CN101403918A - 海工模型潮汐模拟自动控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海工模型潮汐模拟自动控制装置及控制方法。所述装置包括上位机、水位计及多个远程PLC控制分站。上位机通过现场总线连接数个远程控制分站，控制分站包括一台远程PLC可编程控制器、3个通道/单元的变频器、供、排水泵及其配电器件；供、排水泵分别布置在模型开边界的供、退水槽隔墙两侧。该装置具有结构简洁、装配灵活，故障点分散、可靠性高，通道流量准确的优点。所述控制方法：即采用给定水边界各通道/分段流量过程数据、同步监视水位的开环控制模式。具体步骤为：设置给定数据，模型充水达合适水位后，启动潮控系统自动走潮；获取并显示实时潮位和给定潮位过程线以及潮位误差，直待运行至设定潮周数后，自动停机。该控制方法，具有操作简便、控制准确的优点。因此本发明完全适合濒海全潮汐海工模型的潮、流模拟。

Description

海工模型潮汐模拟自动控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种潮汐模型自动控制装置，特别涉及一种海工模型潮汐模拟自动控制装置及控制方法。

背景技术

濒海电厂排、取水工程及其它海岸工程研究任务或有关潮流的基础性研究任务要求在其物理模型中复演原型的潮汐现象，即准确地模拟潮位过程及被模拟水域的流场，一套完整的潮汐模拟自动控制装置是必不可缺的。

以往的生潮装置是由尾门、潮汐箱及四通阀等组成。近十余年来逐渐转向多通道的生潮模式，即用众多的泵或电磁阀等执行元件放置到每个通道中；其中，泵、电磁阀等只有开、闭两种工作状态，因此它是一个通道多个开或关流量控制的台阶式流量调节的生潮模式，所以存在控制及操作复杂、精度不高的缺陷。

近年来出现的变频泵技术可使每一通道实现单泵流量无级调节的生潮模式，替代了落后的一个通道多泵的台阶式流量调节的生潮模式。例如，某水利科研所研制出的“新型潮汐模型自动控制系统”，该潮汐模拟系统正是采用了变频泵的技术，但其水力调节特点仅合适感潮河道型、河口型模型的潮汐模拟。因此该所将其定义为“新型河工潮汐模型变频生潮系统”。

濒海全潮汐海工模型要求是：①多开边界(3条或更多)，每条开边界上分段(通道)数量大(4～5段或更多)；②各段(通道)流量需准确模拟，以易于精准模拟水域中众多测流点流速(流向、流速数值)的随潮过程；③模拟域水位监测点仅1～2个等。河工潮汐模型变频生潮系统对单纯的海工模型还不能适用。因此需要研制出一种更加先进，结构简洁、装配灵活、人机互动友好的海工模型潮汐模拟自动控制装置，这也是本发明宗旨所在。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的局限性，提供一种海工模型潮汐模拟自动控制装置及控制方法，具有结构简洁、装配灵活、人机互动友好，并且完全适合濒海全潮汐海工模型的特点。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种海工模型潮汐模拟自动控制装置，包括上位机、水位计及多个远程PLC控制分站，采用Profibus-DP分布式工业控制总线制，即上位机通过现场总线连接PLC控制分站；控制分站包括远程PLC可编程控制器、各通道/单元的变频器、供、排水泵组及其配电器件。上位机集中管理远程PLC控制分站，各远程PLC控制分站完成各控制通道/单元的分散控制。这是一个典型的集散控制系统(DCS)，它能使故障点分散，可靠性提高，优于一般“集中控制模式”；每个开边界都分割成多个通道，通道内的水泵组通过变频器的调频调压实现其流量的无级调节；本发明为确保通道流量准确，不仅设有供水泵组，还设置出水泵组，并使进、出水泵分处隔墙两侧，水泵出口的输水软管垮隔墙摆置，以阻断非控制流量。

用于权利要求1所述的海工模型潮汐模拟自动控制装置的控制方法，按照下述步骤进行操作：

步骤A：设置初始化数据；

步骤B：用该自动装置中的手动功能调节部分通道的水泵流量，使模型充水，达到合适水位后，投入自动走潮；

步骤C：获取水位计实测值并计算与当前潮位给定值之间的差值，即潮位误差；

步骤D：判定潮位误差是否在规定误差范围内，如果是，执行步骤E；否则调整部分通道相关时段的流量数据，回到步骤B继续走潮(B、C、D为潮位调试过程)；到此步止，为“调潮”环节，一旦完成“调潮”环节，其后模型试验运行时的潮位误差均可保证合格；

