基于PAC模塊的潮汐模擬控制系統(tǒng)

摘 要：基于對潮汐研究是預(yù)防海洋災(zāi)害的有效手段，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于PAc模塊的潮汐模擬控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，RS 485總線網(wǎng)絡(luò)由基于DCON協(xié)議的現(xiàn)場采集控制模塊和PAC構(gòu)成，并通過MODBUs TCP／IP協(xié)議與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成潮汐模擬控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可模擬潮汐漲潮落潮特性，具有集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：潮汐模擬；PAC；RS 485總線；MODBUS TCP／IP協(xié)議

l 引 言
    在研究海水對港口工程和海洋工程建筑物影響時，通常在實(shí)驗(yàn)室里建造實(shí)地模型模擬潮汐，為工程設(shè)計(jì)和科研提供可靠的依據(jù)。近年來我國加快了沿海港口的整治與開發(fā)，對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)時性和穩(wěn)定性要求進(jìn)一步提高。目前國內(nèi)潮汐模型控制系統(tǒng)多以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制為主．采用集中監(jiān)控方式，電信號直接接到控制計(jì)算機(jī)，線路耗材多，弱信號易受干擾，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性大大降低。而PAC(Programmable Automatic Controller，可編程自動化控制器)模塊可脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立工作，也可以作為核心處理部件。PAC與采集模塊通過485接口連接構(gòu)成數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，線路少，連接方便，可靠性高，調(diào)試及安裝成本低，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，且與傳統(tǒng)的DCS兼容等特點(diǎn)，更適合應(yīng)用于中小控制系統(tǒng)。
    基于以上優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)將基于PAC的分布式多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)應(yīng)用在海洋潮汐模擬控制系統(tǒng)中，并通過MODBUS TCP／IP協(xié)議將控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對水位和水流的實(shí)時采集、遠(yuǎn)程控制和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，以達(dá)到精確模擬潮汐變化曲線并可靠穩(wěn)定實(shí)時地傳輸潮汐模擬數(shù)據(jù)的目的。

