CN110346012A - 一种高水头船闸水位计自动校准方法 - Google Patents

Abstract

一种高水头船闸水位计自动校准系统，包括PLC控制器；工控上位机；位于四个水位点9支水位计，分别为：设置在A闸门外/基点的第一水位计、第二水位计、第三水位计；设置在闸室A侧的第四水位计、第五水位计；设置在闸室B侧的第六水位计、第七水位计；设置在B闸门外的第八水位计、第九水位计；所述水位计均连接PLC控制器。所述水位计的传感器，用于将瞬时水位数据传输给PLC控制器；所述PLC控制器用于将数据进行处理，运算出各水位点的校正值，然后通过修改水位计零点参数，对所述水位计进行校准。该系统大大提高了船闸水位计读数的准确性和可靠性，实现了提高船闸设备系统运行安全和通航效率的目的，并为船闸行业水位计自动化控制研究提供了思路和方向。

Description

一种高水头船闸水位计自动校准方法

技术领域

本发明涉及船闸设备自动化运行控制领域，具体涉及一种高水头船闸水位计自动校准方法。

背景技术

在许多船闸控制系统中，水平信号是船闸控制工艺流程中最重要的一环，是确保船闸正常运行的重要条件。尤其是在高水头船闸中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。

在长期使用过程中，船闸常用的压力式水位计会出现零点漂移的现象，若不及时处理，零点漂移现象会愈加严重，导致水位计读数严重失真，使得水位计水平信号失真，影响船闸正常运行。

目前，对于水位计校准大多数船闸采用的是人工整定的的方式，定期对发生零点漂移的水位计进行参数调整。然而人工整定的周期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水位计瞬时值校准，易受水位、冲砂、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，船闸长期采用水位计瞬时值校准易出现人为累计误差，导致校准结果产生较大偏差，影响船闸控制效果。

因此，有必要对水位计自动校准进行研究，实现船闸水位计自动校准，提高船闸自动化控制水平。

发明内容

为了解决现有船闸控制技术中，水位计时常发生零点漂移，导致水位计读数失真影响船闸正常运行的问题。本发明提供一种高水头船闸水位计自动校准方法，通过一套水位计布置方式和自动校准流程，对水位计的零点漂移进行自动修正。本发明的控制方法和船闸PLC设备控制系统形成闭环控制回路，实现对船闸水位计的自动校准，且校准后的水位计能长时间保持在允许范围内，校准效果不受水工建筑、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。

本发明采取的技术方案为：

一种高水头船闸水位计自动校准系统，包括：

PLC控制器；

工控上位机；

位于四个水位点9支水位计，分别为：

设置在A闸门外/基点的第一水位计、第二水位计、第三水位计；

设置在闸室A侧的第四水位计、第五水位计；

设置在闸室B侧的第六水位计、第七水位计；

设置在B闸门外的第八水位计、第九水位计；

其中，将A闸门外水位点设置为基点，其余三处水位点均以A闸门外为基点进行校准；

所述水位计均连接PLC控制器，PLC控制器分别连接工控上位机、触摸屏。

一种高水头船闸水位计自动校准方法，通过布置在船闸多个水位点的水位计，将采集到的水位瞬时数据，传输给船闸PLC控制系统，PLC控制器采用控制算法编制水位计自动校准程序，将其转换成水位区间平均值，在特定时间计算出各水位点有效校正值，最后以修改水位计零点参数整体赋值校准，自动适应调峰、船舶进出闸、船闸充泄水、往复流工况，达到对水位计的有效校准。

一种高水头船闸水位计自动校准方法，包括以下步骤：

步骤1)：以A闸门开终限位信号触发为自动校准起始的初始条件，水位计实时传送采集值给PLC控制器，PLC控制器按区间运算出A闸门外即基点水位区间平均值、闸室A侧水位区间平均值，PLC控制器通过阀值F比较得出基点有效区间平均值、闸室A侧有效区间平均值，有效水位区间平均值后一区间覆盖前一区间，直至A闸门关门信号触发储存备用；

步骤2)：当A闸门关门信号触发时，PLC控制器读取基点三支水位计：第一、二、三水位计瞬时值进行两两校准，判断基点数值可用性，若判断基点数值不可用，则回到自动校准流程起点，若判断基点数值可用，PLC控制器将步骤1储存的相同区间的基点有效区间平均值和闸室A侧有效区间平均值进行计算，得到闸室A侧校正值储存备用；

