1.本发明涉及一种卸船机洒水机构监测系统，尤其是涉及一种卸船机洒水机构的智能监测系统及监测方法。
背景技术：2.中宅卸船机自2011年以来投运已经10年以上，洒水系统随着使用年限的增加，设备日渐老化，故障逐渐增加。而对于故障监测的方式比较老旧，存在监测不到位或误报等问题，也在一定程度上增加了故障的发生。
3.现有的卸船机洒水机构结构如图1所示，吸水时吸水泵运行，将水槽的水通过吸水泵进入大水箱（并一起进入小水箱），流量开关检测吸水是否正常。小水箱的水作为引水提供给吸水泵，小水箱水满时通过浮球阀自动关死，小水箱缺水时通过浮球限位检测，大水箱水位有浮球限位控制。需要洒水时，喷水泵运行将大水箱的水压入管道中，回水电磁阀打开将多余的水返回大水箱。这时打开相应的电磁阀来对指定的部位进行洒水。但是原有检测装置存在以下问题比如浮球限位是用来监测水位是否正常，但是由于浮球限位长期被水浸泡，导致浮球限位经常发生故障；流量开关用来监测吸水泵吸水是否正常，但是经常会发生误动作或失效；而喷淋洒水的流量等无法被监测，管路异常也无法监测，这些问题的存在迫切的需要我们改变老的故障监测方式。
技术实现要素：4.本发明所要解决的技术问题是提供一种运行安全稳定，监测实时准确同时能有效监测喷淋洒水流量的卸船机洒水机构的智能监测系统及监测方法。
5.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种卸船机洒水机构的智能监测系统，包括大水箱，还包括水箱盖板、液位计、液位计底板、plc模拟量输入模块和plc-cpu模块，所述的水箱盖板设置在所述的大水箱的顶部开口处，所述的液位计通过所述的液位计底板固定在所述的水箱盖板上且所述的液位计的探头伸入所述的大水箱内，所述的液位计通过通讯电缆与所述的plc模拟量输入模块连接，所述的plc模拟量输入模块通过通讯电缆与所述的plc-cpu模块连接。
6.进一步，所述的水箱盖板与所述的大水箱的顶部通过第一螺栓紧固件连接，所述的水箱盖板与所述的液位计底板通过第二螺栓紧固件连接。
7.进一步，所述的plc-cpu模块安装在卸船机上部电气房，型号为abb ac800m, 所述的plc模拟量输入模块安装在卸船机下部电气房，型号为abb ai801，所述的液位计型号为百纳lr200-101adbf50/2b15040nn。
8.利用上述智能监测系统的卸船机洒水机构的智能监测方法，包括以下步骤：（1）大水箱水位监测预先设定大水箱内高液位值、高高液位值、低液位值和低低液位值，再将超声波液位计检测到的大水箱水位值与设定的阈值进行比较，当大水箱水位值小于或等于预先设定
的低水位值时吸水泵运行且喷水泵停止运行，当大水箱水位值小于低低水位值或者高于高高水位值时发出故障报警信号（表明系统发生异常，长时间没用也会使水位低于低低水位），当大水箱水位值小于高于高高水位值同时大于或等于高水位值时吸水泵停止运行；（2）对吸水泵的监测a.利用超声波液位计采集某一时间段的大水箱内水位变化信号值，利用abb plc的滤波及微分功能块将采集的水位变化信号值进行一阶低通滤波处理，获得水位变化滤波值，再将水位变化滤波值进行微分处理，获得水位变化速度，其中滤波系数为 ts/ tf，ts为本次采样时间与上一次采样时间的间隔，tf是滤波时间，设定为ts的3到10倍；b．将水位变化速度与阈值进行比较，若低于或等于第一阈值，则判断吸水泵吸水不工作；若位于第一阈值与第二阈值之间，则判断吸水泵吸水正常，若高于或等于第二阈值，则判断超声波液位计存在异常；（3）对喷水管路的监测关闭吸水泵，将某一时间段的大水箱的水位下降情况实际耗水量与理论计算的耗水量进行比较，来判断喷水是否正常，若实际耗水量等于理论耗水量的80-120%，则判断喷水管路正常；若实际耗水量大于理论耗水量120%，则判断喷水管路存在漏水；若实际耗水量小于理论耗水量80%，则判断管路堵住或电磁阀打开不到位。
9.进一步，步骤（1）中所述的高高水位值的位置设定为大水箱内高度的80%，所述的高水位值的位置设定为大水箱内高度的70%，所述的低水位值的位置设定为大水箱内高度的20%，所述的低低水位值的位置设定为大水箱内高度的10%。
