（计算机应用技术专业论文）河工物理模型中潮汐控制系统组态软件的设计及应用.pdf

摘要 摘要 组态软件是指数据采集与过程控制的软件，可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能 同时支持各种硬件厂家的计算机和i ( 3 设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合。可向控制层和 管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。 大型河工物理模型试验系统的重要组成部分潮汐控制系统通常是由测控软件实现的。这类测 控软件不仅开发周期长。而且适应性差本文在广泛调研的基础上，将组态软件的通用特性和大型河 工模型试验系统的特定需求结合起来，提出采用组态软件思想来开发潮汐测控软件，设计和开发个 潮汐控制系统组态软件，提出了组态软件平台的数据结构设计方法，组态平台开发环境和运行环境的 设计方案，实时数据库的设计方案，并利用v i s u a lc + + 6 0 实现了该组态软件平台的开发和运行环境。 实现的模块有：图形界面系统中的图元库模块、图元操作工具模块，动画连接模块、数据库模块。 与其他测控软件系统相比，本文采用的设计方案具有较强的适应性，可以适应不同的河工物理模 型：具有较高的实时性，可以同时处理多个任务；具有可扩展性，可以根据少数河工物理模型的特殊 需要，增设控制组件，实现控制功能。 关键词；河工模型、组态软件、图形界面、动画连接、a c t i v e x 控件、实时数据库 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei st h es o f t w a r et h a ti su s e df o rt h ed a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s c o n t r 0 1 t h es o f t w a r ec a l lc o m p l e t ea l lk i n d so ff u n c t i o n so f t h em o n i t o r i n gl e v e le a s i l f t h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec a na l s os u p p o r tt h ec o m p u t e r sa n di od e v i c eo fm a n yc o m p a n i e s b yu s i n gt h ei n d u s t r yc o m p u t e ra n dn e t w o r k ，t h es o f t w a r ec a np r o v i d ea l lt h ei n t e r f a c e so f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rt h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n tl e v e lt op e r f o r mt h es y s t e mi n t e g r a t i o n t i d ec o n t r o ls y s t e m ，t h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to fl a r g e r i v e rm o d e le x p e r i m e n ts y s t e m , i su s u a l l yr e a l i z e db yc o n t r o ls o f t w a r e t h ec o n t r o ls o l t w a r eh a sn o to n l yl o n gp e r i o do f e x p l o i t a t i o n ，b u ta l s ow e a k l ya d a p t a t i o n o nt h eb a s i so fw i d ei n v e s t i g a t i o n ，ac o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ep l a t f o r mh a sb e e nr e a l i z e db yv i s u a lc h6 o i th a st h ec o m m o nc h a r a c t e r so f c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dm e e t st h es p e c i f i cu s e rr e q u e s t t l l ed a t as t r u c t u r eu s e di nt h e s o f t w a r ep l a t f o r mh a sb e e nd e s i g n e d t h em a i n f r a m eo ft h ed e v e l o p i n ga n dr u n n i n ge n v i r o n m e n t h a sb e e nr e a l i z e d 1 1 1 et h e s i sh a sr e a l i z e df o l l o w i n gm o l d s ：g r a p h i c a ld r a wl i b r a r ym o l d 。