李相宜 劉祖?zhèn)? 熊錦玲 朱志剛 程勇

摘 要：三峽五級船閘運(yùn)行多年，對船閘運(yùn)行各種數(shù)據(jù)的應(yīng)用目前只是停留在記錄和查找層面，本文基于西門子IS平臺(tái)，結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，提出了對船閘運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行故障輔助分析的設(shè)計(jì)應(yīng)用，對出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析，并及時(shí)反饋分析結(jié)果，從而有效協(xié)助故障處理，定位故障具體信息，保障船閘故障處理效率，進(jìn)一步維護(hù)三峽船閘穩(wěn)定安全高效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：三峽船閘;數(shù)據(jù)處理;IS平臺(tái);故障分析

中圖分類號(hào)：U641? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）02-0049-03

三峽船閘運(yùn)行數(shù)據(jù)種類多且數(shù)量龐大，隨著工作流程不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行數(shù)據(jù)不斷被存儲(chǔ)，運(yùn)行過程中設(shè)備的異常狀態(tài)也通過數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)，將歷史數(shù)據(jù)以一定的需求規(guī)則進(jìn)行重組和再現(xiàn)，能夠以最直觀的方式將設(shè)備異常狀態(tài)再現(xiàn)，為設(shè)備異常的輔助判斷和分析提供平臺(tái)和工具。充分利用三峽船閘實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，使管理人員能更好地了解設(shè)備狀態(tài)劣化情況，縮短設(shè)備故障排查時(shí)間，提高三峽船閘設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，為三峽通航的安全高效運(yùn)行提供新思路新方法。

1 三峽船閘目前數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計(jì)和現(xiàn)狀

1.1三峽船閘處數(shù)據(jù)庫的組成

三峽船閘現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運(yùn)用到了SIMATIC Process Historian（簡稱PH）和SIMATICImformation Server（簡稱IS）。PH是一個(gè)基于SQL server的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，直接連接到操作員站的WinCC系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和歸檔，作為統(tǒng)一的中央數(shù)據(jù)服務(wù)器，PH長期歸檔整個(gè)三峽船閘的運(yùn)行數(shù)據(jù)。IS是針對PH數(shù)據(jù)庫的用戶接口。他可以直接訪問PH中歸檔的所有數(shù)據(jù)，通過報(bào)表服務(wù)器生成數(shù)據(jù)報(bào)表，將用戶所需的數(shù)據(jù)以圖表的形式展現(xiàn)出來，同時(shí)IS可以連接EXCEL，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析，給用戶呈現(xiàn)最直觀的數(shù)據(jù)需求。目前針對該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，三峽船閘數(shù)據(jù)處理僅僅進(jìn)行了基礎(chǔ)應(yīng)用。在IS平臺(tái)上，創(chuàng)建了閘閥門運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)報(bào)表、油壓數(shù)據(jù)報(bào)表、水位數(shù)據(jù)報(bào)表等船閘重要運(yùn)行參數(shù)的報(bào)表，未對數(shù)據(jù)進(jìn)行任何統(tǒng)計(jì)分析，只是按照時(shí)標(biāo)將其讀取出來，對于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)篩選，故障點(diǎn)前后各個(gè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)之間的數(shù)據(jù)比對分析等，都沒有進(jìn)行研究。

1.2三峽船閘運(yùn)行數(shù)據(jù)的提取和顯示

西門子信息服務(wù)器作為數(shù)據(jù)發(fā)布的平臺(tái)，進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)和圖形報(bào)表的查詢和導(dǎo)出，可以查詢PH中存儲(chǔ)的故障報(bào)警信息、運(yùn)行命令和動(dòng)作指令以及傳感設(shè)備采集的現(xiàn)場水位、閘閥門行程、液壓系統(tǒng)油壓油位等數(shù)據(jù)信息，為船閘運(yùn)行過程的規(guī)律及運(yùn)行異常情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析提供歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)出接口，并基于Web、MS Word 和 Excel進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的再現(xiàn)及輔助分析。

數(shù)據(jù)查詢有三種展現(xiàn)方式，即IE瀏覽器、Excel、Wincc客戶端。正常運(yùn)行狀態(tài)下，打開IE瀏覽器，通過數(shù)據(jù)服務(wù)器IP訪問，便可進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢界面。在IS系統(tǒng)可選的報(bào)表模版基礎(chǔ)上，選擇查詢時(shí)段，并從歸檔數(shù)據(jù)類型中選擇所需要的數(shù)據(jù)如人字門壓力、行程等等對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，形成以時(shí)標(biāo)和變量為基礎(chǔ)的報(bào)表，并可將該報(bào)表導(dǎo)出，用于進(jìn)一步分析。

