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防海洋災害的有效手段，設(shè)計開發(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)議與上位機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成潮汐模擬控制系統(tǒng)。實驗證明，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、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

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關(guān)鍵詞：潮汐模擬;PAC;RS 485總線;MODBUS TCP/IP協(xié)議

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-113-04

Tide Simulation System Based on PAC

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ZHANG Xiaofei，DING Jianqiang，XU Dacheng

(Institute of Electronic Information Engineering，Soochow University，Suzhou，215000，China)

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Abstract：Based on the research work on tide is the effective way to prevent sea disaster，a tide simulation control system based on RS 485 is introduced.The RS 485 network which consists of DCON-based data acquisition and control modules and Programmable Automatic Controller(PAC) is connected to PC according to MODBUS TCP/IP protocol.Experiments show that this system can simulate the flood and ebb characteristics，and has advantages of high integration，anti-jamming capability and higher stability.

Keywords：tide simulation;PAC;RS 485 bus;MODBUS TCP/IP protocol

1 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 = λ1/2H;水流時間比尺其λt =λL/λV=λL/λ1/2H，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=0.012 048 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PID控制器計算出本時間間隔內(nèi)水位變化量ΔH，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Δt時間后尾門高度Hi+1=Hi+ΔH，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)應給步進電機發(fā)送的脈沖頻率F=nΔα0.75Δt，也就是變頻器輸出的脈沖頻率。式中，n為變速箱的變速比；0.75為步進電機的步距角；Δ α=αi + 1-αi；Δt=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-20型跟蹤式水位儀，自動跟蹤水槽水位0~20 cm變化，分辨率為0.1 mm，由編碼器對應輸出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-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-7188EG

I-7188EG是臺灣泓格科技股份有限公司生產(chǎn)的I-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-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MODBUS TCP協(xié)議訪問I-7188EG。

在I-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)⒀h(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

現(xiàn)場采集控制模塊選用的是泓格I-7000系列基于DCON協(xié)議的I/O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)，當模塊死機時，將自動復位模塊，并將所有輸出模塊的狀態(tài)恢復到上電預置值。主機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主機或PAC的通訊狀態(tài)，當其通訊不正常或死機時，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-7051:隔離開關(guān)量輸入模塊。用于連接WL-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-7080:計數(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，通過計數(shù)器模塊測量其旋漿旋轉(zhuǎn)頻率，計算出水的流速。

(3) I-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-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（工業(yè)計算機）組成。以太網(wǎng)負責上位機組之間的通信，同時負責上位機與下位機之間的通信。即2臺工控機與PAC之間通過集線器使用MODBUS TCP協(xié)議通信，通訊速率達到10 Mb/s。

為了很好地實現(xiàn)實時監(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時SCADA軟件，主要用于過程控制。

圖3是為該系統(tǒng)設(shè)計的海洋潮汐模擬控制系統(tǒng)主界面。在本系統(tǒng)中設(shè)計了多任務(wù)單元，數(shù)據(jù)庫查詢，實時曲線，實習報表，歷史曲線，歷史報表，報警報表等，數(shù)據(jù)查詢均是實時在線的。

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-7188EG內(nèi)置的ISAGRAF中配置的采集控制模塊、通信接口，就可以實現(xiàn)現(xiàn)場信息交換。在控制系統(tǒng)中，上位機起實時現(xiàn)場監(jiān)視作用。即使上位機當機，I-7188EG內(nèi)置的ISAGRAF軟邏輯控制程序仍然可以實時控制潮汐模擬系統(tǒng)中各點水流、水位變量，保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運行，且上位機與PAC之間的MODBUS TCP/IP遠程網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離長，傳輸數(shù)據(jù)快，實時性高，滿足系統(tǒng)實時性高的要求。

實際物理結(jié)構(gòu)中結(jié)點數(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)，不需擔心其傳輸能力。布線上，采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)，從總線到每個節(jié)點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，走線時避免通過強磁場大功率負載和高頻通訊設(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)計已應用于海洋潮汐模擬實驗中，操作人員可以在中央控制室內(nèi)運行系統(tǒng)軟件，也可在遠程網(wǎng)絡(luò)中對實驗過程實現(xiàn)自動控制，大大方便了人員的操作，也減輕了戶外作業(yè)的勞動強度。系統(tǒng)投入運行以來，未出現(xiàn)通訊中斷造成停機。圖4為40 cm水深條件下，潮差3 cm，周期1 200 s的規(guī)則潮波的模擬實驗，實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1％。滿足工程設(shè)計和科學研究實驗使用要求

參 考 文 獻

［1］王磊，張志明.一種基于RS 485總線的倉儲網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)\\[J\\].測控技術(shù)，2005，24(5):64-66.

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［2］張磊，王柏林.MODBUS TCP/IP現(xiàn)場總線在工業(yè)報警系統(tǒng)中的應用\\[J\\].電氣技術(shù)與自動化，2006，35(2):125-128.

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［3］王新強，劉吉普.MODBUS TCP總線在城市污水處理廠SCADA系統(tǒng)中的應用\\[J\\].儀器儀表標準化與測量，2006(6):45-48.

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［4］臺灣鴻格科技股份有限公司.I-7188EG，I-7000系列用戶手冊\\[Z\\].

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［5］北京亞控科技發(fā)展有限公司.組態(tài)王6.5使用手冊\\[Z\\].

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作者簡介 張小飛 1981年出生，碩士研究生，從事信息獲取及處理技術(shù)的研究。

徐大誠 1963年出生，現(xiàn)蘇州大學教授，碩士生導師，畢業(yè)于中國電子科技大學，CIE資深專家，致力于研究電路理論，信號與信息處理和微機應用。