g r a p h o p e r a t i o nt o o lm o l d ，p i c t u r em o l d ，d a t a b a s em o l d c o m p a r e dw i t hs o m ek i n d so ft h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ep o p u l a ru s e d ，t h i sc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ep l a t f o r mh a ss t r o n g l ya d a p t a t i o n t h i ss o f t w a r ec a nm e e tt h er e q u e s to fd i f f e r e n t r i v e rm o d e l t h i ss o f t w a r ep l a t f o r mh a st h ec h a r a c t e r so fr e a l t i m ef e a t u r ea n de x p a n s i b i l i t y f o rs p e c i a ln e e d k e y w o r d s ：r i v e rm o d e l ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；g r a p h i c a li n t e r f a c e ；p i c t u r el i n ka c t i v e xc o n t r o l s ； r e a l t i m ed a f a b 8 5 e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 乌i 壬 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生躲址翩躲蜂日期：扣加、y 第一章概述 第一章概述 1 1问题的提出 在非恒定流的大型河工模型试验中，由于要对其入流和出流及沿程水位与流速等进行实时的数据采 集与控制，所以大都需要采用计算机自动检测与控制技术。目前在大型的河工模型试验中，计算机自 动测控系统中的测控软件大都是由软件开发人员用各种编程语言通过编制大量的指令和代码来实现 的，其工作量大、成本高、周期长、通用性差。 一般来说，大型河工模型试验的技术人员都是港口或水文、水利专业，对计算机的理解一般处在 应用的范畴。在大型河工模型试验中引入组态软件技术，可使用户避开复杂的计算机软件代码编制， 集中精力解决好试验本身的问题，按照试验系统的要求，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化 的测控软件系统。 随着计算机技术发展和信息化步伐的加快，在生产生活的各个方面，监视测控系统得到了广泛的 应用研究，展现出很好的应用前景，针对每个工程的监视软件设计和编程，由于所耗时间过长，已经 逐步被一种更为灵活、更为稳定的开发技术钼态软件所替代。组态软件可以针对用户的需求。配 置出适乎需要的监控软件。 本论文从分析大型河工模型试验系统入手，根据河工试验的需要，设计和开发一个较小的组态软 件，改进河工试验的控制系统，使河工试验更为简便、更为精确 1 2 目前国内外的研究状况 组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的，2 0 世纪8 0 年代中后期，随着个人计算机 的普及和开放系统( o p e ns y s t e m ) 概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场，并发展壮大 起来的。国内外对于专用的河工模型试验的综合的水利实时监控组态软件还很少研究和应用目前河 工模型试验监控系统有的在使用传统的继电器控制、有的在使用p l c 控制，比较先进的有使用现有组 态软件，配置出监控系统。组态软件配置监控系统有着很强的优势，一是可视性强，可以看到历史与 现实的数据，图表、故障等；二是可操作性强，可以通过计算机的鼠标操控开关与阀门，完成控制的 任务；三是可维护性强，可以不断的改进和完善监控系统，不断更新和升级。 目前国内外使用的组态软件主要有： i n t o u c h ：美国w o n d e r w a r e 公司率先推进的w i n d o w s 环境下的组态软件，在国际上曾经占有较高 的市场。