阅读说明：本技术 多级船闸闸室水位监测系统 (Multistage ship lock chamber water level monitoring system ) 是由 *** 陈坤 熊锦玲 齐俊麟 王向东 杨全林 延芳超 胡博 黄小亮 李业舟 章鹏 于 2020-07-31 设计创作，主要内容包括：多级船闸闸室水位监测系统,该系统包括设置在闸室上、下游的水位计井,每个水位计井放置多只水位传感器,水位传感器采集的闸室水位信号,通过船闸现地信号传输线缆传输至信号预处理系统,进行模拟信号斜率以及零点转换,然后通过加权平均算法,得到单只水位传感器的信号有效值。再通过水位值异常报警阈值,判定单只水位传感器有效值是否异常,对异常值进行筛选,不参与水位控制；同时根据校验值对水平状态下的相邻闸室水位传感器有效值进行自动校准。本发明一种多级船闸闸室水位监测系统,实现水位检测传感器自动校验,提高监测点可靠性及水位综合信号可靠性,同时为中心控制系统减轻算力和通讯负担,减少人工校验整定工作量。(The water level monitoring system for the lock chamber of the multistage ship lock comprises water level metering wells arranged on the upper stream and the lower stream of the lock chamber, wherein a plurality of water level sensors are placed in each water level metering well, lock chamber water level signals collected by the water level sensors are transmitted to a signal preprocessing system through a ship lock in-situ signal transmission cable to perform analog signal slope and zero point conversion, and then the signal effective value of a single water level sensor is obtained through a weighted average algorithm. Judging whether the effective value of a single water level sensor is abnormal or not by a water level value abnormity alarm threshold value, and screening abnormal values without participating in water level control; and meanwhile, the effective value of the water level sensor of the adjacent lock chambers in the horizontal state is automatically calibrated according to the check value. The multi-stage ship lock chamber water level monitoring system provided by the invention realizes automatic calibration of the water level detection sensor, improves the reliability of monitoring points and the reliability of water level comprehensive signals, and simultaneously reduces the calculation force and communication burden for a central control system and reduces the workload of manual calibration and setting.)

多级船闸闸室水位监测系统

技术领域

本发明涉及船闸水位监测技术领域，具体涉及一种多级船闸闸室水位监测系统。

背景技术

水位监测也是船闸安全运行的重要环节，现有技术中国内外船闸现用的水位传感器多为压电式水位计，其可靠性成为船闸运行保障要素之一。目前采用水位监测方式是闸室上下游冗余水位监测点提供闸室水位值。其存在的弊端在于：单点单只水位传感器无法实现检测校准，无法进行传感器状态校验，监测点自身可靠性较弱。

由于上下游水位变化的影响，闸室水位传感器需要定期进行人工整定。目前整定方法是从上游开始依次在相邻闸室水平状态时，现场查看闸墙水位标尺读数后上报给集控中心，逐级进行整定。存在耗时长且整定数据不精确，主观因素较大的缺点，故亟待研究自动校验方法改善这一现状。

对于多级船闸而言，由于闸室水位传感器分布分散，故大多数采用中心式计算方法，然而该方法对PLC编程技术要求高，算力负担重，不适于在同一PLC设备中大量使用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种多级船闸闸室水位监测系统，实现水位检测传感器自动校验，提高监测点可靠性及水位综合信号可靠性，同时为中心控制系统减轻算力和通讯负担，减少人工校验整定工作量。

本发明采取的技术方案为：

多级船闸闸室水位监测系统，该系统包括：

设置在闸室上、下游的水位计井，每个水位计井放置多只水位传感器，水位传感器采集的闸室水位信号，通过船闸现地信号传输线缆传输至信号预处理系统,进行模拟信号斜率以及零点转换，然后通过加权平均算法，得到单只水位传感器的信号有效值S_nk；

信号预处理系统连接信号综合处理系统，信号综合处理系统，用于获取使得船闸正常运行的闸室水位信号特征信息。

每个闸室上、下游的2×k只水位传感器共同测定该闸室的水位监测值，k≥3；即闸室的水位检测有效值为S_n，n为船闸级数；第n闸室上、下游水位传感器的水位检测有效值分别为S_n1、S_n2、S_n3、……、S_n(2×k)

所述水位传感器为高精度液位计，型号PTX1830，水位传感器沿着水位计井垂直放置于闸室内，淹没至闸室内水中。

所述水位传感器通过接线盒连接信号预处理系统，接线盒用于屏蔽干扰信号。

所述水位计井，其底部与闸室连通，闸墙与人字闸门通过连杆铰接，将内河船闸划分为不同闸室。

所述信号预处理,是通过信号预处理系统得到水位传感器单次检测值，再通过多次加权平均算法，得出单只水位传感器的有效值。同时，通过逻辑运算，对各水位传感器5有效值进行异常水位值判定，判定为异常的水位值则不作为下一步信号处理的输入。

