基于西门子IS平台的三峡船闸 运行数据故障辅助分析应用
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作者:李相宜 刘祖伟 熊锦玲 朱志刚 程勇
摘 要：三峡五级船闸运行多年，对船闸运行各种数据的应用目前只是停留在记录和查找层面，本文基于西门子IS平台，结合运行数据统计，提出了对船闸运行数据进行故障辅助分析的设计应用，对出现的异常数据进行对比和分析，并及时反馈分析结果，从而有效协助故障处理，定位故障具体信息，保障船闸故障处理效率，进一步维护三峡船闸稳定安全高效运行。
关键词：三峡船闸;数据处理;IS平台;故障分析
中图分类号：U641 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）02-0049-03
三峡船闸运行数据种类多且数量庞大，随着工作流程不断运转，运行数据不断被存储，运行过程中设备的异常状态也通过数据被存储，将历史数据以一定的需求规则进行重组和再现，能够以最直观的方式将设备异常状态再现，为设备异常的辅助判断和分析提供平台和工具。充分利用三峡船闸实时数据库平台和运行数据，使管理人员能更好地了解设备状态劣化情况，缩短设备故障排查时间，提高三峡船闸设备运行的安全性和稳定性，为三峡通航的安全高效运行提供新思路新方法。
1 三峡船闸目前数据库的统计和现状
1.1三峡船闸处数据库的组成
三峡船闸现有数据库系统运用到了SIMATIC Process Historian（简称PH）和SIMATICImformation Server（简称IS）。PH是一个基于SQL server的实时数据库，直接连接到操作员站的WinCC系统，进行实时数据采集和归档，作为统一的中央数据服务器，PH长期归档整个三峡船闸的运行数据。IS是针对PH数据库的用户接口。他可以直接访问PH中归档的所有数据，通过报表服务器生成数据报表，将用户所需的数据以图表的形式展现出来，同时IS可以连接EXCEL，对数据进行进一步的统计分析，给用户呈现最直观的数据需求。目前针对该实时数据库系统，三峡船闸数据处理仅仅进行了基础应用。在IS平台上，创建了闸阀门运行状态数据报表、油压数据报表、水位数据报表等船闸重要运行参数的报表，未对数据进行任何统计分析，只是按照时标将其读取出来，对于关键节点的数据筛选，故障点前后各个设备运行参数之间的数据比对分析等，都没有进行研究。
1.2三峡船闸运行数据的提取和显示
西门子信息服务器作为数据发布的平台，进行一系列数据和图形报表的查询和导出，可以查询PH中存储的故障报警信息、运行命令和动作指令以及传感设备采集的现场水位、闸阀门行程、液压系统油压油位等数据信息，为船闸运行过程的规律及运行异常情况进行统计分析提供历史数据的导出接口，并基于Web、MS Word 和 Excel进行历史数据的再现及辅助分析。
数据查询有三种展现方式，即IE浏览器、Excel、Wincc客户端。正常运行状态下，打开IE浏览器，通过数据服务器IP访问，便可进入数据查询界面。在IS系统可选的报表模版基础上，选择查询时段，并从归档数据类型中选择所需要的数据如人字门压力、行程等等对数据进行筛选，形成以时标和变量为基础的报表，并可将该报表导出，用于进一步分析。
2 三峡船闸控制系统主要故障数据梳理
三峡船闸常见典型故障可以分为电源故障、锁定故障、阀门故障、闸门故障、液压系统故障以及其他故障这六类。
2.1电源故障
常见的电源故障主要有UPS故障，可通过检查UPS检测信号以及输入输出电压来判断故障原因。
2.2锁定故障
常见的锁定故障主要有闸门锁定（解锁）传感器故障，锁定（解锁）到位超时故障。通过检查锁定油缸压力、锁定油缸行程、继电器KM10得电情况、PLC控制输入输出信号来判断锁定故障的原因。
2.3阀门故障
常见的阀门故障主要有补水过程中关阀故障以及输水过程中关阀故障。可通过检查相关闭锁信号、相邻闸室水位变化、阀门运行情况以及PLC控制输入输出信号来判断锁定故障的原因。
2.4闸门故障
常见的闸门故障主要有人字门速度异常故障。闸门故障可以通过监测油缸行程曲线来判断。当出现人字门爬行现象时，其行程曲线的斜率出现上下波动的现象;当人字门全低速运行时，其行程曲线为直线，但是斜率小于正常的行程曲线;当人字门出现开（关）极限状态时，行程曲线的转折点会偏离正常状态下的位置。
2.5 液压系统故障
常见的液压系统故障主要包括油温过高（过低）和油位过低。油温高低可以通过监测油温曲线来判断，油位的高低也可以通过监测油位和油压曲线来控制。
2.6其他故障
其他常见的典型故障主要有：集控程序不转换故障，现地程序故障，水位计故障，合拢丢失故障，防撞装置故障。可以通过监测闸阀门开关终信号、闸阀门开度、动水关阀开度、补水阀开度及动水关阀水位、水位计信号、防撞两侧行程、防撞运行确认指令信号，上到位及下到位信号、闸室水位来判断具体原因。