步骤3)：当B闸门开终限位信号触发时，PLC控制器读取第四、五、六、七、八、九水位计的瞬时值，按区间运算出对应水位区间平均值，通过阀值F比较后得出闸室A侧、闸室B侧和B闸门外有效水位区间平均值，有效水位区间平均值后一区间覆盖前一区间，直至B闸门关门信号触发储存备用；

步骤4)：当B闸门关门信号触发时，PLC控制器将步骤3储存的相同区间的闸室A侧和闸室B侧有效水位区间平均值计算得到闸室B侧校正值，将相同区间的闸室B侧和B闸门外有效水位区间平均值与闸室B侧校正值计算得到B闸门外校正值。并根据水位计零点校准公式，对闸室A侧、闸室B侧和B闸门外三个水位点整体赋值进行校准，完成整个水位计校准流程。

一种高水头船闸水位计自动校准方法，提出“水位区间平均值”，即在一个区间内，按一定频率采集各水位点中的水位计的瞬时值并求其平均值，避免人工校准因船闸调峰、船舶进出闸、船闸充泄水、往复流等因素导致的水面波动产生的累计误差。“水位区间平均值”其公式如下：

其中：—水位区间平均值；

x—水位计瞬时值；

ω—水位点的水位计个数；

T—水位采集区间；

n—瞬时值采集频率；

x₁₁、x₁₂…x_1α—第一水位计在采集频率n下依次采集到的第1、2…α个瞬时值；

x₂₁、x₂₂…x_2α—第二水位计在采集频率n下依次采集到的第1、2…α个瞬时值；

x_ω1、x_ω2…x_ωα—第ω水位计在采集频率n下依次采集到的第1、2…α个瞬时值；

水位采集区间T计算方法：将船闸水位波动视为标准正弦波，通过采集数据确定周期区间a～b(单位：s)，寻找到合适的区间t^*(a≦t^*≦b)，使得当水位波动周期在a～b之间变化时，每个区间t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t的最优值t^*。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T_n时，波动曲线为y_n，且水位波动周期为T_n的概率为λ_n。则有：

求出t^*即为水位采集区间T。

其中：Y(t)＝λ₁y₁+λ₂y₂+…λ_b-a+1y_b-a+1；

一种高水头船闸水位计自动校准方法，设置阀值f水位点内水位计比较，来判断水位点读值可用性，当某一水位点内两支水位计的差值在设定阀值f以内，则判断水位点读值可用。

设置阀值F水位点逐级比较，来判断水位区间平均值的可用性，得出有效水位区间平均值用于计算出各水位点校正值，即各水位点差值，当某一水位点相邻两个区间T平均值的差值在设定阀值F以内，则判断水位点校正值可用。

一种高水头船闸水位计自动校准方法，基点水位计自整定采用“两两校准”方式，设基点三支水位计的读数分别为α、β、γ，基点水位值为S基点，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。基点水位值为有效水位计的平均值，并按基点水位值对读数误差较大的那支水位计进行零点校准。当A闸门10关门信号触发时开始基点水位计自整定校准，若基点水位计无无效水位计读数，则判断基点数值可用。在本次自动校准流程期间基点水位计的零点不改变。

一种高水头船闸水位计自动校准方法，提出船闸水位计有效校正值，当同一个区间T内,用于计算校正值的水位区间平均值均有效时，才会产生有效校正值，然后将计算出的校正值赋值到水位计零点参数上以进行校准。其中：闸室A侧校正值其中为基点有效区间平均值，为A闸门10开终后闸室A侧有效区间平均值；闸室B侧校正值其中为B闸门11开终后闸室A侧有效区间平均值，为闸室B侧有效区间平均值；B闸门外校正值 其中为闸室B侧水位点有效区间平均值，为B闸门外水位点有效区间平均值。

一种高水头船闸水位计自动校准方法，各水位计零点校准公式：设闸室A侧水位计校准前零点值为L_室A0，校准后的零点值为L_室A1；闸室B侧水位计校准前零点值为L_室B0，校准后的零点值为L_室B1；B闸门外第八水位计校准前零点值为L_B闸门外10，校准后的零点值分别为L_B闸门外11，B闸门外第九水位计校准前的零点值为L_B闸门外20，校准后的零点值为L_B闸门外21，则：

①、A闸门外水位计零点校准：

②、闸室B侧水位计零点校准公式：

③、B闸门外第八水位计零点校准公式：

④、B闸门外第九水位计零点校准公式：

本发明一种高水头船闸水位计自动校准方法，技术效果如下：

该方法包括数据采集、数学模型技术分析、自动校准赋值。提出水位区间平均值概念，通过一套水位计布置方式和自动校准流程，对水位计的零点漂移进行自动修正，替代船闸行业公知的普遍采取的人工校准和水位计瞬时值校准方法，本发明自动校准方案巧妙地回避了水工建筑、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对水位计校准的影响，大大提高了船闸水位计读数的准确性和可靠性，实现了提高船闸设备系统运行安全和通航效率的目的，并为船闸行业水位计自动化控制研究提供了思路和方向。

