（信号与信息处理专业论文）基于pac模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制.pdf

基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制 摘要 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制 捅斐 海洋的潮汐问题，一直是海洋学研究的重要领域之一。实验室模拟海洋的潮汐变 化是海洋研究者的基本研究方法。传统的实验室海洋潮汐模拟是通过建立由减速器构 成的水泵的驱动来改变水槽中的水位实现，这样的系统控制电路复杂、机械设备昂贵， 同时控制精度也不高。本文在大量调研的基础上，通过采用双向水泵、变频调速器和 智能电动调节器，应用分布式i o 计算机监控系统，实现了潮汐模拟的计算机控制系 统。该控制系统通过控制变频调速器来实现对双向水泵的控制，达到水槽中水的流动 方向和速度的控制：智能调节器是调节尾门的开度大小，实现水槽的水位控制；水位 仪、流速仪测得的水位、流速参数通过基于r s 4 8 5 总线标准和d c o n 协议的b u s 7 0 0 0 现场总线上传主机后，经设定的算法来控制双向泵的转速和尾门的开度来实现潮汐的 模拟。 为了使控制系统连线简单、可靠，本控制系统的水位、流速等数据的采集和双向 泵的变频器、尾门调节器的控制数据传输由基于r s 4 8 5 总线标准和d c o n 协议的 b u s 7 0 0 0 现场总线网络构成。网络硬件由现场采集控制和p a c ( p r o g r a m m a b l e a u t o m a t i cc o n t r o l l e r ) 模块构成，并通过m o d b u st c p 协议与上位机中基于组态软件 的监控系统通信，实现现场实时监控。以p a c 为核心控制器的下位机，采用符合国 际标准e i c 6 1 1 3 1 3 的可视化编程语言和开放的网络连接，实现对采集模块的连接、 控制和算法控制器的编程。支持m o d b u st c p 协议，可将现场具有r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 串口的设备，转换为以太网接口设备，达到与上位机的无缝连接。 控制系统的软件以w i n d o w s 为操作平台，监控系统采用组态软件作为中央监控 软件，实现以下功能：设置工作模式，实时传送采集参数、控制参量，实时数据处理、 存储、显示和在线查询等。 系统控制方法采用p i d 与专家系统相结合的方法，设计出符合系统实际情况的自 适应p i d 数字控制器，实现潮汐水位、流速变化曲线的精确模拟。 设计中分布式i o 控制系统、b u s 7 0 0 0 现场总线、p a c 可编程控制器、多任务 操作平台、组念软件等硬、软件新技术的采用，确保控制系统的可靠性和先进性。文 l 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制摘要 中给出了设计原理、网络拓扑结构、控制方法、硬件电路和软件设计方法。该系统在 国内潮汐模拟模型实验中具有领先水平，已经在河海大学的教育部海岸灾害与防护重 点实验室得到应用，并达到了理想的控制效果。该控制系统具有良好的应用前景和社 会效益。 关键词：潮汐模拟；b u s 7 0 0 0 现场总线：p a c 模块；控制系统 作者：张小飞 指导教师：徐大诚 d e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft i d es i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do np a c a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft i d a ls i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do np a c a b s t r a e t t h eo c e a nt i d a li s s u eh a sa l w a y sb e e no n eo fi m p o r t a n ta r e ao fo c e a n o g r a p h yr e s e a r c h a n dt h eb a s i cr e s e a r c hm e t h o d so fo c e a nr e s e a r c h e r si ss i m u l a t i n gt h et i d a lc h a n g e si nt h e l a b o r a t o r y t r a d i t i o n a l l y , t h ew a t e rl e v e li nt h es i n kc h a n g e db yt h ed r i v eo fp u m pw h i c hi s c o n s i s t e do fs p e e dr e d u c e r , t h ec o n t r o lc i r c u i ti sc o m p l e x ，t h em a c h i n e r ya n