2 三峽船閘控制系統(tǒng)主要故障數(shù)據(jù)梳理

三峽船閘常見典型故障可以分為電源故障、鎖定故障、閥門故障、閘門故障、液壓系統(tǒng)故障以及其他故障這六類。

2.1電源故障

常見的電源故障主要有UPS故障，可通過檢查UPS檢測信號(hào)以及輸入輸出電壓來判斷故障原因。

2.2鎖定故障

常見的鎖定故障主要有閘門鎖定（解鎖）傳感器故障，鎖定（解鎖）到位超時(shí)故障。通過檢查鎖定油缸壓力、鎖定油缸行程、繼電器KM10得電情況、PLC控制輸入輸出信號(hào)來判斷鎖定故障的原因。

2.3閥門故障

常見的閥門故障主要有補(bǔ)水過程中關(guān)閥故障以及輸水過程中關(guān)閥故障?？赏ㄟ^檢查相關(guān)閉鎖信號(hào)、相鄰閘室水位變化、閥門運(yùn)行情況以及PLC控制輸入輸出信號(hào)來判斷鎖定故障的原因。

2.4閘門故障

常見的閘門故障主要有人字門速度異常故障。閘門故障可以通過監(jiān)測油缸行程曲線來判斷。當(dāng)出現(xiàn)人字門爬行現(xiàn)象時(shí)，其行程曲線的斜率出現(xiàn)上下波動(dòng)的現(xiàn)象;當(dāng)人字門全低速運(yùn)行時(shí)，其行程曲線為直線，但是斜率小于正常的行程曲線;當(dāng)人字門出現(xiàn)開（關(guān)）極限狀態(tài)時(shí)，行程曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)會(huì)偏離正常狀態(tài)下的位置。

2.5 液壓系統(tǒng)故障

常見的液壓系統(tǒng)故障主要包括油溫過高（過低）和油位過低。油溫高低可以通過監(jiān)測油溫曲線來判斷，油位的高低也可以通過監(jiān)測油位和油壓曲線來控制。

2.6其他故障

其他常見的典型故障主要有：集控程序不轉(zhuǎn)換故障，現(xiàn)地程序故障，水位計(jì)故障，合攏丟失故障，防撞裝置故障?？梢酝ㄟ^監(jiān)測閘閥門開關(guān)終信號(hào)、閘閥門開度、動(dòng)水關(guān)閥開度、補(bǔ)水閥開度及動(dòng)水關(guān)閥水位、水位計(jì)信號(hào)、防撞兩側(cè)行程、防撞運(yùn)行確認(rèn)指令信號(hào)，上到位及下到位信號(hào)、閘室水位來判斷具體原因。

3 三峽船閘運(yùn)行數(shù)據(jù)在故障分析中的應(yīng)用

三峽船閘運(yùn)行數(shù)據(jù)在故障分析中的應(yīng)用設(shè)計(jì)是利用數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，分析三峽船閘現(xiàn)場故障的底層原因，并找出與相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)的聯(lián)系，定位正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下數(shù)據(jù)參數(shù)的不同點(diǎn)，把以往查找故障的流程借用數(shù)據(jù)的形式展示出來，用邏輯語言建立故障輔助判斷分析統(tǒng)計(jì)工具，增加簡單的選擇框、輸入框、按鈕、彈窗、操作說明等直觀顯示工具，輔助故障原因分析，輔助查找故障源頭、縮短故障處理時(shí)間，提高故障處理效率，并將分析出的故障原因進(jìn)行整理，作為后續(xù)判斷分析的基礎(chǔ)。

3.1確定性故障的數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

對于故障報(bào)警信息比較明確，故障點(diǎn)位置清晰，故障原因較為單一的情況，利用故障發(fā)生前后時(shí)段的運(yùn)行數(shù)據(jù)，輔助分析其具體故障數(shù)據(jù)和時(shí)間、趨勢圖，確定故障是否為誤報(bào)，且通過異常數(shù)據(jù)的定位，輔助運(yùn)維人員及時(shí)準(zhǔn)確的對相關(guān)元器件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，為參數(shù)調(diào)整的范圍提供一定的參考依據(jù)。如集控報(bào)中北一人字工作閘門開極限故障，故障點(diǎn)為中北一人字工作閘門開極限限位開關(guān)被觸發(fā)，針對這種故障?？赏ㄟ^設(shè)計(jì)Excel的宏或是表格來進(jìn)行判斷分析，如設(shè)計(jì)Excel表格通過輸入故障點(diǎn)時(shí)間及名稱從故障發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)中運(yùn)用函數(shù)如Vlookup進(jìn)行查找篩選，找出對應(yīng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，與故障判斷報(bào)表中設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍或標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果運(yùn)用函數(shù)如IF函數(shù)輸出故障或正常字樣。

