基于三菱产品的海况实时分布式仿真系统的研制———李玉华吴箫华

摘要：本文详尽介绍了利用菱电公司的经济大型AnSH PLC以及经济紧凑型FX2N PLC及其相应的出功能模块、FR－540变频器，并采用传输速率较高、可靠性好的现场总线CC－Link，架构了一套实时性较强、可靠性良好的海况实时分布式仿真系统。该系统的研制为海洋船舶研制提供了一种实用型的半实物仿真平台，节省了大量的试验测试经费，降低了试验所需的物力和人力，同时在一定程度上，还可以进行海洋能量开发的仿真试验，填补了行业空白。
关键词：PLC  半实物仿真  CC－Link

1.设计背景
船舶在海洋中的摇摆姿态、船体的抗风浪性能对船舶的航行的稳定性、安全性具有巨大的意义。船体在海洋中的不同运动姿态：横倾、纵倾、上下代表不同的海况等级，船舶的适航等级适海洋船舶的一个重要指标。因此，在设计船舶时，尤其是远洋船舶、海洋船舶的设计，必须要经过科学计算其船体的抗风浪等级。但计算仅仅是理论值，必须要经过多次的海风浪试验加以修正。这样的试验不仅费时、费力，还浪费了大量的财力。有些单位为了减少开支，将海风浪试验降低到最低的次数，不仅影响了测试数据的完整性，而且有些数据不一定完整。为了避免这种现象发生，使远洋和海洋船舶设计的更为科学、省时、省力、省经费，我们利用了菱电自动化的大型实用型PLC AnSH以及经济紧凑型FX2NPLC，FR－E540变频器，并采用CC－Link现场总线，开发了一套长50米、宽30米、深6米的水池造波系统，可以模拟实时海况的风浪，实现了船舶设计的半实物仿真系统平台，不仅可以提供给船舶设计单位以及船舶认证单位进行半实物的实时仿真试验，为船舶设计提供接近实际海况的测试现场数据，还可以为海洋开发单元进行波能发电装置的开发研究。这样的半实物分布式仿真平台系统在国外90年代就已成型，在我国船舶设计单位目前正在展开试制工作。

系统组成与设计
2．1 系统组成
为了实时模拟海况的风浪，水流、浪程和浪高等，本造波系统有如下分系统组成
1）造波分系统：水池配有三套双推板大功率的造波机和小功率的造波机，大、小造波机不同的组合能产生纵向传播的长峰波，最大波高可达0.3米，由计算机进行程序控制，可以产生模型试验所需要的规则波或不规则波。
2）造流系统：水池配有一套高压喷水造流系统，在池墙两侧均匀密布喷水管，水泵从粗管吸水加压后从密布的喷水管中喷出，在水池中造成均匀的水流。该系统能产生纵向流和横向流，最大流速为0.1米/秒。此外，还配置了局部造流系统，以适应高速水流以及不同流向试验的需要。
3）造风系统：配置一套可移动式鼓风机造风系统。最大风速可达5米/秒，通过计算机控制系统可进行风谱的模拟。
4）拖车系统：在拖曳试验时可以进行迎浪、顺浪和横浪的拖曳试验，也可对x、y方向调节进行斜浪的拖曳试验。
5）水池过滤系统：水池配有机械过滤系统。
6）消波系统：在造波机对岸设有一定倾斜度的格栅式消波滩，借以吸收波能防止产生反射波。
2．2 系统设计
为了实现上述功能，系统采用分层、分单元的概念，将系统实现真正的分布式控制。其中，造波分系统、造流分系统以及造风分系统分别可由两台PLC控制，海况的波浪有大海浪、小海浪、纹波海浪，为了真实模拟海况的特性，高头较大的海浪由AnS PLC控制，小海浪、纹波海浪由FX2N PLC控制。造流分系统与之类似。只有这样，才能模拟海况中的两个大浪潮中含有许多的小高头的浪潮。浪潮产生的过程为：由PLC的模拟输出功能模块输出0～10V的控制信号控制FR－E540型变频器的输出频率，变频器实时控制三相异步电机的转速，电机带动造波器的浆液片打击水面，电机的转速不同，造成两个波头之间的波程和波峰的不同，这样，三相异步电机不同的转速与不同的波头、波程、波峰相对应，因此，两个三相异步电机不同的转速组合便可实时再现模拟不同的海况。造流系统同样由AnSH PLC和FX2N PLC组合控制各自的动力水泵，形成不同的水流能量。造风系统由AnSH PLC控制大功率的风机实现。
为了提高可靠性，本控制系统中还设计了手动备用调速系统，以保证在计算机故障时不影响造波。当计算机故障时，切换装置不需人工干预，自行切换到手动备用调速系统，操作人员可以通过电位器调节变频器转速来维持正常的造波过程。三个由AnSH PLC、FX2N PLC以及FR－E540变频器和三相异步电机组成的三个现地控制单元和由PC组成的服务器、人机交互服务器架构的系统配置见图1所示。AnSH PLC、FX2N PLC配置图见图2、图3所示。

