基于PAC模块的潮汐模拟控制系统

摘 要：基于对潮汐研究是预防海洋灾害的有效手段，设计开发了一种基于PAc模块的潮汐模拟控制系统。该系统中，RS 485总线网络由基于DCON协议的现场采集控制模块和PAC构成，并通过MODBUs TCP／IP协议与上位机联网构成潮汐模拟控制系统。实验证明，本系统可模拟潮汐涨潮落潮特性，具有集成度高、抗干扰能力强、稳定性高等优点。
关键词：潮汐模拟；PAC；RS 485总线；MODBUS TCP／IP协议

l 引 言
    在研究海水对港口工程和海洋工程建筑物影响时，通常在实验室里建造实地模型模拟潮汐，为工程设计和科研提供可靠的依据。近年来我国加快了沿海港口的整治与开发，对实验系统的实时性和稳定性要求进一步提高。目前国内潮汐模型控制系统多以传统计算机控制为主．采用集中监控方式，电信号直接接到控制计算机，线路耗材多，弱信号易受干扰，系统的可靠性和稳定性大大降低。而PAC(Programmable Automatic Controller，可编程自动化控制器)模块可脱离计算机独立工作，也可以作为核心处理部件。PAC与采集模块通过485接口连接构成数据采集控制系统，线路少，连接方便，可靠性高，调试及安装成本低，数据传输可靠性高，且与传统的DCS兼容等特点，更适合应用于中小控制系统。
    基于以上优点，本设计将基于PAC的分布式多点数据采集控制系统应用在海洋潮汐模拟控制系统中，并通过MODBUS TCP／IP协议将控制系统联网，从而实现对水位和水流的实时采集、远程控制和网络监控，以达到精确模拟潮汐变化曲线并可靠稳定实时地传输潮汐模拟数据的目的。

2 系统原理
2．1 系统的构成
    本系统是在已建的环境海洋实验潮流水槽中模拟海洋潮汐，使用变频器来控制双向水泵的方向和流速来实现水流的方向和流速的控制，同时控制水槽一侧尾门的高度，以尾门上溢水的形式来控制水槽内水位的变化，进行潮汐模拟。
2．2 控制系统框架描述
    控制系统采用泓格现场数据采集系统，下端连接变频器和双向水泵控制涨潮落潮，上端通过设置IP地址与上位机连接，其中泓格现场数据采集系统由可脱离PC机自行运行的PAC控制器和现场采集控制单元通过485接口连接组成。系统网络采用主从通信控制方法：在同一通信网络中，每个设备的地址是惟一的设备地址，并只有一个主设备可以有多个从设备。避免总线通信的竞争与冲突。
    采集控制模块通过写入DCON命令初始化。本系统在串行通信波特率为9 600 b／s，无奇偶校验位，8位数据位，1位停止位的设置下通信，没有发生丢帧或错帧的现象。
2．3 关键技术
    潮汐物理模型试验是将现场的水流运动模拟在相似的物理模型上，根据水流物理模型实验的相似理论，当模型的水平比尺和垂直比尺为λL和λH时，水流速度比尺λv=λ1/2H；水流时间比尺其λt=λL／λv=λL／λ1/2H，例如一海湾模型，λL=650，λH=65，λt=83，即现场1 h相当于模型1／83=O．012 048 h=43．4 s。
    一般，将一个全潮分为25 h检测点进行水文(包括潮位、流速、流向等)测量。如果1 h现场进行一次检测，换算到模型上为每43．3 s取一个流量控制数据，数据跳跃之大使控制无法进行。所以，对25个数据进行值处理，使数据能平滑过渡。具体方法：在两个数据时间插入20个数据，即将一天划分为500个控制点。插值采用牛顿二项式插值法，共取26个点，前25点为实测数据，第26点和第一点重合。整个潮汐控制过程为：
    (1)将原始测量的潮汐水文数据转换为模型的25个数据。
    (2)将25个数据插值为500数据点，根据时间比尺，43．3 s中有20个数据通过，因此控制周期为43．3／20=2．15 s。
    (3)为准确地反映涨潮落潮，必须在相应的时间点上控制水泵的正、反转。在生成模型数据的过程中，将这些转折点数据存放在特定的数组中，数组中有500个数据。水泵有自己的“跳泵”数据，一旦“时间指针”和某个“跳泵”数据一致，电平“1”写入相应的控制模块，控制水泵的“转向”。一般模型一天有两个涨落潮，系统中用了一台双向水泵，可用一个1×4数组存放“跳泵”数据。
    (4)程序执行过程中不断地进行水位、流速、流向的数据采集，通过自适应PID控制器计算出本时间间隔内水位变化量△H，水位变化量转换为尾门开度来控制水位步骤如下：根据输入的潮汐模拟曲线参数，首先计算出本时刻尾门高度Hi，并换算成尾门与竖直方向夹角αi，再算出△t时间后尾门高度Hi+1=Hi+△H，同样换算成尾门与竖直方向夹角αi+1，由此可以求出本段内应给步进电机发送的脉冲频率，也就是变频器输出的脉冲频率。式中，n为变速箱的变速比；O．75为步进电机的步距角；△α=αi+1一αi；△t=2．15 s。然后根据需要显示在工控机的监控画面中，并按时间顺序存放在相应的数据文件中。