10.进一步，所述的第一阈值为大水箱内水位上升平均速度的一半，所述的第二阈值为大水箱内水位上升平均速度的1.5倍。
11.进一步，所述的理论耗水量计算公式如下：q=n*t*k，其中q为理论耗水量，k为喷头的流量系数，p为喷水泵压力，n为喷头的个数，t为喷头洒水时间。
12.与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种卸船机洒水机构的智能监测系统及监测方法，硬件结构及接线方式更加简单；在不增加其他监测元器件的前提下，通过算法实现对洒水的多种故障进行监测，相比以前准确性更高，可对更多故障进行跟踪监测，并且减少了监测元器件发生故障的概率；其监测方法采用超声波液位计对大水箱的水位值进行采集，并根据实际位置来设定相应的高低水位值。对水位的实时变化情况进行计算，来判断吸水泵运行时吸水的实时流量，同时监测超声波液位计的异常情况。对水位进行周期性采集计算，来判断洒水流量是否正常，喷水是否正常，水管是否有漏水情况等。
13.综上所述，本发明结构设计合理，对于原设备进行改造升级，运行安全稳定，监测实时准确；其适合作为港口机械洒水系统使用，以及同类产品的结构改进。
附图说明
14.图1为现有的卸船机洒水机构结构示意图；图2为本发明卸船机洒水机构的智能监测系统结构示意图；图3为本发明卸船机洒水机构的智能监测方法流程图；图4为吸水泵工作时大水箱内水位上升散点图；图5为作业时（洒水机构未运行）设备晃动产生水位波动图；
图6为图5滤波后的散点图，其中a为滤波时间为2s，b为滤波时间为4s；图7为大水箱内水位值的变化情况；图8为大水箱内水位值计算结果与阈值的比较，其中a为与第一阀值比较，b为与第二阀值比较。
具体实施方式
15.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
16.具体实施例一一种卸船机洒水机构的智能监测系统，如图2所示，包括大水箱1，还包括水箱盖板2、液位计3、液位计底板4、plc模拟量输入模块5和plc-cpu模块6，水箱盖板2设置在大水箱1的顶部开口处，液位计3通过液位计底板4固定在水箱盖板2上且液位计3的探头伸入大水箱1内，液位计3通过通讯电缆与plc模拟量输入模块5连接，plc模拟量输入模块5通过通讯电缆与plc-cpu模块6连接。
17.在此具体实施例中，水箱盖板2与大水箱1通过第一螺栓紧固件7连接，水箱盖板2与液位计底板4通过第二螺栓紧固件8连接。plc-cpu模块6（作为plc的核心）安装在卸船机上部电气房，型号为abb ac800m；plc模拟量输入模块5（接收液位计的4-20ma信号）安装在卸船机下部电气房，型号为abb ai801，液位计3型号为百纳lr200-101adbf50/2b15040nn，输出方式为4-20ma的模拟量输出，接线方法为两线制。plc模拟量输入模块为ai801的模拟量输入模块，为有源的4-20ma的输入模块，与该液位计3相匹配，不需要接额外的电源线和电源模块，接线方式简单。
18.具体实施例二为了实现对洒水机构的全方位的监测，首先要确定监测点（监测点要尽可能的少，以免增加故障点），原先的监测点有水槽低液位、小水箱水位、大水箱水位、吸水流量监测。而水槽低液位和小水箱水位限位较少，重要性也比较小，而且这两个地方出现故障也可在吸水流量监测中被检测出来。而大水箱限位较多，并且大水箱处于整个洒水机构的中心位置，与吸水、喷水都存在联系，所以选择大水箱作为主要的监测点，对大水箱水位进行监测。水位监测有多种方法，可以采用超声波液位计，也可以采用激光液位计，但是必须保证一定的精度以及实时性，再将采集的数据传送给plc（可以是模拟量传输，也可以走通信）。获得大水箱精确的水位值后，通过比较计算来实现各个监测功能，智能监测方法的原理如图3所示，具体步骤如下：1、监测大水箱水位高度是否正常对大水箱的正常水位高度进行分析，假设大水箱高度2米，我们一般取低低液位为0.2米，低液位为0.4米，高液位1.4米，高高液位1.6米。水位最小不能低于喷水管，否则喷水泵会干磨，而损坏泵体，我们将这个位置（除去一定的余量）定位低低液位，即低低水位值（为0.2米），超声波液位计安装在水箱顶部（高度为即为2米），所以低低水位设定在距离液位计1.8米的位置，假设液位计量程为10米，对应的数值为0-1000（距离液位计越近，数值越大），那么对应的低低水位值也就为820。低液位和低低液位中间需要一个缓冲区，经过测试最终定为20cm，所以低水位值为840cm。水位最大高度也不能高于吸水管，否则会引起水溢出或倒流，并且考虑到盲区，高水位值为940cm，高高水位位设定为960。