de q u i p m e n ti s e x p e n s i v ea n dt h ec o n t r o la c c u r a c yi sn o th i g h s o ，o nt h eb a s i so fal o to fr e s e a r c h ，i nt h i s p a p e rt h et i d a ls i m u l a t i o nc o m p u t e rs y s t e mi si m p l e m e n t e db yt h ea d a p t i n go fb i d i r e c t i o n a l p u m p ，f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t o r , i n t e l l i g e n te l e c t r i c a lr e g u l a t o ra n dt h ea p p l i c a t i o no f d i s t r i b u t e di o c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m t h es y s t e mc o n t r o l l e dt h eb i d i r e c t i o n a l p u m p sb yc o n t r o l l i n gt h ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t o rt oa c h i e v i n gt h ec o n t r o lt o t h e d i r e c t i o na n ds p e e do fs i n kw a t e rf l o wa n dt h ei n t e l l i g e n te l e c t r i c a lr e g u l a t o rc o n t r o l l e dt h e o p e nd e g r e eo ft h et a i l g a t et oa c h i e v i n gs i n kw a t e rl e v e lc o n t r 0 1 t h ew a t e rl e v e lv a l u e m e a s u r e db yw a t e rl e v e lm e t e ra n dt h ef l o wv e l o c i t yv a l u em e a s u r e db yl i q u i df l o w m e a s u r e m e n t ，s e n tt ot h ep ct h r o u g ht h ef i e l db u s 7 0 0 0w h i c hb a s e do nr s 一4 8 5a n d d c o np r o t o c o l ，c a l c u l a t e db yt h ea l g o r i t h mt oc o n t r o lt h eb i d i r e c t i o n a lp u m p sr o t a t e s p e e da n dt h eo p e nd e g r e eo f t h et a i l g a t e ，i m p l e m e n t e dt h et i d a ls i m u l a t i o n i no r d e rt or e a l i z et h es y s t e mw i r ec o n n e c t i o ns i m p l ea n dr e l i a b l e ，t h ec o l l e c t e dd a t a a n dc o n t r o ld a t at r a n s f e r r e dt h r o u g ht h ef i e l db u s 7 0 0 0n e t w o r kw h i c hb a s e do nr s - 4 8 5 a n dd c o np r o t o c 0 1 t h en e t w o r kh a r d w a r e ，c o n s i s t so ff i e l da c q u i s i t i o nm o d u l ea n dp a c ( p r o g r a m m a b l e a u t o m a t i c c o n t r o l l e r ) ，b a s e d o nm o d b u st c pp r o t o c o la n d c o m m u n i c a t e s 、i mm o n i t o r i n gs y s t e m sw h i c hp r o g r a m m e db yt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e o nu p p e rc o m p u t e r p a cw o r k sa st h ec o r ec o n t r o l l e ri nt h el o w e rc o m p u t e r , a d