摘要：本文詳盡介紹了利用菱電公司的經濟大型AnSH PLC以及經濟緊湊型FX2N PLC及其相應的出功能模塊、FR－540變頻器，并采用傳輸速率較高、可靠性好的現(xiàn)場總線CC－Link，架構了一套實時性較強、可靠性良好的海況實時分布式仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)的研制為海洋船舶研制提供了一種實用型的半實物仿真平臺，節(jié)省了大量的試驗測試經費，降低了試驗所需的物力和人力，同時在一定程度上，還可以進行海洋能量開發(fā)的仿真試驗，填補了行業(yè)空白。 關鍵詞：PLC 半實物仿真 CC－Link 1.設計背景 船舶在海洋中的搖擺姿態(tài)、船體的抗風浪性能對船舶的航行的穩(wěn)定性、安全性具有巨大的意義。船體在海洋中的不同運動姿態(tài)：橫傾、縱傾、上下代表不同的海況等級，船舶的適航等級適海洋船舶的一個重要指標。因此，在設計船舶時，尤其是遠洋船舶、海洋船舶的設計，必須要經過科學計算其船體的抗風浪等級。但計算僅僅是理論值，必須要經過多次的海風浪試驗加以修正。這樣的試驗不僅費時、費力，還浪費了大量的財力。有些單位為了減少開支，將海風浪試驗降低到最低的次數(shù)，不僅影響了測試數(shù)據的完整性，而且有些數(shù)據不一定完整。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，使遠洋和海洋船舶設計的更為科學、省時、省力、省經費，我們利用了菱電自動化的大型實用型PLC AnSH以及經濟緊湊型FX2NPLC，F(xiàn)R－E540變頻器，并采用CC－Link現(xiàn)場總線，開發(fā)了一套長50米、寬30米、深6米的水池造波系統(tǒng)，可以模擬實時海況的風浪，實現(xiàn)了船舶設計的半實物仿真系統(tǒng)平臺，不僅可以提供給船舶設計單位以及船舶認證單位進行半實物的實時仿真試驗，為船舶設計提供接近實際海況的測試現(xiàn)場數(shù)據，還可以為海洋開發(fā)單元進行波能發(fā)電裝置的開發(fā)研究。這樣的半實物分布式仿真平臺系統(tǒng)在國外90年代就已成型，在我國船舶設計單位目前正在展開試制工作。 系統(tǒng)組成與設計 2．1 系統(tǒng)組成 為了實時模擬海況的風浪，水流、浪程和浪高等，本造波系統(tǒng)有如下分系統(tǒng)組成 1）造波分系統(tǒng)：水池配有三套雙推板大功率的造波機和小功率的造波機，大、小造波機不同的組合能產生縱向傳播的長峰波，最大波高可達0.3米，由計算機進行程序控制，可以產生模型試驗所需要的規(guī)則波或不規(guī)則波。 2）造流系統(tǒng)：水池配有一套高壓噴水造流系統(tǒng)，在池墻兩側均勻密布噴水管，水泵從粗管吸水加壓后從密布的噴水管中噴出，在水池中造成均勻的水流。該系統(tǒng)能產生縱向流和橫向流，最大流速為0.1米/秒。此外，還配置了局部造流系統(tǒng)，以適應高速水流以及不同流向試驗的需要。 3）造風系統(tǒng)：配置一套可移動式鼓風機造風系統(tǒng)。最大風速可達5米/秒，通過計算機控制系統(tǒng)可進行風譜的模擬。 4）拖車系統(tǒng)：在拖曳試驗時可以進行迎浪、順浪和橫浪的拖曳試驗，也可對x、y方向調節(jié)進行斜浪的拖曳試驗。 5）水池過濾系統(tǒng)：水池配有機械過濾系統(tǒng)。 6）消波系統(tǒng)：在造波機對岸設有一定傾斜度的格柵式消波灘，借以吸收波能防止產生反射波。 2．2 系統(tǒng)設計 為了實現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)采用分層、分單元的概念，將系統(tǒng)實現(xiàn)真正的分布式控制。