潮汐模擬系統可靠性設計

張 璇

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

港口潮流物理模型試驗中潮汐、潮流的正確生成與控制是完成試驗任務的重要條件之一。為了順利完成試驗任務，試驗單位根據模型試驗的實際需要設計一套潮汐模擬系統。由于模型試驗的過程長達數月或更長，并且模型試驗結果具有累積性，需要在過往的試驗基礎上進行，儀器設備的可靠性成為系統設計的首要考慮因素。一旦系統出現故障或失控，造成模型中沖積地形破壞性的影響。本文介紹了在交通運輸部天津水運工程科學研究所潮汐模擬系統中的可靠性設計。

1 潮汐模擬系統硬件系統介紹

1.1 傳統潮汐模擬系統可靠性問題分析

傳統的潮汐模擬控制系統有潮水箱控制系統和尾門控制系統，這兩種傳統的控制系統一般設置在模型的開邊界處，對于控制邊界不是很寬的模型，能夠很好的控制模型上的水位變化[1]。隨著工程規模的不斷增大以及模型試驗要求的逐步提高，潮水控制箱系統由于規模問題鮮有使用，尾門控制系統雖可通過加長尾門的方式增加規模，但由于可靠性的問題使用也越來越少，難以適應新的模型試驗。尾門控制系統主要存在的問題如下：

(1)采用尾門控制潮汐時，模型的邊界水位的控制方式單一，一旦儀器設備出現故障，模型內的水流會產生巨大的變化并產生較強的水流，對模型內的地形特別是泥沙沖積模型影響較大；

(2)尾門及其控制執行器為調速電機和減速箱帶動的純機械結構，在潮濕及水下環境下擁有較高的故障率；

(3)系統中尾門的監測與控制，以及水位及流速的采集大多采用模擬信號，在電機大量使用的試驗廳環境下，錯誤數據量大，造成潮汐模擬的重復性較差。

針對傳統潮汐模擬系統問題的可靠性設計可明顯提升系統潮汐模擬的能力。

1.2 潮汐模擬系統中的可靠性設計原則

潮汐模擬系統中可靠性設計需要考慮的因素如下：(1)采用多點可控的供水點代替單一的模型邊界水位控制條件；(2)海港模型反復拆除，控制系統設計需要盡量集中，避免在模型多次建設拆除的過程中，系統的部件過多，造成系統部件的丟失或者部件的性能下降，給系統的運行造成影響，因此需要較高的集成度；(3)試驗現場的條件比較惡劣，大廳中擁有大量的變頻、水泵等設備，容易對設備造成影響，因此盡量多地采用數字設備，減少模擬量設備的使用；(4)對于系統上連接的多個相同的通信協議的設備，不同的端口連接，避免指令的干擾。

圖1 潮汐模擬系統硬件連接圖Fig.1 Hardware connection diagram of tide simulation system

1.3 潮汐模擬系統介紹

潮汐模擬系統是利用分布于港池四周的22臺雙向軸流水泵，實現港池和港池外側的蓄水廊道中水的流動，從而改變港池四周的動態流量，達到四面開邊界潮汐模擬的目的。潮汐模擬系統的硬件按照功能主要分為水泵控制部分、水位采集部分、流速采集部分和水位儀的擴展部分。該潮汐模擬系統的硬件連接示意圖如圖1所示。

系統的設計是以計算機為核心，通過與智能測量儀器的交互，實現對設備的控制以及港池中水文資料的感知。

2 潮汐模擬的可靠性設計

2.1 潮汐模擬系統中的設備選型

表1 潮汐模擬系統的設備選型Tab.1 Equipment selection in tide simulation system

潮汐模擬系統設備選型見表1。系統選擇變頻器和變頻水泵作為控制器，采用開環控制的方式。控制軟件按用戶設置的頻率控制水泵的轉速，通過調整水泵運行的頻率曲線來調整模型中的潮位和流態。

水位計和流速儀為系統中的觀測設備，與變頻器采用相同的通信方式。系統對水泵控制的可靠性是用戶最關注的問題。為保證通信質量，采用PCI插槽多串口卡，可為計算機擴展出獨立的4個RS485接口。

2.2 水泵控制的可靠性

水泵控制采用變頻器控制的方式，為系統可靠性設計最重要的環節。潮汐模擬系統中擁有總計22臺變頻器，在進行電纜布置時，應考慮線路對系統可靠性的影響。采用雙絞線連接電纜，在進行網絡布局時盡量減少分支，并且節點距離總線的距離應該盡量短，這樣可以減少反射信號對總線的干擾[2]。金屬網包裹在信號線的外部，金屬網的外部利用絕緣層隔斷，切斷儀器設備靜電干擾的途徑，還能抑制電磁干擾[3]。因此，在選擇線路時，選擇具有金屬屏蔽網的雙絞線。由于接口為半雙工的工作模式，為了加快計算機對變頻器的控制，防止計算機之間的互相干擾，采用兩根通信線路分別控制11臺變頻器的方式。計算機與變頻器通信電纜的長度為40 m，為了保證通信的可靠性，采用了有源光電隔離的RS232-RS485轉換器，將計算機與變頻器連接。經實驗證明，采用有源光電隔離RS232-RS485轉換器比采用無源轉換器或采用PCI卡串口擴展卡的指令丟失率要低的多。一方面光電隔離可以屏蔽掉許多干擾，另一方面有源轉換器在輸出功率上有保障，誤碼率低。

計算機對變頻器的控制采用的是ModBus協議，RS485接口。ModBus協議是Modicon公司于1978年發明的一種用于電子控制器進行控制和通信的通信協議。通過此協議，控制器相互之間、控制器經網絡和其他設備進行通信。ModBus可分為兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。在配置每個控制器的時候，同一個ModBus網絡上設備必須選擇相同的傳輸模式和串口參數[4]。ASCII模式是一種人類可讀的，冗長的表示方式，消息幀見表2。