o p t i n gt h e o p e nn e t w o r kc o n n e c t i o np r o t o c o la n dt h ev i s u a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g ew h i c hm e e tt h e r e q u i r e m e n t s o fi n t e m a t i o n a ls t a n d a r d se i c 6 113 1 3 ，r e a l i z i n gt h ep r o g r a m m i n go f a l g o r i t h mc o n t r o l l e ra n dt h ec o n n e c t i n ga n dc o n t r o l l i n go fa c q u i s i t i o nm o d u l e t h es c e n e r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5s e r i a le q u i p m e n tc a nb ec o n n e c t e dt ot h eu p p e rc o m p u t e rs e a m l e s s l yb y c o n v e r t e dt oe t h e m e ti n t e r f a c ed e v i c ew i t hm o d b u st c p p r o t o c 0 1 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft i d es i m u l m i o ns y s t e mb a s e do np a c a b s t r a c t t h es o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mi sb a s e do nt h ep l a t f o r mw i n d o w s t h em o n i t o r i n g s y s t e mu s e st h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea sc e n t r a lm o n i t o r i n gs o f t w a r e ，r e a l i z i n gt h e f u n c t i o na ss e t t i n gt h em o d eo fo p e r a t i o n ，t r a n s m i t t i n gt h ec o n t r o lc o m m a n da n d a c q u i s i t i o np a r a m e t e r sa n dr e a l i z i n gt h ed a t ap r o c e s s ，s t o r a g e ，d i s p l a y , p r i n ta n do n l i n e q u e r y c o m b i n e dt h ep i da n de x p e r ts y s t e m ，t h ea d a p t i v ep i dd i g i t a lc o n t r o l l e rw h i c h c o r r e s p o n d e dt ot h ea c t u a l t i d a ls y s t e ms i t u a t i o nw a sd e s i g n e d ，r e a l i z i n gt h ea c c u r a t e s i m u l a t i o no ft i d a lw a t e rl e v e la n df l o wv e l o c i t yr a t ec u r v e i nt h ed e s i g no fd i s t r i b u t e di 0c o n t r o ls y s t e m ，t h eu s eo fb u s 7 0 0 0f i e l db u s ，p a c p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r , m u l t i - m i s s i o no p e r a t i o np l a t f o r m ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a n do t h e rn e wh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g ye n s u r e dt h er e l i a b i l i t yo fc o n t r o ls y s t e m i nt h ep a p e r , t h ed e s i g nt h e o r y , n e t w o r kt o p o l o g ys t r u c t u r e ，c o n t r o lm e t h o d ，h a