潮汐模擬系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

張 璇

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

港口潮流物理模型試驗(yàn)中潮汐、潮流的正確生成與控制是完成試驗(yàn)任務(wù)的重要條件之一。為了順利完成試驗(yàn)任務(wù)，試驗(yàn)單位根據(jù)模型試驗(yàn)的實(shí)際需要設(shè)計(jì)一套潮汐模擬系統(tǒng)。由于模型試驗(yàn)的過程長達(dá)數(shù)月或更長，并且模型試驗(yàn)結(jié)果具有累積性，需要在過往的試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行，儀器設(shè)備的可靠性成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要考慮因素。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障或失控，造成模型中沖積地形破壞性的影響。本文介紹了在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所潮汐模擬系統(tǒng)中的可靠性設(shè)計(jì)。

1 潮汐模擬系統(tǒng)硬件系統(tǒng)介紹

1.1 傳統(tǒng)潮汐模擬系統(tǒng)可靠性問題分析

傳統(tǒng)的潮汐模擬控制系統(tǒng)有潮水箱控制系統(tǒng)和尾門控制系統(tǒng)，這兩種傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)一般設(shè)置在模型的開邊界處，對于控制邊界不是很寬的模型，能夠很好的控制模型上的水位變化[1]。隨著工程規(guī)模的不斷增大以及模型試驗(yàn)要求的逐步提高，潮水控制箱系統(tǒng)由于規(guī)模問題鮮有使用，尾門控制系統(tǒng)雖可通過加長尾門的方式增加規(guī)模，但由于可靠性的問題使用也越來越少，難以適應(yīng)新的模型試驗(yàn)。尾門控制系統(tǒng)主要存在的問題如下：

(1)采用尾門控制潮汐時(shí)，模型的邊界水位的控制方式單一，一旦儀器設(shè)備出現(xiàn)故障，模型內(nèi)的水流會(huì)產(chǎn)生巨大的變化并產(chǎn)生較強(qiáng)的水流，對模型內(nèi)的地形特別是泥沙沖積模型影響較大；

(2)尾門及其控制執(zhí)行器為調(diào)速電機(jī)和減速箱帶動(dòng)的純機(jī)械結(jié)構(gòu)，在潮濕及水下環(huán)境下?lián)碛休^高的故障率；

(3)系統(tǒng)中尾門的監(jiān)測與控制，以及水位及流速的采集大多采用模擬信號，在電機(jī)大量使用的試驗(yàn)廳環(huán)境下，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)量大，造成潮汐模擬的重復(fù)性較差。

針對傳統(tǒng)潮汐模擬系統(tǒng)問題的可靠性設(shè)計(jì)可明顯提升系統(tǒng)潮汐模擬的能力。

1.2 潮汐模擬系統(tǒng)中的可靠性設(shè)計(jì)原則

潮汐模擬系統(tǒng)中可靠性設(shè)計(jì)需要考慮的因素如下：(1)采用多點(diǎn)可控的供水點(diǎn)代替單一的模型邊界水位控制條件；(2)海港模型反復(fù)拆除，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要盡量集中，避免在模型多次建設(shè)拆除的過程中，系統(tǒng)的部件過多，造成系統(tǒng)部件的丟失或者部件的性能下降，給系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響，因此需要較高的集成度；(3)試驗(yàn)現(xiàn)場的條件比較惡劣，大廳中擁有大量的變頻、水泵等設(shè)備，容易對設(shè)備造成影響，因此盡量多地采用數(shù)字設(shè)備，減少模擬量設(shè)備的使用；(4)對于系統(tǒng)上連接的多個(gè)相同的通信協(xié)議的設(shè)備，不同的端口連接，避免指令的干擾。

圖1 潮汐模擬系統(tǒng)硬件連接圖Fig.1 Hardware connection diagram of tide simulation system

1.3 潮汐模擬系統(tǒng)介紹

潮汐模擬系統(tǒng)是利用分布于港池四周的22臺(tái)雙向軸流水泵，實(shí)現(xiàn)港池和港池外側(cè)的蓄水廊道中水的流動(dòng)，從而改變港池四周的動(dòng)態(tài)流量，達(dá)到四面開邊界潮汐模擬的目的。潮汐模擬系統(tǒng)的硬件按照功能主要分為水泵控制部分、水位采集部分、流速采集部分和水位儀的擴(kuò)展部分。該潮汐模擬系統(tǒng)的硬件連接示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以計(jì)算機(jī)為核心，通過與智能測量儀器的交互，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制以及港池中水文資料的感知。

2 潮汐模擬的可靠性設(shè)計(jì)

2.1 潮汐模擬系統(tǒng)中的設(shè)備選型

表1 潮汐模擬系統(tǒng)的設(shè)備選型Tab.1 Equipment selection in tide simulation system

潮汐模擬系統(tǒng)設(shè)備選型見表1。系統(tǒng)選擇變頻器和變頻水泵作為控制器，采用開環(huán)控制的方式。控制軟件按用戶設(shè)置的頻率控制水泵的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)整水泵運(yùn)行的頻率曲線來調(diào)整模型中的潮位和流態(tài)。