3 系统软硬件分析
    以在一个3 000 cm×60 cm×120 cm的水槽中实时模拟海洋潮汐为例，在水槽左端为进水口，右端为尾门控制机构，水槽中有一台双向水泵控制水流方向和水流速度，在水槽下部的给水池中有一台潜水泵始终向水槽中供水以保证水量的充足。系统可分为：现场级、控制级和监控管理级。
3．1 现场级
    现场级由各传感器、执行机构组成，主要采集水槽中水流、水位数据和执行控制级的控制指令。有水位仪、流速仪、双向水泵、潜水泵、变频器等。
    水位仪为WL一20型跟踪式水位仪，自动跟踪水槽水位O～20 cm变化，分辨率为O．1 mm，由编码器对应输出11位二进制循环码。流速仪由VR—Z流速仪前置放大器和旋浆流速仪组成，一个VR—Z流速仪前置放大器可配置8个旋浆流速仪，测量范围为5～100 cm／s，分辨率为0．5 cm／s，测量精度为1％。流速仪输出的脉冲信号通过计数／频率模块来采集。水位仪和流速仪与现场采集控制模块连接以实现模拟信号到数据信号的转变。
3．2 控制级
    控制级由PACI一7188EG，总线和各采集控制模块组成，主要功能是接收现场级的实时水位、水流参数，进行实时处理，执行控制算法，向现场设备发出指令，控制水位和水流以达到对潮汐模拟过程进行实时控制的目的。
3．2．1 PAC I一7188EG
    I一7188EG是台湾泓格科技股份有限公司生产的I一7188系列μPAC(可编程自动化微控制器)，用来组成下位机，实现与上位机通信以及数据集中算法控制并向现场采集控制模块发出控制信号，它小巧耐用，适合于总线控制的中小型工程。使用其中含有一个与NE2000兼容的10 Mb／s的工业ETHERNET接口将RS 485网络连接到ENTERNET上，实现实时远程监控。采集到的现场数据在I一7188EG中快速处理并将处理结果通过采集控制模块转换为执行机构的模拟信号以驱动执行机构。同时作为MODBUS从设备，上位机的SCADA软件通过MODBUSTCP协议访问I一7188EG。
    在I一7188EG控制器提供的ISAGRAF编程方式中使用LD语言，编程通信连接可以方便地和SCADA软件、HMI设备及其他支持MODBUS协议的设备进行连接且支持离线仿真、在线调试、检测和控制。此工程设计中，它运用于：
    (1)自动化编程：自动化编程是此工程中软件的核心部分，它包括不同的程序模块：
    信号采集模块 此模块将传感器传递到采集模块中的数据信号读入PAC，并将数据存储到PAC的存储器中。
    加减乘除等算术功能块 用于对采集的数据进行运算处理。
    布尔逻辑功能块 用于布尔逻辑处理。如在本系统用到的水位仪输出为11位的循环码，需通过设计接口程序将循环码转变为自然二进制码，以满足MODBUS设备的需要。
    标准PID模块对系统进行PID调节，使系统跟踪已知的潮汐水位水流模型，实现有效、可靠、快速模拟潮汐。
    (2)网络参数配置：在ISAGRAF中需要对各参数进行配置。如设置PAC的TCP IP地址，各现场采集控制模块的ID号(一个采集控制模块只能有一个ID号)，各接口连接，程序周期扫描时间等。
    (3)系统仿真运行：完成编译工作后，可以先在软件环境下进行仿真。ISAGRAF提供了仿真测试平台，系统仿真运行能提高工程进展效率，及时发现程序中的不合理因素。
    PAC中控制程序流程图见图2。

