l 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=λ1/2H；水流時間比尺其λt=λL／λv=λL／λ1/2H，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=O．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△H，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△t時間后尾門高度Hi+1=Hi+△H，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
，也就是變頻器輸出的脈沖頻率。式中，n為變速箱的變速比；O．75為步進電機的步距角；△α=αi+1一αi；△t=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一20型跟蹤式水位儀，自動跟蹤水槽水位O～20 cm變化，分辨率為O．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一7188EG，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一7188EG
I一7188EG是臺灣泓格科技股份有限公司生產的I一7188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一7188EG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MODBUSTCP協議訪問I一7188EG。
在I一7188EG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
