某多级船闸闸室水位计可靠性分析与对策

罗 飞

（长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443002）

0 引言

水位计在船闸安全运行中起着至关重要的作用，水位计是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的关键传感器。结合可靠性工程理论对船闸水位计可靠性进行分析，提出闸室水位计采样值程序新算法，研究水位计在线状态监测，提出减小测量误差、降低人工判断水位计故障难度的措施，提升船闸安全运行可靠度。

1 水位计在某多级船闸控制系统中的作用

某多级船闸两线共28 支水位计，单线船闸每个闸室布置2支水位计，闸室内的2 支水位计在船闸过闸工艺中主要用于参与平压开启人字闸门、动水关阀与补水控制和水位模拟显示。

2 单闸室布置两支水位计算法

3 闸室水位计可靠性分析

3.1 设备固有可靠性的概念

设备的健康状况主要取决于产品的质量，在可靠性工程中，健康状况一般被认为是离散随机变量，在不考虑维护作用时，不同状况之间的转移一般符合一定的统计规律。如电子产品的可靠性R（t）（即从正常状况向故障状况的转移）一般服从参数为λ的指数分布：

MTTF（Mean Time To Failure，平均无故障时间）指系统无故障运行的平均时间，取所有从系统开始正常运行到发生故障之间时间段的平均值。

3.2 船闸闸室水位计可靠性模型

假设某多级船闸闸室共布置n 支水位计，水位计的失效率为λ，单支水位计的可靠度为Ri，以2017 年某多级船闸水位计故障统计数据进行可靠性分析，2017 年某多级船闸闸室水位计故障统计见表1。

表1 2017 年某多级船闸闸室水位计故障统计

水位计的失效率为λ 按照式（3）计算：

故障数量为3，总数量为28 支水位计，时间为2017 年（即8760 h），t=8760 h，代入得：

3.3 对闸室水位计可靠性产生影响的因素

该多级船闸闸室水位计为压力式水位计，采用投放方式置于一定的安装高程，根据静水压强，测定水下已知测点高程以上的水压力，从而推求出水位。对闸室水位计可靠性产生影响的主要因素有以下4 点：

（1）压力式水位计在水中受水温、水流速度、含沙量、波浪幅度等因素的影响。

（2）水位计通气管内堵塞、凝露对其精度及可靠性产生影响。

[本刊讯]2010年 1月 12日,上海市护理学会在北京西路 1623号召开了上海市红十字南丁格尔志愿护理服务队第一次工作会议。42个分队的分队长及骨干队员共 90余人参加了会议。会议围绕 2009年 9月服务队成立以来的主要工作以及新一年的工作思路展开了讨论和交流。代表们在陆冰队长的带领下进行了宣誓并领取了分队活动用装备箱及专用披肩。上海市红十字会领导和上海市护理学会领导出席了会议并讲话。各级领导对服务队成立以来的主要工作给予了高度评价,并鼓励志愿者在新的一年里继续弘扬南丁格尔和红十字精神,拓展志愿服务的内涵,从医院走向社会,为更广泛的人群服务。

（3）安装精度问题。投入式水位计安装高程不准确影响测量值。

（4）安装在钻有孔的钢管中，动水冲击引起测量误差。

4 3 支水位计采样决策逻辑

为提高闸室水位计参与船闸运行工艺流程时的容错能力，可采用3 支水位计决策逻辑。建立“3 支水位计决策算法”流程：当3 支水位计测量值互不相等，PLC 系统将3 支水位计的水位值SW1、SW2、SW3两两进行比较，每一路都输出最小值，再将得到的3 个值中的两路取大值，得到两个值，取任一路输出即为SW中，当3 支水位计测量值任意两路相等，则把互为相等的两路中的一路赋值给SW中，SW中作为该闸室水位值参与系统控制。单支水位计故障时系统发出A 类报警，不影响系统控制运行，当2 支水位计故障时系统发出C 类报警，提示运行人员切除故障水位计，由剩余的1 支水位计参与控制运行。3 支水位计采样决策流程如图1 所示。

图1 3 支水位计采样决策流程

5 水位计的在线监测

船闸闸室水位显示值按照式（4）计算：

船闸闸室水位显示值=水位计安装高程+水位高度（4）

该多级船闸各闸室水位测量选用PTX1830型投入式液位计，该水位计采用可控硅作为压力检测元件，硅晶片在受压变形时，其电阻率呈线性变化，在外加直流电压条件下，水位计将闸室水位值转化为4～20 mA 电流值输入到PLC 系统。

水温23 ℃时，PTX1830型水位计水位测量校验参数见表2，表2 给出在不同水位高度下、不同温度下正常水位计输出电流值、误差。

表2 作为测量记录表1，产品名称为水位计；产品型号为PTX1830；量程为40 m，测试水温度为23 ℃，使用的仪表为DPI615 压力校验仪。

表2 PTX1830型水位计水位测量校验参数（水温23 ℃）

水温15 ℃时，PTX1830型水位计水位测量校验参数见表3，表3 给出在不同水位高度下、不同温度下正常水位计动态电流值、误差。

表3 作为测量记录表2，产品名称为水位计；产品型号为PTX1830；量程为40 m，测试水温度为15 ℃，使用的仪表为DPI615 压力校验仪。

表3 PTX1830型水位计水位测量校验参数（水温15 ℃）

从表2 中可以看出，随着水深的不断变化，水位计电流值基本呈线性变化。以表3 数据为例，在水温15 ℃时，设水位高度为x m，电流值为y mA，则可得线性方程为式（5）：

如果将水位计输出电流值作为集控系统显示参数，运行人员可通过电流与水位高度的函数关系进行水位计性能指标越限（即：性能指标超出正常范围）检测与性能降低检测，可对水位计工作状态进行在线监测评估，判断设备健康状况。

6 结束语

2019 年某多级船闸共3 次出现相邻闸室（或一闸室与上游）水头差显示异常情况，例如11 月份出现一闸首人字闸门在开终状态下，实际上游水位与一闸室水位已持平，而监控界面显示水头差为+0.26 m，需对偏差水位计进行矫正率定。结合多年船闸水位计运行实际，建议如下：

（1）闸室内布置3 支水位计，采用新算法提高水位值采样精度，降低人工判断水位计故障的难度。

（2）维护人员投放水位计应精确，确保投放在规定安装高程，水位计测量误差也会减小。

（3）定期维护校准水位计，确保船闸安全可靠运行。