19.将超声波液位计检测到的大水箱水位值与设定的值进行比较，当大水箱水位值小于预先设定的低水位值时吸水泵运行，并且喷水泵停止运行，当大水箱水位值小于低低水位值时报故障（低低水位为二级保护），当大水箱水位值大于高水位值时或高高水位值（高高水位为二级保护）时吸水泵停止运行。
20.2、监测吸水流量是否正常吸水泵吸水时根据超声波液位计采集到的大水箱水位值我们可以得出水位实时变化值，如果将其变为水位变化速度与时间的关系，然后设定一个阈值进行比对，大于这个阈值的就认为在吸水，小于的就认为没在吸水或吸水不正常。要完成这个转换，只需要对实时的水位值进行微分。但是考虑到实际情况，水位存在波动以及液位计数值的偏移，所以需要对液位计采集到的信号进行滤波，然后再进行微分。通过该方法不但可以判断吸水量是否正常，也可以通过设定多个阈值来判断其它异常情况，比如设定一个大于或小于实际能达到的值，当达到这个值时就认为超声波液位计存在异常。
21.（1）吸水流量分析首先对吸水泵运行时的实际的情况进行检查，记录关键值，获得以下27组数据，如表1所示。
22.表1吸水时水位随时间变化表。
23.将表1中数据其转换为水位上升散点图如图4所示，由图4可知基本符合吸水泵吸水时水位匀速上升的实际情况，所以可以认为在吸水过程中，水位上升的值随时间变化呈线性关系，可以满足我们后续计算的基本条件。中间存在一定的偏移情况是由于水位波动产生的。从上面数据中可以看出，水位上升时间从10.1秒开始，143.9秒结束，水位值从856.38上升到908.71，可以计算出水位上升的平均速度为：（908.71-856.38）/（143.9-10.1）=0.391cm/s。理论上可以认为吸水时水位上升的速度一直为0.391cm/s。
24.水位上升的速度与吸水管的流量成正比，所以水位上升的速度的大小可以反映出流量的大小，得出实时的水位上升速度就可以得出实时流量的大小。为了得出实时的水位上升速度，可以通过对液位值进行微分。超声波液位计输入的信号虽然为连续的信号，但是在输入plc后转换为数字量（并且根据plc的扫描频率进行采样，也就是plc每扫描一次采样一个液位值），所以液位信号是离散的，所以我们要对离散函数进行微分。
[0025] 在实际运行过程中由于存在水位波动以及超声波液位计信号的波动，我们取作业时晃动较大的一段时间（16秒），吸水泵和喷水泵没有运行，但液位值发生了波动，如图5。在吸水泵运行时，水位及超声波液位计信号的波动造成了图4中部分点位偏移的情况。为了减少信号突变的影响，就需要对液位信号进行滤波处理。如果不进行滤波直接对离散函数进行微分，结果波动太大。考虑到abb plc编程的方便，我们使用一阶低通滤波，既符合滤波
的需要，也有功能块支持该功能。abb plc的滤波及微分功能块为：derivativereal（一阶低通滤波器和微分器的组合）。具体过程如下：利用abb plc的滤波及微分功能块，将超声波液位计采集到的大水箱内水位变化值信号（为离散的数字信号）进行一阶低通滤波处理，将获得的水位变化滤波值再进行微分处理，其中滤波系数设为 ts/ tf（小于1），ts为本次采样时间与上一次采样时间的间隔，tf是滤波时间，可自行设定，tf的时间设定为ts的3到10倍较为合适。
[0026]
2、水位波动分析根据公式对图5的水位值进行滤波，取2个不同的滤波时间进行比较，得出图6两个散点图。通过图6比较可以看出，滤波时间大的输出更加平稳，但是存在滞后时间长。所以滤波时间越小，灵敏度越高；滤波时间越大，稳定性更好。由于流量检测稍微有点滞后对系统影响不大，而对于故障检测的准确性要求高，因此优先考虑稳定性。我们整个洒水机构的plc程序选择的扫描周期为0.4秒（也就是说液位值采样时间间隔为0.4秒），最后选择滤波时间较为合适范围内选择了10倍（也就是4秒，也可以根据实际情况合理调整）。
