CN101344782B - 海洋工程水池造波机远程测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了海洋工程水池造波机远程测控系统，其主要由测控调节柜(C柜)、PLC以及计算机图形测控系统组成。所述PLC安置在造波机的测控调节柜内，且对测控调节柜进行信号的采集和输入输出控制；通过总线通讯方式与计算机图形测控系统进行通讯，实现对造波机的远程测控。本发明可用于海洋工程国家重点实验室对海洋工程水池造波机的远程控制和参数测试，以提高造波机控制能力和测试数据的准确性。

Description

海洋工程水池造波机远程测控系统

技术领域：

本发明涉及一种海洋工程设备的远程测控系统，特别涉及一种海洋工程水池造波机远程测控系统。

背景技术：

我国现有多个海洋工程实验室，特别是国家级重点海洋工程实验室从建立起陆续引进和配置了大量的实验设备。由于引进和配置的时间地点不同等种种原因，大部分的电气测控设备都为单机型且分布在实验室机械设备旁，这样对做船模海洋实验带来不便，在测试效率和精度方面都会有一定程度的影响。为更好地发挥海洋实验室优势，有必要对整个实验室的电气测控设备进行有选择的改造完善，用当今的网络测控技术来实现对实验室的改造，以在实验室形成具有国际先进水平的测控中心系统。本系统针对国家级重点海洋工程实验室中海洋工程水池造波机电控系统的国产化研制而开发。

海洋工程水池造波机是八十年代末从德国进口的设备。海洋工程水池造波机在机械上主要由上下摇板组成，摇板浸入水池中，宽度达30米，叠加高度达六米(同水池宽度和高度)。通过液压机械手臂摇动造波。

电控部分主要由A、B、C三部分电控柜组成：

①A柜为动力开关柜，主要有液压泵、冷却油等部件的直接驱动控制。

②B柜为摇板位置、压力等反馈信号的放大、整形、线性调理柜。

③C柜为测控操作、显示和参数调节柜。

在本项目中，主要改造C柜。C柜由C1-C6抽屉式模块组成：

C1模块：模拟量显示模块，用于显示有关摇板的位置等10个反馈信号。

C2模块：C柜上电控制模块。

C3模块：操作模块，用来完成造波机各部件启动和停止。

C4模块：造波输入信号调整模块，用于把外部造波输入的不同幅值信号调整为C5、C6模块可接受的标准信号，千分之一分辨率精度。

C5模块：上摇板造波信号调节模块，有两个调节参数(垂直度和摇摆度)，在此可以千分之一分辨率精度调节输出波浪摇摆幅度和摇板的静止垂直位置。

C6模块：下摇板造波信号调节模块，同上。

C4-C6模块均采用了德国BOSCH公司的高精度运算放大器子模块组成。

该设备电控部分都是模拟量测控。测控的参数调节均为人工方式，调节电位器均是机械式的，使用时间长了，影响调节精度。另外造波机的电控系统不能远程测制，故给试验效果不太理想，为使海洋工程水池的造波测控设备达到国际先进水平，适应该领域的高速发展。迫切需要将现有的造波机测控系统进行研制开发，目前国内尚无此类产品。

发明内容：

本发明针对现有海洋工程水池造波机的控制所存在的问题，而提供一种能够对海洋工程水池造波机进行远程精确测控的系统。

为了达到上述目的，本发明所涉及的海洋工程水池造波机远程测控系统，其主要由测控调节柜、PLC以及计算机图形测控系统组成；所述PLC安置在造波机的测控调节柜内，且对测控调节柜进行信号的采集和输入输出控制，通过通过总线通讯方式与计算机图形测控系统进行通讯实现对造波机的远程测控。

