專利名稱：海工模型潮汐模擬自動控制裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種潮汐模型自動控制裝置，特別涉及一種海工模型潮汐模擬自動控制裝 置及控制方法。
技術(shù)背景瀕海電廠排、取水工程及其它海岸工程研究任務(wù)或有關(guān)潮流的基礎(chǔ)性研究任務(wù)要求在 其物理模型中復(fù)演原型的潮汐現(xiàn)象，即準(zhǔn)確地模擬潮位過程及被模擬水域的流場， 一套完 整的潮汐模擬自動控制裝置是必不可缺的。以往的生潮裝置是由尾門、潮汐箱及四通閥等組成。近十余年來逐漸轉(zhuǎn)向多通道的生 潮模式，即用眾多的泵或電磁閥等執(zhí)行元件放置到每個通道中；其中，泵、電磁閥等只有 開、閉兩種工作狀態(tài)，因此它是一個通道多個開或關(guān)流量控制的臺階式流量調(diào)節(jié)的生潮模式，所以存在控制及操作復(fù)雜、精度不高的缺陷。近年來出現(xiàn)的變頻泵技術(shù)可使每一通道實現(xiàn)單泵流量無級調(diào)節(jié)的生潮模式，替代了落后的一個通道多泵的臺階式流量調(diào)節(jié)的生潮模式。例如，某水利科研所研制出的"新型潮 汐模型自動控制系統(tǒng)"，該潮汐模擬系統(tǒng)正是采用了變頻泵的技術(shù)，但其水力調(diào)節(jié)特點僅 合適感潮河道型、河口型模型的潮汐模擬。因此該所將其定義為"新型河工潮汐模型變頻 生潮系統(tǒng)"。瀕海全潮汐海工模型要求是①多開邊界(3條或更多)，每條開邊界上分段(通道) 數(shù)量大(4 5段或更多)；②各段(通道)流量需準(zhǔn)確模擬，以易于精準(zhǔn)模擬水域中眾多 測流點流速(流向、流速數(shù)值)的隨潮過程；③模擬域水位監(jiān)測點僅1 2個等。河工潮 汐模型變頻生潮系統(tǒng)對單純的海工模型還不能適用。因此需要研制出一種更加先進(jìn)，結(jié)構(gòu) 簡潔、裝配靈活、人機互動友好的海工模型潮汐模擬自動控制裝置，這也是本發(fā)明宗旨所 在。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的局限性，提供一種海工模型潮汐模擬自動控制 裝置及控制方法，具有結(jié)構(gòu)簡潔、裝配靈活、人機互動友好，并且完全適合瀕海全潮汐海 工模型的特點。為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種海工模型潮汐模擬自動控制裝置，包括上位機、水位計及多個遠(yuǎn)程PLC控制分站， 采用Profibus-DP分布式工業(yè)控制總線制，即上位機通過現(xiàn)場總線連接PLC控制分站；控 制分站包括遠(yuǎn)程PLC可編程控制器、各通道/單元的變頻器、供、排水泵組及其配電器件。 上位機集中管理遠(yuǎn)程PLC控制分站，各遠(yuǎn)程PLC控制分站完成各淳制通道/單元的分散控 制。這是一個典型的集散控制系統(tǒng)(DCS)，它能使故障點分散，可靠性提高，優(yōu)于一般 "集中控制模式"；每個開邊界都分割成多個通道，通道內(nèi)的水泵組通過變頻器的調(diào)頻調(diào) 壓實現(xiàn)其流量的無級調(diào)節(jié)；本發(fā)明為確保通道流量準(zhǔn)確，不僅設(shè)有供水泵組，還設(shè)置出 水泵組，并使進(jìn)、出水泵分處隔墻兩側(cè)，水泵出口的輸水軟管垮隔墻擺置，以阻斷非控 制流量。用于權(quán)利要求1所述的海工模型潮汐模擬自動控制裝置的控制方法，按照下述步驟進(jìn) 行操作步驟A:設(shè)置初始化數(shù)據(jù)；步驟B:用該自動裝置中的手動功能調(diào)節(jié)部分通道的水泵流量，使模型充水，達(dá)到合適水位后，投入自動走潮；步驟C:獲取水位計實測值并計算與當(dāng)前潮位給定值之間的差值，即潮位誤差；步驟D:判定潮位誤差是否在規(guī)定誤差范圍內(nèi)，如果是，執(zhí)行步驟E;否則調(diào)整部分通道相關(guān)時段的流量數(shù)據(jù)，回到步驟B繼續(xù)走潮(B、 C、 D為潮位調(diào)試過程)；到此步止，為"調(diào)潮"環(huán)節(jié)， 一旦完成"調(diào)潮"環(huán)節(jié)，其后模型試驗運行時的潮位誤差均可保證合格； 步驟E:按照給定各通道流量過程數(shù)據(jù)持續(xù)運行，潮周數(shù)達(dá)封設(shè)定值，自動停止控潮。 步驟F:導(dǎo)出控潮數(shù)據(jù)。其中，包括全部潮位實測值及其誤差數(shù)據(jù)等。 