所述单只水位传感器单次检测值，是对水位传感器采集的水位信号进行模拟信号斜率及零点转换，得到水位传感器单次检测值S_nui为：

S_nui＝a_nux_nui+b_nu

其中，a为模拟信号通道值转换斜率；

b为转换零点；

x为通道值；

i表示一个检测周期内的检测次数，i＝1，2，3，……，i；

u表示闸室内水位传感器编号，u＝1，2，3，……，2×k；

n表示闸室编号，n＝1，2，3，……，n；

所述单只水位传感器有效值,是对各水位传感器单次检测值进行加权平均计算，得到单只水位传感器的信号有效值S_nu为：

其中，f_i表示在一个检测周期内检测值为S_nui的次数；

所述异常水位值判定，是通过同时对同一水位计井的各水位传感器有效值的绝对差值进行逻辑运算，以及绝对差值与系统报警阈值进行逻辑运算，并根据逻辑运算结果得到判定值Z_nk。

第n闸室上游侧水位计井的各水位传感器有效值绝对差值为：

ΔS_nuv＝ΔS_nvu＝|S_nu-S_nv|

ΔS_nuw＝ΔS_nwu＝|S_nu-S_nw|

ΔS_nvw＝ΔS_nwv＝|S_nv-S_nw|

其中，u＝(1，2，3，……，k)；

v＝(1，2，3，……，k)；

w＝(1，2，3，……，k)；

u≠v≠w；

对绝对差值ΔS_nuv、ΔS_nuw、ΔS_nvw进行逻辑运算：

对绝对差值ΔS_nuv、ΔS_nuw与报警阈值Δ_S进行逻辑运算：

其中，Δ_S为有效水位值异常报警阈值；

对P_nuv、P_nuw、Q_nu进行逻辑运算，得到各水位传感器有效值的判定值为：

同理，可计算第n闸室下游侧各水位传感器有效值的判定值，

其中，u＝(k+1，k+2，k+3，……，2×k)；

v＝(k+1，k+2，k+3，……，2×k)；

w＝(k+1，k+2，k+3，……，2×k)；

u≠v≠w；

采用奇数表决法，当判定值Z_nu＝1(u＝1，2，3，……，2×k)时，则表示该水位传感器有效值正常；当判定值Z_nu＝0(u＝1，2，3，……，2×k)时，则表示该水位传感器有效值异常，并对其进行筛选。

所述水位值异常报警阈值，是根据船闸水工结构特性、水位传感器检测精度、水位传感器灵敏度等数据综合计算得出。

所述信号预处理系统，对各水位传感器进行预处理后的水位信号进行综合处理，获取使得船闸正常运行的闸室水位值；同时，根据计算校验值完成水位传感器有效值的自动校准。

所述闸室水位，是对该闸室内各水位传感器的有效值进行加权平均计算后所得水位值S_n：

其中，F_u表示闸室内水位计有效值为S_nu的次数。

所述水位传感器有效值的自动校准，是在相邻闸室水平状态下，利用自动校验值从上游至下游方向依次对两个闸室内各水位传感器检测值进行水位自动校准计算。

当某相邻闸室水位水平时，上游闸室内的水位传感器有效值分别与上、下游闸室的有效水位值的平均值进行绝对差值计算，取该组绝对差值的平均值作为上游闸室内各个水位传感器的自动校验值。如果单只水位传感器的有效值大于下游闸室的水位传感器有效水位值，则该水位传感器的有效值与自动校验值做差运算，反之则做和运算，运算结果作为该水位传感器校验后的有效值；

第n闸室各个水位检测传感器与第n闸室和第n+1闸室有效水位平均值的绝对差值ξ_n：

则，第n闸室和第n+1闸室水平状态下的校验值Δξ_n：

经过自动校验后，第n闸室各水位传感器有效值S'_nu为：

经过自动校验后，第n+1闸室各水位水位传感器的有效值S'_(n+1)u：

本发明一种多级船闸闸室水位监测系统，有益效果如下：

1)提高了多级船闸闸室水位检测点的可靠性，进一步提高了船闸运行所需的综合水位信号的可靠性，采用单点多只的水位监测系统，有效保证了闸室内各个水位监测点的检测值校准及传感器状态校验。

2)在多级船闸闸室水位计井中设置多路水位检测信号，采用奇数表决算法，能有效保证监测点的水位值有效性，同时采用相邻水平闸室水位信号重组和计算，实现各水位检测传感器的自动校验，减少了人工整定传感器的工作量，同时能够实现传感器的实时校验，保障传感器的稳定可靠。

