潮汐模拟系统可靠性设计

2019-11-19张璇

水道港口 2019年5期

张璇

(交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

港口潮流物理模型试验中潮汐、潮流的正确生成与控制是完成试验任务的重要条件之一。为了顺利完成试验任务，试验单位根据模型试验的实际需要设计一套潮汐模拟系统。由于模型试验的过程长达数月或更长，并且模型试验结果具有累积性，需要在过往的试验基础上进行，仪器设备的可靠性成为系统设计的首要考虑因素。一旦系统出现故障或失控，造成模型中冲积地形破坏性的影响。本文介绍了在交通运输部天津水运工程科学研究所潮汐模拟系统中的可靠性设计。

1 潮汐模拟系统硬件系统介绍

1.1 传统潮汐模拟系统可靠性问题分析

传统的潮汐模拟控制系统有潮水箱控制系统和尾门控制系统，这两种传统的控制系统一般设置在模型的开边界处，对于控制边界不是很宽的模型，能够很好的控制模型上的水位变化[1]。随着工程规模的不断增大以及模型试验要求的逐步提高，潮水控制箱系统由于规模问题鲜有使用，尾门控制系统虽可通过加长尾门的方式增加规模，但由于可靠性的问题使用也越来越少，难以适应新的模型试验。尾门控制系统主要存在的问题如下：

(1)采用尾门控制潮汐时，模型的边界水位的控制方式单一，一旦仪器设备出现故障，模型内的水流会产生巨大的变化并产生较强的水流，对模型内的地形特别是泥沙冲积模型影响较大；

(2)尾门及其控制执行器为调速电机和减速箱带动的纯机械结构，在潮湿及水下环境下拥有较高的故障率；

(3)系统中尾门的监测与控制，以及水位及流速的采集大多采用模拟信号，在电机大量使用的试验厅环境下，错误数据量大，造成潮汐模拟的重复性较差。

针对传统潮汐模拟系统问题的可靠性设计可明显提升系统潮汐模拟的能力。

1.2 潮汐模拟系统中的可靠性设计原则

潮汐模拟系统中可靠性设计需要考虑的因素如下：(1)采用多点可控的供水点代替单一的模型边界水位控制条件；(2)海港模型反复拆除，控制系统设计需要尽量集中，避免在模型多次建设拆除的过程中，系统的部件过多，造成系统部件的丢失或者部件的性能下降，给系统的运行造成影响，因此需要较高的集成度；(3)试验现场的条件比较恶劣，大厅中拥有大量的变频、水泵等设备，容易对设备造成影响，因此尽量多地采用数字设备，减少模拟量设备的使用；(4)对于系统上连接的多个相同的通信协议的设备，不同的端口连接，避免指令的干扰。

图1 潮汐模拟系统硬件连接图Fig.1 Hardware connection diagram of tide simulation system

1.3 潮汐模拟系统介绍

潮汐模拟系统是利用分布于港池四周的22台双向轴流水泵，实现港池和港池外侧的蓄水廊道中水的流动，从而改变港池四周的动态流量，达到四面开边界潮汐模拟的目的。潮汐模拟系统的硬件按照功能主要分为水泵控制部分、水位采集部分、流速采集部分和水位仪的扩展部分。该潮汐模拟系统的硬件连接示意图如图1所示。

系统的设计是以计算机为核心，通过与智能测量仪器的交互，实现对设备的控制以及港池中水文资料的感知。

2 潮汐模拟的可靠性设计

2.1 潮汐模拟系统中的设备选型

表1 潮汐模拟系统的设备选型Tab.1 Equipment selection in tide simulation system

潮汐模拟系统设备选型见表1。系统选择变频器和变频水泵作为控制器，采用开环控制的方式。控制软件按用户设置的频率控制水泵的转速，通过调整水泵运行的频率曲线来调整模型中的潮位和流态。

水位计和流速仪为系统中的观测设备，与变频器采用相同的通信方式。系统对水泵控制的可靠性是用户最关注的问题。为保证通信质量，采用PCI插槽多串口卡，可为计算机扩展出独立的4个RS485接口。

2.2 水泵控制的可靠性

水泵控制采用变频器控制的方式，为系统可靠性设计最重要的环节。潮汐模拟系统中拥有总计22台变频器，在进行电缆布置时，应考虑线路对系统可靠性的影响。采用双绞线连接电缆，在进行网络布局时尽量减少分支，并且节点距离总线的距离应该尽量短，这样可以减少反射信号对总线的干扰[2]。金属网包裹在信号线的外部，金属网的外部利用绝缘层隔断，切断仪器设备静电干扰的途径，还能抑制电磁干扰[3]。因此，在选择线路时，选择具有金属屏蔽网的双绞线。由于接口为半双工的工作模式，为了加快计算机对变频器的控制，防止计算机之间的互相干扰，采用两根通信线路分别控制11台变频器的方式。计算机与变频器通信电缆的长度为40 m，为了保证通信的可靠性，采用了有源光电隔离的RS232-RS485转换器，将计算机与变频器连接。经实验证明，采用有源光电隔离RS232-RS485转换器比采用无源转换器或采用PCI卡串口扩展卡的指令丢失率要低的多。一方面光电隔离可以屏蔽掉许多干扰，另一方面有源转换器在输出功率上有保障，误码率低。

