海工模型潮汐模擬自動控制裝置及控制方法
2023-05-27 23:56:16 1
專利名稱：海工模型潮汐模擬自動控制裝置及控制方法
技術領域：
本發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。
技術背景瀕海電廠排、取水工程及其它海岸工程研究任務或有關潮流的基礎性研究任務要求在 其物理模型中復演原型的潮汐現象，即準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。近十餘年來逐漸轉向多通道的生 潮模式，即用眾多的泵或電磁閥等執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，因此它是一個通道多個開或關流量控制的臺階式流量調節的生潮模式，所以存在控制及操作複雜、精度不高的缺陷。近年來出現的變頻泵技術可使每一通道實現單泵流量無級調節的生潮模式，替代了落後的一個通道多泵的臺階式流量調節的生潮模式。例如，某水利科研所研製出的"新型潮 汐模型自動控制系統"，該潮汐模擬系統正是採用了變頻泵的技術，但其水力調節特點僅 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"。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) 數量大(4 5段或更多)；②各段(通道)流量需準確模擬，以易於精準模擬水域中眾多 測流點流速(流向、流速數值)的隨潮過程；③模擬域水位監測點僅1 2個等。河工潮 汐模型變頻生潮系統對單純的海工模型還不能適用。因此需要研製出一種更加先進，結構 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，這也是本發明宗旨所 在。發明內容本發明的目的是針對上述現有技術的局限性，提供一種海工模型潮汐模擬自動控制 裝置及控制方法，具有結構簡潔、裝配靈活、人機互動友好，並且完全適合瀕海全潮汐海 工模型的特點。為了實現上述目的本發明採取的技術方案是一種海工模型潮汐模擬自動控制裝置，包括上位機、水位計及多個遠程PLC控制分站， 採用Profibus-DP分布式工業控制總線制，即上位機通過現場總線連接PLC控制分站；控 制分站包括遠程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。 上位機集中管理遠程PLC控制分站，各遠程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(DCS)，它能使故障點分散，可靠性提高，優於一般 "集中控制模式"；每個開邊界都分割成多個通道，通道內的水泵組通過變頻器的調頻調 壓實現其流量的無級調節；本發明為確保通道流量準確，不僅設有供水泵組，還設置出 水泵組，並使進、出水泵分處隔牆兩側，水泵出口的輸水軟管垮隔牆擺置，以阻斷非控 制流量。用於權利要求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 行操作步驟A:設置初始化數據；步驟B:用該自動裝置中的手動功能調節部分通道的水泵流量，使模型充水，達到合適水位後，投入自動走潮；步驟C:獲取水位計實測值並計算與當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定誤差範圍內，如果是，執行步驟E;否則調整部分通道相關時段的流量數據，回到步驟B繼續走潮(B、 C、 D為潮位調試過程)；到此步止，為"調潮"環節， 一旦完成"調潮"環節，其後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據持續運行，潮周數達封設定值，自動停止控潮。 步驟F:導出控潮數據。其中，包括全部潮位實測值及其誤差數據等。 所述步驟A中的初始化數據設置包括輸入各通道流量的過程數據、模型控潮系統布置示意圖及建立通道連接，進一步設置通道、步長、步序總數、總潮周數、起始步數、水位計量程及平衡泵自啟動閾值，配置通道及設備；所述步驟C具體包括根據當前給定潮位值由PLC從"流量-頻率"方程自動計算水泵相應的頻率，向變頻器輸出該計算頻率，PLC經"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，計算出潮位誤差並顯示。所述步驟D中的潮位誤差^ 1. 5mm。本發明所述控制方法採用控制水邊界各分段流量過程、同步監視水位的開環控制模 式，具有操作簡便、控制準確的優點。本發明的有益效果是相比現有技術，本發明具有結構簡潔、.裝配靈活、人機互動友 好，並且完全適合瀕海全潮汐海工模型的特點。