步骤E：按照给定各通道流量过程数据持续运行，潮周数达到设定值，自动停止控潮。

步骤F：导出控潮数据。其中，包括全部潮位实测值及其误差数据等。

所述步骤A中的初始化数据设置包括：输入各通道流量的过程数据、模型控潮系统布置示意图及建立通道连接，进一步设置通道、步长、步序总数、总潮周数、起始步数、水位计量程及平衡泵自启动阈值，配置通道及设备；

所述步骤C具体包括：根据当前给定潮位值由PLC从“流量-频率”方程自动计算水泵相应的频率，向变频器输出该计算频率，PLC经“频率-流量”方程将变频器实际输出频率换算成流量；通过水位计获取实测水位值，给出已完成的给定潮位和实时水位曲线图，计算出潮位误差并显示。

所述步骤D中的潮位误差≤1.5mm。

本发明所述控制方法采用控制水边界各分段流量过程、同步监视水位的开环控制模式，具有操作简便、控制准确的优点。

本发明的有益效果是：相比现有技术，本发明具有结构简洁、装配灵活、人机互动友好，并且完全适合濒海全潮汐海工模型的特点。

附图说明

图1是本发明所述海工模型潮汐模拟自动控制装置的整体布局图；

图2是本发明所述装置中供水泵和排水泵的布局图；

图3是本发明所述装置硬件系统的构成示意图；

图4是本发明所述控制方法的基本步骤流程图；

图5是本发明所述控制方法的具体步骤流程图。

图中：1模拟水面、2水位计、3输水软管、4供水槽、5供水泵、6隔墙、7排水泵、8模型退水槽、10通道、20泵群。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图1所示一种海工模型潮汐模拟自动控制装置，包括一台上位机、水位计2及多个控制单元，上位机通过现场总线连接控制单元。水位计2用于测量模拟水面1的水位值。控制单元包括远程PLC控制分站、变频器、由多个水泵组成的泵群20及其配电器件。每个控制单元都分割成含有若干水泵的多个通道10，通道10内的水泵通过变频器的调频调压实现其转速的无级调节。

如图3所示，本发明所述装置硬件系统的结构图，是由一台上位主控计算机和五套下位远程PLC控制分站通过Profibus-DP现场总线组成的一个典型的集散控制系统(DCS)，实现15个通道10(可扩展为32各通道单元)，30台水泵以及平衡泵的控制。由主控计算机集中管理，各PLC控制站完成分散控制，能使故障点分散，可靠性提高，优于一般“集中控制模式”。且各通道10均采用市场通用定型产品，使制作、安装、分解拆运简单快捷，可任意组合，如同搭积木一样，根据需求可多可少，布置灵活多便。在各种海工模型上重复利用方便。

本发明所述装置的特点为：

1)网络结构特点

本发明所述装置的主控计算机通过Profibus-DP现场总线，高速双缆总线网络与五套远程PLC控制分站联结。

2)高技术含量

本发明所述装置采用了由工业控制上位机和下属数个PLC远程控制分站以及PRIFIBUS分布式现场总线组成的监控网络；变频无级调速水泵组；高准确度线位移光栅数字水位仪；组态软件编程，WNDOWS 2000运行平台等高技术手段。

3)准确度高

变频电源实现无级调整进出模型流量，提高了各通道流量控制的准确性，使流场率定及验证符合快而好，减少了调潮时间。避免了开关量流量控制潮夕模拟装置运行时可能造成的模型水面的震荡现象；采用高分辨率、高准确度的光栅数字水位仪，提高了水位采集的准确度。全潮过程中模型实测水位与给定潮位误差不超过1.5mm。

4)可靠性高

典型的集散控制系统(DCS)，使故障点分散，可靠性提高，优于一般集中控制模式。其PRIFIBUS分布式工业现场总线采用国际标准通讯协议，确保了控制系统、通信数据的可靠。与采用RS232或RS485方式进行通讯的系统相比，减少了通讯电缆的敷设量，且通讯速率提高10倍以上。

5)实时性强

数据采集方面，PLC可编程控制器联系主控机与各变频器，承担了各单元流量、频率间互换方程计算和数据、信号通信联络，减少了各分系统对主控机的资源占用，实时性强。

如图2所示，为了确保通道流量准确，所述水泵包括分别布置在通过隔墙6阻断的供水槽4和模型退水槽8中的供水泵5和排水泵7，各泵的出水端均设有跨过隔墙6设置的输水软管3。由于供、排水泵7采用变频调速技术，电机的启动电流和启动力矩都大大降低，节电并减少了对供电电网的冲击，提高了电机的使用寿命。从而降低了相应的维修、维护费用，具有节电及维护简便的优点。

如图4所示，用于所述的海工模型潮汐模拟自动控制装置的控制方法，按照下述步骤进行操作：

步骤30：设置初始化数据；所述初始化数据设置包括：(参见图5)输入各通道流量的过程数据、模型控潮系统布置示意图及建立通道连接，进一步设置通道、步长、步序总数、总潮周数、起始步数、水位计量程及平衡泵自起阈值，配置通道及设备；

