基于ＰＡＣ模塊的潮汐模擬控制系統

摘 要：基于對潮汐研究是預防海洋災害的有效手段，設計開發了一種基于PAC模塊的潮汐模擬控制系統。該系統中，RS 485總線網絡由基于DCON協議的現場采集控制模塊和PAC構成，并通過MODBUS TCP/IP協議與上位機聯網構成潮汐模擬控制系統。實驗證明，本系統可模擬潮汐漲潮落潮特性，具有集成度高、抗干擾能力強、穩定性高等優點。

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關鍵詞：潮汐模擬;PAC;RS 485總線;MODBUS TCP/IP協議

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，為工程設計和科研提供可靠的依據。近年來我國加快了沿海港口的整治與開發，對實驗系統的實時性和穩定性要求進一步提高。目前國內潮汐模型控制系統多以傳統計算機控制為主，采用集中監控方式，電信號直接接到控制計算機，線路耗材多，弱信號易受干擾，系統的可靠性和穩定性大大降低。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接口連接構成數據采集控制系統，線路少，連接方便，可靠性高，調試及安裝成本低，數據傳輸可靠性高，且與傳統的DCS兼容等特點，更適合應用于中小控制系統。

基于以上優點，本設計將基于PAC的分布式多點數據采集控制系統應用在海洋潮汐模擬控制系統中，并通過MODBUS TCP/IP協議將控制系統聯網，從而實現對水位和水流的實時采集、遠程控制和網絡監控，以達到精確模擬潮汐變化曲線并可靠穩定實時地傳輸潮汐模擬數據的目的。

2 系統原理

2.1 系統的構成

本系統是在已建的環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水流的方向和流速的控制，同時控制水槽一側尾門的高度，以尾門上溢水的形式來控制水槽內水位的變化，進行潮汐模擬。

2.2 控制系統框架描述

控制系統采用泓格現場數據采集系統，下端連接變頻器和雙向水泵控制漲潮落潮，上端通過設置IP地址與上位機連接，其中泓格現場數據采集系統由可脫離PC機自行運行的PAC控制器和現場采集控制單元通過485接口連接組成。系統網絡采用主從通信控制方法： 在同一通信網絡中，每個設備的地址是惟一的設備地址，并只有一個主設備可以有多個從設備。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。本系統在串行通信波特率為9 600 b/s，無奇偶校驗位，8位數據位，1位停止位的設置下通信，沒有發生丟幀或錯幀的現象。

2.3 關鍵技術

潮汐物理模型試驗是將現場的水流運動模擬在相似的物理模型上，根據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取一個流量控制數據，數據跳躍之大使控制無法進行。所以，對25個數據進行值處理，使數據能平滑過渡。具體方法：在兩個數據時間插入20個數據，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點為實測數據，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據轉換為模型的25個數據。

(2) 將25個數據插值為500數據點，根據時間比尺，43.3 s中有20個數據通過，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。在生成模型數據的過程中，將這些轉折點數據存放在特定的數組中，數組中有500個數據。水泵有自己的“跳泵”數據，一旦“時間指針”和某個“跳泵”數據一致，電平“1”寫入相應的控制模塊，控制水泵的“轉向”。一般模型一天有兩個漲落潮，系統中用了一臺雙向水泵，可用一個1×4數組存放“跳泵”數據。

(4) 程序執行過程中不斷地進行水位、流速、流向的數據采集，通過自適應PID控制器計算出本時間間隔內水位變化量ΔH，水位變化量轉換為尾門開度來控制水位步驟如下：根據輸入的潮汐模擬曲線參數，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應給步進電機發送的脈沖頻率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。然后根據需要顯示在工控機的監控畫面中，并按時間順序存放在相應的數據文件中。

3 系統軟硬件分析

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，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。系統可分為：現場級、控制級和監控管理級。

3.1 現場級

現場級由各傳感器、執行機構組成，主要采集水槽中水流、水位數據和執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/頻率模塊來采集。水位儀和流速儀與現場采集控制模塊連接以實現模擬信號到數據信號的轉變。

3.2 控制級

控制級由PACI-7188EG，總線和各采集控制模塊組成，主要功能是接收現場級的實時水位、水流參數，進行實時處理，執行控制算法，向現場設備發出指令，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，實現與上位機通信以及數據集中算法控制并向現場采集控制模塊發出控制信號，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ETHERNET接口將RS 485網絡連接到ENTERNET上，實現實時遠程監控。采集到的現場數據在I-7188EG中快速處理并將處理結果通過采集控制模塊轉換為執行機構的模擬信號以驅動執行機構。同時作為MODBUS從設備，上位機的SCADA軟件通過MODBUS TCP協議訪問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設備及其他支持MODBUS協議的設備進行連接且支持離線仿真、在線調試、檢測和控制。此工程設計中，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據信號讀入PAC，并將數據存儲到PAC的存儲器中。