表2 ASCII模式的消息幀Tab.2 Message frame in ASCII mode

國產變頻器歐瑞 F2000-P的指令為例：以“：”(ASCII碼3AH)字符作為起始符，以回車符(ASCII碼0AH，0DH)作為結束符，指令長度為34個字節。數據幀內容包括發送的變頻器的轉動方向以及輸入頻率，以及當前計算機中記錄的變頻器的狀態信息。變頻器返回的幀長度與接收的幀長度一致。這樣的通信方式保證了系統的可靠性，一方面指令中的LRC校驗可以驗證所收到信息的正確性，在收到正確的指令的前提下開始工作；另一方面應答模式保證了計算機可以知道當前變頻器的工作狀態，通過對比計算機中的數據與返回的數據，保證變頻器處于可控狀態。

RTU模式是一種緊湊的，采用二進制表示數據的方式，其指令長度相對較短。在串口波特率設置為9 600的條件下，上位機采用LabView狀態機以應答模式與變頻器通信，完成一次34字節的指令應答需要近250 ms的時間。為了提高計算機對變頻器控制采集的可靠性，采取連續發送2～3次指令的模式，完成對11臺水泵的一次頻率變化，需要的時間約為5 s甚至更長的時間。而采用RTU模式的指令，完成指令應答的時間僅為ASCII模式下時間的1/4～1/3, 通信的效率會明顯提高，降低了計算機通信線程的負擔，提高了軟件的穩定性和整個系統的可靠性。

2.3 水文監測儀器的可靠性

水文監測儀器主要包括水位采集設備和流速采集儀器。水位采集儀器市場量小，大多是相關科研院所開發，采用RS485接口進行通訊。水位采集儀器大多采用發送包含儀器編號的讀取指令，采集設備回復固定格式的指令，回復指令較少包含校驗位，用戶通過解析回復指令，獲得水位數據。對于這種未采用數據校驗的設備，采用擴展計算機數據接口、獨立成網的方式，降低其他設備對其影響。對于輸出量為模擬量的壓力型水位測量儀器，采用具有光電隔離的4017采集模塊進行采集，可實現多通道的數據采集，攜帶多個儀器。對于水位采集儀器來說，采用具有校驗功能的指令時，其產生無效數據的幾率要比無校驗時低的多；采用數字信號設備比模擬信號設備時可靠性要高的多。流速測量儀器采用小威龍流速儀，其數據接口為全雙工的RS232接口，通信距離相對較短，可采用RS232-RS422設備進行通信線路延長，提高其適應模型的能力。對于某些新型的采集設備，可采用無線通信的方式進行數據傳輸，降低了傳統布線帶來的人力物力消耗以及信號在線纜傳輸過程中的故障率[5]。

潮汐模擬系統中每一類水文監測儀器可以采用一個由PCI串口擴展卡擴展出的接口，避免不同儀器間的指令干擾。

2.4 儀器可靠性比較

采用可靠性設計的潮汐模擬系統，在可靠性上與傳統的尾門控制系統等相比，具有較大的提升，主要體現在以下幾個方面：

(1)采用可靠性設計的潮汐模擬系統連續工作時間加長：變頻軸流泵的潮汐模擬系統可連續工作3～5 d，尾門控制模型一般連續工作1～2 d即需停機維護；

(2)采用可靠性設計的潮汐模擬系統失控情況少，失控損失小：變頻器的控制方式使模型多點控制水位，水泵與預期工作狀態不一致時，僅3 min之內系統即可反映并報警，失控時局部流速最大為1～2 m/s；尾門控制模型失控時流速可達5～10 m/s，對模型具有較大傷害；

(3)采用可靠性設計的潮汐模擬系統采集的失效數據較少：新系統對變頻器控制的指令錯誤為0.1%，水位采集錯誤數據量為0.5%，遠低于尾門3%的控制、采集錯誤數據率。

3 潮汐模擬系統的應用

將該潮汐控制系統應用到印尼龍灣電站潮流物理模型試驗中[6]，在潮汐模擬系統中選擇了3面總計15臺水泵模擬工程區域變化復雜的潮流特征。模型試驗中，相鄰兩個潮位觀測點的時間為107.6 s。由于實測的潮位在相鄰時刻間有較大的變化，只對觀測點的邊界流量進行模擬，不能很好地模擬潮汐特點，因此用樣條插值法對流量曲線進行插值，相鄰兩個點之間插入3個點，即每26.9 s一個流量數據，使水泵流量的變化過程更加平滑。選取一天中大潮的數據作為潮位驗證的結果，模擬驗證結果見圖2。

圖2 模型試驗潮位曲線模擬結果圖Fig.2 Simulation results of tidal level curve in model test

在實際試驗的過程中，需要將一年中的大中小潮的數據拼接，在56 h中連續進行試驗，以模擬較長時間的潮汐變化對實際工程的影響。潮汐模擬系統在試驗過程中，記錄變頻器的頻率變化與水位變化的結果，其中頻率的復現率為100%，水位的復現率為95%。

4 結語

在潮汐模擬系統中，采用多點可控的供水點設計，可降低系統失控風險并提高水位控制的靈活度；采用數字化的控制、采集和通信手段，可有效提高系統的可靠性和穩定性，提高潮汐模擬的準確度，從而顯著提升潮汐模擬系統的性能。潮汐模擬系統的可靠性設計，使系統在操作性和性能上都有顯著提升，可在潮汐模擬試驗中推廣應用。