r d w a r e c i r c u i ta n dt h ei d e a so fs o f t w a r ed e s i g nw a sg i v e n t h es y s t e mr e t a i n e dl e a d i n gp o s i t i o n s o nd o m e s t i cm o d e le x p e r i m e n to ft i d a ls i m u l a t i o n ，a p p l i e di nt h em a r i n ed i s a s t e r sa n d p r o t e c t i o nk e yl a b o r a t o r yo fe d u c a t i o nm i n i s t r yi nh o h a iu n i v e r s i t y , a c h i e v e dt h ei d e a l c o n t r o le f f e c ta n dh a sg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n ds o c i a le c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：t i d es i m u l a t i o n ；f i e l db u s 7 0 0 0 ；p a c ；c o n t r 6 1s y s t e m 1 v w r i t t e n b y ：z h a n gx i a o f e i s u p e r v i s e db y ：x ud a c h e n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：喜臣小您日期： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心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) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 途查亟日 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年来海洋风暴潮对港口和海洋建筑物影响越来越大【l 】，为了减轻影响和防止损 害的发生，国内外对海岸灾害与防护越来越重视。在实验室里通常是构建模型模拟潮 汐过程，使潮汐过程按照一定的几何和时间比例重现在物理模型上，从而研究潮汐对 港口和海洋建筑物的影响。目前，研究潮汐问题的相关部门开展了许多研究工作，如 大连理工大学1 2 】等提出了利用计算机算出控制水槽瞬时进出水量及尾门高度变化的 时间信号，依此对水槽尾门运行及进出水量进行实时控制，达到模拟目标曲线的目的。 华南理工大学【3 】提出了现场总线技术在控制系统中应用，系统采用的主控制器系统包 括主副微处理器、闪速存储器、r s 4 8 5 通信组件等，采集信号通过r s 4 8 5 通讯接口 与上级计算机通信，从而实现实时控制，以达到模拟潮汐的目的。 但以上潮汐模拟控制系统存在布线广、多为模拟信号、线路复杂等缺点，不能达 到模型布置简单、安装维护方便等要求。并且这些系统在抗干扰和防雷击等方面都没 有周详考虑，在实际运用中可能出现故障，从而增加了维护时间和人力物力。在监控 软件方面也存在通用性、可靠性、可维护性不足等缺点。 为了克服以上不足，提出了基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统。系统基 于p a c 模块实现分布式i o 模块智能控制，并通过m o d b u st c p 协议与上位机通信， 在基于w i n d o w s 的组态软件中实现实时系统监控，具有集成度高、线路简单、抗 干扰能力强、维护方便、稳定性高等特点。 1 2 国内外研究和应用现状 早在2 0 世纪5 0 年代就有人做过潮汐模拟的研究，限于当时的条件，大多采用凸 轮运转来控制潮位的变化，操作复杂、控制精度低，远不能满足实验研究要求。执行 设备控制中多采用调速器，设备复杂f 4 】1 6 】。在数据采集中还存在人工测量的情况。旧 式潮汐模型自控系统多采取集中监控模式【3 1 ，采集控制信号全部接驳到控制计算机， 且多为模拟信号，布线广、线路复杂，不能适应现在模型布置简单、安装维护方便的 要求。在监控软件方面f 3 】，有的还在使用d o s 操作系统下的界面，普遍存在着通用 挞于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制第一章绪论 性、可靠性、可维护性等方面的不足。 。所以开发研制出通用性高、可靠性强、稳定性高的潮汐模拟控制系统成为发展趋 势。 1 3 课题的提出 经过大量调研，本课题组承担了教育部海岸灾害与防护重点实验室建设项目内 容。在国内外、古今研究的基础上提出新型的基于p a c 模块的分布式i o 潮汐模拟 控制系统。系统基于p a c 模块实现分布式i o 模块智能控制，并通过m o d b u st c p 协议与上位机通信，在基于w i n d o w s 的组态软件中实现实时系统监控。