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1、潮汐模拟测控系统及其测控方法专利名称：潮汐模拟测控系统及其测控方法技术领域：本发明属于海洋工程试验设备领域，涉及海洋工程及港水池潮汐模拟设备，特别涉及能够模拟潮汐变化的测控系统及其测控方法。背景技术：水利科研及海岸工程研究等任务要求在物理模型中复演原型的潮汐现象，即将天然河口段的河床形态制作成比尺模型，要求通过水量与时间的縮尺复演天然的潮汐现象，即为潮汐模拟。准确的潮汐模拟过程，需要一套完整的潮汐模拟测控装置。目前国内外常见的潮汐模拟方式有压式潮水箱、可变溢流尾门式、多通道模式等。压式潮水箱设备庞大、配套设备复杂、运行费用昂贵、运行噪音大；可变溢流尾门式控制參数多，且宽门门体的机电传动结构复杂
2、、给水量恒定耗能；多通道模式采用众多的泵和电磁阀等执行元件放置每个通道中，其中，泵、电磁阀等只有开、闭两种工作状态，因此它是个通道多个开或关流量控制的台阶式流量调节的升潮模式，所以存在控制及操作复杂、精度不高的缺陷。发明内容针对现有的潮汐模拟装置在实现方法及控制方面所存在的不足，以及为了能够更加准确地模拟潮汐水位变化过程以满足试验研究的需要，本发明提供种结构简单、控制操作方便、水位监测数据精确、人机互动友好的潮汐模拟测控系统及其测控方法。本发明的技术方案如下本发明提供种潮汐模拟测控系统，包括业控制计算机、潮汐电气控制柜、进水水泵交流变频电机、出水水泵交流变频电机、进水电动阀门、出水电动阀、L型
3、连通管以及水位仪；所述潮汐电气控制柜中含有进水交流变频器、出水交流变频器、第一 ADAM转换模块与第二 ADAM转换模块；所述业控制计算机与进水交流变频器、出水交流变频器、第一ADAM转换模块、第二 ADAM转换模块之间通过RS485通讯方式相连；所述进水交流变频器与进水水泵交流变频电机连接，所述出水交流变频器与出水水泵交流变频电机连接；所述第一 ADAM转换模块与进水电动阀门、出水电动阀门的输入端连接，所述第二 ADAM转换模块与进水电动阀门、出水电动阀门的输出端连接；所述业控制计算机与水位仪之间通过RS485通讯方式相连，所述水位仪与L型连通管连接，所述L型连通管连接在模拟水池侧壁底部；所
4、述业控制计算机通过RS485通讯方式驱动进水水泵交流变频电机与出水水泵交流变频电机，并通过RS485通讯方式控制进水电动阀门与出水电动阀在每一时刻的开度大小，实现水位规律变化；所述水位仪检测L型连通管中的实时水位高度，并通过RS485通讯方式反馈至业控制计算机。其进步的技术方案为所述进水电动阀门与出水电动阀门是控制进水和出水的执行机构，在0 90内可任意角度变化，所述进水电动阀门与出水电动阀门以4 20mA输入电流信号控制开度大小，可随时停止且保持在任意开度；所述进水电动阀门与出水电动阀门的实际开度以4 20mA电流信号输出。其进步的技术方案为所述业控制计算机与人机操作部件连接，所述人机操作部
5、件用于测控指令的输入并下发，实时反馈信息、測量采样以及图形曲线的读取、显示及保存。本发明还提供种潮汐模拟测控方法，包括如下步骤步骤A :设定进水水泵交流变频电机频率并启动，手动输入进水电动阀门的开度，通过水位仪采集，得到该频率単位时间内不同开度下的水位上升值；关闭进水水泵交流变频电机，设定出水水泵交流变频电机为相同频率并 启动，手动输入出水电动阀门的开度，得到该频率下単位时间内不同开度下的水位下降值，由此得到频率-阀门开度-水位变化量关系的数据库；步骤B :以潮汐周期与最大潮位差作为潮汐类型的控制參数，当所述潮汐周期及最大潮位差设定值输入后，由测控系统调用数据库数据并计算得到潮位模拟曲线，然后