所述步驟A中的初始化數(shù)據(jù)設(shè)置包括輸入各通道流量的過程數(shù)據(jù)、模型控潮系統(tǒng)布置示意圖及建立通道連接，進(jìn)一步設(shè)置通道、步長、步序總數(shù)、總潮周數(shù)、起始步數(shù)、水位計量程及平衡泵自啟動閾值，配置通道及設(shè)備；所述步驟C具體包括根據(jù)當(dāng)前給定潮位值由PLC從"流量-頻率"方程自動計算水泵相應(yīng)的頻率，向變頻器輸出該計算頻率，PLC經(jīng)"頻率-流量"方程將變頻器實際輸出頻率換算成流量；通過水位計獲取實測水位值，給出已完成的給定潮位和實時水位曲線圖，計算出潮位誤差并顯示。所述步驟D中的潮位誤差^ 1. 5mm。本發(fā)明所述控制方法采用控制水邊界各分段流量過程、同步監(jiān)視水位的開環(huán)控制模 式，具有操作簡便、控制準(zhǔn)確的優(yōu)點。本發(fā)明的有益效果是相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡潔、.裝配靈活、人機互動友 好，并且完全適合瀕海全潮汐海工模型的特點。


圖1是本發(fā)明所述海工模型潮汐模擬自動控制裝置的整體布局圖；圖2是本發(fā)明所述裝置中供水泵和排水泵的布局圖；圖3是本發(fā)明所述裝置硬件系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖； 圖4是本發(fā)明所述控制方法的基本步驟流程圖；圖5是本發(fā)明所述控制方法的具體步驟流程圖。圖中l(wèi)模擬水面、2水位計、3輸水軟管、4供水槽、5供水泵、6隔墻、7排水泵、 8模型退水槽、IO通道、20泵群。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為對本發(fā)明的限定。如圖l所示一種海工模型潮汐模擬自動控制裝置，包括一臺上位機、水位計2及多個 控制單元，上位機通過現(xiàn)場總線連接控制單元。水位計2用于測量模擬水面1的水位值。 控制單元包括遠(yuǎn)程PLC控制分站、變頻器、由多個水泵組成的泵群20及其配電器件。每 個控制單元都分割成含有若干水泵的多個通道10，通道10內(nèi)的水泵通過變頻器的調(diào)頻調(diào) 壓實現(xiàn)其轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)。如圖3所示，本發(fā)明所述裝置硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，是由一臺上位主控計算機和五套下 位遠(yuǎn)程PLC控制分站通過Prof ibus-DP現(xiàn)場總線組成的一個典型的集散控制系統(tǒng)(DCS)， 實現(xiàn)15個通道10 (可擴展為32各通道單元)，30臺水泵以及平衡泵的控制。由主控計算 機集中管理，各PLC控制站完成分散控制，能使故障點分散，可靠性提高，優(yōu)于一般"集 中控制模式"。且各通道10均采用市場通用定型產(chǎn)品，使制作、安裝、分解拆運簡單快捷， 可任意組合，如同搭積木一樣，根據(jù)需求可多可少，布置靈活多便。在各種海工模型上重 復(fù)利用方便。本發(fā)明所述裝置的特點為1) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點本發(fā)明所述裝置的主控計算機通過Prof ibus-DP現(xiàn)場總線，高速雙纜總線網(wǎng)絡(luò)與五套 遠(yuǎn)程PLC控制分站聯(lián)結(jié)。2) 高技術(shù)含量本發(fā)明所述裝置采用了由工業(yè)控制上位機和下屬數(shù)個PLC遠(yuǎn)程控制分站以及PRIFIBUS分布式現(xiàn)場總線組成的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；變頻無級調(diào)速水泵組；高準(zhǔn)確度線位移光柵數(shù)字水位儀; 組態(tài)軟件編程，WND0WS 2000運行平臺等高技術(shù)手段。3) 準(zhǔn)確度高變頻電源實現(xiàn)無級調(diào)整進(jìn)出模型流量，提高了各通道流量控制的準(zhǔn)確性，使流場率定 及驗證符合快而好，減少了調(diào)潮時間。避免了開關(guān)量流量控制潮夕模擬裝置運行時可能造 成的模型水面的震蕩現(xiàn)象；采用高分辨率、高準(zhǔn)確度的光柵數(shù)字水位儀，提高了水位采集 的準(zhǔn)確度。全潮過程中模型實測水位與給定潮位誤差不超過1. 5mra。4) 可靠性高典型的集散控制系統(tǒng)(DCS)，使故障點分散，可靠性提高，優(yōu)于一般集中控制模式。 