在中国曾经采用代理制，在中国市场有较大影响。i n t o u c h l 软件的图形功能比较丰富，使用 较方便，但控制功能较弱，其i o 硬件驱动丰富，但使用d d e 连接方式，实时性一般。 f i x ；i n t e r l l u t i o n 公司产品，系统齐全，包括d o s 版、1 6 位w i n d o w s 版、3 2 位w i n d o w s 版、 o s 2 版等。功能较i n t o u c h 强，但实时性仍一般，i 0 硬件驱动丰富，但需要单独购买。最近推出i f i x 是全新模式的组态软件，功能较完善，但过于庞大和臃肿，对中国用户不是太合适，有影响w i n d o w s 系 统稳定性的报告。 组态王：国内较早出现的组态软件之一，早期仿造i n t o u c h ，只是个人机接口，到了5 1 版本 后，在数据管理和开放性方面有了较大改进，但体系结构没有实质性的变化，网络功能较薄弱，支持 不了实质意义的分布式系统。 东南大学硕士学位论文 m c g $ ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ) ：m c g s 工控组态软件是一套3 2 位工控组态软 件，可稳定运行于w i n d o w s 9 5 9 8 2 0 0 0 等操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、制备控制与 输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身。并支持国内外众多 数据采集与输出设备，广泛应用于石油、电力、化工、航天、水利等工程领域 力控：也是国内较早出现的组态软件之一，其最大的特征是基于真正意义的分布式实时数据库的 三层结构，而且其实时数据库结构为可组态的活机构，在很多环节，力控都是国内用户实用的软件 由于国外产品实现的细节是保密的，他们的软件对于我们是可以使用的黑匣子，安全上受制于人； 国产软件由于性能上一些缺陷，以及价格上的原因，使得我们必须继续分析工业数据采集和监控软件 的一般结构和开发方法，设计一套组态工具，以快速、稳定的开发出可靠的监控系统，以利用于河工 物理模型的试验。 1 3 课题的来源以及作者完成的工作 本课题来源于南京水利科学研究院承接海阳电厂设计，需要制作大型河工模型，因其熟悉水利分 析，但对河工模型的控制系统不胜熟悉，在制作河工模型时，提出需要改进河工模型的控制系统，提 高控制精度，减少控制复杂性，在导师的带领下，我们分析大型河工物理模型中潮汐监控系统的需求， 设计和搭建监控系统的硬件结构、设计和编制部分组态软件，期望该系统能够完成： 分析河工物理模型控制系统的基本功能； 构建河工物理模型控制系统的硬件系统； 构建一个河工物理模型控制系统的组态软件模型 组态软件能够提供基本的用户界面： 组态软件能够提供图形编辑生成功能； 组态软件支持脚本编程，高度可视化、功能强大的组态软件图形界面系统。 1 4 论文的组织 本论文组织主要包括以下几个方面； 1 、从分析河工物理模型入手，介绍河工物理模型的组成、作用以及设计与实现； 2 、研究河工物理模型中潮汐控制系统的组成与设计； 3 、提出了应用组态软件的思想设计潮汐控制系统，分析组态软件的特点、结构与实现方法； 4 、重点研究和介绍组态软件的图形界面系统的设计与实现； 5 、在图形界面系统的基础上，研究和介绍实时数据库的设计与实现； 6 、最后应用图形界面系统应用到河工物理模型潮汐监控。 2 第二章河工物理模型及其基本实现 第二章河工物理模型的组成 2 1物理模型中河工中的地位与作用 模型试验是科学研究的重要方法和工具。模型是对具有相同的物理本质特征的一类事物的抽象， 以达到对事物本质和规律的认识河工模型试验是水利科学研究中重要的研究方法和专门技术，应用 甚广近年来随着水利工程的不断兴起，长江、黄河以及各大海域都己建或正建一大批工程，河工、 港工和水工任务十分繁重，模型试验也随之大量增加。河工模型是根据河流动力学知识，依据水流和 泥沙运动的力学相似原理，模制出与原形相似的边界条件与动力学条件，从而研究河流在天然河流情 况下或在有水工建筑物的情况水流结构、河床的演变过程和工程方案效果的一种方法。河床演变的过 程相当复杂，许多河床的演变是不用能分析计算的方法加以解决的，必须采用模型试验的方法来研究 我国水工设计规范明确规定：“在水利工程中大型工程、水力条件较复杂的中型工程应进行水工模型试 验，论证其设计的合理性”。 因为河工模型试验可以在一定的空间与时间范围内，能够重演天然河流的某些演变过程或模拟、 预报修建工程后的发展趋势。因此，河工模型试验在河工、港工、水工中得到了广泛的应用，模型试 验的技术也得到了较大的发展在计算机技术飞速发展的今天，也有根据数理方程，利用数学模型使 用计算机进行计算、演算的方法，对河工系统进行分析和研究，但由于河床形态的变化不能适当的简 化，或者有些问题三维性质占有十分重要的地位时，或者在一些重要的水工建筑工程中，难以用数学 模型加以研究数学模型在很多场合不能代替物理模型，在许多情况下，往往采用数学模型与物理模 型相结合的方法，以求得问题的解决。例如，在长江葛洲坝和三峡枢纽工程的泥沙问题的研究中，就 大量采用了这种方法。 