计算机控 制信号由i o 模块送出并通过变频器控制双向水泵的方向和流速以实现对水流的方向 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控制水槽内水位 的变化，进行潮汐模拟。在控制算法方面，基于系统的多变量控制，提出了结合系统 实际的自适应p i d 控制算法系统。 综上所述，系统结合了现代控制流行趋势，充分利用先进资源，在计算机控制系 统硬件和软件方面做出改进，特别是采用如下优势技术： 1 采用数字化计算机控制技术： 2 采用i o 模块自动检测技术； 3 采用总线网络组成计算机控制网； 4 应用先进的变频调速技术； 5 采用先进的组态软件技术； 6 采用符合系统情况的自适应p i d 控制算法。 这些先进技术的创新使用，可以更好的模拟潮汐，为今后海洋科学研究打下坚实 可靠的实验平台。 1 4 课题的主要工作 课题的主要工作包括方案论证、核心部件选型、硬件设计、软件设计、系统数据 测试等。 1 4 1 方案论证 方案论证即课题准备工作，包括以下几个方面： 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制 第一章绪论 ( 1 ) 控制系统分析 潮汐模拟系统特性复杂，随工作点而异，且电机磁饱通及系统时滞变化等因素造 成了潮汐模拟系统的非线性和随即性；由于物理控制对象是水，水的随动性、滞后性 也导致了控制系统的非线性性。 潮汐模拟控制系统的设计要求是其输入量总在频繁地、缓慢地变化，要求系统的 输出量能够以一定的准确度跟随输入量而变化，是一个非线性的随动控制系统，这给 控制程序设计带来了很大困难，因此需要采用合适的控制算法。 ( 2 ) 确定总线方式 本潮汐模拟控制系统是一个中型控制系统，控制点数并不很多，且系统的控制的 变量数不多，所以考虑用结构简单、成本低，软硬件支持丰富，连接方便的总线网络 构成控制网络。 现今的工业控制网络主要有r s 4 8 5 总线网络、h a r t 网络和现场总线网络。 r s 4 8 5 总线网络【7 】【8 】，通信协议采用双向平衡式传输线路标准，具有抗干扰性能 好、布线方便、传输距离远等特性，提供系统远距离高速收发数据的能力。其中 r s 4 8 5 m o d b u s 是现在流行的一种布网方式，其特点是实施简单方便，支持r s 4 8 5 的仪表又特多，并且r s 4 8 5 的转换接口便宜、种类繁多，现在的仪表商也纷纷转而 支持r s 4 8 5 m o d b u s 。而m o d b u s 协议包括a s c i i 、r t u 、t c p 等，m o d b u st c p i p 协议【9 】【1 0 】是m o d b u s 与以太网t c p i p 的结合，在t c p 帧中嵌入m o d b u s 信息帧， 成为m o d b u st c p i p 。使得基于r s - 4 8 5 总线的数据采集控制系统具有以太联网功 能。相对于h a r t 的要加入基金会才拿到协议，r s - 4 8 5 总线协议是真正意义上的开 放的标准。而采用r s 4 8 5 标准总线技术对现场数据进行采集和管理，相对于p r o f i b u s 、 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 、l o n w o r k s 、w o r df i p 等现场总线而言，具有结构简单、 成本低、软硬件支持丰富、连接方便等特点，更适合应用于中小型控制系统。 本系统中控制结点数并不很多，属于中小型控制系统且课题中选用的泓格p a c 可编程自动控制器含有一个e t h e r n e t 接口、r s - 4 8 5 标准硬件接口及一个r s 2 3 2 标准硬件接口，其支持m o d b u st c p 协议和m o d b u sr t u 协议。综上所述，本系 统选用r s 4 8 5 总线接口构成的测控网络。 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制第一章绪论 1 4 2 核心部件选型 在先进工业控制资源丰富的情况下，经过比较，选择台湾泓格公司生产的p a c i - 7 18 8 e g 可编程自动控制器作为核心控制单元，台湾泓格公司生产的i o 采集模块作 为智能采集控制器。 泓格1 - 7 0 0 0 系列i o 模块选型： ( 1 ) 1 - 7 0 5 1 ：隔离开关量输入模块； ( 2 ) 1 - 7 0 8 0 ：计数器模块； ( 3 ) 1 - 7 0 2 4 ：4 通道模拟量输出模块，输出0 - - 2 0 m a 或4 - 2 0 m a 电流信号； ( 4 ) 1 - 7 0 6 0 ：隔离开关量输入继电器输出模块。 变频器选型：三菱f 7 4 0 18 5 k w - c h 。 智能型尾门执行机构选型：上海耐博泵阀制造有限公司生产的n b 2 5 智能型电 动执行机构。 双向水泵电机选用功率为1 7 k w 三相异步电机。 由于变频器输出干扰大，所以采用了屏蔽双绞线，另各模块电压1 0 3 0 v 直流电 压，所以需要2 2 0 v 转2 4 v 直流电压源。 1 4 3 系统硬件设计 潮汐模拟计算机控制系统是在潮汐模拟水槽建立好的基础上展开搭建的。潮汐模 拟计算机控制系统采集点为水槽中的2 处实时水位、4 处水流速度和水流方向；系统 的控制点为尾门执行机构和双向水泵。