3)独立的水位监测系统，能够有效减轻多级船闸中心控制系统的算力负担和通讯负担，提高船闸整体运行的可靠性和安全性。

附图说明

图1是本发明系统的水位传感器布局示意图；

图2是本发明系统的连接示意图。

图3是本发明系统的水位信号处理流程图。

具体实施方式

如图1、图2所示，多级船闸闸室水位监测系统，包括：

设置在闸室2上、下游的水位计井4，水位传感器5放置在各个闸室2的水位计井4内，每个水位计井4放置多只水位传感器5。闸墙与人字闸门3通过连杆铰接将内河船闸划分为不同闸室2。水位传感器5连接接线盒6。

水位传感器5采集的闸室2水位信号通过船闸现地信号传输线缆7传输至信号预处理系统8,进行模拟信号斜率及零点转换，后通过加权平均算法，得到单只水位传感器的信号有效值Snk。水位传感器5采集的闸室水位信号经信号预处理系统8预处理后得到的信号，通过信号综合处理系统1，获取使得船闸正常运行的闸室水位信号特征信息。

水位传感器5为高精度液位计，型号PTX1830。水位传感器5沿着水位计井4垂直放置于闸室2内，淹没至闸室2内水中。

接线盒6为PTX183012型高精度液位计专用接线盒，能最大程度屏蔽干扰信号。

信号预处理系统8采用基于mappVIEW的HMI应用，对现场水位传感信号进行筛选和重组。

信号综合处理系统1采用CODESYS软件进行上位机信号处理和水位控制界面构建。

假设每个水位计井放置3只水位传感器，即k＝3，每个闸室上、下游共6只水位传感器共同测定该闸室的水位监测值，即第n闸室的水位检测有效值Sn。其中：第n闸室上、下游6只水位计分别为Sn1、Sn2、Sn3、Sn4、Sn5、Sn6。以中间第n闸室为例，多级船闸闸室水位监测系统处理水位信号方法，如图3所示，以k＝3为例，包括以下步骤：步骤1：水位传感器采集的闸室水位信号通过船闸现地信号传输线缆传输至信号预处理系统进行模拟信号斜率及零点转换，计算单只水位传感器的检测值S_nui为：

S_nui＝a_nux_nui+b_nu

其中，a为模拟信号通道值转换斜率；

b为转换零点；

x为通道值；

i表示一个检测周期内的检测次数，i＝1，2，3，……，i；

u表示闸室内水位传感器编号，u＝1，2，3，4，5，6；

n表示闸室编号，n＝1，2，3，……，n；

步骤2：根据加权平均算法，得到单只水位传感器的信号有效值S_nu为：

其中，f_i表示在一个检测周期内检测值为S_nui的次数；

步骤3：第n闸室上游侧水位计井的各水位传感器S_n1、S_n2、S_n3有效值进行绝对差值计算：

ΔS_n12＝ΔS_n21＝|S_n1-S_n2|

ΔS_n13＝ΔS_n31＝|S_n1-S_n3|

ΔS_n23＝ΔS_n32＝|S_n2-S_n3|

步骤4：对绝对差值ΔS₁₂、ΔS₁₃、ΔS₂₃进行逻辑运算，

步骤5：绝对差值ΔS₁₂、ΔS₁₃、ΔS₂₃与报警阈值ΔS进行逻辑运算，

其中，ΔS为水位值异常报警阈值，根据船闸水工结构特性、水位传感器检测精度、水位传感器灵敏度等数据综合计算得出。

步骤6：分别对P_n12、P_n13、Q_n1，P_n21、P_n23、Q_n2，P_n31、P_n32、Q_n3进行逻辑运算，得到位传感器S_n1、S_n2、S_n3有效值的判定值为：

步骤7：同理，可计算第n闸室下游侧各水位传感器判定值Z_n4、Z_n5、Z_n6的值。

步骤8：采用奇数表决法，当判定值Z_nu＝1(u＝1，2，3，4，5，6)时，则表示该水位传感器有效值正常；当判定值Z_nu＝0(u＝1，2，3，4，5，6)时，则表示该水位传感器有效值异常，并对其进行筛选。

步骤9：信号综合处理系统将同一闸室内的多路水位信号，用加权平均的算法进行综合计算，得到该闸室的有效水位值S_n，即：

其中，F_u表示闸室内水位计有效值为S_nu的次数。

步骤10：在第n闸室和第n+1闸室水平状态下，计算第n闸室各个水位检测传感器与两闸室有效水位平均值的绝对差值ξ_n：

步骤11：计算则第n闸室和第n+1闸室水平状态下的校验值Δξ_n：

步骤12：从上游至下游方向依次进行水位校验值计算，经过自动校验后，第n闸室各水位传感器有效值S'_nu为：

步骤13：同理，经过自动校验后，第n+1闸室各水位水位传感器的有效值S'_(n+1)u：