其PRIFIBUS分布式工業(yè)現(xiàn)場總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，確保了控制系統(tǒng)、通信數(shù)據(jù)的 可靠。與采用RS232或RS485方式進(jìn)行通訊的系統(tǒng)相比，減少了通訊電纜的敷設(shè)量，且通 訊速率提高io倍以上。5) 實時性強數(shù)據(jù)采集方面，PLC可編程控制器聯(lián)系主控機與各變頻器，承擔(dān)了各單元流量、頻率 間互換方程計算和數(shù)據(jù)、信號通信聯(lián)絡(luò)，減少了各分系統(tǒng)對主控機的資源占用，實時性強。如圖2所示，為了確保通道流量準(zhǔn)確，所述水泵包括分別布置在通過隔墻6阻斷的供 水槽4和模型退水槽8中的供水泵5和排水泵7，各泵的出水端均設(shè)有跨過隔墻6設(shè)置的 輸水軟管3。由于供、排水泵7采用變頻調(diào)速技術(shù)，電機的啟動電流和啟動力矩都大大降 低，節(jié)電并減少了對供電電網(wǎng)的沖擊，提高了電機的使用壽命。從而降低了相應(yīng)的維修、 維護(hù)費用，具有節(jié)電及維護(hù)簡便的優(yōu)點。如圖4所示，用于所述的海工模型潮汐模擬自動控制裝置的控制方法，按照下述步驟 進(jìn)行操作步驟30:設(shè)置初始化數(shù)據(jù)；所述初始化數(shù)據(jù)設(shè)置包括(參見圖5)輸入各通道流量 的過程數(shù)據(jù)、模型控潮系統(tǒng)布置示意圖及建立通道連接，進(jìn)一步設(shè)置通道、步長、步序總 數(shù)、總潮周數(shù)、起始步數(shù)、水位計量程及平衡泵自起閾值，配置通道及設(shè)備；步驟40:用系統(tǒng)手動功能調(diào)節(jié)各通道內(nèi)的水泵流量，使模型充水，達(dá)到設(shè)定水位后， 投入自動走潮；步驟50:獲取水位計實測值與當(dāng)前潮位給定值之間差值，即潮位誤差。具體按照下述 步驟操作(參見圖5)根據(jù)當(dāng)前給定潮位值由PLC從"流量-頻率"方程自動計算水泵相應(yīng)的頻率，向變頻器輸出該計算頻率，PLC經(jīng)"頻率-流量"方程將變頻器實際輸出頻率換算成流量，通過水位計獲取實測水位值，計算得出潮位誤差。步驟60:判定潮位誤差是否在規(guī)定誤差范圍內(nèi)，(參見圖4、圖5)潮位誤差設(shè)定值^L5mm，也可以根據(jù)需要潮位誤差設(shè)定值^3. Omm，如果是，執(zhí)行步驟70，否則調(diào)整部分通 道相關(guān)時段的流量數(shù)據(jù)回到步驟40繼續(xù)走潮；以上各步為調(diào)潮過程， 一旦完成調(diào)潮過程， 其后模型試驗運行時潮位誤差均可保證合格。步驟70:按照給定的各通道流量過程數(shù)據(jù)持續(xù)運行，潮周數(shù)達(dá)到設(shè)定值后，自動停止 控潮。本發(fā)明所述控制方法的監(jiān)控模式是采用控制水邊界各分段流量過程、同步監(jiān)視水位的 開環(huán)控制模式。即給定整個潮周各分段的流量 時間過程數(shù)據(jù)及潮位監(jiān)測點的潮位 時間 過程數(shù)據(jù)，模擬裝置自動控制各通道水泵按流量 時間過程數(shù)據(jù)實時泵入或自模型泵出水 量，形成模擬水域中的潮汐流動；同時,裝置自動監(jiān)視水位實時過程。經(jīng)調(diào)潮環(huán)節(jié)的調(diào)試 后，該裝置在模型試驗中自動運行，即可保證模型潮汐的實測水位與給定潮位之差符合要 求，得以完成潮位模擬。本發(fā)明所述裝置采用了 "典型的集散控制系統(tǒng)(DCS)"，它不僅有上位機，還有PLC 遠(yuǎn)程分站控制機，能使故障點分散，可靠性提高，優(yōu)于一般的"集中控制模式"。各控制 分站中的通道單元的數(shù)量和通道功能(流量、水位、流速)可根據(jù)要求進(jìn)行靈活配置；本 發(fā)明不僅設(shè)有供水泵組，還設(shè)置排水泵組，并使供、排水泵分處隔墻兩側(cè)，水泵出口的輸 水軟管垮隔墻擺置，以阻斷非控制流量，確保了通道流量的準(zhǔn)確。本發(fā)明所述控制方法采 用控制水邊界各分段流量過程、同步監(jiān)視水位的開環(huán)控制模式，具有操作簡便、控制準(zhǔn)確 的優(yōu)點。因此本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡潔、裝配靈活、人機互動友好的特點，完全適合瀕海全潮 汐海工模型。以上所述的實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實施方式