河工模型试验的研究成果，对于制订正确的河流规划和工程设计方案提供指导意见方面起到很重 要的影响，在国民经济中具有一定的作用从全世界范围来看，从牛顿发表相似理论以后，1 8 9 8 年德 国建立起第一个河流水力学试验室。至今各国河工模型应用相当广泛，水力模拟迅速发展，并成为解 决各种水利工程问题的普遍公认的有效工具。随着我国水利事业的蓬勃发展，在开发长江、黄河、海 域等水利资源的各项工程中进行了许多试验工作，某些研究成果已经处于国际先进水平，全国各地己 设立了许多水工试验研究机构，南京水利科学研究院就是其中的极为熏要的一所。 2 2 河工物理模型的设计 河工模型试验是依据几何、水流和泥沙相似的要求，在物理模型上进行河道演变和工程方案实施 效果、影响的试验研究，河工模型试验要有一定的场地和设备。河工模型试验的场地和设备，要根据 各种研究任务的要求和将来的可能发展来确定，场地大小要能够建造试验模型外，还能安置各种配套 设备以方便的试验。河工模型一般需要较大的场地，建筑物必须有很大的跨度，南京水利科学研究院 1 9 5 7 年制作的黄埔江河口的物理模型实验室尺度为：6 0 * 2 5 ( m ) ，1 9 9 8 年制作的上海深水港物理模型 为3 6 * 5 0 ( m ) 。河工模型试验室一般为单层建筑。要求高度和模型要求高度相适应，并随屋架的跨度、 采光、通风、摄影、录象以及吊运设备的要求而定。试验室的布置要考虑，采光和照明，充足的光线， 便于观察水流和泥沙的运动情况；摄影和录像，摄影和录像是观察水流流态，记录水流和泥沙运动信 息的重要方法；温度控制，由于水温对于泥沙的运动有较大豹影响，必要时需要控制和调节试验的水 东南大学硕士学位论文 温；上、下水系统，试验室要有足够的蓄水池，并建立蓄水池与试验模型之间的上水管路系统、下水 管路系统，有便利的取水与排水设备 2 2 1 河工物理模型中的水流系统 水流系统是河工模型试验中重要的组成部分，就水源性质而言。可分为策略式和抽水式两种，就 水质而言，可分为清水系统和浑水系统，就配水方式而言可分为单一式和综合式重力式水流系统 是以河渠的水作为水源，利用河渠的水面和模型地坪的高低差，以水的自流方式，将水流引入模型， 不需要动力设备，水流经过使用后。再通过退水渠道回到原河渠内。当水源的水位变化很小时，可由 引水渠或引水管将水直接引入量水设备当水源的水位变化很大时，则需要修建进水闸，以控制进入 量水设备的流量。重力式水流系统造价低、维护简单方便，并能引用较大的水流量，适用于大比例尺 模型上引用大流量的鼯天试验场。其缺点在于受天然条件限制过多，有时不能充分及时供水。冬天还 受到水温过低影响，影响试验的进行抽水式水流系统，是用水泵将蓄水池或河流湖泊的水抽到平水 塔，再由平水塔配给试验模型，经模型试验后，水流经退水渠汇回蓄水池或河渠湖泊，这种抽水式水 流系统，能保证稳定持续的向模型供水，但基础设备建设任务重，维护费用也较高，而且需要整套的 动力设备。在有些情况下，抽水式水流系统不设平水塔，由水泵直接向模型供水，但要求在系统中装 备稳压和调节与控制流量的设备，以避免流量的波动 水泵是抽水式水流系统中重要的部件，主要负责模型中的供水。水泵根据原型进水的不同，进行 合理的分布和设置，有的设置于模型的某一角落，有的设置于模型的整个外围。水泵一般都由较大功 率的电机驱动，电机可为交流电机、直流电机。当需要供水时，电机全部或部分起动，驱动水泵向模 型供水。 尾门是抽水式水流系统中负责模型排水的部件典型的尾门有两类，一类是卧倒式翻板门，其结 构形式为一块矩形板；一类是格栅式横拉门，其结构形式为两层隔栅。一层固定。另一层可以横向移 动。当需要捧水时，电机驱动尾门转动和移动，形成开口，水流自然流出。当模型水位变化不大时， 格栅式横拉门出流量几乎与开度成线性关系，因此水位调节振荡小、精度高。但是，格栅式横拉门缝 隙多，漏水量大。当模型中流量变化较大时，在小流量时段，由于漏水量较大，必须用人工封堵部分 门缝的方法才能完成水位的调节。这样不仅会给试验操作带来不便，难以实现尾水全过程自动调节， 同时也影响小流量时的水位控制精度。如采用卧倒式翻板门，其门板两侧的门缝可用橡皮封堵， 以解决漏水问题，而且调节速度也较快。但尾水振荡幅度较大，较难以满足试验控制精度要求。 2 2 2 河工物理模型中的测量设备 水位仪：水位仪是河工物理模型中重要的测量设备，主要测量预定位置的实际水位。按仪器感知 水面的方式，可分为接触式水位仪和非接触式水位仪。非接触式水位仪，如超声式，也有不少产品， 但在性能、精度、价格等方面尚未满足实用要求。目前普遍使用的是接触式水位仪。接触式水位仪按 触水测针测取水位值的工作方式，又可分为跟踪式、探测式和振动式水位仪。根据实际应用要求，水 位仪的工作性能应满足：水面感知方法科学、精细、误差小，稳定性好：仪器加工制作精细，电机 选配得当，故障率低；器件热稳定性好，能较长时问工作，对工作环境及介质条件要求较低：具 有标准的通讯接口，便于系统集成；具有价格优势。 