[0027]
（3）结果检验根据设计要求采用derivativereal功能块进行编程。由于水位上升的平均速度为0.391 cm/s，取其一半作为第一阈值，取其1.5倍作为第二阀值。在吸水泵运行时，取其关键点，一共获得39组数据（表2），制成散点图（图7）。从以下数据以及散点图中可以看出，实际吸水泵吸水的时间约为18.8秒-149秒（根据水位变化人为判断出来的吸水时间），而通过该系统（吸水流量监测系统）判断的吸水泵吸水的时间为25.2每秒-156.4秒，虽然有几秒钟的延时（也可减小滤波时间来降低延时时间，稳定性会变差），但是符合整体的判断准确性。
[0028]
表2吸水泵运行时水位、时间和计算结果的关系。
[0029]
综上，对水位变化值进行处理，首先对信号进行一阶低通滤波，以减少信号的突变，再进行微分处理，将水位值的变化情况变为水位变化的速度，这时我们只要设定一个阈值，将水位变化的速度与阈值进行比较，若低于或等于第一阈值，则判断吸水泵吸水不工作；若位于第一阈值与第二阈值之间，则判断吸水泵吸水正常，图8a所示；若高于或等于第二阈值，则判断超声波液位计存在异常，图8b所示。这里我们采用abb plc的微分功能块（derivativereal）来实现这个功能。
[0030]
3、监测喷水流量是否正常
由于喷水时，耗水量相对比较小，而且水位值存在波动，实时检测无法判断是由于喷水导致水位下降还是由于波动导致水位下降，所以我们采用周期性检测水位高度，然后和喷水点理论消耗的水量进行比对，再进行判断。如果实际耗水量大于理论的耗水量120%，说明喷水管路存在漏水等情况。当实际耗水量小于理论耗水量80%，则认为管路堵住或电磁阀打开不到位。
[0031]
根据水雾喷头的流量计算公式：q=k， q为流量，k为喷头的流量系数，p为喷水泵压力。本实施例不同部位喷头个数分别为：表3各个洒水部位喷头个数表定时检查水位下降情况（应避开吸水状态），即耗水量=各个部位的流量的总和（38t1+4t2+3t3+3t4）k=（38t1+4t2+3t3+3t4）*1.47，（t1，t2，t3，t4分别代表各个部位洒水的运行时间，根据我们采用的喷头k为固定值0.6，p为0.6mpa）。从式子中可以看出：如果耗水量比计算值大，说明喷头数量比实际多（存在漏水），如果耗水量小，说明喷头数量比实际少（喷头或管子堵住，电磁阀未打开）或喷水泵压力较小。
[0032]
我们对大水箱水位每下降5厘米进行一次检测（下降5厘米，水箱宽为1米、长2米，耗水量为0.5*10*20=100升），从检测开始，t
1 、t
2 、t
3 、t4都等于0，记录水位值，当（38t1+4t2+3t3+3t4）*1.47=100时，表示检测结束，这时水位应该下降5厘米，与液位计检测的进行比对（按照20%的误差进行计算，如果前面5厘米选择更大的数值，误差可以降低，但是检测时间变长），如果超声波液位计检测到的值为4厘米到6厘米之间为正常。例如：当检测开始，t
1 、t
2 、t
3 、t4都等于0，记录水位值为860，如果只开大料斗洒水，38 t1*1.47=100，t1=1.79分钟时，检测结束，这时如果水位值为855，860-855=5厘米（大于4厘米小于6厘米），说明水位正常。
[0033]
综上所述，该智能监测系统实现了对整个洒水机构的故障监测，减少了很多比如浮球限位等老旧的检测装置，也极大的减少了洒水机构的故障，通过上述装置可以获得相对精确的大水箱水位高度值。通过对水箱水位值进行计算处理，来判断洒水系统的正常与否。
[0034]
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