水位計(jì)和流速儀為系統(tǒng)中的觀測設(shè)備，與變頻器采用相同的通信方式。系統(tǒng)對水泵控制的可靠性是用戶最關(guān)注的問題。為保證通信質(zhì)量，采用PCI插槽多串口卡，可為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展出獨(dú)立的4個(gè)RS485接口。

2.2 水泵控制的可靠性

水泵控制采用變頻器控制的方式，為系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)。潮汐模擬系統(tǒng)中擁有總計(jì)22臺(tái)變頻器，在進(jìn)行電纜布置時(shí)，應(yīng)考慮線路對系統(tǒng)可靠性的影響。采用雙絞線連接電纜，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布局時(shí)盡量減少分支，并且節(jié)點(diǎn)距離總線的距離應(yīng)該盡量短，這樣可以減少反射信號對總線的干擾[2]。金屬網(wǎng)包裹在信號線的外部，金屬網(wǎng)的外部利用絕緣層隔斷，切斷儀器設(shè)備靜電干擾的途徑，還能抑制電磁干擾[3]。因此，在選擇線路時(shí)，選擇具有金屬屏蔽網(wǎng)的雙絞線。由于接口為半雙工的工作模式，為了加快計(jì)算機(jī)對變頻器的控制，防止計(jì)算機(jī)之間的互相干擾，采用兩根通信線路分別控制11臺(tái)變頻器的方式。計(jì)算機(jī)與變頻器通信電纜的長度為40 m，為了保證通信的可靠性，采用了有源光電隔離的RS232-RS485轉(zhuǎn)換器，將計(jì)算機(jī)與變頻器連接。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，采用有源光電隔離RS232-RS485轉(zhuǎn)換器比采用無源轉(zhuǎn)換器或采用PCI卡串口擴(kuò)展卡的指令丟失率要低的多。一方面光電隔離可以屏蔽掉許多干擾，另一方面有源轉(zhuǎn)換器在輸出功率上有保障，誤碼率低。

計(jì)算機(jī)對變頻器的控制采用的是ModBus協(xié)議，RS485接口。ModBus協(xié)議是Modicon公司于1978年發(fā)明的一種用于電子控制器進(jìn)行控制和通信的通信協(xié)議。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備進(jìn)行通信。ModBus可分為兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，同一個(gè)ModBus網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)[4]。ASCII模式是一種人類可讀的，冗長的表示方式，消息幀見表2。

表2 ASCII模式的消息幀Tab.2 Message frame in ASCII mode

國產(chǎn)變頻器歐瑞 F2000-P的指令為例：以“：”(ASCII碼3AH)字符作為起始符，以回車符(ASCII碼0AH，0DH)作為結(jié)束符，指令長度為34個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)幀內(nèi)容包括發(fā)送的變頻器的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及輸入頻率，以及當(dāng)前計(jì)算機(jī)中記錄的變頻器的狀態(tài)信息。變頻器返回的幀長度與接收的幀長度一致。這樣的通信方式保證了系統(tǒng)的可靠性，一方面指令中的LRC校驗(yàn)可以驗(yàn)證所收到信息的正確性，在收到正確的指令的前提下開始工作；另一方面應(yīng)答模式保證了計(jì)算機(jī)可以知道當(dāng)前變頻器的工作狀態(tài)，通過對比計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)與返回的數(shù)據(jù)，保證變頻器處于可控狀態(tài)。

RTU模式是一種緊湊的，采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)的方式，其指令長度相對較短。在串口波特率設(shè)置為9 600的條件下，上位機(jī)采用LabView狀態(tài)機(jī)以應(yīng)答模式與變頻器通信，完成一次34字節(jié)的指令應(yīng)答需要近250 ms的時(shí)間。為了提高計(jì)算機(jī)對變頻器控制采集的可靠性，采取連續(xù)發(fā)送2～3次指令的模式，完成對11臺(tái)水泵的一次頻率變化，需要的時(shí)間約為5 s甚至更長的時(shí)間。而采用RTU模式的指令，完成指令應(yīng)答的時(shí)間僅為ASCII模式下時(shí)間的1/4～1/3, 通信的效率會(huì)明顯提高，降低了計(jì)算機(jī)通信線程的負(fù)擔(dān)，提高了軟件的穩(wěn)定性和整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