6、转换为进水电动阀门和出水电动阀门不同开度指令的时间序列，潮汐模拟启动后，测控系统将该组电动阀门指令时间序列依次下发至电动阀门，控制电动阀门按给定开度大小及时间动作，走潮开始，潮汐周期时间到后自动停止；步骤C :走潮过程中，水位仪实时检测L型连通管中的水位高度，并反馈至业控制计算机，得到实际水位曲线；步骤D :将实际水位曲线与给定曲线比较，判断误差是否在允许范围内，如果判断结果为是，则执行步骤F ;如果判断结果为否，则执行步骤E ;步骤E :误差超过允许范围，则根据误差出现的时间段以及误差大小进行修正，记录为新数据库，替换原数据库，然后依次重复所述步骤B、步骤C、步骤D ;步骤F :误差在允许范
7、围内，则记录当前数据库，作为该曲线下的理想数据库，本次模拟结束，得到该潮汐參数下的理想数据库及实测数据。本发明的有益技术效果是本发明测控系统以可任意开度变化的电动阀门为控制执行元件、以L型连通管和水位仪为测量元件，由控机通过RS485通讯控制潮汐模拟。在控机的人机操作部件进行潮汐指令输入，控机以RS485通讯方式控制进水电动阀门与出水电动阀门在每时刻的开度大小，实现模拟水池中水位按一定规律变化，达到潮汐模拟的目的。同时水位仪检测L型连通管中的实时水位高度并反馈至控机，在人机操作部件上曲线显示。本发明自动化程度高、结构简单、控制操作方便、监测数据精度高、人机互动友好，可广泛应用于海洋工程水池以及
8、港水池的潮汐模拟试验。图I是本发明测控系统的总体结构图。图2是本发明测控系统的人机操作部件的功能实现流程图。图3为本发明测控方法的具体步骤流程图。具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式做进步说明。一、如图I所示，本发明的测控系统主要由带有人机操作部件的业控制计算机(以下简称控机)、潮汐电气控制柜、进水水泵交流变频电机、出水水泵交流变频电机、进水电动阀门、出水电动阀门、L型连通管以及带有水位传感器的水位仪组成。安装有人机操作部件的控机以及装有ADAM转换模块、进水交流变频器、出水交流变频器的潮汐电气控制柜设立在模拟水池附近的控制室中。控机与潮汐电气控制柜中的ADAM转换模块之间通过RS
9、485通讯方式相连；ADAM转换模块连接进水电动阀门与出水电动阀门；采用ADAM转换模块，在RS485通讯与模拟量信号之间进行连接，从而对电动阀门的开度进行控制。控机与潮汐电气控制柜中的交流变频器之间也通过RS-485通讯方式相连；进水交流变频器、出水交流变频器分别连接进水水泵交流变频电机与出水水泵交流变频电机，从而对水泵交流变频电机进行驱动控制。控机与水位仪之间同样通过RS485通讯方式相连山型连通管连接在模拟水池侧壁底部，水位仪与L型连通管连接；水位仪通过检测连通管内水位以达到检测实际水位的目的。、ADAM 转换模块潮汐电气控制柜中，实现控机与进水电动阀门、出水电动阀门之间通讯的核心部件是
10、ADAM转换模块，本实施例测控系统选用的是研华ADAM-4024和ADAM-4019两种转换模块，下面分别介绍I) ADAM-4024将控机的RS485通讯信号转换为模拟信号输入至进水电动阀门与出水电动阀门，其具体配置如下Address=OlHBaud rate=9600Checksum=DisabledOut range=4 20mAChannelOl为进水电动阀门给定通道Channel02为出水电动阀门给定通道2) ADAM-4019将进水电动阀门与出水电动阀门输出的模拟量信号转换为RS485通讯信号反馈至控机，其具体配置如下Address=02HBaud rate=9600Checksu