硬件系统是基于r s 4 8 5 总线的i o 分布式控 制系统，设计步骤如下： ( 1 ) 设计采集控制系统总体结构； ( 2 ) 模块初始化设置； ( 3 ) 现场搭建控制采集系统； ( 4 ) 调试控制采集系统与上位机的通信： ( 5 ) 调试上位机监控系统与下位机的通信； 通过如上步骤的实施，潮汐模拟计算机控制系统的硬件搭建已完成。 4 基于p a c 模块的潮汐模拟计算彬l 控制系统的研制 第一章绪论 1 4 4 系统软件设计 软件部分包括控制管理软件编程、监测软件编程和控制算法编程。 ( 1 ) 控制管理软件编程：在p a c 中编写对整个控制系统进行管理用的程序，包括 对应用控制程序的调度、i o 管理、中断处理、实时管理等，相当于整个计算机控制 系统的主程序。 ( 2 ) 监测软件编程：管理监控级由上位机( - r - 业计算机) 中的组态软件组成。通 过上位机与下位机之间的通信，实现实时系统监控。 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，课题选用北京亚控科技公司的监控软件j 组态王6 o l ”。该软件 是一个多用户实时s c a d a 软件，主要用于过程控制。 ( 3 ) 控制算法编程：系统是非线性随动系统且水泵补水和尾门溢水速度不一，控 制时水位上升时间与水位下降时间不同，随意简单的p i d 算法不能满足课题要求。所 以需要设计符合系统特性的自适应控制算法。 1 4 5 系统数据测试 测试分析系统所模拟的水位、流速曲线与期望的水位、流速曲线的误差，误差控 制在5 内。 1 5 系统结构框图 潮汐模拟计算机控制系统是一个闭环反馈式控制系统，包括数据采集系统、控制 器、执行机构和控制对象。关系如图1 1 所示： 图1 1 系统结构框图 1 6 系统开发环境 1 3 0 0 0 c m * 6 0 c m * 12 0 c m 的潮汐水槽； 5 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制第一章绪论 2 环境温度：0 4 0 ，有断电保护装置； 3 p c 操作系统：w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a ls p 2 ； 4 d c o n 通信协议； 5 r s 一4 8 5 总线协议； 6 t p a c 内置泓格自主知识产权的m i n i o s 7 操作系统； 7 基于w i n d o w s 的s o f t p l c 编程语言i s a g r a f ； 8 组态王6 o l 。 6 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制 第二章潮汐模拟系统分析 第二章潮汐模拟系统分析 2 1 控制对象 环境海洋实验潮流水槽【5 1 是系统的控制对象，水槽的长、高、宽物理尺寸为 3 0 0 0 c m x 6 0 c m x l 2 0 c m ，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，在水槽右侧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。控制的物理量主要为水槽中的水位和水流流速的大小和方向。 系统的主要检测装置有水位仪和流速仪，系统能采集不少于4 个单元组的水位和 流速，初始阶段实际使用2 - - 3 个单元组的水位仪和流速仪。 系统的主要执行机构有尾门控制器、双向水泵和潜水泵，尾门用于控制水位，双 向水泵用于控制水流流速和方向，潜水泵仅用于水的循环。可通过伺服电机或步进电 机、减速装置控制水槽一端的尾门开度( 范围约为0 9 0 度) 来控制水槽中水的溢出 量，从而来控制水槽中的水位。可通过变频器控制双向水泵电机的转速和转向，从而 来控制水槽中的水流流速和流向。 2 2 数据采集系统测量范围和精度 水槽深度不超过6 0 c m ，实际水位变化范围在2 0 c m 以内，水位高度的分辨率为 l m m ，测量精度为0 5 。 水流流速不超过l o o c m s ，实际的流速检测范围在5 c m s - 1 0 0 c m s ，分辨率为 0 5 c m s ，测量精度为1 。 2 3 控制过程和控制精度 根据给定的潮汐周期曲线( 包括水位和水流曲线) ，控制水槽中的水位和水流变 化。潮汐周期曲线由一组数据给出，每两个控制点的时间间隔不小于5 s ，一个潮汐 周期曲线的控制点不大于4 8 3 6 0 0 5 = 3 4 5 6 0 个，即能模拟潮汐周期为4 8 小时内的 变化曲线。但模拟的潮汐周期数不受限制。 在一个潮汐的周期内，给定的水位和流速曲线与实际的控制曲线的绝对值误差应 能控制在5 以内。 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制第三章潮汐模拟计算秽l 控制系统设计 第三章潮汐模拟计算机控制系统设计 3 1 潮汐计算机控制系统结构框图 系统中实时数据由仪器采集到通过i o 模块传送给下位机，经过下位机处理运算， 一方面将数据传送给上位机中基于组态王的组态软件监控，另一方面传送给相应的 i o 模块，通过i o 模块再发送控制信号给相应的执行机构，如变频器控制双向水泵 的方向和流速实现水流的方向和流速的控制，同时信号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，从而实现潮汐水位和流速的双控制。