3.2模糊性故障的數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

模糊性故障就是當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，故障報(bào)警較為模糊，大多為運(yùn)行過程報(bào)警，如人字工作閘、閥門開閘、閥運(yùn)行超時(shí)、或解鎖運(yùn)行超時(shí)，緊急關(guān)閥等等，故障原因較為多樣，涉及設(shè)備器件較多，無法直觀判斷故障報(bào)警原因。針對這種故障原因較多的情況可以在模板中設(shè)計(jì)套表，即在一個(gè)表中有多個(gè)分表，針對可能出現(xiàn)這個(gè)故障的每個(gè)原因進(jìn)行單獨(dú)分析比對，不同原因有不同的判斷分析方法，通過查看各個(gè)分表的輸出結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，其中每個(gè)子表都如確定性分析表格設(shè)計(jì)思路一樣進(jìn)行單一比對，也可用錄制宏的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，減少輔助分析模板的設(shè)計(jì)難度，便于初步摸索應(yīng)用。

報(bào)表設(shè)計(jì)思路是應(yīng)用EXCEL的數(shù)據(jù)處理函數(shù)和宏命令，根據(jù)實(shí)際需求選定查找方式。從數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出當(dāng)天相關(guān)數(shù)據(jù)后，應(yīng)用INDEX函數(shù)、MATCH函數(shù)和VLOOKUP函數(shù)定位故障時(shí)間和故障地點(diǎn)，用MAXA函數(shù)、MINA函數(shù)、ABS函數(shù)、AVERAGE函數(shù)、COUNTIF函數(shù)等對數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，然后利用IF THEN函數(shù)、AND函數(shù)、OR函數(shù)、SELECT CASE函數(shù)、DO WHILE函數(shù)等建立數(shù)據(jù)的邏輯判斷規(guī)則，最后MSGBOX函數(shù)顯示計(jì)算判斷結(jié)果，用錄制宏制作自動(dòng)彈出的折線圖，用窗體控件添加交互按鈕等附加功能。

4 基于IS平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的故障分析處理案例

案例一：以人字門運(yùn)行超時(shí)為例，如果某閘首人字門在開門或關(guān)門運(yùn)行過程中出現(xiàn)超時(shí)故障，分析與該運(yùn)行過程相關(guān)的閘門運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括閘門行程、閘門運(yùn)行油壓以及水位信號(hào)，根據(jù)人字門運(yùn)行超時(shí)故障發(fā)生前后的時(shí)段，應(yīng)用人字門運(yùn)行超時(shí)原因分析模板，導(dǎo)入故障發(fā)生前后5分鐘的相關(guān)數(shù)據(jù)，以彈窗的形式直觀的給出異常數(shù)據(jù)的說明，如下圖1所示。在人字門運(yùn)行超時(shí)原因分析工具中，直觀的給出故障時(shí)段的人字門運(yùn)行同步性是否良好，人字門運(yùn)行過程中其水位數(shù)值是否超出水平信號(hào)保持范圍，即閘門運(yùn)行過程中水平信號(hào)是否丟失等，并直觀標(biāo)識(shí)出超出閾值的變量，輔助定位異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的具體時(shí)刻，給故障分析人員提供最直觀的故障信息?；趯收习l(fā)生時(shí)刻前后時(shí)段的數(shù)據(jù)綜合分析，輔助定位該故障可能是水位信號(hào)的失衡所致，需要對水位信號(hào)進(jìn)行率定或檢查該閘首水位計(jì)是否損壞，檢查水位信號(hào)的傳輸線路和水位信號(hào)接收模塊等等，這對故障的綜合定位有較大的幫助。

案例二：以人字門超壓報(bào)警故障數(shù)據(jù)分析為例，應(yīng)用人字門超壓報(bào)警分析工具，導(dǎo)入故障時(shí)刻前后時(shí)段的數(shù)據(jù)，可以生成直觀的數(shù)據(jù)曲線，同時(shí)給出超過設(shè)定閾值的數(shù)據(jù)的具體時(shí)刻，對于定位故障時(shí)刻提供了便捷的數(shù)據(jù)分析工具，或給出油壓數(shù)據(jù)并未出現(xiàn)異常的分析結(jié)果，排除系統(tǒng)誤報(bào)，避免運(yùn)維人員的盲目排查，運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

5 總結(jié)

三峽船閘主要運(yùn)行設(shè)備包括人字閘門和輸水閥門及其液壓啟閉系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，三峽船閘六個(gè)閘首共24套閘閥門運(yùn)行控制系統(tǒng)，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作量大，故障點(diǎn)分布廣泛，設(shè)備運(yùn)維難度和復(fù)雜度都較大，且各個(gè)閘首之間存在控制關(guān)聯(lián)，使得設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作存在較大的風(fēng)險(xiǎn)性。 基于IS平臺(tái)對運(yùn)行數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究，生成在數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)上的故障輔助判斷工具，能夠有效幫助現(xiàn)場運(yùn)維人員推斷故障發(fā)生位置范圍，分析故障發(fā)生的可能原因，節(jié)省現(xiàn)場故障摸排的時(shí)間，降低故障排查工作量和工作難度，盡快找到實(shí)際故障點(diǎn)，提升故障處理時(shí)效，保障船閘安全高效運(yùn)行。

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