圖1是本發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是本發明所述裝置中供水泵和排水泵的布局圖；圖3是本發明所述裝置硬體系統的構成示意圖； 圖4是本發明所述控制方法的基本步驟流程圖；圖5是本發明所述控制方法的具體步驟流程圖。圖中l模擬水面、2水位計、3輸水軟管、4供水槽、5供水泵、6隔牆、7排水泵、 8模型退水槽、IO通道、20泵群。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但不作為對本發明的限定。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，上位機通過現場總線連接控制單元。水位計2用於測量模擬水面1的水位值。 控制單元包括遠程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內的水泵通過變頻器的調頻調 壓實現其轉速的無級調節。如圖3所示，本發明所述裝置硬體系統的結構圖，是由一臺上位主控計算機和五套下 位遠程PLC控制分站通過Prof ibus-DP現場總線組成的一個典型的集散控制系統(DCS)， 實現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，優於一般"集 中控制模式"。且各通道10均採用市場通用定型產品，使製作、安裝、分解拆運簡單快捷， 可任意組合，如同搭積木一樣，根據需求可多可少，布置靈活多便。在各種海工模型上重 複利用方便。本發明所述裝置的特點為1) 網絡結構特點本發明所述裝置的主控計算機通過Prof ibus-DP現場總線，高速雙纜總線網絡與五套 遠程PLC控制分站聯結。2) 高技術含量本發明所述裝置採用了由工業控制上位機和下屬數個PLC遠程控制分站以及PRIFIBUS分布式現場總線組成的監控網絡；變頻無級調速水泵組；高準確度線位移光柵數字水位儀; 組態軟體編程，WND0WS 2000運行平臺等高技術手段。3) 準確度高變頻電源實現無級調整進出模型流量，提高了各通道流量控制的準確性，使流場率定 及驗證符合快而好，減少了調潮時間。避免了開關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象；採用高解析度、高準確度的光柵數字水位儀，提高了水位採集 的準確度。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(DCS)，使故障點分散，可靠性提高，優於一般集中控制模式。 其PRIFIBUS分布式工業現場總線採用國際標準通訊協議，確保了控制系統、通信數據的 可靠。與採用RS232或RS485方式進行通訊的系統相比，減少了通訊電纜的敷設量，且通 訊速率提高io倍以上。5) 實時性強數據採集方面，PLC可編程控制器聯繫主控機與各變頻器，承擔了各單元流量、頻率 間互換方程計算和數據、信號通信聯絡，減少了各分系統對主控機的資源佔用，實時性強。如圖2所示，為了確保通道流量準確，所述水泵包括分別布置在通過隔牆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，各泵的出水端均設有跨過隔牆6設置的 輸水軟管3。由於供、排水泵7採用變頻調速技術，電機的啟動電流和啟動力矩都大大降 低，節電並減少了對供電電網的衝擊，提高了電機的使用壽命。從而降低了相應的維修、 維護費用，具有節電及維護簡便的優點。如圖4所示，用於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 進行操作步驟30:設置初始化數據；所述初始化數據設置包括(參見圖5)輸入各通道流量 的過程數據、模型控潮系統布置示意圖及建立通道連接，進一步設置通道、步長、步序總 數、總潮周數、起始步數、水位計量程及平衡泵自起閾值，配置通道及設備；步驟40:用系統手動功能調節各通道內的水泵流量，使模型充水，達到設定水位後， 投入自動走潮；步驟50:獲取水位計實測值與當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)根據當前給定潮位值由PLC從"流量-頻率"方程自動計算水泵相應的頻率，向變頻器輸出該計算頻率，PLC經"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定誤差範圍內，(參見圖4、圖5)潮位誤差設定值^L5mm，也可以根據需要潮位誤差設定值^3. Omm，如果是，執行步驟70，否則調整部分通 道相關時段的流量數據回到步驟40繼續走潮；以上各步為調潮過程， 一旦完成調潮過程， 其後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據持續運行，潮周數達到設定值後，自動停止 控潮。本發明所述控制方法的監控模式是採用控制水邊界各分段流量過程、同步監視水位的 開環控制模式。