本发明的控制方法和船闸PLC设备控制系统形成闭环控制回路，实现对船闸水位计的直接实时控制，且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，船闸水位计自动化控制效果显著。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的电控系统框图。

其中：1-第一水位计，2-第二水位计，3-第三水位计，4-第四水位计，5-第五水位计，6-第六水位计，7-第七水位计，8-第八水位计，9-第九水位计，10-A闸门，11-B闸门，12-PLC控制器，13-工控上位机，14-触摸屏。

具体实施方式

如图1所示，一种高水头船闸水位计自动校准系统，包括：

PLC控制器12；

工控上位机13；

位于四个水位点9支水位计，分别为：

设置在A闸门外/基点的第一水位计1、第二水位计2、第三水位计3；

设置在闸室A侧的第四水位计4、第五水位计5；

设置在闸室B侧的第六水位计6、第七水位计7；

设置在B闸门外的第八水位计8、第九水位计9；

其中，将A闸门外水位点设置为基点，其余三处水位点均以A闸门外为基点进行校准；

所述水位计均连接PLC控制器12，PLC控制器12分别连接工控上位机13、触摸屏14。

水位计传感器将瞬时水位数据传输给PLC控制器12，PLC控制器12根据控制算法将数据进行处理，运算出各水位点的校正值，然后通过修改水位计零点参数对水位计进行校准。

9支水位计均为压力式水位计，型号为Druck PTX1830。

PLC控制器12型号为施耐德140CPU67160，用于将数据进行处理，运算出各水位点的校正值，然后通过修改水位计零点参数，对所述水位计进行校准。

工控上位机13型号为惠普HP Z600，用于水位计读值的监控和修改。

触摸屏14型号为施耐德XBTGT5330，用于水位计读值的监控和修改。

实施例：

(一)：水位区间平均值数学模型：

水位区间平均值公式如下：

其中：—水位区间平均值；x—水位计瞬时值；ω—水位点的水位计个数；T—水位采集区间；n—瞬时值采集频率。

x₁₁、x₁₂…x_1α—第一水位计1在采集频率n下依次采集到的第1、2…α个瞬时值；

x₂₁、x₂₂…x_2α—第二水位计2在采集频率n下依次采集到的第1、2…α个瞬时值；

x_ω1、x_ω2…x_ωα—第ω水位计在采集频率n下依次采集到的第1、2…α个瞬时值；

x、ω、n均为已知数，得到T即可求出

水位采集区间T计算方法：将船闸水位波动视为标准正弦波，通过采集数据确定周期区间a～b(单位：s)，寻找到合适的区间t^*(a≦t^*≦b)，使得当水位波动周期在a～b之间变化时，每个区间t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t的最优值t^*。为了方便计算，建模时将水位波动视为标准正弦波，绝对水平时水位为0，正弦波幅值为M，当水位波动周期为Tn时，波动曲线为yn，且水位波动周期为Tn的概率为λ_n。则有：

当水位波动周期为T1＝a时，波动曲线为y1；当水位波动周期为T2＝a+1时，波动曲线为y2；……当水位波动周期为T(b-a+1)时，波动曲线为y(b-a+1)。

在1个水位最大波动区间b内，各曲线与时间t的关系式为：

设区间t内yn的均值为区间t的最优解为t^*(a≦t^*≦b)。则上述问题转化为求t^*，使得同时取得极小值。

可以判定均不小于零，故区间t^*内，也取得极小值。由此可构造函数Y(t)、C(t)：

Y(t)＝λ₁y₁+λ₂y₂+…λ_b-a+1y_b-a+1；

其中，λ_n—水位波动周期为Tn的概率。

最优解t^*可以通过对函数C(t)求导并令其等于零，即：

求出最优解t^*可确定水位采集区间T，即可算出水位区间平均值。

(二)：基点水位计自整定方法：

对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α、β、γ，基点水位值为S基点，如图1所示。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，基点处水位计自整定逻辑如下：