所述测控调节柜内设有以下模块：

能够将模拟量显示信号可再带负载，并可直接在端子并接引入PLC的模拟量输入模块，经处理后显示在远程计算机CRT上的模拟量显示模块；

通过中间继电器转接取样上电、加温、急停指示灯信号输入至PLC的数字量输入模块，同时并接上电、停止和急停操作引至远程控制操作室内的电控制模块；

首先进行控制母线切割和转换处理，再引入PLC的数字量模块输出控制和数字量输入模块信号反馈的操作模块；

在远程测控时整体切换的造波输入信号调整模块；

垂直度设定值由模拟量输出模块直接输出；且摇摆度由模拟量输出模块输出至数字电位器模块，经调节后输出至自身的上摇板造波信号调节模块；

垂直度设定值由模拟量输出模块直接输出；且摇摆度由模拟量输出模块输出至数字电位器模块，经调节后输出至自身的下摇板造波信号调节模块。

所述总线通讯方式为PROFIBUS-DP总线通信方式。

所述电控制模块的操作功能不由计算机图控操作完成，在CRT上仅显示状态。

所述操作模块当本地远程选择开关打在本地档时，该模块上的操作有效；如果选择远程控制，则该模块上的操作无效。

所述现场PLC中包括：

具有高速处理性能，与上位计算机直接实现PROFIBUS-DP通讯连接的中央处理模块；

用于测控调节柜中各模块信号处理的数字量输入模块；

用于电控制模块、操作模块信号和上、下摇板造波信号调节模块输入波型信号通道切换处理的数字量输出模块；

用于模拟量显示模块信号采样处理的模拟量输入模块；

用于上、下摇板造波信号调节模块远程控制的波型数据输出处理的模拟量输出模块；

用于与数字电位器模块通讯的通信模块。

所述现场PLC中还设有操作控制和工况处理模块、测控波形数据接收处理模块、测控波形数据输出处理模块、数字电位器数据刷新处理模块、上下摇板的垂直度调节处理模块。

所述数字电位器模块中的MPU分别控制两个非易失性数控电位器，且通过RS232C或RS485通讯芯片与现场PLC进行串行通讯。

该模块中还设有完成与现场PLC的数据发送和接受的通讯，且在处理过程中对接受和发送的数据进行奇偶校验和数据流判别控制的与现场PLC的中断通讯模块；

通过I/O端口构造I²C总线接口，以及以软件方式来实现通讯协议的I²C总线的软件构造模块；

在MPU接收新的设置数据时，启动对数字电位器器件的电阻值设置，并在完成设置后，读出刚设置数据并反馈给现场PLC的数字电位器器件数据刷新模块。

所述计算机图形测控系统包括：

用棒图处理显示测控调节柜内模拟量显示模块的10个模拟量的显示模块；

远程和就地的造波机控制柜上电状态显示模块；

整个电控制模块的操作面板功能模拟模块；

造波波形参数的设置功能模块。

根据上述技术方案得到的造波机远程测控系统，可用于海洋工程国家重点实验室对海洋工程水池造波机的远程控制和参数测试，以提高造波机控制能力和测试数据的准确性。

本发明工作时在原有的电气设备上接入远程测控装置后，原有功能保持不变。当设备处于上位测控时，在测控系统上能完全取代原有的控制和操作方式。并能图示模拟造波机的动作。无论在那级控制方式中，都不应改变设备原有的精度和功能。数字测控波形输出：分辨率和频率均满足海洋工程试验要求。上位机能产生供测试用的标准波形信号；并能接收非规则波形的点阵数据格式文件。波形信号能下载至PLC控制器中输出。经频普分析符合要求。

本发明将实验室所有设备的检测与监视，操作与控制集成在一个功能齐全，运行稳定可靠，操作使用方便的计算机系统中，实现对船模海洋实验优化测控的目的；在系统设计时预留可扩展功能以适应实验室发展的需要。由于采用了分布式控制方式，从而大大简化了系统的现场接线，使系统可以方便、可靠的投入和切除。使海洋工程水池的造波机电控设备具有国际先进水平，适应该领域的高速发展。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明的示意图。

图2为数字电位器模块的电路原理图。

图3为计算机图形测控系统的设置功能模块示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明为了解决现有造波机在控制方面所存在的不足，而提供一种能够进行远程精确测控的系统。

为实现上述目的，本实施例是基于对现有造波机的的改进而得到。如图1所示，本发明系统中的在测试行车上设立计算机图形测控系统，与在现场的PLC以PROFIBUS-DP总线通信方式相连，现场的PLC安置在测控调节柜(C柜)中并与其内部的六个模块进行数字和模拟量信号连接，同时PLC上RS232C接口通过数字电位器模块连接各模块。测控调节柜同时还受控于操作盒，进行上电和急停的操作。

针对如前面所述的现有造波机，为使系统具有先进性、高可靠性、易扩展性和操作简便，本系统采用计算机图形测控系统+SIEMENS PLC+测控调节柜来构成，实现对造波机现场信号采集和输出控制的远程测控。系统设置有远程测控和本地测控：远程测控是在测试行车测控室中上位机通过数字总线通信方式来实现；本地测控则在原控制设备上进行。为了达到所述目的主要通过以下方式来实现：

