l 引 言
在研究海水對港口工程和海洋工程建筑物影響時，通常在實驗室里建造實地模型模擬潮汐，為工程設(shè)計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)，對實驗系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性要求進一步提高。目前國內(nèi)潮汐模型控制系統(tǒng)多以傳統(tǒng)計算機控制為主．采用集中監(jiān)控方式，電信號直接接到控制計算機，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)模塊可脫離計算機獨立工作，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，更適合應(yīng)用于中小控制系統(tǒng)。
基于以上優(yōu)點，本設(shè)計將基于PAC的分布式多點數(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)，從而實現(xiàn)對水位和水流的實時采集、遠程控制和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，以達到精確模擬潮汐變化曲線并可靠穩(wěn)定實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)境海洋實驗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地址與上位機連接，其中泓格現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由可脫離PC機自行運行的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)
潮汐物理模型試驗是將現(xiàn)場的水流運動模擬在相似的物理模型上，根據(jù)水流物理模型實驗的相似理論，當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檢測點進行水文(包括潮位、流速、流向等)測量。如果1 h現(xiàn)場進行一次檢測，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行。所以，對25個數(shù)據(jù)進行值處理，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。插值采用牛頓二項式插值法，共取26個點，前25點為實測數(shù)據(jù)，第26點和第一點重合。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，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)為準確地反映漲潮落潮，必須在相應(yīng)的時間點上控制水泵的正、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)給步進電機發(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為步進電機的步距角；△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的水槽中實時模擬海洋潮汐為例，在水槽左端為進水口，右端為尾門控制機構(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)場級的實時水位、水流參數(shù)，進行實時處理，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到對潮汐模擬過程進行實時控制的目的。
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，實現(xiàn)與上位機通信以及數(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，實現(xiàn)實時遠程監(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)行機構(gòu)的模擬信號以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。同時作為MODBUS從設(shè)備，上位機的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)計中，它運用于：
(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)進行運算處理。
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)計接口程序?qū)⒀h(huán)碼轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀欢M制碼，以滿足MODBUS設(shè)備的需要。
標準PID模塊對系統(tǒng)進行PID調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)跟蹤已知的潮汐水位水流模型，實現(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)仿真運行：完成編譯工作后，可以先在軟件環(huán)境下進行仿真。ISAGRAF提供了仿真測試平臺，系統(tǒng)仿真運行能提高工程進展效率，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