系 统下位机采用泓格p a c ( i 7 1 8 8 e g ) 核心控制器件，上位机位为一般p c 机。i o 模块 采用泓格1 - 7 0 0 0 系列模块。有1 - 7 0 2 4 、1 - 7 0 5 1 、1 - 7 0 6 0 、1 - 7 0 8 0 模块等。计算机控制 系统结构框图如图3 2 所示。 图3 1 潮汐模拟计算机控制系统结构框图 3 2 潮汐模拟计算机控制系统通信原理 潮汐模拟计算机控制系统通信网络中分布式i o 模块采用d c o n 协议与p a c 进 行通信，硬件上通过基于r s 4 8 5 的b u s 7 0 0 0 总线实现，p a c 通过m o d b u st c p 协 议与上位机通信。 r s 4 8 5 7 l | 8 】串行总线连接方式即下位机现场数据采集与控制单元挂接于同一条数 据通信总线，总线与各现场单元共享，系统网络采用主从通信控制方法：在同一通信 网络中，每个设备的地址是唯一的设备地址，并只有一个主设备可以有多个从设备。 r 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制第三章潮汐模拟计算机控制系统没计 主站以广播式数据向所有从站发出请求数据的数据包，并等待从站的响应。而挂接在 r s 4 8 5 总线上的所有从站设备接受到广播包后解开广播包，并把各包中的从站设各 地址与自己的地址对照，如果地址相同，则将数据发送到总线上去，如果不相同，则 不作反应，主站处于等待状态，直到接受到从总线传来的新的数据包，避免总线通信 的竞争与冲突。 d c o n 协议【lo 】是台湾泓格开发的一种命令应答式通信协议，它定义为可打印的 a s c i i 格式。具有易于使用的特性，获得广泛使用，且于近来推出的分布式产品兼容。 采集控制模块通过写入d c o n 命令初始化。本系统在串行通信波特率为1 9 2 0 0 b p 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。 m o d b u st c p1 9 】【】o 】协议是m o d b u s 与以太网t c p 的结合，在t c p 帧中嵌入 m o d b u s 信息帧，成为m o d b u st c p 。使得基于r s 4 8 5 总线的数据采集控制系统 具有以太联网功能。在工业组态软件中监视系统的运行情况以及设置有关控制参数， 可以通过以太网与i - 7 1 8 8 e g 通信也可以通过r s 2 3 2 串口与上位机连接，考虑到通过 以太网通信，可实现监管层联网监控，具有速度快、安全性高等特点，所以系统开发 中下位机使用基于m o d b u st c p 协议的以太网通信方式与上位机通信。系统通信方 式如图3 2 所示。 图3 2 系统通信方式 潮汐模拟系统从现场功能上分可分为现场级、控制级、监控管理级。 3 3 现场级 现场级由现场数据采集系统和现场执行系统组成。主要功能是实时采集数据并实 时执行系统指令。 9 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制第三章潮汐模拟计算机控制系统设计 3 3 1 现场数据采集系统 现场数据采集系统由水位仪，流速仪，泓格1 - 7 0 0 0 系列f o 模块等构成。现场数 据采集系统采集控制对象的实时数据通过b u s 7 0 0 0 总线传送给上位机。在项目中由 于每段水体的波动情况不同，所以采集两点水位、四点流速，取其加权平均值作为实 际反馈值，保证了采集的水位、流速值的精确性。 ( 1 ) 水位仪：水位仪采用的是南京水利科学研究院研制的w l 2 0 型跟踪式水位仪 【1 2 】，自动跟踪水槽水位0 - 2 0 e r a 变化，分辨率为0 1 m m ，由编码器对应输出1 1 位二 进制循环码。水位仪测得的信号由1 - 7 0 5 1 采集，传送给下位机p a c ，通过p a c 内部 程序将1 1 位二进制循环码转换为1 1 位自然二进制码，进而转换为十制，即可测出实 际水位值。 水位仪与采集模块连接如图3 3 所示： 、， 图3 3 水位仪连接图 ( 2 ) 流速仪：采用的是南京水利科学研究院研制的流速仪1 3 1 ，它由v r z 流速仪 前置放大器和旋浆流速仪组成，一个v r 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 c m s 一1 0 0 c m s ，分辨率为0 5 c m s ，测量精度为1 。流速仪输出得脉冲 信号，通过计数频率模块( i 7 0 8 0 ) 采集传送给p a c 。实际流速与测得的频率之间的关 系如公式( 3 1 ) 所示： ，= k f + c ( 3 1 ) 1 0 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制第三帝潮汐模拟计算机控制系统设计 其中v 为流速，单位e m s ，k 为叶轮率定关系式系数，课题中为了解决系统非线性问 题，根据经验值，取k = 5 7 ，c = 2 0 。通过公式( 3 1 ) 即可测算出实际流速值。 