加減乘除等算術功能塊 用于對采集的數據進行運算處理。

布爾邏輯功能塊 用于布爾邏輯處理。如在本系統用到的水位儀輸出為11位的循環碼，需通過設計接口程序將循環碼轉變為自然二進制碼，以滿足MODBUS設備的需要。

標準PID模塊 對系統進行PID調節，使系統跟蹤已知的潮汐水位水流模型，實現有效、可靠、快速模擬潮汐。

(2) 網絡參數配置：在ISAGRAF中需要對各參數進行配置。如設置PAC的TCP IP地址，各現場采集控制模塊的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) 系統仿真運行：完成編譯工作后，可以先在軟件環境下進行仿真。ISAGRAF提供了仿真測試平臺，系統仿真運行能提高工程進展效率，及時發現程序中的不合理因素。

PAC中控制程序流程圖見圖2。

3.2.2 現場采集控制模塊

現場采集控制模塊選用的是泓格I-7000系列基于DCON協議的I/O模塊，內置微處理器，僅需兩根通信線就可以建立起分布式RS 485網絡，具有最佳的網絡配置靈活性，非常適合小型的分散的 I/O系統。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，當模塊死機時，將自動復位模塊，并將所有輸出模塊的狀態恢復到上電預置值。主機看門狗為軟件看門狗，模塊的微處理器將定時（可設置時間間隔）檢測PC主機或PAC的通訊狀態，當其通訊不正常或死機時，輸出模塊的狀態會自動切換到安全值。

本系統中使用的采集控制模塊有：

(1) I-7051:隔離開關量輸入模塊。用于連接WL-20水位儀，該水位輸出信號為11位循環碼，故需要選用開關量輸入模塊。

(2) I-7080:計數器模塊。本系統選用的是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，通過計數器模塊測量其旋漿旋轉頻率，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，驅動尾門旋轉控制潮汐水槽中的水位和驅動變頻器控制雙向水泵的旋轉速度以控制潮汐水槽中的水流速度。

(4) I-7060:隔離開關量輸入/繼電器輸出模塊，用于給出開關量給變頻器，控制雙向水泵的旋轉方向，并控制潛水泵的開關。

3.3 監控管理級

管理監控級由上位機（工業計算機）組成。以太網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協議通信，通訊速率達到10 Mb/s。

為了很好地實現實時監控系統的功能，并考慮到在組態王中開發了針對泓格產品的接口設置規則，我們選用北京亞控科技公司的監控軟件——“組態王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是為該系統設計的海洋潮汐模擬控制系統主界面。在本系統中設計了多任務單元，數據庫查詢，實時曲線，實習報表，歷史曲線，歷史報表，報警報表等，數據查詢均是實時在線的。

4 性能分析

本系統中采用了基于RS 485總線網絡作數據采集網絡，只需在I-7188EG內置的ISAGRAF中配置的采集控制模塊、通信接口，就可以實現現場信息交換。在控制系統中，上位機起實時現場監視作用。即使上位機當機，I-7188EG內置的ISAGRAF軟邏輯控制程序仍然可以實時控制潮汐模擬系統中各點水流、水位變量，保證系統正常穩定的運行，且上位機與PAC之間的MODBUS TCP/IP遠程網絡，傳輸距離長，傳輸數據快，實時性高，滿足系統實時性高的要求。

實際物理結構中結點數只有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，不需擔心其傳輸能力。布線上，采用總線型拓撲結構，從總線到每個節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備，以消除共模干擾，從而滿足系統可靠性高的要求。

5 結 語

本設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運行系統軟件，也可在遠程網絡中對實驗過程實現自動控制，大大方便了人員的操作，也減輕了戶外作業的勞動強度。系統投入運行以來，未出現通訊中斷造成停機。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總線的倉儲網絡控制系統的設計與實現\\[J\\].測控技術，2005，24(5):64-66.

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［2］張磊，王柏林.MODBUS TCP/IP現場總線在工業報警系統中的應用\\[J\\].電氣技術與自動化，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］北京亞控科技發展有限公司.組態王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的研究。

徐大誠 1963年出生，現蘇州大學教授，碩士生導師，畢業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。