2 系統(tǒng)原理
2．1 系統(tǒng)的構(gòu)成
    本系統(tǒng)是在已建的環(huán)境海洋實(shí)驗(yàn)潮流水槽中模擬海洋潮汐，使用變頻器來控制雙向水泵的方向和流速來實(shí)現(xiàn)水流的方向和流速的控制，同時控制水槽一側(cè)尾門的高度，以尾門上溢水的形式來控制水槽內(nèi)水位的變化，進(jìn)行潮汐模擬。
2．2 控制系統(tǒng)框架描述
    控制系統(tǒng)采用泓格現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，下端連接變頻器和雙向水泵控制漲潮落潮，上端通過設(shè)置IP地址與上位機(jī)連接，其中泓格現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由可脫離PC機(jī)自行運(yùn)行的PAC控制器和現(xiàn)場采集控制單元通過485接口連接組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用主從通信控制方法：在同一通信網(wǎng)絡(luò)中，每個設(shè)備的地址是惟一的設(shè)備地址，并只有一個主設(shè)備可以有多個從設(shè)備。避免總線通信的競爭與沖突。
    采集控制模塊通過寫入DCON命令初始化。本系統(tǒng)在串行通信波特率為9 600 b／s，無奇偶校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位的設(shè)置下通信，沒有發(fā)生丟幀或錯幀的現(xiàn)象。
2．3 關(guān)鍵技術(shù)
    潮汐物理模型試驗(yàn)是將現(xiàn)場的水流運(yùn)動模擬在相似的物理模型上，根據(jù)水流物理模型實(shí)驗(yàn)的相似理論，當(dāng)模型的水平比尺和垂直比尺為λL和λH時，水流速度比尺λv=λ1/2H；水流時間比尺其λt=λL／λv=λL／λ1/2H，例如一海灣模型，λL=650，λH=65，λt=83，即現(xiàn)場1 h相當(dāng)于模型1／83=O．012 048 h=43．4 s。
    一般，將一個全潮分為25 h檢測點(diǎn)進(jìn)行水文(包括潮位、流速、流向等)測量。如果1 h現(xiàn)場進(jìn)行一次檢測，換算到模型上為每43．3 s取一個流量控制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)跳躍之大使控制無法進(jìn)行。所以，對25個數(shù)據(jù)進(jìn)行值處理，使數(shù)據(jù)能平滑過渡。具體方法：在兩個數(shù)據(jù)時間插入20個數(shù)據(jù)，即將一天劃分為500個控制點(diǎn)。插值采用牛頓二項(xiàng)式插值法，共取26個點(diǎn)，前25點(diǎn)為實(shí)測數(shù)據(jù)，第26點(diǎn)和第一點(diǎn)重合。整個潮汐控制過程為：
    (1)將原始測量的潮汐水文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模型的25個數(shù)據(jù)。
    (2)將25個數(shù)據(jù)插值為500數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)時間比尺，43．3 s中有20個數(shù)據(jù)通過，因此控制周期為43．3／20=2．15 s。
    (3)為準(zhǔn)確地反映漲潮落潮，必須在相應(yīng)的時間點(diǎn)上控制水泵的正、反轉(zhuǎn)。在生成模型數(shù)據(jù)的過程中，將這些轉(zhuǎn)折點(diǎn)數(shù)據(jù)存放在特定的數(shù)組中，數(shù)組中有500個數(shù)據(jù)。水泵有自己的“跳泵”數(shù)據(jù)，一旦“時間指針”和某個“跳泵”數(shù)據(jù)一致，電平“1”寫入相應(yīng)的控制模塊，控制水泵的“轉(zhuǎn)向”。一般模型一天有兩個漲落潮，系統(tǒng)中用了一臺雙向水泵，可用一個1×4數(shù)組存放“跳泵”數(shù)據(jù)。
    (4)程序執(zhí)行過程中不斷地進(jìn)行水位、流速、流向的數(shù)據(jù)采集，通過自適應(yīng)PID控制器計(jì)算出本時間間隔內(nèi)水位變化量△H，水位變化量轉(zhuǎn)換為尾門開度來控制水位步驟如下：根據(jù)輸入的潮汐模擬曲線參數(shù)，首先計(jì)算出本時刻尾門高度Hi，并換算成尾門與豎直方向夾角αi，再算出△t時間后尾門高度Hi+1=Hi+△H，同樣換算成尾門與豎直方向夾角αi+1，由此可以求出本段內(nèi)應(yīng)給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送的脈沖頻率，也就是變頻器輸出的脈沖頻率。式中，n為變速箱的變速比；O．75為步進(jìn)電機(jī)的步距角；△α=αi+1一αi；△t=2．15 s。然后根據(jù)需要顯示在工控機(jī)的監(jiān)控畫面中，并按時間順序存放在相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件中。