1、三支水位计的读数均有效：

如果三支水位计的读数均有效，则基点水位值为三支水位计读数的平均值。以下四种情况认为三支水位计的读数均有效：

(1)若|α－β|<P，|α－γ|<P，|β－γ|<P，则S基点＝(α+β+γ)/3。

(2)若|α－β|>P，|α－γ|<P，|β－γ|<P，则S基点＝(α+β+γ)/3。

(3)若|α－β|<P，|α－γ|>P，|β－γ|<P，则S基点＝(α+β+γ)/3。

(4)若|α－β|<P，|α－γ|<P，|β－γ|>P，则S基点＝(α+β+γ)/3。

2、仅两支水位计的读数有效：

如果仅有两支水位计的读数有效，则基点水位值为这两支水位计读数的平均值，并且依据基点水位值对读数误差较大的那支水位计进行零点校准。以下三种情况认为仅两支水位计的读数有效：

(1)若|α－β|>P，|α－γ|>P，|β－γ|<P，则S基点＝(β+γ)/2。

如果这种情况出现一次，则会对基点水位计1的零点进行纠正，使得α＝S基点，本次自动校准取消；如果这种情况连续三次出现，则系统会报相应故障，并自动切除水位计1。水位计自动校准程序仍然投入使用。

(2)若|α－β|>P，|α－γ|<P，|β－γ|>P，则S基点＝(α+γ)/2。

如果这种情况出现一次，则会对基点水位计2的零点进行纠正，使得β＝S基点，本次自动校准取消。如果这种情况连续三次出现，则系统会报相应故障，并自动切除水位计2。水位计自动校准程序仍然投入使用。

(3)若|α－β|<P，|α－γ|>P，|β－γ|>P，则S基点＝(α+β)/2。

如果这种情况出现一次，则会对基点水位计3的零点进行纠正，使得γ＝S基点；本次自动校准取消。如果这种情况连续三次出现，则系统会报相应故障，并自动切除水位计3。水位计自动校准程序仍然投入使用。

3、三支水位计的读数均无效：

如果三支水位计的读数均无效，将不进行水位计自动校准。出现以下情况认为三支水位计的读数均无效：

若|α－β|>P，|α－γ|>P，|β－γ|>P，则该情况下系统会报相应故障，且水位计自动校准程序被切除。

Claims (9)

1.一种高水头船闸水位计自动校准系统，其特征在于包括：

PLC控制器(12)；

工控上位机(13)；

位于四个水位点9支水位计，分别为：

设置在A闸门外/基点的第一水位计(1)、第二水位计(2)、第三水位计(3)；

设置在闸室A侧的第四水位计(4)、第五水位计(5)；

设置在闸室B侧的第六水位计(6)、第七水位计(7)；

设置在B闸门外的第八水位计(8)、第九水位计(9)；

其中，将A闸门外水位点设置为基点，其余三处水位点均以A闸门外为基点进行校准；

所述水位计均连接PLC控制器(12)，PLC控制器(12)分别连接工控上位机(13)、触摸屏(14)；

水位计传感器将瞬时水位数据传输给PLC控制器(12)，PLC控制器(12)根据控制算法将数据进行处理，运算出各水位点的校正值，然后通过修改水位计零点参数对水位计进行校准。

2.一种高水头船闸水位计自动校准方法，其特征在于：通过布置在船闸多个水位点的水位计，将采集到的水位瞬时数据，传输给船闸PLC控制系统，PLC控制器(12)采用控制算法编制水位计自动校准程序，将其转换成水位区间平均值，在特定时间计算出各水位点有效校正值，最后以修改水位计零点参数整体赋值校准，自动适应调峰、船舶进出闸、船闸充泄水、往复流工况，达到对水位计的有效校准。

3.根据权利要求2所述一种高水头船闸水位计自动校准方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)：以A闸门(10)开终限位信号触发为自动校准起始的初始条件，水位计实时传送采集值给PLC控制器(12)，PLC控制器(12)按区间运算出A闸门外即基点水位区间平均值、闸室A侧水位区间平均值，PLC控制器(12)通过阀值F比较得出基点有效区间平均值、闸室A侧有效区间平均值，有效水位区间平均值后一区间覆盖前一区间，直至A闸门(10)关门信号触发储存备用；

步骤2)：当A闸门(10)关门信号触发时，PLC控制器(12)读取基点三支水位计：第一、二、三水位计瞬时值进行两两校准，判断基点数值可用性，若判断基点数值不可用，则回到自动校准流程起点；若判断基点数值可用，PLC控制器(12)将步骤1储存的相同区间的基点有效区间平均值和闸室A侧有效区间平均值进行计算，得到闸室A侧校正值储存备用；