计算机对变频器的控制采用的是ModBus协议，RS485接口。ModBus协议是Modicon公司于1978年发明的一种用于电子控制器进行控制和通信的通信协议。通过此协议，控制器相互之间、控制器经网络和其他设备进行通信。ModBus可分为两种传输模式：ASCII模式和RTU模式。在配置每个控制器的时候，同一个ModBus网络上设备必须选择相同的传输模式和串口参数[4]。ASCII模式是一种人类可读的，冗长的表示方式，消息帧见表2。

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

国产变频器欧瑞 F2000-P的指令为例：以“：”(ASCII码3AH)字符作为起始符，以回车符(ASCII码0AH，0DH)作为结束符，指令长度为34个字节。数据帧内容包括发送的变频器的转动方向以及输入频率，以及当前计算机中记录的变频器的状态信息。变频器返回的帧长度与接收的帧长度一致。这样的通信方式保证了系统的可靠性，一方面指令中的LRC校验可以验证所收到信息的正确性，在收到正确的指令的前提下开始工作；另一方面应答模式保证了计算机可以知道当前变频器的工作状态，通过对比计算机中的数据与返回的数据，保证变频器处于可控状态。

RTU模式是一种紧凑的，采用二进制表示数据的方式，其指令长度相对较短。在串口波特率设置为9 600的条件下，上位机采用LabView状态机以应答模式与变频器通信，完成一次34字节的指令应答需要近250 ms的时间。为了提高计算机对变频器控制采集的可靠性，采取连续发送2～3次指令的模式，完成对11台水泵的一次频率变化，需要的时间约为5 s甚至更长的时间。而采用RTU模式的指令，完成指令应答的时间仅为ASCII模式下时间的1/4～1/3, 通信的效率会明显提高，降低了计算机通信线程的负担，提高了软件的稳定性和整个系统的可靠性。

2.3 水文监测仪器的可靠性

水文监测仪器主要包括水位采集设备和流速采集仪器。水位采集仪器市场量小，大多是相关科研院所开发，采用RS485接口进行通讯。水位采集仪器大多采用发送包含仪器编号的读取指令，采集设备回复固定格式的指令，回复指令较少包含校验位，用户通过解析回复指令，获得水位数据。对于这种未采用数据校验的设备，采用扩展计算机数据接口、独立成网的方式，降低其他设备对其影响。对于输出量为模拟量的压力型水位测量仪器，采用具有光电隔离的4017采集模块进行采集，可实现多通道的数据采集，携带多个仪器。对于水位采集仪器来说，采用具有校验功能的指令时，其产生无效数据的几率要比无校验时低的多；采用数字信号设备比模拟信号设备时可靠性要高的多。流速测量仪器采用小威龙流速仪，其数据接口为全双工的RS232接口，通信距离相对较短，可采用RS232-RS422设备进行通信线路延长，提高其适应模型的能力。对于某些新型的采集设备，可采用无线通信的方式进行数据传输，降低了传统布线带来的人力物力消耗以及信号在线缆传输过程中的故障率[5]。

潮汐模拟系统中每一类水文监测仪器可以采用一个由PCI串口扩展卡扩展出的接口，避免不同仪器间的指令干扰。

2.4 仪器可靠性比较

采用可靠性设计的潮汐模拟系统，在可靠性上与传统的尾门控制系统等相比，具有较大的提升，主要体现在以下几个方面：

(1)采用可靠性设计的潮汐模拟系统连续工作时间加长：变频轴流泵的潮汐模拟系统可连续工作3～5 d，尾门控制模型一般连续工作1～2 d即需停机维护；

(2)采用可靠性设计的潮汐模拟系统失控情况少，失控损失小：变频器的控制方式使模型多点控制水位，水泵与预期工作状态不一致时，仅3 min之内系统即可反映并报警，失控时局部流速最大为1～2 m/s；尾门控制模型失控时流速可达5～10 m/s，对模型具有较大伤害；

(3)采用可靠性设计的潮汐模拟系统采集的失效数据较少：新系统对变频器控制的指令错误为0.1%，水位采集错误数据量为0.5%，远低于尾门3%的控制、采集错误数据率。

3 潮汐模拟系统的应用

将该潮汐控制系统应用到印尼龙湾电站潮流物理模型试验中[6]，在潮汐模拟系统中选择了3面总计15台水泵模拟工程区域变化复杂的潮流特征。模型试验中，相邻两个潮位观测点的时间为107.6 s。由于实测的潮位在相邻时刻间有较大的变化，只对观测点的边界流量进行模拟，不能很好地模拟潮汐特点，因此用样条插值法对流量曲线进行插值，相邻两个点之间插入3个点，即每26.9 s一个流量数据，使水泵流量的变化过程更加平滑。选取一天中大潮的数据作为潮位验证的结果，模拟验证结果见图2。