其中，造波分系統(tǒng)、造流分系統(tǒng)以及造風分系統(tǒng)分別可由兩臺PLC控制，海況的波浪有大海浪、小海浪、紋波海浪，為了真實模擬海況的特性，高頭較大的海浪由AnS PLC控制，小海浪、紋波海浪由FX2N PLC控制。造流分系統(tǒng)與之類似。只有這樣，才能模擬海況中的兩個大浪潮中含有許多的小高頭的浪潮。浪潮產生的過程為：由PLC的模擬輸出功能模塊輸出0～10V的控制信號控制FR－E540型變頻器的輸出頻率，變頻器實時控制三相異步電機的轉速，電機帶動造波器的漿液片打擊水面，電機的轉速不同，造成兩個波頭之間的波程和波峰的不同，這樣，三相異步電機不同的轉速與不同的波頭、波程、波峰相對應，因此，兩個三相異步電機不同的轉速組合便可實時再現(xiàn)模擬不同的海況。造流系統(tǒng)同樣由AnSH PLC和FX2N PLC組合控制各自的動力水泵，形成不同的水流能量。造風系統(tǒng)由AnSH PLC控制大功率的風機實現(xiàn)。 為了提高可靠性，本控制系統(tǒng)中還設計了手動備用調速系統(tǒng)，以保證在計算機故障時不影響造波。當計算機故障時，切換裝置不需人工干預，自行切換到手動備用調速系統(tǒng)，操作人員可以通過電位器調節(jié)變頻器轉速來維持正常的造波過程。三個由AnSH PLC、FX2N PLC以及FR－E540變頻器和三相異步電機組成的三個現(xiàn)地控制單元和由PC組成的服務器、人機交互服務器架構的系統(tǒng)配置見圖1所示。AnSH PLC、FX2N PLC配置圖見圖2、圖3所示。 圖1:仿真平臺架構圖 2．2．1 AnSH PLC特性及配置 A1SJHCPU是AnSH系列中最經濟的CPU經的CPU組件。A1SJHCPU的獨特之處在于它的CPU，電源和基板集為一體，從而顯著地降低了制造的成本。AnSH采用了三菱專為順序控制和數(shù)學運算而開發(fā)的“三菱順控處理器芯片”(MSP)。AnSH不但速度比AnS快，而且增加了CC-Link的專用指令，原先的指令仍然得到保留(包括PID運算，浮點運算和三角函數(shù)等)。同時內置的性能諸如鋰電池、后備RAM、用戶存儲器、實時時鐘和一個靈活的通信口，使AnS系列能適應極廣泛的應用場合。其特殊功能組件的完整，使AnSH可完美的適用于過程控制、定位控制和其它各種類型的控制。與同類產品相比，價比較高，這正是我們選用AnSH的理由。其中: 圖2:AnSH PLC配置 1）A1SH42數(shù)字輸入/輸出模塊：主要控制一些控制繼電器、接觸器的開閉狀態(tài)、與繼電器配合控制電機和變頻器的電源的開閉狀態(tài)。 2）A1SJ61BT11 CC－Link現(xiàn)場總線通信適配器：主要用于與系統(tǒng)服務器中的CC－Link主控模塊通信，實時傳遞AnSH PLC監(jiān)測各量的狀態(tài)與參數(shù)、同時接收服務器傳來的控制指令。 3）A1S66ADA模擬輸入/輸出模塊：實時監(jiān)測水池的水壓變化趨勢(反應了海況的級別)，給FR－E540變頻器提供模擬控制量，使變頻器的輸出頻率變化，達到控制三相異步電機轉速的目的，從而控制、模擬海況的風浪和浪高、浪程。 4）A1SD62D高速計數(shù)模塊：實時監(jiān)測三相異步電機的轉速，以便A1S66ADA模塊對電機的轉速進行PID調節(jié)。 2．2．2 FX2N PLC特性與配置 FX2N系列是PLC FX家族中最先進的系列，它最大范圍的包容了標準特點、程序執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，可以為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。