①测控调节柜改进：测控调节柜的改造主要是考虑在原柜上设置控制方式的切换和造波控制信号的调整，使之能被PLC输入/输出模块接受。在原柜上扩展两个单元。单元之一用来设置控制方式的切换开关，为主回路和强电部分的切换。单元之二用来造波控制信号的调整，为弱电部分的切换。

②远程测量控制装置：采用SIEMENS S7-300系列PLC作为主控制器，有关部件仍安装在原设备的测控调节柜内，完成对信号的采集和输入输出控制；在测试行车上设立计算机图形测控系统，与在现场的PLC以PROFIBUS-DP总线通信方式相连，这样在测试行车上就能实现对造波机进行远程测控。

为确保本地测控在原控制设备上进行，但又能根据需要进行远程的测控。必须对原来进口设备装置进行改造，改造是针对测控调节柜(C柜)实施的。

①C1模块：分析表明经原装置调整后的模拟量显示信号可再带负载，这样一来信号的取样简化，可直接在端子并接引入PLC的模拟量输入模块，经处理后显示在远程计算机CRT上。

②C2模块：C柜上电控制模块。通过中间继电器转接取样上电、加温、急停指示灯信号输入至PLC的数字量输入模块，同时并接上电、停止和急停操作引至远程控制操作室内。C2模块的操作功能不由计算机图控操作完成，在CRT上仅显示状态。

③C3模块：操作模块，原造波机各部件启动和停止用中间继电逻辑电路连锁来完成。改造时首先进行控制母线切割和转换处理，再引入PLC的数字量模块输出控制和数字量输入模块的信号反馈。当本地远程选择开关打在本地档时，C3模块上的操作有效；如果选择远程控制，则C3块上的操作无效。但无论在那种状态C3模块上工况指示灯总是有效。

④C4模块：造波输入信号调整模块，由于在远程测控时，造波波形数据由PLC模拟量输出模块输出，有关信号的调整均在PLC中完成。故此模块在远程测控时整体切换。

⑤C5模块：上摇板造波信号调节模块，改造进行输入的设定信号切换。在远程测控时系统转换到PLC控制。垂直度设定值由模拟量输出模块直接输出，分辨率精度可达1/2048；而摇摆度由模拟量输出模块输出至数字电位器模块，经调节后输出至C5模块。

⑥C6模块：下摇板造波信号调节模块同上处理。

PLC装置研制和软件设计：

测控系统中PLC装置选择SIEMENS公司的S7-300系列，根据系统要求，其总体配置如下：

中央处理模块(CPU)：选用CPU315-2DP，具有高速处理性能，与上位计算机直接实现PROFIBUS-DP的通讯连接。

数字量输入模块(DI)：选用SM321，共2块(32点/块)。用于C2、C3模块等信号的处理。

数字量输出模块(DO)：选用SM322，2块为16点/块。用于C2、C3模块等信号和C5、C6模块输入波型信号通道切换的处理。

模拟量输入模块(AI)：选用SM331，共2块(8点/块)。用于C1模块信号采样处理。

模拟量输出模块(AO)：选用SM332，共1块(4点/块)。用于C5、C6模块远程控制的波型数据输出的处理。

通信模块：选用CP340，共1块，RS232接口，用于与数字电位器模块的通讯。

PLC测控软件主要由几大模块组成：

操作控制和工况处理模块

PLC CPU通过PROFIBUS-DP通讯接收上位计算机的操作指令，完成造波机的远程点动和流程启动任务，并反馈有关状态至上位计算机人机界面显示。

测控波形数据接收处理模块

当启动远程测控输出用户非规则波造波时，PLC CPU接收有关上位计算机下载的造波数据，放进专门构筑的动态队列(FIFO)中。由于PLC CPU的数据内存有限，CPU将控制数据下载的速度，以防止数据溢出而丢失。

测控波形数据输出处理模块

当启动远程测控输出用户非规则或SIN波造波时，CPU启动定时中断程序(40mS输出1个数据)，处理输出造波数据至相应D/A通道。

要求SIN波输出时，CUP根据设置的周期(T)浮点运算产生SIN波数据序列；而要求用户非规则造波时，CPU从队列中取出数据；

当取得数据后，CPU将进行一系列的数据处理后才能输出至D/A通道：启动时信号衰减处理、信号相位处理、单波或双波处理、波型长度控制处理等。

数字电位器数据刷新处理模块

在上位计算机人机界面上可调整上下摇板的摇摆度，当MPU接收到新的设置数据后，启动计算相应数字电位器的有关设置值放入数字电位器新值单元。

MPU循环在比较数字电位器新旧值单元，当计较不同时，启动通讯程序，通过RS232通讯接口把新的设置值发送给数字电位器智能模块；并等待接收数字电位器智能模块反馈的已修改的设置值至旧值单元。如果比较出错，CPU将启动再一次发送，以确保数据设置的正确。

