，

Q为闸室的注/泄流量、Q₀为闸室的最佳注/泄流量，

D200(k)为k时刻的闸室液位、T_S为闸室液位的采样周期，A为闸室截面，

μ为流量系数、b为闸门宽、e为闸门开启高度、g为重力加速度。