的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在 本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種海工模型潮汐模擬自動控制裝置，其特征在于包括上位機、水位計及多個遠(yuǎn)程PLC控制分站，上位機通過現(xiàn)場總線連接PLC控制分站；控制分站包括遠(yuǎn)程PLC可編程控制器、各通道/單元的變頻器、供、排水泵組及其配電器件，上位機集中管理遠(yuǎn)程PLC控制分站，各遠(yuǎn)程PLC控制分站完成各控制通道/單元的分散控制；每個開邊界都分割成多個通道，通道內(nèi)的水泵組通過變頻器的調(diào)頻調(diào)壓實現(xiàn)其流量的無級調(diào)節(jié)；水泵包括供水泵和排水泵，供、排水泵分別布置在通過隔墻阻斷的供水槽和模型退水槽中，供、排水泵的出水端均裝有輸水軟管，輸水軟管跨過隔墻設(shè)置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海工模型潮汐模擬自動控制裝置，其特征在于所述現(xiàn)場總線為Profibus-DP分布式工業(yè)控制總線。
3. 用于權(quán)利要求1所述的海工模型潮汐模擬自動控制裝置的控制方法，其特征在于 按照下述步驟進(jìn)行操作步驟A:設(shè)置初始化數(shù)據(jù)；步驟B:用該自動裝置中的手動功能調(diào)節(jié)部分通道的水泵流量，使模型充水，達(dá)到合 適水位后，投入自動走潮；步驟C:獲取水位計實測值并計算與當(dāng)前潮位給定值之間的差值，即潮位誤差；步驟D:判定潮位誤差是否在規(guī)定誤差范圍內(nèi)，如果是，執(zhí)行步驟E;否則調(diào)整部分 通道相關(guān)時段的流量數(shù)據(jù)，回到步驟B繼續(xù)走潮；步驟E:按照給定各通道流量過程數(shù)據(jù)持續(xù)運行，潮周數(shù)達(dá)到設(shè)定值，自動停止控潮。步驟F:導(dǎo)出控潮數(shù)據(jù)，包括全部潮位實測值及其誤差；
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于所述步驟A中的初始化數(shù)據(jù)設(shè)置包括輸入各通道流量的過程數(shù)據(jù)、模型控潮系統(tǒng)布置示意圖及建立通道連接，進(jìn)一步設(shè) 置通道、步長、步序總數(shù)、總潮周數(shù)、起始步數(shù)、水位計量程及平衡泵自啟動閾值，配置 通道及設(shè)備；所述步驟C具體包括根據(jù)當(dāng)前給定潮位值由PLC從"流量-頻率"方程自動計算水 泵相應(yīng)的頻率，向變頻器輸出該計算頻率，PLC經(jīng)"頻率-流量"方程將變頻器實際輸出頻率換算成流量；通過水位計獲取實測水位值，給出已完成的給定潮位和實時水位曲線圖，計算出潮位誤差并顯示。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的控制方法，其特征在于所述步驟D中的潮位誤差^ 1. 5腿。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種海工模型潮汐模擬自動控制裝置及控制方法。所述裝置包括上位機、水位計及多個遠(yuǎn)程PLC控制分站。上位機通過現(xiàn)場總線連接數(shù)個遠(yuǎn)程控制分站，控制分站包括一臺遠(yuǎn)程PLC可編程控制器、3個通道/單元的變頻器、供、排水泵及其配電器件；供、排水泵分別布置在模型開邊界的供、退水槽隔墻兩側(cè)。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡潔、裝配靈活，故障點分散、可靠性高，通道流量準(zhǔn)確的優(yōu)點。所述控制方法即采用給定水邊界各通道/分段流量過程數(shù)據(jù)、同步監(jiān)視水位的開環(huán)控制模式。具體步驟為設(shè)置給定數(shù)據(jù)，模型充水達(dá)合適水位后，啟動潮控系統(tǒng)自動走潮；獲取并顯示實時潮位和給定潮位過程線以及潮位誤差，直待運行至設(shè)定潮周數(shù)后，自動停機。該控制方法，具有操作簡便、控制準(zhǔn)確的優(yōu)點。因此本發(fā)明完全適合瀕海全潮汐海工模型的潮、流模擬。
文檔編號G09B25/00GK101403918SQ20081022625
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日
發(fā)明者耘 何, 孫淑卿, 宋志勇, 康占山, 張全勝, 平 紀(jì), 玨 袁, 賀益英, 趙懿珺, 洋 陸 申請人:中國水利水電科學(xué)研究院