表2 - 1 目前国内几种常用水位仪的比较 4 第二章河工物理模型及其基本实现 步进电机型精密承位仪光橱水位仪 编码跟踪水位仪振动针式精密承位仪 水面检测方式探测式 探翻式跟踪式振动式 计量技术步进电机直线光橱数字编码旋转光嚣 仪表结构 传感器与仪表分离一体化一体化一体化 分辩率( 单位：m ) o 0 50 0 20 1 0 o l 精度( 单位：m )o 10 0 50 20 0 5 通信方式 4 8 5 标准4 8 5无标准4 8 5 稳定性差、易误码、 稳定性 热稳定性差热稳定性好热稳定性好 极化严重 探针易有附着物，受水温水质变化的 易失步，探针易有附着测针不易附着杂物，水 如不及时清理易产影响，测针易有附 主要优缺点物，如不及时清理易产 位较平静时，输出相当 生误差，选配的电着物，如不及时清 生误差 稳定 机不适当理易产生误差 振动针式精密水位仪主要由振动头、信号处理、放大驱动、交流伺服电机、光电编码器、单片机 系统和r s 4 8 5 通讯接e l 组成。水位仪留有标准的r s 4 8 5 接口，可以方便地和其它设备相连。由于r s 4 8 5 采用了差动信号传输方式，其通讯距离、速度和可靠性均很高水位仪主要技术指标：检测范 围：o - 4 0 c m ；信号输出：l l s 4 8 5 通讯口；摄大跟踪速度：1 5 m m s ；读数分辨率：士0 o l m m ；检 畏9 精度：士0 0 5 r a m ； 电源：交流2 2 0 v ，5 0 1 1 z ；环境温度：0 c - - + 4 0 c 环境湿度：9 5 。水位仪的 工作原理；水位仪采用振动针式，振动针在水面以l o - 5 0 h z 频率上下振动，不断探测实际水平，避免 了探测式水位仪探针大幅度上、下触探水面时产生的波动和读数不稳定，减少了水面探测误差。同时， 仪器工作时，振动头中的振动针以1 0 5 0 h z 的频率上下振动，当振动针与水面接触时，信号处理电路 得到1 个高电平的信号：当振动针离开水面时，信号处理电路得到1 个低电平的信号：这样一来，当振 动针正好在水面上下振动时，信号处理电路得到一个占空比为5 0 的高、低电平变化的脉冲信号。当 水位变化时，输入到信号处理电路中的脉冲信号的占空比也将随之改变。如水位升高，则高电平时间 长、低电平时间短，此时单片机系统就控制电机使振动头向上运动，直至高、低电平的占空比再次达 到5 0 时为止；如水位降低，则低电平时间长、高电平时间短，占空比小于5 0 9 i ，单片机系统就控制电 机使振动头向下运动，直至高、低电平的占空比再次达到5 0 $ 时为止。用这种确定方法，当水面在上 升或下降过程中，振动针处于5 0 占空比时的位置，即指示为水面位置，采集相应的水位值。水位仪 机械部分主要包括丝杆、滑块，振动针等几个部分，电机的正、反转带动丝杆的正、反转，丝杆的正、 反转使滑块上、下移动。振动针连接在滑块上，从而实现水位振动测针的上升、下降运动。在水位仪 上装有限制行程范围的上、下限位开关，水位仪开机时先提升振动针到上限位。把上限位作为一个相 对的基准位置，水位仪一旦安装好后，这一基准高程也就确定了。水位仪每次工作时，先提升振动针 到基准高程，而后下降探测水面。同时计算机开始记录光电编码器下行的脉冲数。当探测到水面时电 动机停止转动，计算机内脉冲数不发生改变，即为当前实际水位值。 流速仪。流速测量是流动测量技术最核心的内容，一直是国内外研究的重点和热点。进入九十年 代以后，流速测量技术得到了新的发展。从单点流速测量发展到多点测量、全场测量：从单向到多向、 从稳态到瞬态发展：从毕托管、熟线热膜流速仪( h w f a ) 、旋浆流速仪、激光流速仪( l i ) v ) 、相位多普勒 东南大学硕士学位论文 ( p d p a ) 发展到粒子成象速度场仪( p i v ) 热线技术是最早实现多点测量技术的方法，目前已出现多达 8 0 点的寝4 量仪器和飞行热线测量方法激光测速技术也已实现了多达六个测量体的l d y 系统但是这 些方法或干扰和破坏了流场、或者成本太高，而且对获得整个细致的流动图像也很费事，更主要的是 难以满足瞬态流场测试的需要。粒子图像测速技术的发展为上述问题的解决创造了条件粒子图像溯 速技术( p a r t i c l ei m a g i n ev e l o c i e e t r y ) 简称p i y 技术，是在流场中施放示踪颗粒，采用摄、录像的 方法记录颗粒的运动轨迹，经过图像处理得出全试验段的表面流速和流态。如果设置多套摄录像系统 则可在要求的时间内完成流场信号的同步记录，再通过图像处理，叩能获得需要的成果。这种方法对 流场干扰小，具有较高的精度，节省大量的试验时间，具有较大的经济效益。p i v 系统可以测出河工 模型表面流速，尚不能测出整个断面流速分布，难以计算分汉河道分流比，行蓄洪区分流比等重要参 数。鉴于上述测量仪器和手段在河工模型试验应用中的局限性，目前河工模型仍普遍采用是旋桨流速 仪。传统的光电式旋桨流速传感器大都是采用可见光源来进行流速测量的，这种传感器一个重大缺陷 是受外界环境光的影响，可靠性差。发光灯泡寿命短，故障率高，需要频繁更换灯泡，以保证试验正 常进行。在进行非恒定流试验时，试验需要连续不断放水，流速传感器故障造成流速漏测。 