2.3 水文監(jiān)測儀器的可靠性

水文監(jiān)測儀器主要包括水位采集設(shè)備和流速采集儀器。水位采集儀器市場量小，大多是相關(guān)科研院所開發(fā)，采用RS485接口進(jìn)行通訊。水位采集儀器大多采用發(fā)送包含儀器編號的讀取指令，采集設(shè)備回復(fù)固定格式的指令，回復(fù)指令較少包含校驗(yàn)位，用戶通過解析回復(fù)指令，獲得水位數(shù)據(jù)。對于這種未采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)的設(shè)備，采用擴(kuò)展計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接口、獨(dú)立成網(wǎng)的方式，降低其他設(shè)備對其影響。對于輸出量為模擬量的壓力型水位測量儀器，采用具有光電隔離的4017采集模塊進(jìn)行采集，可實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集，攜帶多個(gè)儀器。對于水位采集儀器來說，采用具有校驗(yàn)功能的指令時(shí)，其產(chǎn)生無效數(shù)據(jù)的幾率要比無校驗(yàn)時(shí)低的多；采用數(shù)字信號設(shè)備比模擬信號設(shè)備時(shí)可靠性要高的多。流速測量儀器采用小威龍流速儀，其數(shù)據(jù)接口為全雙工的RS232接口，通信距離相對較短，可采用RS232-RS422設(shè)備進(jìn)行通信線路延長，提高其適應(yīng)模型的能力。對于某些新型的采集設(shè)備，可采用無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，降低了傳統(tǒng)布線帶來的人力物力消耗以及信號在線纜傳輸過程中的故障率[5]。

潮汐模擬系統(tǒng)中每一類水文監(jiān)測儀器可以采用一個(gè)由PCI串口擴(kuò)展卡擴(kuò)展出的接口，避免不同儀器間的指令干擾。

2.4 儀器可靠性比較

采用可靠性設(shè)計(jì)的潮汐模擬系統(tǒng)，在可靠性上與傳統(tǒng)的尾門控制系統(tǒng)等相比，具有較大的提升，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)采用可靠性設(shè)計(jì)的潮汐模擬系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間加長：變頻軸流泵的潮汐模擬系統(tǒng)可連續(xù)工作3～5 d，尾門控制模型一般連續(xù)工作1～2 d即需停機(jī)維護(hù)；

(2)采用可靠性設(shè)計(jì)的潮汐模擬系統(tǒng)失控情況少，失控?fù)p失?。鹤冾l器的控制方式使模型多點(diǎn)控制水位，水泵與預(yù)期工作狀態(tài)不一致時(shí)，僅3 min之內(nèi)系統(tǒng)即可反映并報(bào)警，失控時(shí)局部流速最大為1～2 m/s；尾門控制模型失控時(shí)流速可達(dá)5～10 m/s，對模型具有較大傷害；

(3)采用可靠性設(shè)計(jì)的潮汐模擬系統(tǒng)采集的失效數(shù)據(jù)較少：新系統(tǒng)對變頻器控制的指令錯(cuò)誤為0.1%，水位采集錯(cuò)誤數(shù)據(jù)量為0.5%，遠(yuǎn)低于尾門3%的控制、采集錯(cuò)誤數(shù)據(jù)率。

3 潮汐模擬系統(tǒng)的應(yīng)用

將該潮汐控制系統(tǒng)應(yīng)用到印尼龍灣電站潮流物理模型試驗(yàn)中[6]，在潮汐模擬系統(tǒng)中選擇了3面總計(jì)15臺(tái)水泵模擬工程區(qū)域變化復(fù)雜的潮流特征。模型試驗(yàn)中，相鄰兩個(gè)潮位觀測點(diǎn)的時(shí)間為107.6 s。由于實(shí)測的潮位在相鄰時(shí)刻間有較大的變化，只對觀測點(diǎn)的邊界流量進(jìn)行模擬，不能很好地模擬潮汐特點(diǎn)，因此用樣條插值法對流量曲線進(jìn)行插值，相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間插入3個(gè)點(diǎn)，即每26.9 s一個(gè)流量數(shù)據(jù)，使水泵流量的變化過程更加平滑。選取一天中大潮的數(shù)據(jù)作為潮位驗(yàn)證的結(jié)果，模擬驗(yàn)證結(jié)果見圖2。

圖2 模型試驗(yàn)潮位曲線模擬結(jié)果圖Fig.2 Simulation results of tidal level curve in model test

在實(shí)際試驗(yàn)的過程中，需要將一年中的大中小潮的數(shù)據(jù)拼接，在56 h中連續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，以模擬較長時(shí)間的潮汐變化對實(shí)際工程的影響。潮汐模擬系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中，記錄變頻器的頻率變化與水位變化的結(jié)果，其中頻率的復(fù)現(xiàn)率為100%，水位的復(fù)現(xiàn)率為95%。

4 結(jié)語

在潮汐模擬系統(tǒng)中，采用多點(diǎn)可控的供水點(diǎn)設(shè)計(jì)，可降低系統(tǒng)失控風(fēng)險(xiǎn)并提高水位控制的靈活度；采用數(shù)字化的控制、采集和通信手段，可有效提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，提高潮汐模擬的準(zhǔn)確度，從而顯著提升潮汐模擬系統(tǒng)的性能。潮汐模擬系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在操作性和性能上都有顯著提升，可在潮汐模擬試驗(yàn)中推廣應(yīng)用。