摘要：本文詳盡介紹了利用菱電公司的經(jīng)濟(jì)大型AnSH PLC以及經(jīng)濟(jì)緊湊型FX2N PLC及其相應(yīng)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(gòu)了一套實時性較強(qiáng)、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(jīng)費(fèi)，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(jìn)行海洋能量開發(fā)的仿真試驗，填補(bǔ)了行業(yè)空白。 關(guān)鍵詞：PLC 半實物仿真 CC－Link 1 設(shè)計背景 船舶在海洋中的搖擺姿態(tài)、船體的抗風(fēng)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(yùn)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(biāo)。因此，在設(shè)計船舶時，尤其是遠(yuǎn)洋船舶、海洋船舶的設(shè)計，必須要經(jīng)過科學(xué)計算其船體的抗風(fēng)浪等級。但計算僅僅是理論值，必須要經(jīng)過多次的海風(fēng)浪試驗加以修正。這樣的試驗不僅費(fèi)時、費(fèi)力，還浪費(fèi)了大量的財力。有些單位為了減少開支，將海風(fēng)浪試驗降低到最低的次數(shù)，不僅影響了測試數(shù)據(jù)的完整性，而且有些數(shù)據(jù)不一定完整。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，使遠(yuǎn)洋和海洋船舶設(shè)計的更為科學(xué)、省時、省力、省經(jīng)費(fèi)，我們利用了菱電自動化的大型實用型PLC AnSH以及經(jīng)濟(jì)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(fēng)浪，實現(xiàn)了船舶設(shè)計的半實物仿真系統(tǒng)平臺，不僅可以提供給船舶設(shè)計單位以及船舶認(rèn)證單位進(jìn)行半實物的實時仿真試驗，為船舶設(shè)計提供接近實際海況的測試現(xiàn)場數(shù)據(jù)，還可以為海洋開發(fā)單元進(jìn)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(shè)計單位目前正在展開試制工作。 2 系統(tǒng)組成與設(shè)計 2．1 系統(tǒng)組成 為了實時模擬海況的風(fēng)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(jī)和小功率的造波機(jī)，大、小造波機(jī)不同的組合能產(chǎn)生縱向傳播的長峰波，最大波高可達(dá)0.3米，由計算機(jī)進(jìn)行程序控制，可以產(chǎn)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(cè)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(chǎn)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(yīng)高速水流以及不同流向試驗的需要。 3） 造風(fēng)系統(tǒng)：配置一套可移動式鼓風(fēng)機(jī)造風(fēng)系統(tǒng)。最大風(fēng)速可達(dá)5米/秒，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)可進(jìn)行風(fēng)譜的模擬。 4） 拖車系統(tǒng)：在拖曳試驗時可以進(jìn)行迎浪、順浪和橫浪的拖曳試驗，也可對x、y方向調(diào)節(jié)進(jìn)行斜浪的拖曳試驗。 5） 水池過濾系統(tǒng)：水池配有機(jī)械過濾系統(tǒng)。 6） 消波系統(tǒng)：在造波機(jī)對岸設(shè)有一定傾斜度的格柵式消波灘，借以吸收波能防止產(chǎn)生反射波。 2．2 系統(tǒng)設(shè)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(fēng)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(chǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)帶動造波器的漿液片打擊水面，電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)不同的轉(zhuǎn)速與不同的波頭、波程、波峰相對應(yīng)，因此，兩個三相異步電機(jī)不同的轉(zhuǎn)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(fēng)系統(tǒng)由AnSH PLC控制大功率的風(fēng)機(jī)實現(xiàn)。 為了提高可靠性，本控制系統(tǒng)中還設(shè)計了手動備用調(diào)速系統(tǒng)，以保證在計算機(jī)故障時不影響造波。當(dāng)計算機(jī)故障時，切換裝置不需人工干預(yù)，自行切換到手動備用調(diào)速系統(tǒng)，操作人員可以通過電位器調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)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(jī)組成的三個現(xiàn)地控制單元和由PC組成的服務(wù)器、人機(jī)交互服務(wù)器架構(gòu)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(gòu)圖 2．2．1 AnSH PLC特性及配置 A1SJHCPU是AnSH系列中最經(jīng)濟(jì)的CPU經(jīng)的CPU組件。A1SJHCPU的獨(dú)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(xué)運(yùn)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(yùn)算，浮點運(yùn)算和三角函數(shù)等）。同時內(nèi)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(yīng)極廣泛的應(yīng)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(chǎn)品相比，其性價比較高，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(jī)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(wù)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(wù)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(yīng)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(dá)到控制三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，從而控制、模擬海況的風(fēng)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(jī)的轉(zhuǎn)速，以便A1S66ADA模塊對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。 2．2．2 FX2N PLC特性與配置 FX2N系列是PLC FX家族中最先進(jìn)的系列，它最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點、程序執(zhí)行更快、全面補(bǔ)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(yīng)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(yīng)用的選擇方案。