现在多数使用红外流速传感器，红外辐射( 红外光) 是波长介于可见光与微波之闻的电磁波，波长 范围为0 7 5u - 1 0 0 0u ( 微米) ，环境光( 太阳光) 中的红外辐射，经过大气中长距离传播后，会有很大 的衰减，其中最主要的一个因素是大气中各种气体对辐射的吸收能透过大气的红外辐射基本上被分 割为三个波段，即1u - 2 5u ，3u - 5u 和8u - 1 3u ，称之为。大气窗”。此外，大气中的悬浮微 粒，如尘埃等，引起散射，使红外辐射迸一步衰减。因此，采用红外辐射作为光源，受环境光( 辐射) 的影响是很微弱的。目前采用的光电旋桨流速传感器光源是白炽灯光源，为可见光，环境光的强弱直 接影响到旋桨信号的接收。采用半导体红外发光管作为光源后，环境光中红外辐射强度微弱，极大地 减小了对旋桨反射信号的于扰，进一步对红外光源进行调制，即用频率为l o k i - i z 左右的振荡器对红外 发光二极管l e d i 进行调制，同时用红外接收管取代了传统光电旋桨流速传感器中的光敏管，这样由红 外发光管发出的红外调制光经旋桨叶轮反射后，由红外接收管接收并输出与其同步的调制电信号。此 信号送入由电容器和运放组成的放大电路中，放大后的信号由低通滤波电路进行滤波，适当的选择截 止频率f ，使得与旋桨同步的低频信号可以通过，由此产生的低频脉冲信号再经放大和比较限幅后即 可产生标准的t t l 脉冲输出信号并驱动状态指示灯l e d 2 闪亮，用以指示流速的脉冲信号输出。红外流 速传感器除解决了环境光影响的问题外，还具有以下一些优点：功耗小、寿命长、可靠性高。能 直接输出标准的t t l 脉冲信号，便于计算机采集处理适当提高发射功率，旋桨叶轮的反射面不电镀 也能得到足够的反射信号，这样即可解决不良水质对电镀面的影响问题，从而使其可应用于浑水系统。 2 3 河工物理模型的检验 模型建成后，应严格检测模型的几何形状与尺寸的准确性，并按原型的数据资料验证模型中水流 的运动、泥沙运动以及河床演变的相似程度。如有必要，可调整模型设计中的有关比尺，以保证模型 能重演天然河、海的水流和泥沙运动现象以及冲淤变化，为规划设计提供可靠的依据。 模型的检验包括模型几何尺寸的检验、水流运动的相似验证、液态与流速分布的验证、悬移质含 沙量及推移质输沙量的验证、河床冲淤变形的验证。 几何尺寸的验证，在模型塑造完成后，需要进行仔细的检验，检测各特征点的平面位置及其高程， 以及模型微地形的形态，模型地形的平面距离控制精度为士l o m m ，高程控制精度为士2 m m 。模型微地 6 第二章河工物理模型及其基本实现 形的形态和轮廓尺寸，应原型的形态与尺寸保持相似。 水流运动相似的验证，在几何相似的基础上，进行水流运动的相似性验证，水流运动的相似性验 证包括各级流量下水砸线的相似、水流沿垂线及沿河宽流速分布的相似、局部水流结构的相似等水 面线的相似是河床阻力相似的标志，水面线的相似验证是根据原型实测若干级流量相应的沿程各站的 水位资料，在模型中施放相应的流量、测量沿程各站的水位，如果所测水位与实际水位不一样，可以 调整河床的糙率，使沿程各站的水位和原型水位一致。液态与流速分布验证应进行洪、中、枯水清水 率定和浑水流速液态验证，水流的流态与流速反应了水流的流场，是模型运动相似的重要标志，水流 的流态和流速分布，决定了泥沙的运动，对于研究包括有泥沙运动的河工模型尤其重要经过验证后 的河工物理模型才能真正投入使用。 2 4 河工物理模型与潮汐控制系统的关系 河工物理模型的核心是潮汐控制系统，潮汐控制系统通过预设程序和命令，使模型中各个部件协 同工作起来，实现模拟真实现场的要求。潮汐控制系统将在下一章进行介绍 7 东南大学硕士学位论文 第三章潮汐控制系统的设计 潮汛控制系统设计成一个集散式控制系统。主控部分采用工业控制计算机，工控机通过若干台下 位机、模数转移( a d ) 卡、开关量输入输出( d i d o ) 卡、r s 2 3 2 、1 t s 4 8 5 转换器、i s a 总线扩展口、 h a x 卡等，分别与现场的仪器仪表和执行机构相连接，如水位计、浪高仪、流速传感罂、测沙仪、入 流出流执行机构( 水泵，尾门等) 水泵流量控制机构、尾门开度控制机构等由工控机分别对箕进 行相应的数据采集、分析，进行发出指令和控制，形成个很完备的系统。系统框图如图3 - 1 。 图3 - 1 潮汛控制系统框图 3 1 信号输出系统( 可编程控制器) 可编程控制器( p l c ) 是一种专为在工业环境下应用而设计的进行数字运算操作的电子系统。它采用 一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时，计数和算术操作等面 向用户的指令：并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其 有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原贝设计。可编程控制器 ( 眦) 的特点是：可靠性高，编程方便、易于使用，控制能力强，扩展及与外部联接极为方便。在机电 一体化中可编程控制器在硬件结构上通常可分为三大部分：c p u 板、i o 板和电源。还有系统软件和外 围接口。根据系统的规模和要求，选用s i l i a t i c5 7 2 0 0 系列产品。