3 系統(tǒng)軟硬件分析
    以在一個3 000 cm×60 cm×120 cm的水槽中實(shí)時模擬海洋潮汐為例，在水槽左端為進(jìn)水口，右端為尾門控制機(jī)構(gòu)，水槽中有一臺雙向水泵控制水流方向和水流速度，在水槽下部的給水池中有一臺潛水泵始終向水槽中供水以保證水量的充足。系統(tǒng)可分為：現(xiàn)場級、控制級和監(jiān)控管理級。
3．1 現(xiàn)場級
    現(xiàn)場級由各傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，主要采集水槽中水流、水位數(shù)據(jù)和執(zhí)行控制級的控制指令。有水位儀、流速儀、雙向水泵、潛水泵、變頻器等。
    水位儀為WL一20型跟蹤式水位儀，自動跟蹤水槽水位O～20 cm變化，分辨率為O．1 mm，由編碼器對應(yīng)輸出11位二進(jìn)制循環(huán)碼。流速儀由VR—Z流速儀前置放大器和旋漿流速儀組成，一個VR—Z流速儀前置放大器可配置8個旋漿流速儀，測量范圍為5～100 cm／s，分辨率為0．5 cm／s，測量精度為1％。流速儀輸出的脈沖信號通過計(jì)數(shù)／頻率模塊來采集。水位儀和流速儀與現(xiàn)場采集控制模塊連接以實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)據(jù)信號的轉(zhuǎn)變。
3．2 控制級
    控制級由PACI一7188EG，總線和各采集控制模塊組成，主要功能是接收現(xiàn)場級的實(shí)時水位、水流參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時處理，執(zhí)行控制算法，向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)出指令，控制水位和水流以達(dá)到對潮汐模擬過程進(jìn)行實(shí)時控制的目的。
3．2．1 PAC I一7188EG
    I一7188EG是臺灣泓格科技股份有限公司生產(chǎn)的I一7188系列μPAC(可編程自動化微控制器)，用來組成下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信以及數(shù)據(jù)集中算法控制并向現(xiàn)場采集控制模塊發(fā)出控制信號，它小巧耐用，適合于總線控制的中小型工程。使用其中含有一個與NE2000兼容的10 Mb／s的工業(yè)ETHERNET接口將RS 485網(wǎng)絡(luò)連接到ENTERNET上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控。采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)在I一7188EG中快速處理并將處理結(jié)果通過采集控制模塊轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號以驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時作為MODBUS從設(shè)備，上位機(jī)的SCADA軟件通過MODBUSTCP協(xié)議訪問I一7188EG。
    在I一7188EG控制器提供的ISAGRAF編程方式中使用LD語言，編程通信連接可以方便地和SCADA軟件、HMI設(shè)備及其他支持MODBUS協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行連接且支持離線仿真、在線調(diào)試、檢測和控制。此工程設(shè)計(jì)中，它運(yùn)用于：
    (1)自動化編程：自動化編程是此工程中軟件的核心部分，它包括不同的程序模塊：
    信號采集模塊 此模塊將傳感器傳遞到采集模塊中的數(shù)據(jù)信號讀入PAC，并將數(shù)據(jù)存儲到PAC的存儲器中。
    加減乘除等算術(shù)功能塊 用于對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。
    布爾邏輯功能塊 用于布爾邏輯處理。如在本系統(tǒng)用到的水位儀輸出為11位的循環(huán)碼，需通過設(shè)計(jì)接口程序?qū)⒀h(huán)碼轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀欢M(jìn)制碼，以滿足MODBUS設(shè)備的需要。
    標(biāo)準(zhǔn)PID模塊對系統(tǒng)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)跟蹤已知的潮汐水位水流模型，實(shí)現(xiàn)有效、可靠、快速模擬潮汐。
    (2)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置：在ISAGRAF中需要對各參數(shù)進(jìn)行配置。如設(shè)置PAC的TCP IP地址，各現(xiàn)場采集控制模塊的ID號(一個采集控制模塊只能有一個ID號)，各接口連接，程序周期掃描時間等。
    (3)系統(tǒng)仿真運(yùn)行：完成編譯工作后，可以先在軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真。ISAGRAF提供了仿真測試平臺，系統(tǒng)仿真運(yùn)行能提高工程進(jìn)展效率，及時發(fā)現(xiàn)程序中的不合理因素。
    PAC中控制程序流程圖見圖2。