即給定整個潮周各分段的流量 時間過程數據及潮位監測點的潮位 時間 過程數據，模擬裝置自動控制各通道水泵按流量 時間過程數據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,裝置自動監視水位實時過程。經調潮環節的調試 後，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。本發明所述裝置採用了 "典型的集散控制系統(DCS)"，它不僅有上位機，還有PLC 遠程分站控制機，能使故障點分散，可靠性提高，優於一般的"集中控制模式"。各控制 分站中的通道單元的數量和通道功能(流量、水位、流速)可根據要求進行靈活配置；本 發明不僅設有供水泵組，還設置排水泵組，並使供、排水泵分處隔牆兩側，水泵出口的輸 水軟管垮隔牆擺置，以阻斷非控制流量，確保了通道流量的準確。本發明所述控制方法採 用控制水邊界各分段流量過程、同步監視水位的開環控制模式，具有操作簡便、控制準確 的優點。因此本發明具有結構簡潔、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，只是本發明較優選的具體實施方式
的一種，本領域的技術人員在 本發明技術方案範圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種海工模型潮汐模擬自動控制裝置，其特徵在於包括上位機、水位計及多個遠程PLC控制分站，上位機通過現場總線連接PLC控制分站；控制分站包括遠程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，上位機集中管理遠程PLC控制分站，各遠程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，通道內的水泵組通過變頻器的調頻調壓實現其流量的無級調節；水泵包括供水泵和排水泵，供、排水泵分別布置在通過隔牆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，輸水軟管跨過隔牆設置。
2. 根據權利要求1所述的海工模型潮汐模擬自動控制裝置，其特徵在於所述現場總線為Profibus-DP分布式工業控制總線。
3. 用於權利要求1所述的海工模型潮汐模擬自動控制裝置的控制方法，其特徵在於 按照下述步驟進行操作步驟A:設置初始化數據；步驟B:用該自動裝置中的手動功能調節部分通道的水泵流量，使模型充水，達到合 適水位後，投入自動走潮；步驟C:獲取水位計實測值並計算與當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定誤差範圍內，如果是，執行步驟E;否則調整部分 通道相關時段的流量數據，回到步驟B繼續走潮；步驟E:按照給定各通道流量過程數據持續運行，潮周數達到設定值，自動停止控潮。步驟F:導出控潮數據，包括全部潮位實測值及其誤差；
4. 根據權利要求3所述的控制方法，其特徵在於所述步驟A中的初始化數據設置包括輸入各通道流量的過程數據、模型控潮系統布置示意圖及建立通道連接，進一步設 置通道、步長、步序總數、總潮周數、起始步數、水位計量程及平衡泵自啟動閾值，配置 通道及設備；所述步驟C具體包括根據當前給定潮位值由PLC從"流量-頻率"方程自動計算水 泵相應的頻率，向變頻器輸出該計算頻率，PLC經"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，計算出潮位誤差並顯示。
5. 根據權利要求3或4所述的控制方法，其特徵在於所述步驟D中的潮位誤差^ 1. 5腿。
全文摘要
本發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、水位計及多個遠程PLC控制分站。上位機通過現場總線連接數個遠程控制分站，控制分站包括一臺遠程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、退水槽隔牆兩側。該裝置具有結構簡潔、裝配靈活，故障點分散、可靠性高，通道流量準確的優點。所述控制方法即採用給定水邊界各通道/分段流量過程數據、同步監視水位的開環控制模式。具體步驟為設置給定數據，模型充水達合適水位後，啟動潮控系統自動走潮；獲取並顯示實時潮位和給定潮位過程線以及潮位誤差，直待運行至設定潮周數後，自動停機。該控制方法，具有操作簡便、控制準確的優點。因此本發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 優先權日2008年11月10日
發明者耘 何, 孫淑卿, 宋志勇, 康佔山, 張全勝, 平 紀, 珏 袁, 賀益英, 趙懿珺, 洋 陸 申請人:中國水利水電科學研究院