上下摇板的垂直度调节处理模块

在上位计算机人机界面上可调整上下摇板的垂直度，当CPU接收到新的设置数据后，通过相应计算，直接修改D/A的垂直度数据输出通道。

本发明中的数字电位器模块(具体电路图如图2所示)：

该模块的CUP采用了基于INTEL公司8031系列单片机内核的ATMEL公司AT2051；它是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(PEROM)的低电压、高性能CMOS 8位微控制器。该器件采用ATMEL高密度、固定存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51TM指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位MPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C2051是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制领域提供了一条灵活性高且价廉的方案。

数字电位器是近年来芯片制造商开发出的一种新型的专用集成电路，由于它的出现数字化的精确调节变为现实。为满足系统的调节精度，在此采用了XICOR公司的E2POTTM非易失性数控电位器X9241。X9241把四个E2POTTM非易失性数控电位器集成在一个单片的CMOS微电路中，即包含四个电阻阵列，每个阵列包含有63个电阻单元。在每个单元之间和二个端点都有可以被滑动单元访问的抽头点。滑动单元在阵列中的位置由用户通过I2C二线串行控制。每个电阻阵列与一个滑动端计数寄存器(WCR)和四个8位数据寄存器联系在一起，这四个数据寄存器可以由用户直接写入和读出。滑动端计数寄存器的内容控制滑动端在电阻阵列中的位置。

为确保调节的精度，在此组合了三个电阻单元形成一个调节电阻，其精度可达1/3969的分辨率。

为满足与PLC的串行通讯，电路中采用了MAXIM公司的MAX202和MAX487。

MAX202为RS232C通讯接口；MAX487为RS485通讯接口。在现在的测控系统中采用RS232C通讯接口来实现电位器智能模块与PLC的CP340模块的通讯。

数字电位器模块的软件设计编程主要有下列几个模块：

与PLC的中断通讯模块：此模块完成与PLC的数据发送和接受的通讯。在处理过程中对接受和发送的数据进行奇偶校验和数据流判别控制。

I²C总线的软件构造模块：由于AT89C2051芯片上没有I²C总线接口，所以只能有通用I/O端口构造该接口，通讯的协议以软件方式来实现。

数字电位器器件数据刷新模块：当MPU接收新的设置数据时，启动对数字电位器器件的电阻值设置，并在完成设置后，读出刚设置的数据反馈给PLC。

本发明中的计算机图形测控系统，其图控软件采用了SIEMENS公司的WIN CC 4.0中文版，该软件包工作在NT4.0操作系统平台，具有高可靠性和易操作性。计算机图控软件设计编制的主要实现是人机操作界面，还包括一些数据处理。人机操作界面由几个方面功能块组成：

用棒图处理显示C1模块的10个模拟量；

远程和就地的C柜上电状态显示；

整个C3模块的操作面板功能模拟，当C柜上的当本地远程选择开关打在远程控制，则在此界面上可远程点动控制造波机工作；此外，由于采用PLC控制，设置了流程启动，造波机可按预先制定规程起动进入造波准备状态；

最重要的部分是造波波形参数的设置功能(如图3所示)。

根据上述技术方案得到的远程测控系统，在使用时若选择远程用户非规程波造波时，波形数据是由用户计算提供的数据序列软件包。上位计算机上要通过人机界面操作下载到PLC中处理输出。数据最多可达10万个，且须40mS输出一个控制数据。