3 三峡船闸运行数据在故障分析中的应用
三峡船闸运行数据在故障分析中的应用设计是利用数据库中存储的历史数据，分析三峡船闸现场故障的底层原因，并找出与相关数据参数的联系，定位正常状态和故障状态下数据参数的不同点，把以往查找故障的流程借用数据的形式展示出来，用逻辑语言建立故障辅助判断分析统计工具，增加简单的选择框、输入框、按钮、弹窗、操作说明等直观显示工具，辅助故障原因分析，辅助查找故障源头、缩短故障处理時间，提高故障处理效率，并将分析出的故障原因进行整理，作为后续判断分析的基础。
3.1确定性故障的数据应用分析 对于故障报警信息比较明确，故障点位置清晰，故障原因较为单一的情况，利用故障发生前后时段的运行数据，辅助分析其具体故障数据和时间、趋势图，确定故障是否为误报，且通过异常数据的定位，辅助运维人员及时准确的对相关元器件参数进行调整，为参数调整的范围提供一定的参考依据。如集控报中北一人字工作闸门开极限故障，故障点为中北一人字工作闸门开极限限位开关被触发，针对这种故障。可通过设计Excel的宏或是表格来进行判断分析，如设计Excel表格通过输入故障点时间及名称从故障发生时的数据中运用函数如Vlookup进行查找筛选，找出对应运行数据，与故障判断报表中设定的标准范围或标准值进行对比计算，对计算结果运用函数如IF函数输出故障或正常字样。
3.2模糊性故障的数据应用分析
模糊性故障就是当发生故障时，故障报警较为模糊，大多为运行过程报警，如人字工作闸、阀门开闸、阀运行超时、或解锁运行超时，紧急关阀等等，故障原因较为多样，涉及设备器件较多，无法直观判断故障报警原因。针对这种故障原因较多的情况可以在模板中设计套表，即在一个表中有多个分表，针对可能出现这个故障的每个原因进行单独分析比对，不同原因有不同的判断分析方法，通过查看各个分表的输出结果进行综合判断，其中每个子表都如确定性分析表格设计思路一样进行单一比对，也可用录制宏的方式对数据进行处理，减少辅助分析模板的设计难度，便于初步摸索应用。
报表设计思路是应用EXCEL的数据处理函数和宏命令，根据实际需求选定查找方式。从数据库导出当天相关数据后，应用INDEX函数、MATCH函数和VLOOKUP函数定位故障时间和故障地点，用MAXA函数、MINA函数、ABS函数、AVERAGE函数、COUNTIF函数等对数据作进一步处理，然后利用IF THEN函数、AND函数、OR函数、SELECT CASE函数、DO WHILE函数等建立数据的逻辑判断规则，最后MSGBOX函数显示计算判断结果，用录制宏制作自动弹出的折线图，用窗体控件添加交互按钮等附加功能。
4 基于IS平台数据统计的故障分析处理案例
案例一：以人字门运行超时为例，如果某闸首人字门在开门或关门运行过程中出现超时故障，分析与该运行过程相关的闸门运行数据，包括闸门行程、闸门运行油压以及水位信号，根据人字门运行超时故障发生前后的时段，应用人字门运行超时原因分析模板，导入故障发生前后5分钟的相关数据，以弹窗的形式直观的给出异常数据的说明，如下图1所示。在人字门运行超时原因分析工具中，直观的给出故障时段的人字门运行同步性是否良好，人字门运行过程中其水位数值是否超出水平信号保持范围，即闸门运行过程中水平信号是否丢失等，并直观标识出超出阈值的变量，辅助定位异常数据产生的具体时刻，给故障分析人员提供最直观的故障信息。基于对故障发生时刻前后时段的数据综合分析，辅助定位该故障可能是水位信号的失衡所致，需要对水位信号进行率定或检查该闸首水位计是否损坏，检查水位信号的传输线路和水位信号接收模块等等，这对故障的综合定位有较大的帮助。
案例二：以人字门超压报警故障数据分析为例，应用人字门超压报警分析工具，导入故障时刻前后时段的数据，可以生成直观的数据曲线，同时给出超过设定阈值的数据的具体时刻，对于定位故障时刻提供了便捷的数据分析工具，或给出油压数据并未出现异常的分析结果，排除系统误报，避免运维人员的盲目排查，运行结果如图2所示。
5 总结
三峡船闸主要运行设备包括人字闸门和输水阀门及其液压启闭系统和电气控制系统，三峡船闸六个闸首共24套闸阀门运行控制系统，设备运行维护工作量大，故障点分布广泛，设备运維难度和复杂度都较大，且各个闸首之间存在控制关联，使得设备运行维护工作存在较大的风险性。 基于IS平台对运行数据的应用研究，生成在数据应用基础上的故障辅助判断工具，能够有效帮助现场运维人员推断故障发生位置范围，分析故障发生的可能原因，节省现场故障摸排的时间，降低故障排查工作量和工作难度，尽快找到实际故障点，提升故障处理时效，保障船闸安全高效运行。
参考文献：
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