其与上位机的连接如图3 _ 2 ： 图3 - 2p l c 与上位机的连接示意图 8 第三章潮汐控制系统的工作原理和周围设备 p l c 与上位工控机的接口，一般采用串行通讯方式，串行通讯方式是组态软件与i 0 设备之间最 常用的一种数据交换方式。串行通讯方式使用。组态计算机”的串口，l o 设备通过r s - 2 3 2 串行通讯 电缆连接到。组态计算机”的串口。大多数的可编程控制器( ( 眦) ，智能模块、智能仪表采用此方式 申行口是计算机与外部设备进行数据交换的重要介质。其具有连接简单、使用方便，数据传输可靠等 优点，因此在工业监控、数据采集和实时控制系统中得到了广泛的应用。在进行串行通讯设计时，为 了保证通信的正常工作，必须设计正确的l l s - 2 3 2 c 电缆的连接方式。 当组态计算机与多个i o 设备相连时，由于p f s - 2 3 2 是一个点对点的标准，可以将r 5 - 2 3 2 转化为 r $ - 4 8 5 ，再经过一次r s - 4 8 5 到r s - 2 3 2 的转化，实现一个计算机串口连接多个i 0 设备。见图3 - 3 ： 图3 门计算机串口通信图 3 。2 数据采集系统 数据采集就是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 可以是物理量，也可以化学量、生物量等) 通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样，量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器 进行数据处理或存储记录的过程。控制器一般均由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的核心， 它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理，用于数据采集的成套设备称为数据采集系统 ( d a t aa c q u i s t i o ns y s t e m ，印n a s ) 。 在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可以通过多路模拟 开关来实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，因此，在多路开关后的单 元电路，如采样保持电路、a d 及处理器电路等，只需一套即可。这样节省成本和体积。但这仅在物 理量变化比较缓慢、变化周期在数十至数百毫秒之间的情况下较合适。因为这时可以使用普通的数十 毫秒a d 转换器从容地分时处理这些信号。但当分时通道较多时，必须注意泄露及逻辑安排等问题： 当信号频率较高时，使用多路分路开关后，对a d 的转换速率要求也随之上升。在数据通过率超过 4 0 - 5 0 k h z 时，一般不再使用分时的多路开关技术。 模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样保持和a d 转换电路。采样保持电路的作用 是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高a d 转换器的转换精度，如果把 采样保持电路放在模拟多路开关之前( 每道一个) ，还可以实现对瞬时信号进行同时采样。采样保持 器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号的变化速率不 同，系统对分辨力、精度，转换速率及成本的要求也不同，所以a d 转化器的种类也较多。目前普遍 9 东南大学硕士学位论文 采用单片集成电路，有的单片a d 转换内部还包含有采样保持电路、基准电源及接口电路，这为系统 设计提供了较大方便。a d 转换的结果要送给计算机。有的则采用并行码输出，有的则采用串行码输 出。使用串行输出结果的方式对长距离和需要光电隔离的场合较为有利 3 3 组态监控计算机 潮汐控制系统中大脑是监控计算机，本文采用组态方式生成监控系统，下章将主要介绍组态软件 的特点和结构。 1 0 第四章组态软件的特点与结构 第四章组态软件的特点与结构 监控系统是现代化工业生产必不可少的基本手段，伴随计算机技术的发展，监控系统不断的发展， 不断的完善。在现代工业企业的生产和管理中，完成大量的物理量、工艺数据、特性参数需要进行实 时检测、监督管理和自动控制： mb p 吼= m _ b p c n ； p c l o n e - i _ l o g p e n = m _ l o g p e n ； p c l o n e - m _ b b r u s h = m _ b b r u s h ； p c i o n e - ml o g b m s h = m _ l o g b r u s k ； p c i o n e - m _ n o r d e r = mn o f d 弼 p c l o n e - mn t y p e = mn 1 嘞p e ； a s s e p , tv a l i d ( p c i o n e ) ； i f ( p d o ci = n i d l l ) p d o c - a d d ( p c i o n e ) ； r e t u r np c l o n e ； ( 4 ) 图元对象保存操作功能接口对象保存功能的接口是s e r i a l i z e ，它是借助于m f c 的串行化技 术来实现的。