图2:AnSH  PLC配置
1）A1SH42数字输入/输出模块：主要控制一些控制继电器、接触器的开闭状态、与继电器配合控制电机和变频器的电源的开闭状态。
2）A1SJ61BT11 CC－Link现场总线通信适配器：主要用于与系统服务器中的CC－Link主控模块通信，实时传递AnSH PLC监测各量的状态与参数、同时接收服务器传来的控制指令。
3）A1S66ADA模拟输入/输出模块：实时监测水池的水压变化趋势(反应了海况的级别)，给FR－E540变频器提供模拟控制量，使变频器的输出频率变化，达到控制三相异步电机转速的目的，从而控制、模拟海况的风浪和浪高、浪程。
4）A1SD62D高速计数模块：实时监测三相异步电机的转速，以便A1S66ADA模块对电机的转速进行PID调节。
2．2．2  FX2N PLC特性与配置
FX2N系列是PLC FX家族中最先进的系列，它最大范围的包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。因FX2N PLC具有良好的性价比，它不但具有硬件上较好的配置性能和功能性能，还有丰富的软件功能指令集，是目前小型PLC中的优秀代表，同时它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。其灵活的配置、高速运算、突出的寄存器容量、丰富的元件资源、尤其适合小点数的过程控制。其中:


图3:FX2N PLC配置
1）FX2N－64MT－D主控模块：其数字输入/输出模块控制一些控制继电器、接触器的开闭状态、与继电器配合控制电机和变频器的电源的开闭状态。
2）FX2N －32CCL CC－Link现场总线通信适配器：主要用于与系统服务器中的CC－Link主控模块通信，实时传递FX2N－64MT监测各量的状态与参数、同时接收服务器传来的控制指令。
3）FX2N －4AD模拟输入模块：实时监测水池的水压变化趋势(反应了海况的级别)；
4）FX2N －2DA模拟输出模块：给FR－E540变频器提供模拟控制量，使变频器的输出频率变化，达到控制三相异步电机转速的目的，从而控制、模拟海况的风浪和浪高、浪程。
5）FX2N －1HC高速计数模块：实时监测三相异步电机的转速，以便FX2N －2DA模块对电机的转速进行PID调节。