3．2．2 現(xiàn)場采集控制模塊
    現(xiàn)場采集控制模塊選用的是泓格I一7000系列基于DCON協(xié)議的I／0模塊，內(nèi)置微處理器，僅需兩根通信線就可以建立起分布式RS 485網(wǎng)絡(luò)，具有最佳的網(wǎng)絡(luò)配置靈活性，非常適合小型的分散的I／O系統(tǒng)。且支持雙看門狗功能。雙看門狗包括模塊看門狗和主機(jī)看門狗。模塊看門狗是硬件看門狗，會自動檢測模塊的工作狀態(tài)，當(dāng)模塊死機(jī)時，將自動復(fù)位模塊，并將所有輸出模塊的狀態(tài)恢復(fù)到上電預(yù)置值。主機(jī)看門狗為軟件看門狗，模塊的微處理器將定時(可設(shè)置時間間隔)檢測PC主機(jī)或PAC的通訊狀態(tài)，當(dāng)其通訊不正?；蛩罊C(jī)時，輸出模塊的狀態(tài)會自動切換到安全值。
    本系統(tǒng)中使用的采集控制模塊有：
    (1)I一705l：隔離開關(guān)量輸入模塊。用于連接WL一20水位儀，該水位輸出信號為11位循環(huán)碼，故需要選用開關(guān)量輸入模塊。
    (2)I一7080：計(jì)數(shù)器模塊。本系統(tǒng)選用的是VR—Z流速儀前置放大器阿旋漿流速儀，其輸出信號為脈沖信號，通過計(jì)數(shù)器模塊測量其旋漿旋轉(zhuǎn)頻率，計(jì)算出水的流速。
    (3)I一7024：4通道模擬量輸出模塊，輸出0～20 mA或4～20 mA電流信號，驅(qū)動尾門旋轉(zhuǎn)控制潮汐水槽中的水位和驅(qū)動變頻器控制雙向水泵的旋轉(zhuǎn)速度以控制潮汐水槽中的水流速度。
    (4)I一7060：隔離開關(guān)量輸入／繼電器輸出模塊，用于給出開關(guān)量給變頻器，控制雙向水泵的旋轉(zhuǎn)方向，并控制潛水泵的開關(guān)。
3．3 監(jiān)控管理級
    管理監(jiān)控級由上位機(jī)(工業(yè)計(jì)算機(jī))組成。以太網(wǎng)負(fù)責(zé)上位機(jī)組之間的通信，同時負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。即2臺工控機(jī)與PAC之間通過集線器使用MOD—BUS TCP協(xié)議通信，通訊速率達(dá)到10 Mb／s。
    為了很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的功能，并考慮到在組態(tài)王中開發(fā)了針對泓格產(chǎn)品的接口設(shè)置規(guī)則，我們選用北京亞控科技公司的監(jiān)控軟件——“組態(tài)王6．01”。該軟件是一個多用戶實(shí)時SCADA軟件，主要用于過程控制。
    圖3是為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的海洋潮汐模擬控制系統(tǒng)主界面。在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了多任務(wù)單元，數(shù)據(jù)庫查詢，實(shí)時曲線，實(shí)習(xí)報(bào)表，歷史曲線，歷史報(bào)表，報(bào)警報(bào)表等，數(shù)據(jù)查詢均是實(shí)時在線的。

4 性能分析
    本系統(tǒng)中采用了基于RS 485總線網(wǎng)絡(luò)作數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，只需在I一7188EG內(nèi)置的ISAGRAF中配置的采集控制模塊、通信接口，就可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息交換。在控制系統(tǒng)中，上位機(jī)起實(shí)時現(xiàn)場監(jiān)視作用。即使上位機(jī)當(dāng)機(jī)，I一718BEG內(nèi)置的ISAGRAF軟邏輯控制程序仍然可以實(shí)時控制潮汐模擬系統(tǒng)中各點(diǎn)水流、水位變量，保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運(yùn)行，且上位機(jī)與PAC之間的MODBUS TCP／IP遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離長，傳輸數(shù)據(jù)快，實(shí)時性高，滿足系統(tǒng)實(shí)時性高的要求。
    實(shí)際物理結(jié)構(gòu)中結(jié)點(diǎn)數(shù)只有11個，并不多，不會影響到通訊距離，并且通訊距離在1 km以內(nèi)，不需擔(dān)心其傳輸能力。布線上，采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從總線到每個節(jié)點(diǎn)的引出線長度盡量縮短，將反射信號對總線信號的影響降到最低程度，并使用帶屏蔽層的雙絞線連接，同時使屏蔽層接地，走線時避免通過強(qiáng)磁場大功率負(fù)載和高頻通訊設(shè)備，以消除共模干擾，從而滿足系統(tǒng)可靠性高的要求。

5 結(jié) 語
    本設(shè)計(jì)已應(yīng)用于海洋潮汐模擬實(shí)驗(yàn)中，操作人員可以在中央控制室內(nèi)運(yùn)行系統(tǒng)軟件，也可在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)中對實(shí)驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)自動控制，大大方便了人員的操作，也減輕了戶外作業(yè)的勞動強(qiáng)度。系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，未出現(xiàn)通訊中斷造成停機(jī)。圖4為40 cm水深條件下，潮差3 cm，周期1200 s的規(guī)則潮波的模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)測波面與理想曲線對比，兩者之間的潮位誤差小于2％，相位誤差小于l％。滿足工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)使用要求。