步骤3)：当B闸门(11)开终限位信号触发时，PLC控制器(12)读取第四、五、六、七、八、九水位计的瞬时值，按区间运算出对应水位区间平均值，通过阀值F比较后得出闸室A侧、闸室B侧和B闸门外有效水位区间平均值，有效水位区间平均值后一区间覆盖前一区间，直至B闸门(11)关门信号触发储存备用；

步骤4)：当B闸门(11)关门信号触发时，PLC控制器(12)将步骤3储存的相同区间的闸室A侧和闸室B侧有效水位区间平均值计算，得到闸室B侧校正值，将相同区间的闸室B侧和B闸门外有效水位区间平均值与闸室B侧校正值计算，得到B闸门外校正值，并根据水位计零点校准公式，对闸室A侧、闸室B侧和B闸门外三个水位点整体赋值进行校准，完成整个水位计校准流程。

4.根据权利要求2所述一种高水头船闸水位计自动校准方法，其特征在于：

水位区间平均值，即在一个区间内，按一定频率采集各水位点中的水位计的瞬时值并求其平均值，水位区间平均值其公式如下：

其中：—水位区间平均值；

x—水位计瞬时值；

ω—水位点的水位计个数；

T—水位采集区间；

n—瞬时值采集频率；

x₁₁、x₁₂…x_1α—第一水位计(1)在采集频率n下依次采集到的第1、2…α个瞬时值；

x₂₁、x₂₂…x_2α—第二水位计(2)在采集频率n下依次采集到的第1、2…α个瞬时值；

x_ω1、x_ω2…x_ωα—第ω水位计在采集频率n下依次采集到的第1、2…α个瞬时值。

5.根据权利要求4所述一种高水头船闸水位计自动校准方法，其特征在于：水位采集区间T计算方法：

将船闸水位波动视为标准正弦波，通过采集数据确定周期区间a～b，单位：s，寻找到合适的区间t^*(a≦t^*≦b)，使得当水位波动周期在a～b之间变化时，每个区间t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t的最优值t^*；

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T_n时，波动曲线为y_n，且水位波动周期为Tn的概率为λ_n；则有：

求出t^*即为水位采集区间T；

其中：Y(t)＝λ₁y₁+λ₂y₂+…λ_b-a+1y_b-a+1；

6.根据权利要求2所述一种高水头船闸水位计自动校准方法，其特征在于：

设置阀值f水位点内水位计比较，来判断水位点读值可用性，当某一水位点内两支水位计的差值在设定阀值f以内，则判断水位点读值可用；

设置阀值F水位点逐级比较，来判断水位区间平均值的可用性，得出有效水位区间平均值用于计算出各水位点校正值，即各水位点差值，当某一水位点相邻两个区间T平均值的差值在设定阀值F以内，则判断水位点校正值可用。

7.根据权利要求2所述一种高水头船闸水位计自动校准方法，其特征在于：

基点水位计自整定采用两两校准方式，设基点三支水位计的读数分别为α、β、γ，基点水位值为S基点，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；基点水位值为有效水位计的平均值，并按基点水位值对无效读数水位计进行零点校准；当A闸门(10)关门信号触发时开始基点水位计自整定校准，若基点水位计无无效水位计读数，则判断基点数值可用；在本次自动校准流程期间基点水位计的零点不改变。

8.根据权利要求2所述一种高水头船闸水位计自动校准方法，其特征在于：

当同一个区间T内,用于计算校正值的水位区间平均值均有效时，才会产生有效校正值，然后将计算出的校正值赋值到水位计零点参数上以进行校准；

其中：闸室A侧校正值 为基点有效区间平均值，为A闸门10开终后闸室A侧有效区间平均值；闸室B侧校正值 为B闸门11开终后闸室A侧有效区间平均值，为闸室B侧有效区间平均值；B闸门外校正值 为闸室B侧水位点有效区间平均值，为B闸门外水位点有效区间平均值。

9.根据权利要求2所述一种高水头船闸水位计自动校准方法，其特征在于：

各水位计零点校准公式：设闸室A侧水位计校准前零点值为L_室A0，校准后的零点值为L_室A1；闸室B侧水位计校准前零点值为L_室B0，校准后的零点值为L_室B1；B闸门外第八水位计(8)校准前零点值为L_B闸门外10，校准后的零点值分别为L_B闸门外11，B闸门外第九水位计(9)校准前的零点值为L_B闸门外20，校准后的零点值为L_B闸门外21，则：

①、A闸门外水位计零点校准：

②、闸室B侧水位计零点校准公式：

③、B闸门外第八水位计(8)零点校准公式：

④、B闸门外第九水位计(9)零点校准公式：