2．2．3  服务器配置
CC－Link为主从模式，因此，在中控室内的主控服务器内必须插放一块主模式的CC－Link通信适配卡：A80BD－J61BT11。为提高其控制的实时性，通信速率选用了2 .5M，操作系统选用Windows NT4.0＋SP4。系统的编程开发环境为Visual C＋＋ Ver6.0。并安装有SQL Server V7.0，用于人机交互、CC—Link网络组态、实时数据库访问、历史数据回放、控制命令的传递和下放等任务、仿真三维图形的显示等。
2．3  CC－Link现场总线
CC-Link是Control&Communication Link (控制与通信链路系统)的简称，是一种开放式现场总线，以设备层为主的网络，其数据容量大，通信速度多级可选择，而且它是一个复合的、开放的、适应性强的网络系统，能够适应于较高的管理层网络到较低的传感器层网络的不同范围。可实现从CC-Link到AS-I总线的联接。CC-Link具有高速的数据传输速度，最达可达10Mbps。CC-Link的底层通信协议遵循RS－485，一般情况下，CC-Link主要采用广播一轮询的方式进行通信，CC-Link也支持主站与本地站、智能设备站之间的瞬间通信。
CC-Link。具有性能卓越、应用广泛使用简单节省成本等突出优点。
2．4  系统可靠性设计
PLC输出模块内的小型继电器的触点很小，断弧能力很差，不能直接用于厂级～220V～380V电路中，必须用PLC驱动外部继电器，用外部继电器的触点驱动～380v的负载。同时较多的AC220V～380V电磁阀内部有与其线圈串联的限位开关常闭触点，电磁阀线圈通电，阀芯动作后，是用阀内部的触点来断开电路的。在这种情况下，要选用触点较小的小型继电器来转接PLC的输出信号。本系统中用到了大功率可控硅装置，PLC应远离强干扰源。PLC不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在柜内PLC应远离动力线(二者之间的距离应大于200mm)。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件，如继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。PLC的I/O线与大功率线应分开走线，如必须要在同一线槽中布线，信号线应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同的电缆，开关量、模拟量I/O线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。不同类型的线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离
另外，由于本系统CC－Link要完成所有数据通信，因此对通信电缆要求可靠性高应选用CC－Link推荐并提供的专用电缆。

3.系统特性
在本系统中，可以进行多种船舶半实物仿真试验和海洋能量的开发试验：
1）新型海洋工程结构物的开发研究、船舶部件受力的分析和模型试验技术，
2）可以进行波能发电装置的开发研究。
3）海浪、海流、浪流交互作用下波态的模拟及其分析处理技术，海洋环境数值预报的模拟验证，海洋浮标、海洋水文仪器的设计、校验、标定。
4）各类船舶的设计、结构强度及流体动力性能的研究。

4.系统软件设计
系统仿真控制软件是本系统设计的关键核心所在，同时也是难点。包括上位机人机交互可视化软件及PLC 控制软件2 大块，人机交互可视化软件主要由人机界面程序模块、数字信号处理程序模块、数据库程序模块等组成，均采用Visual C＋＋编程，在控制过程中，主程序可随时通过DAO 利用SQL 查询语句读写数据库中的相关数据。在仿真试验结束之后，可以进行工艺阐述数据统计操作，可以任意选择统计开始时间和结束时间，计算机自动对该时间段的所有测量数据进行分类统计。并可以用三维动画形式直观的显示出来，相关数据可以进行备份、删除、导出、打印报表等操作，以利于人机交互操作。
在仿真服务器上，由于要进行大量的数据分析、图象处理、人机交互，因此选用了Windows NT作为操作系统，完成数据的分析、仿真通信、海况模拟拟合以及仿真评估。系统软件的整体结构见图2所示。


5.应用体会
在本系统中，系统硬件选型是关键，如何选用性价比高、性能可靠的硬件平台应该是本系统仿真平台的设计关键之一，系统的可靠性设计也是本设计的重点。
1）菱电公司的AnSH和FX2N型PLC在工业控制中是市场占有率较高的PLC，以其可靠应用的品质、较高的性价比和抗干扰性能强而着称，这两款PLC的应用使得系统的可靠性和经济性得到了保证。
2）与其他产品相比，三菱PLC指令简洁，给用户编程，维护都带来极大方便，降低了生产成本，可较大缩短开发周期。
3）CC－Link现场总线传输速率较高，数据传输可靠性好，保证了本系统大量仿真数据的可靠传输，使得系统的实时性、可靠性得到了保证。同时，CC－Link的应用大量减少现场布线，使得系统的可维护性得到了提高。
4）系统采用真正的分布式概念，使得仿真平台相互之间的相关性减少，便于了系统的设计、分析和应用。
5）系统由现地手动和远程计算机自动控制两种方式，增加了系统的灵活性。

致谢：在CC－Link组网过程中，得到了菱电自动化的覃强和陈海燕的大力支持，在此表示感谢。
作者简介：博士/副教授，主要从事系统仿真、现场总线应用等方面的研究
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