其靈活的配置、高速運(yùn)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(jī)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(wù)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(wù)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(yīng)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(dá)到控制三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，從而控制、模擬海況的風(fēng)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(jī)的轉(zhuǎn)速，以便FX2N －2DA模塊對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。 2．2．3 服務(wù)器配置 CC－Link為主從模式，因此，在中控室內(nèi)的主控服務(wù)器內(nèi)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(jī)交互、CC—Link網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、實時數(shù)據(jù)庫訪問、歷史數(shù)據(jù)回放、控制命令的傳遞和下放等任務(wù)、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(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)容量大，通信速度多級可選擇，而且它是一個復(fù)合的、開放的、適應(yīng)性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠適應(yīng)于較高的管理層網(wǎng)絡(luò)到較低的傳感器層網(wǎng)絡(luò)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(jù)傳輸速度，最達(dá)可達(dá)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(jìn)行通信，CC-Link也支持主站與本地站、智能設(shè)備站之間的瞬間通信。 CC-Link。具有性能卓越、應(yīng)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(shè)計 PLC輸出模塊內(nèi)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(qū)動外部繼電器，用外部繼電器的觸點驅(qū)動～380v的負(fù)載。同時較多的AC220V～380V電磁閥內(nèi)部有與其線圈串聯(lián)的限位開關(guān)常閉觸點，電磁閥線圈通電，閥芯動作后，是用閥內(nèi)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(zhuǎn)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(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源。PLC不能與高壓電器安裝在同一個開關(guān)柜內(nèi)，在柜內(nèi)PLC應(yīng)遠(yuǎn)離動力線（二者之間的距離應(yīng)大于200mm）。與PLC裝在同一個開關(guān)柜內(nèi)的電感性元件，如繼電器、接觸器的線圈，應(yīng)并聯(lián)RC消弧電路。PLC的I/O線與大功率線應(yīng)分開走線，如必須要在同一線槽中布線，信號線應(yīng)使用屏蔽電纜。交流線與直流線應(yīng)分別使用不同的電纜，開關(guān)量、模擬量I/O線應(yīng)分開敷設(shè)，后者應(yīng)采用屏蔽線。不同類型的線應(yīng)分別裝入不同的電纜管或電纜槽中，并使其有盡可能大的空間距離 另外，由于本系統(tǒng)CC－Link要完成所有數(shù)據(jù)通信，因此對通信電纜要求可靠性高應(yīng)選用CC－Link推薦并提供的專用電纜。 3 系統(tǒng)特性 在本系統(tǒng)中，可以進(jìn)行多種船舶半實物仿真試驗和海洋能量的開發(fā)試驗： 1） 新型海洋工程結(jié)構(gòu)物的開發(fā)研究、船舶部件受力的分析和模型試驗技術(shù)， 2） 可以進(jìn)行波能發(fā)電裝置的開發(fā)研究。 3） 海浪、海流、浪流交互作用下波態(tài)的模擬及其分析處理技術(shù)，海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報的模擬驗證，海洋浮標(biāo)、海洋水文儀器的設(shè)計、校驗、標(biāo)定。 4） 各類船舶的設(shè)計、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及流體動力性能的研究。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)仿真控制軟件是本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵核心所在，同時也是難點。包括上位機(jī)人機(jī)交互可視化軟件及PLC 控制軟件2 大塊，人機(jī)交互可視化軟件主要由人機(jī)界面程序模塊、數(shù)字信號處理程序模塊、數(shù)據(jù)庫程序模塊等組成，均采用Visual C＋＋編程，在控制過程中，主程序可隨時通過DAO 利用SQL 查詢語句讀寫數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)。在仿真試驗結(jié)束之后，可以進(jìn)行工藝闡述數(shù)據(jù)統(tǒng)計操作，可以任意選擇統(tǒng)計開始時間和結(jié)束時間，計算機(jī)自動對該時間段的所有測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計。并可以用三維動畫形式直觀的顯示出來，相關(guān)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行備份、刪除、導(dǎo)出、打印報表等操作，以利于人機(jī)交互操作。 在仿真服務(wù)器上，由于要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析、圖象處理、人機(jī)交互，因此選用了Windows NT作為操作系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的分析、仿真通信、海況模擬擬合以及仿真評估。系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)見圖2所示。 5 應(yīng)用體會 在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)硬件選型是關(guān)鍵，如何選用性價比高、性能可靠的硬件平臺應(yīng)該是本系統(tǒng)仿真平臺的設(shè)計關(guān)鍵之一，系統(tǒng)的可靠性設(shè)計也是本設(shè)計的重點。 1） 菱電公司的AnSH和FX2N型PLC在工業(yè)控制中是市場占有率較高的PLC，以其可靠應(yīng)用的品質(zhì)、較高的性價比和抗干擾性能強(qiáng)而著稱，這兩款PLC的應(yīng)用使得系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性得到了保證。 2） 與其他產(chǎn)品相比，三菱PLC指令簡潔，給用戶編程，維護(hù)都帶來極大方便，降低了生產(chǎn)成本，可較大縮短開發(fā)周期。 3） CC－Link現(xiàn)場總線傳輸速率較高，數(shù)據(jù)傳輸可靠性好，保證了本系統(tǒng)大量仿真數(shù)據(jù)的可靠傳輸，使得系統(tǒng)的實時性、可靠性得到了保證。同時，CC－Link的應(yīng)用大量減少現(xiàn)場布線，使得系統(tǒng)的可維護(hù)性得到了提高。 4） 系統(tǒng)采用真正的分布式概念，使得仿真平臺相互之間的相關(guān)性減少，便于了系統(tǒng)的設(shè)計、分析和應(yīng)用。 5） 系統(tǒng)由現(xiàn)地手動和遠(yuǎn)程計算機(jī)自動控制兩種方式，增加了系統(tǒng)的靈活性。