3．2．2 现场采集控制模块
    现场采集控制模块选用的是泓格I一7000系列基于DCON协议的I／0模块，内置微处理器，仅需两根通信线就可以建立起分布式RS 485网络，具有最佳的网络配置灵活性，非常适合小型的分散的I／O系统。且支持双看门狗功能。双看门狗包括模块看门狗和主机看门狗。模块看门狗是硬件看门狗，会自动检测模块的工作状态，当模块死机时，将自动复位模块，并将所有输出模块的状态恢复到上电预置值。主机看门狗为软件看门狗，模块的微处理器将定时(可设置时间间隔)检测PC主机或PAC的通讯状态，当其通讯不正常或死机时，输出模块的状态会自动切换到安全值。
    本系统中使用的采集控制模块有：
    (1)I一705l：隔离开关量输入模块。用于连接WL一20水位仪，该水位输出信号为11位循环码，故需要选用开关量输入模块。
    (2)I一7080：计数器模块。本系统选用的是VR—Z流速仪前置放大器阿旋浆流速仪，其输出信号为脉冲信号，通过计数器模块测量其旋浆旋转频率，计算出水的流速。
    (3)I一7024：4通道模拟量输出模块，输出0～20 mA或4～20 mA电流信号，驱动尾门旋转控制潮汐水槽中的水位和驱动变频器控制双向水泵的旋转速度以控制潮汐水槽中的水流速度。
    (4)I一7060：隔离开关量输入／继电器输出模块，用于给出开关量给变频器，控制双向水泵的旋转方向，并控制潜水泵的开关。
3．3 监控管理级
    管理监控级由上位机(工业计算机)组成。以太网负责上位机组之间的通信，同时负责上位机与下位机之间的通信。即2台工控机与PAC之间通过集线器使用MOD—BUS TCP协议通信，通讯速率达到10 Mb／s。
    为了很好地实现实时监控系统的功能，并考虑到在组态王中开发了针对泓格产品的接口设置规则，我们选用北京亚控科技公司的监控软件——“组态王6．01”。该软件是一个多用户实时SCADA软件，主要用于过程控制。
    图3是为该系统设计的海洋潮汐模拟控制系统主界面。在本系统中设计了多任务单元，数据库查询，实时曲线，实习报表，历史曲线，历史报表，报警报表等，数据查询均是实时在线的。

4 性能分析
    本系统中采用了基于RS 485总线网络作数据采集网络，只需在I一7188EG内置的ISAGRAF中配置的采集控制模块、通信接口，就可以实现现场信息交换。在控制系统中，上位机起实时现场监视作用。即使上位机当机，I一718BEG内置的ISAGRAF软逻辑控制程序仍然可以实时控制潮汐模拟系统中各点水流、水位变量，保证系统正常稳定的运行，且上位机与PAC之间的MODBUS TCP／IP远程网络，传输距离长，传输数据快，实时性高，满足系统实时性高的要求。
    实际物理结构中结点数只有11个，并不多，不会影响到通讯距离，并且通讯距离在1 km以内，不需担心其传输能力。布线上，采用总线型拓扑结构，从总线到每个节点的引出线长度尽量缩短，将反射信号对总线信号的影响降到最低程度，并使用带屏蔽层的双绞线连接，同时使屏蔽层接地，走线时避免通过强磁场大功率负载和高频通讯设备，以消除共模干扰，从而满足系统可靠性高的要求。

5 结 语
    本设计已应用于海洋潮汐模拟实验中，操作人员可以在中央控制室内运行系统软件，也可在远程网络中对实验过程实现自动控制，大大方便了人员的操作，也减轻了户外作业的劳动强度。系统投入运行以来，未出现通讯中断造成停机。图4为40 cm水深条件下，潮差3 cm，周期1200 s的规则潮波的模拟实验，实测波面与理想曲线对比，两者之间的潮位误差小于2％，相位误差小于l％。满足工程设计和科学研究实验使用要求。