一般地说图控软件能采样实时数据序列并可动态显示和作为历史数据储存处理。下载数据只能作为参数或配方设置处理，所以要满足上述要求，不可能直接通过图控软件来处理。

为此专门用VB软件编制了有关程序通过专用控件与图控软件连接来动态处理下载数据。处理过程：

(1)判别PLC上送的造波数据下载标志，当标志置位时，读入用户数据包到计算机缓冲RAM，送出数据长度等有关参数；

(2)设置数据批处理参数，由于图控软件与PLC的数据交换处理最短周期为100mS，造波数据不能简单的以单个输送，必须与PLC配合批处理动态下载；

(3)判别PLC上送的造波数据队列未满且上批下载数据进队列标志，送批数据至PLC的缓冲数据块(DB)；

(4)判别结束处理。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.海洋工程水池造波机远程测控系统，其主要由测控调节柜、PLC以及计算机图形测控系统组成；其特征在于，所述PLC安置在造波机的测控调节柜内，且对测控调节柜进行信号的采集和输入输出控制，通过总线通讯方式与计算机图形测控系统进行通讯实现对造波机的远程测控；所述测控调节柜内设有以下模块：

模拟量显示模块，所述模拟量显示模块输出的模拟量显示信号具备至少带两个负载的能力，所述模拟量显示模块直接通过端子并接引入PLC上的模拟量输入模块，并将处理后信号显示在计算机图形测控系统中的CRT上；

上电控制模块，所述上电控制模块通过中间继电器转接取样上电、加温、急停指示灯信号输入至PLC上的数字量输入模块，同时接上电、停止和急停操作引至远程控制操作室内；

引入PLC的数字量模块输出控制和数字量输入模块信号反馈的操作模块；

在远程测控时，将系统整体切换到PLC控制的造波输入信号调整模块；

上摇板造波信号调节模块，垂直度设定值由PLC上的模拟量输出模块直接输出；且摇摆度由PLC上的模拟量输出模块输出至测控调节柜中的数字电位器模块，经调节后输出至上摇板造波信号调节模块；

下摇板造波信号调节模块，垂直度设定值由PLC上的模拟量输出模块直接输出；且摇摆度由PLC上的模拟量输出模块输出至测控调节柜中的数字电位器模块，经调节后输出至下摇板造波信号调节模块。

2.根据权利要求1所述的海洋工程水池造波机远程测控系统，其特征在于，所述总线通讯方式为PROFIBUS-DP总线通信方式。

3.根据权利要求1所述的海洋工程水池造波机远程测控系统，其特征在于，所述操作模块当本地远程选择开关打在本地档时，该模块上的操作有效；如果选择远程控制，则该模块上的操作无效。

4.根据权利要求1所述的海洋工程水池造波机远程测控系统，其特征在于，所述PLC中包括：

具有高速处理性能，与计算机图形测控系统直接实现PROFIBUS-DP通讯连接的中央处理模块；

用于测控调节柜中上电控制模块和操作模块信号处理的数字量输入模块；

用于对测控调节柜中的上电控制模块、操作模块信号和上、下摇板造波信号调节模块输入波型信号通道切换处理的数字量输出模块；

用于对测控调节柜中的模拟量显示模块信号采样处理的模拟量输入模块；

用于对测控调节柜中的上、下摇板造波信号调节模块远程控制的波型数据输出处理的模拟量输出模块；

用于与测控调节柜中的数字电位器模块通讯的通信模块。

5.根据权利要求1所述的海洋工程水池造波机远程测控系统，其特征在于，所述PLC中还设有操作控制和工况处理模块、测控波形数据接收处理模块、测控波形数据输出处理模块、数字电位器数据刷新处理模块、上下摇板的垂直度调节处理模块。

6.根据权利要求1或4所述的海洋工程水池造波机远程测控系统，其特征在于，所述数字电位器模块中的MPU分别控制两个非易失性数控电位器，且数字电位器模块通过RS232C或RS485通讯芯片与PLC进行串行通讯。

7.根据权利要求6所述的海洋工程水池造波机远程测控系统，其特征在于，所述数字电位器模块中还设有：

完成与所述PLC的数据发送和接受的通讯，且在处理过程中对接受和发送的数据进行奇偶校验和数据流判别控制的中断通讯模块；

通过I/O端口构造I²C总线接口，以及以软件方式来实现通讯协议的I²C总线的软件构造模块；

在所述MPU接收新的设置数据时，启动对数字电位器器件的电阻值设置，并在完成设置后，读出刚设置数据并反馈给PLC的数字电位器器件数据刷新模块。

8.根据权利要求1所述的海洋工程水池造波机远程测控系统，其特征在于，所述计算机图形测控系统包括：

用棒图处理显示测控调节柜内模拟量显示模块的10个模拟量的显示模块；

远程和就地的测控调节柜上电状态显示模块；

整个操作模块的操作面板功能模拟模块；

造波波形参数的设置功能模块。

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