基于液位差的船闸恒注入和排泄流量控制系统研究

陆乙君，葛礼宾，屠佳佳，丁扬威，杨 勇，蒋元中，胡正松

（杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020）

基于液位差的船闸恒注入和排泄流量控制系统研究

陆乙君，葛礼宾，屠佳佳，丁扬威，杨 勇，蒋元中，胡正松

（杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020）

在分析和挖掘船闸通行潜能的基础上，针对船闸控制系统船闸开启时，浪涌现象对闸、阀门门体和启闭设备带来了潜在破坏因素，设计了1套基于液位差的船闸恒注入和排泄流量控制系统。系统在船闸上/下闸首注/泄水泵协助下,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，采用多模分段控制算法控制闸、阀，显著提高了船闸的安全与效率指标。

船闸；恒流量；多模分段

1 问题的提出

我国是一个内河水运资源比较丰富的国家，流域面积在1 000 km2以上的河流约1 600条，内河航道的总通航里程达12.37万km；其中等级航道6.15万km，占总通航里程的49.8%。6大水系的通航里程分别是：长江64 016 km，珠江15 952 km，黄河3 333 km，京杭运河1 410 km，闵江1 973 km，淮河17 201 km；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[1]。

船闸作为内河水运的关键设施，主要功能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。船闸按纵轴上闸室级数可分为单级船闸和多级船闸。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，采集汇总船闸运行参数。随着JTJ305 — 2001《船闸总体设计规范》[2]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。在通航过程中，船闸控制系统广受垢病的缺陷是闸室过大的浪涌现象和低效率的船闸通行潜能，其很大程序影响了船闸作为运输通道的功能，现行条件下，亟待使用技术手段解决此浪涌现象和挖掘船闸的通行潜能。

2 恒流量系统原理

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[3]。本系统设计了1套船闸恒注入和排泄流量控制系统（下称恒流量系统），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；以提高船闸防浪涌冲击能力和通航能力。

船闸上/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ΔHFull-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》的表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ΔHFull-Open。必须指出，ΔHFull-Open与液位检测精度有关，液位检测精度提高、可酌情增大ΔHFull-Open值；提高ΔHFull-Open可提高船闸通行率，且能保证闸室和船舶的安全。

3 恒流量系统结构

船闸恒注入和排泄流量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；基于“二乘二取二”的船闸液位检测系统结构见图1所示。

图1 船闸恒注入和排泄流量控制系统结构图

4 恒流量系统配置

船闸恒流量系统功能实现使用中央控制器施耐德Premium x系列PLC，由电源模块PSY2600M，CPU P571634M，通讯模块ETY PORT，数字量输入模块EDY32D2K，数字量输出模块DSY16T2，模拟量输入模块AEY 800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 ～ I1.7，I2.6 ～ I2.7，I3.5 ～ I3.7；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[4]。

船闸上闸首启闭机操作回路与数字量输入模块EDY 32D2K、数字量输出模块DSY 16T2、模拟量输入模块AEY 800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EDY 32D2K、数字量输出模块DSY 16T2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；PLC结构见图2。

图2 下位机中央控制器P L C的结构图

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ETY PORT相连。

5 恒流量系统多模分段控制方法

恒流量船闸的多模分段控制方法基于液位差的的检测及计算，按船舶过闸的下/上行表述包括如下步骤，步骤流程图基于液位差的恒流量船闸的多模分段控制原理见图3。

图3 基于液位差的恒流量船闸的多模分段控制原理图

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；

根据液位差流量模型进行船闸恒流量的PID控制[4]；液位差流量模型：

流量软测量模型：

启动船闸下闸首泄水泵/启动船闸上闸首注水泵；

④ΔH≤ΔHFull-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：ΔHFull-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（m）；ΔHChamber-Downstream为启动船闸下闸首泄水泵的、闸室与下游液位差的上限，ΔHUpstream-Chamber为启动船闸上闸首注水泵的、上游与闸室液位差的上限(m)；ΔH为上游与闸室的液位差或闸室与下游的液位差(m)；Q为闸室的注/泄流量、Q0为闸室的最佳注/泄流量(m3/s)；D200(i)为i时刻的闸室液位(m)；TS为闸室液位的采样周期(s)；A为闸室截面(m2)；μ为流量系数；b为闸门宽(m)；e为闸门开启高度(m)；g为重力加速度(m/s2)。

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。

6 结 语

本文采用多模分段控制算法，利用船闸上/下闸首注/泄水泵，根据船闸闸室水位与上/下游水位的不同液位差，设计一套闭环系统。系统完成船闸的恒流量启闭，降低闸室的浪涌现象，提高了船闸的通行能力和安全性，使得船闸运行可靠性大大提高，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。

[1] 蒋新明.充分发挥水运优势 实现内河航运现代化[J].中国水运，2009(12)：44 - 45.

[2] 中交水运规划设计院.JTJ 305 — 2001船闸总体设计规范[S].佛山：南海出版社，2010.

[3] 黄海鸥.船闸交通流模型与服务水平研究[D].南京：河海大学港口、海岸及近海工程学院，2007：12.

[4] 陈勇，陈鹏翔.模糊自适应PID在水工模型中的应用[J].微计算机信息，2007(10)，101 - 102.

[5] 张黎明.船闸输水系统流量系数原、模型对比分析[J].水运工程，2000，315(4)：31 - 33.

（责任编辑 姚小槐）

TP273

B

1008 - 701X(2017)04 - 0074 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.04.022

2016-12-25

陆乙君(1986 - )，男，工程师，硕士研究生，主要从事水利信息自动化研究。E - mail：332378294@qq.com