步骤40：用系统手动功能调节各通道内的水泵流量，使模型充水，达到设定水位后，投入自动走潮；

步骤50：获取水位计实测值与当前潮位给定值之间差值，即潮位误差。具体按照下述步骤操作：(参见图5)根据当前给定潮位值由PLC从“流量-频率”方程自动计算水泵相应的频率，向变频器输出该计算频率，PLC经“频率-流量”方程将变频器实际输出频率换算成流量，通过水位计获取实测水位值，计算得出潮位误差。

步骤60：判定潮位误差是否在规定误差范围内，(参见图4、图5)潮位误差设定值≤1.5mm，也可以根据需要潮位误差设定值≤3.0mm，如果是，执行步骤70，否则调整部分通道相关时段的流量数据回到步骤40继续走潮；以上各步为调潮过程，一旦完成调潮过程，其后模型试验运行时潮位误差均可保证合格。

步骤70：按照给定的各通道流量过程数据持续运行，潮周数达到设定值后，自动停止控潮。

本发明所述控制方法的监控模式是采用控制水边界各分段流量过程、同步监视水位的开环控制模式。即给定整个潮周各分段的流量～时间过程数据及潮位监测点的潮位～时间过程数据，模拟装置自动控制各通道水泵按流量～时间过程数据实时泵入或自模型泵出水量，形成模拟水域中的潮汐流动；同时，装置自动监视水位实时过程。经调潮环节的调试后，该装置在模型试验中自动运行，即可保证模型潮汐的实测水位与给定潮位之差符合要求，得以完成潮位模拟。

本发明所述装置采用了“典型的集散控制系统(DCS)”，它不仅有上位机，还有PLC远程分站控制机，能使故障点分散，可靠性提高，优于一般的“集中控制模式”。各控制分站中的通道单元的数量和通道功能(流量、水位、流速)可根据要求进行灵活配置；本发明不仅设有供水泵组，还设置排水泵组，并使供、排水泵分处隔墙两侧，水泵出口的输水软管垮隔墙摆置，以阻断非控制流量，确保了通道流量的准确。本发明所述控制方法采用控制水边界各分段流量过程、同步监视水位的开环控制模式，具有操作简便、控制准确的优点。因此本发明具有结构简洁、装配灵活、人机互动友好的特点，完全适合濒海全潮汐海工模型。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种海工模型潮汐模拟自动控制装置，其特征在于：包括上位机、水位计及多个远程PLC控制分站，上位机通过现场总线连接PLC控制分站；控制分站包括远程PLC可编程控制器、各通道/单元的变频器、供、排水泵组及其配电器件，上位机集中管理远程PLC控制分站，各远程PLC控制分站完成各控制通道/单元的分散控制；每个开边界都分割成多个通道，通道内的水泵组通过变频器的调频调压实现其流量的无级调节；水泵包括供水泵和排水泵，供、排水泵分别布置在通过隔墙阻断的供水槽和模型退水槽中，供、排水泵的出水端均装有输水软管，输水软管跨过隔墙设置。

2.根据权利要求1所述的海工模型潮汐模拟自动控制装置，其特征在于：所述现场总线为Profibus-DP分布式工业控制总线。

3.用于权利要求1所述的海工模型潮汐模拟自动控制装置的控制方法，其特征在于：按照下述步骤进行操作：

步骤A：设置初始化数据；

步骤B：用该自动装置中的手动功能调节部分通道的水泵流量，使模型充水，达到合适水位后，投入自动走潮；

步骤C：获取水位计实测值并计算与当前潮位给定值之间的差值，即潮位误差；

步骤D：判定潮位误差是否在规定误差范围内，如果是，执行步骤E；否则调整部分通道相关时段的流量数据，回到步骤B继续走潮；

步骤E：按照给定各通道流量过程数据持续运行，潮周数达到设定值，自动停止控潮。

步骤F：导出控潮数据，包括全部潮位实测值及其误差；

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述步骤A中的初始化数据设置包括：输入各通道流量的过程数据、模型控潮系统布置示意图及建立通道连接，进一步设置通道、步长、步序总数、总潮周数、起始步数、水位计量程及平衡泵自启动阈值，配置通道及设备；

所述步骤C具体包括：根据当前给定潮位值由PLC从“流量-频率”方程自动计算水泵相应的频率，向变频器输出该计算频率，PLC经“频率-流量”方程将变频器实际输出频率换算成流量；通过水位计获取实测水位值，给出已完成的给定潮位和实时水位曲线图，计算出潮位误差并显示。

5.根据权利要求3或4所述的控制方法，其特征在于：所述步骤D中的潮位误差≤1.5mm。

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