因FX2N PLC具有良好的性價比，它不但具有硬件上較好的配置性能和功能性能，還有豐富的軟件功能指令集，是目前小型PLC中的優(yōu)秀代表，同時它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點，F(xiàn)X2N是從16到256路輸入/輸出的多種應用的選擇方案。其靈活的配置、高速運算、突出的寄存器容量、豐富的元件資源、尤其適合小點數(shù)的過程控制。其中: 圖3:FX2N PLC配置 1）FX2N－64MT－D主控模塊：其數(shù)字輸入/輸出模塊控制一些控制繼電器、接觸器的開閉狀態(tài)、與繼電器配合控制電機和變頻器的電源的開閉狀態(tài)。 2）FX2N －32CCL CC－Link現(xiàn)場總線通信適配器：主要用于與系統(tǒng)服務器中的CC－Link主控模塊通信，實時傳遞FX2N－64MT監(jiān)測各量的狀態(tài)與參數(shù)、同時接收服務器傳來的控制指令。 3）FX2N －4AD模擬輸入模塊：實時監(jiān)測水池的水壓變化趨勢(反應了海況的級別)； 4）FX2N －2DA模擬輸出模塊：給FR－E540變頻器提供模擬控制量，使變頻器的輸出頻率變化，達到控制三相異步電機轉速的目的，從而控制、模擬海況的風浪和浪高、浪程。 5）FX2N －1HC高速計數(shù)模塊：實時監(jiān)測三相異步電機的轉速，以便FX2N －2DA模塊對電機的轉速進行PID調節(jié)。 2．2．3 服務器配置 CC－Link為主從模式，因此，在中控室內的主控服務器內必須插放一塊主模式的CC－Link通信適配卡：A80BD－J61BT11。為提高其控制的實時性，通信速率選用了2 .5M，操作系統(tǒng)選用Windows NT4.0＋SP4。系統(tǒng)的編程開發(fā)環(huán)境為Visual C＋＋ Ver6.0。并安裝有SQL Server V7.0，用于人機交互、CC—Link網絡組態(tài)、實時數(shù)據庫訪問、歷史數(shù)據回放、控制命令的傳遞和下放等任務、仿真三維圖形的顯示等。 2．3 CC－Link現(xiàn)場總線 CC-Link是Control&Communication Link (控制與通信鏈路系統(tǒng))的簡稱，是一種開放式現(xiàn)場總線，以設備層為主的網絡，其數(shù)據容量大，通信速度多級可選擇，而且它是一個復合的、開放的、適應性強的網絡系統(tǒng)，能夠適應于較高的管理層網絡到較低的傳感器層網絡的不同范圍。可實現(xiàn)從CC-Link到AS-I總線的聯(lián)接。CC-Link具有高速的數(shù)據傳輸速度，最達可達10Mbps。CC-Link的底層通信協(xié)議遵循RS－485，一般情況下，CC-Link主要采用廣播一輪詢的方式進行通信，CC-Link也支持主站與本地站、智能設備站之間的瞬間通信。 CC-Link。具有性能卓越、應用廣泛使用簡單節(jié)省成本等突出優(yōu)點。 2．4 系統(tǒng)可靠性設計 PLC輸出模塊內的小型繼電器的觸點很小，斷弧能力很差，不能直接用于廠級～220V～380V電路中，必須用PLC驅動外部繼電器，用外部繼電器的觸點驅動～380v的負載。同時較多的AC220V～380V電磁閥內部有與其線圈串聯(lián)的限位開關常閉觸點，電磁閥線圈通電，閥芯動作后，是用閥內部的觸點來斷開電路的。在這種情況下，要選用觸點較小的小型繼電器來轉接PLC的輸出信號。本系統(tǒng)中用到了大功率可控硅裝置，PLC應遠離強干擾源。PLC不能與高壓電器安裝在同一個開關柜內，在柜內PLC應遠離動力線(二者之間的距離應大于200mm)。與PLC裝在同一個開關柜內的電感性元件，如繼電器、接觸器的線圈，應并聯(lián)RC消弧電路。PLC的I/O線與大功率線應分開走線，如必須要在同一線槽中布線，信號線應使用屏蔽電纜。交流線與直