技术特征：1.一种卸船机洒水机构的智能监测系统，包括大水箱，其特征在于：还包括水箱盖板、液位计、液位计底板、plc模拟量输入模块和plc-cpu模块，所述的水箱盖板设置在所述的大水箱的顶部开口处，所述的液位计通过所述的液位计底板固定在所述的水箱盖板上且所述的液位计的探头伸入所述的大水箱内，所述的液位计通过通讯电缆与所述的plc模拟量输入模块连接，所述的plc模拟量输入模块通过通讯电缆与所述的plc-cpu模块连接。2.根据权利要求1所述的一种卸船机洒水机构的智能监测系统，其特征在于：所述的水箱盖板与所述的大水箱的顶部通过第一螺栓紧固件连接，所述的水箱盖板与所述的液位计底板通过第二螺栓紧固件连接。3.根据权利要求1所述的一种卸船机洒水机构的智能监测系统，其特征在于：所述的液位计为超声波液位计或者激光液位计。4.根据权利要求1所述的一种卸船机洒水机构的智能监测系统，其特征在于：所述的plc-cpu模块安装在卸船机上部电气房，型号为abb ac800m, 所述的plc模拟量输入模块安装在卸船机下部电气房，型号为abb ai801，所述的液位计型号为百纳lr200-101adbf50/2b15040nn。5.一种利用权利要求1所述的智能监测系统的卸船机洒水机构的智能监测方法，其特征在于包括以下步骤：（1）大水箱水位监测预先设定大水箱内高液位值、高高液位值、低液位值和低低液位值，再将超声波液位计检测到的大水箱水位值与设定的阈值进行比较，当大水箱水位值小于或等于预先设定的低水位值时吸水泵运行且喷水泵停止运行，当大水箱水位值小于低低水位值或者高于高高水位值时发出故障报警信号，当大水箱水位值小于高于高高水位值同时大于或等于高水位值时吸水泵停止运行；（2）对吸水泵的监测a.利用超声波液位计采集某一时间段的大水箱内水位变化信号值，利用abb plc的滤波及微分功能块将采集的水位变化信号值进行一阶低通滤波处理，获得水位变化滤波值，再将水位变化滤波值进行微分处理，获得水位变化速度，其中滤波系数为 ts/ tf，ts为本次采样时间与上一次采样时间的间隔，tf是滤波时间，设定为ts的3到10倍；b．将水位变化速度与阈值进行比较，若低于或等于第一阈值，则判断吸水泵吸水不工作；若位于第一阈值与第二阈值之间，则判断吸水泵吸水正常，若高于或等于第二阈值，则判断超声波液位计存在异常；（3）对喷水管路的监测关闭吸水泵，将某一时间段的大水箱的水位下降情况实际耗水量与理论计算的耗水量进行比较，来判断喷水是否正常，若实际耗水量等于理论耗水量的80-120%，则判断喷水管路正常；若实际耗水量大于理论耗水量120%，则判断喷水管路存在漏水；若实际耗水量小于理论耗水量80%，则判断管路堵住或电磁阀打开不到位。6.根据权利要求5所述的一种卸船机洒水机构的智能监测方法，其特征在于：步骤（1）中所述的高高水位值的位置设定为大水箱内高度的80%，所述的高水位值的位置设定为大水箱内高度的70%，所述的低水位值的位置设定为大水箱内高度的20%，所述的低低水位值的位置设定为大水箱内高度的10%。
7.根据权利要求5所述的一种卸船机洒水机构的智能监测方法，其特征在于：所述的第一阈值为大水箱内水位上升平均速度的一半，所述的第二阈值为大水箱内水位上升平均速度的1.5倍。8.根据权利要求5所述的一种卸船机洒水机构的智能监测方法，其特征在于：所述的理论耗水量计算公式如下：q=n*t*k，其中q为理论耗水量，k为喷头的流量系数，p为喷水泵压力，n为喷头的个数，t为喷头洒水时间。
技术总结本发明公开了一种卸船机洒水机构的智能监测系统及监测方法，包括大水箱，特点是还包括水箱盖板、液位计、液位计底板、PLC模拟量输入模块和PLC-CPU模块，水箱盖板设置在大水箱的顶部开口处，液位计通过液位计底板固定在水箱盖板上且液位计的探头伸入大水箱内，其监测方法采用超声波液位计对大水箱的水位值进行采集，并根据实际位置来设定相应的高低水位值；对水位的实时变化情况进行计算，来判断吸水泵运行时吸水的实时流量，同时监测超声波液位计的异常情况；对水位进行周期性采集计算，来判断洒水流量是否正常，喷水是否正常，水管是否有漏水情况，优点是运行安全稳定，监测实时准确同时能有效监测喷淋洒水流量。时准确同时能有效监测喷淋洒水流量。时准确同时能有效监测喷淋洒水流量。
技术研发人员：王焘 陈一铭 李昭 钱泽峰 钟扬 崔力文 华林江 孙启跃 何健仁
受保护的技术使用者：宁波舟山港股份有限公司北仑矿石码头分公司
技术研发日：2022.05.20
技术公布日：2022/11/1