串行化是一种程序访问磁盘文件的手段，通过串行化可以方便地保存数据，简化程序的 操作。保存功能根据需要的操作将图元对象流出到磁盘上或将磁盘上的存盘对象流入到程序的内存中。 由于不同的图元类具有不同的对象属性，所以对于每个子图元类，都必须重载保存操作。在实现对象 的存盘操作中，子图元类都必须先调用基类a ：k a w o b j 的存盘操作，再将本身私有的屑性存盘。以下 是子图元类c d r a w o l e o b j 存盘操作的实现源码： v o i dc d r a w o l e o b j ：s e r i a l i z e ( c a r c h i v e & a r ) a s s e r tv a l i d ( t h i s ) ； c o r a w o b j ：s c r i a i i z e ( a r ) ；，基类存盘 i f ( a r 1 s s t o r i n 9 0 ) a r m _ e x t e n t ； a t m _ p c l i e m l t e m ； 2 l 东南大学硕士学位论文 m _ p c l i e n t h e m - mp d r a w o b j = t h i s ； ) ) ( 5 ) 图元绘制操作功能接口在基类c d r a w o b j 中提供了图元对象绘制的操作接口d r a w ，图元绘 制功能在基类c d r a w o b j 中没有具体的实现，它的实现必须与图元对象的形状相结合。所以在每个派 生的图元类中，都有此接口函数的具体实现。但不同的图元类根据其支持的图元对象形状种类的不同， 对此接口的实现也不同。但值得注意的是在图元类绘制功能的实现中，图元对象以两种方式绘制图元， 一种是编辑状态，一种是运行状态。对象根据界面系统的不同状态以相应的方式绘制图元和响应用户 对图元的操作 图元库对象模型中的其它图元类都是从基类c d r a w o b j 派生而来，形成一个树状结构的派生网络。 派生类图元继承基类的属性和操作接口，并根据派生类的支持的图元的不同特点重载基类的操作接口， 增加私有的属性和操作函数。例如矩形作图类的c d r a w r e c t ：d r a w ( c d c p d c ) i 函数是重载函数，用于 、实际绘制图元，首先根据逻辑画笔和逻辑画刷的特性生成画笔和画刷，然后用所选图元类型绘制图元， d c 使用后恢复原设置。 v o i dc d r a w r e e t ：d r a w ( c d c p d c ) a s s e r tv a l i d ( t h i s ) ； c b r u s hb r u s h ；， i f ( i b r u s h c r e a t e b r u s h i n d i r c e t ( & m _ l o g b m s h ) ) r e t u r n ； c p e np e n ； i f u p e n c r e a t e p m f l n d i r e c t ( & ml o g p e n ) ) r e t u r n ； c b r u s h * p o l d b r u s h ； c p e n p o i d p 叫 i f ( m _ b b r u s h ) p o l d b r u s h = p d c - s e l e , e t o b j e e t ( & b r u s h ) ； e l s e p o l d b r u s h = ( c b r u s h + ) p d c - s e l e e t s t o e k o b j e e t ( n u l lb r u s h ) ； i f ( m _ b p e n ) p o l d p e n = p d c - s e l e c t o b j e c t ( p e n ) ； e l s e p o l d p e n = ( c p e n + ) p d c - s e l e e t s t o e k o b j e c t ( n u l l _ p e n ) ； c r e e tf e e t = m _ _ p o s i t i o n ； s w i t c h ( m _ n s h a p e ) c a s er e c t a n g l e ：| | 龟配 第五章图形界面系统 p d c - r e c t 删e ( r o z t ) ； b l 哦 c 辩舢d l b c t a i l g l e ： p d c - r o u n 删r c c t , mr o u n d n e s s ) ； b r e a k ； c a e l l i p s e ：席6 圆 p d c - e l l i p s e ( r e c t ) ； b r e a k ； c a s ec i r c l e ：，圆 d r a