流速仪与采集模块连接如图3 4 所示： 旋 一- ， 图3 4 流速仪连接图 ( 3 ) 泓格1 - 7 0 0 0 系列i o 模块： 现场采集控制模块选用的是泓格1 - 7 0 0 0 系列【1 1 】基于d c o n 协议的i o 模块，其 内置微处理器，仅需两根通信线就可以建立起分布式r s 4 8 5 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。它支持双看门狗功能，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p c 主机或p a c 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。 选用的泓格1 - 7 0 0 0 系列i o 模块如下： 1 - 7 0 5 1 ：1 6 通道隔离数字量输入模块。用于连接w l 2 0 水位仪，该水位输出信 号为1 1 位循环码，故需要选用开关量输入模块。 1 - 7 0 8 0 ：计数器频率输入模块，有两个独立的3 2 位计数器。本系统选用v r z 流速仪是前置放大器旋浆流速仪，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。 1 - 7 0 2 4 ：4 通道模拟量输出模块。输出0 2 0 r n a 或4 - - - 2 0 m a 电流信号，驱动尾 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的矽f 制第三章潮汐模拟计算秽【控制系统设计 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。 1 - 7 0 6 0 ：4 通道继电器输出4 通道数字量输入模块。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 2 现场执行系统 现场执行机构接收到监控系统控制器发出的信号，做出相应的动作以达到对控制 对象控制的目的。现场执行系统包括：尾门执行机构和双向水泵。 ( 1 ) 尾门执行机构：尾门执行机构由尾门、减速装置和控制电机构成。选用上海 耐博泵阀制造有限公司生产的n b 一2 5 智能型电动执行机构1 4 1 ，内部采用了p t - 2 b 型 伺服控制器。1 - 7 0 2 4 接收到1 - 7 1 8 8 e g 发出的信号，产成4 2 0 m a 的直流信号驱动尾 门执行机构转动尾门，转动角度为0 9 0 度之间。通过尾门上溢水的形式控制潮汐水 槽中的水位高度。 ( 2 ) 交频器：根据双向水泵的电机功率选择变频器【1 5 】【1 7 1 的型号，由于双向水泵的 功率是1 7 k w 所以选择三菱f 7 4 0 1 8 5 k w - c h t l 5 】，其使用电机容量为1 8 5 k w 。1 - 7 0 2 4 接收到i - 7 1 8 8 e g 发出的信号，产成4 - - - - , 2 0 m a 的直流信号送给变频器，由此变频器产 生0 - , 5 0 h z 频率电压控制双向水泵电机，通过双向水泵正反方向不同转速实现潮汐 水槽中的流速变化的控制。变频器的控制接线图见附录l 。 ( 3 ) 双向水泵电机：采用三相异步电机，功率为1 7 k w 。 ( 4 ) 潜水泵：潜水泵通过固态继电器控制其开启，给水槽恒定量补水。 现场数据采集系统与现场执行系统电气连接如图3 5 所示。 1 2 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制第三章潮汐模拟计算机控制系统设计 图3 5 现场数据采集系统与现场执行系统电气连接 3 4 控制级 控制级以基于i s a g r a f 的p a c1 - 7 1 8 8 e g 构成的下位机为核心。主要功能是完 成各种功能的计算机程序的总和，如操作、管理、控制、计算和自诊断等，它是计算 机系统的神经中枢。整个系统的动作都在软件指挥下协调工作。 3 4 1p a c p a c t l 8 】【2 0 l 一可编程自动化控制( p r o 氍a i i n a b l ea u t o m a t i o nc o n t r o l l e r ) 融 了 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 可编程逻辑控制器和p c 各自的优点，将p c 强大 的计算能力、通讯处理、广泛的第三方软件与p l c 可靠、坚固、易于使用等特性最 佳的结合在一起。 工业资讯集团a r cg r o u p 的专家认为【1 9 i ，“可编程自动控制器p a c 提供了开放 的工业标准，扩展的域功能，通用的开发平台，以及其它高级功能。无论是现在还是 将来，p a c 都将在生产自动化领域扮演一个及其重要的角色”。 一般认为，具备以下一些主要特征和功能的控制器可以认定为p a c ： 基于p a c 模块的潮汐模拟计算机控制系统的研制第三章潮汐模拟计算帆控制系统设计 ( 1 ) 提供通用发展平台和单一数据库，以满足多领域自动化系统设计和集成的需 求。 ( 2 ) 一个控制引擎，可以实现多领域的功能，包括：逻辑控制、过程控制、运动控 制和人机界面等。 ( 3 ) 允许用户根据系统实施的要求在同一平台上运行多个不同功能的应