11、m=DisabledInput type ana temperature range=mA + 20mAChannel 01为进水电动阀门反馈通道Channel 02为出水电动阀门反馈通道三、电动阀门本发明测控系统中，实现模拟水池中液面变化的核心执行部件是电动阀门，电动阀门由进水电动阀门和出水电动阀门组成，共2台。本实施例测控系统采用在0 90内可任意角度变化的电动阀门作为控制进水和出水的执行机构。该电动阀门以4 20mA输入电流信号控制阀门开度大小，井能随时停止且保持在任意开度；阀门实际开度以4 20mA电流信号输出。本实施例测控系统选用的电动阀门的特点如下 电源电压及功率AC380V，25
12、W比例模块输入4 20mA信号，实现对阀门开关度控制信号反馈比例信号4 20mA位置反馈精度1% 1.5%电机转向正反两方向最大扭矩60N. m行程时间(0 90。) 15s四、人机操作部件本发明测控系统中，所有的测控指令都是通过控机的人机操作部件来输入并下发，所有的实时反馈信息、測量采样以及图形曲线显示都是通过人机操作部件来读取，人机操作部件由如下几个功能块组成通讯模块处理工控机与电动阀门、水位仪、交流变频器之间的通讯任务，并监控其间收发指令及通讯状态。数据采集模块控制水位仪检测采集潮位变化过程中的实际液位高度，反馈至控机人机操作部件曲线显示并记录保存。手动调试模块包括电动阀门调试模块和水泵
13、交流变频电机调试模块，此两个模块配合使用，电动阀门调节模块中，输入电动阀门的给定电流大小及开度时间，获得同一水泵交流变频电机频率下单位时间内电动阀门不同开度下的水位变化量；水泵交流变频电机调试模块中，输入不同电机频率，获得同一电动阀门开度下単位时间内不同频率下的水位变化量。一般首先调试水泵交流变频电机频率，然后再调试电动阀门开度。潮汐參数设置模块设置潮汐模型所需的潮汐周期与最大潮位差两个參数，參数获得确认后，测控系统自动生成潮汐目标曲线，并调用该目标曲线相应的数据库，生成阀门不同开度的时间序列。运行控制模块控制潮汐模拟的启动与停止，启动使能后将电动阀门不同开度的时间序列数据以每5秒I个数据的速
14、度依次下发至电动阀门；走潮过程控制进水水泵交流变频电机与出水水泵交流变频电机的启停，当涨潮时，进水水泵交流变频电机启动，出水水泵交流变频电机停止；落潮时，进水水泵交流变频电机停止，出水水泵交流变频电机启动。五、本发明中，人机操作部件功能是通过循环扫描和功能模块顺序调用来实现的如图2所示，人机操作部件首先循环扫描执行通讯模块，与交流变频器、水位仪、电动阀门之间以RS485通讯方式不断进行数据交換，扫描频率分别为5Hz、2Hz、5Hz，通过模块的监控功能，将它们的通讯状态是否正常、收发数据等信息反馈至人机操作部件；以5Hz频率循环扫描执行数据采集模块，采集实际水位并反馈至人机操作部件，以曲线形式实
15、时显示；接收到操作指令后，执行潮汐參数设置模块，根据收到的參数指令，计算得到该參数设置下的目标潮汐曲线，自动加载相应条件下的数据库数据，获得组控制电动阀门不同开度的指令时间序列；使能运行控制模块中的潮汐模拟启动功能后，人机操作部件将该组指令时间序列以0. 2Hz的频率依次下发至电动阀门，控制电动阀门动作，直至该组数据发送完毕。六、如图3所示，本发明的潮汐模拟测控系统的测控方法是按照如下步骤进行的步骤A :执行手动调试功能，设定进水水泵交流变频电机频率并启动，手动输入进水电动阀门的开度(0 90之间)，通过水位仪采集，得到该频率単位时间内不同开度下的水位上升值；关闭进水水泵交流变频电机，设定出水
16、水泵交流变频电机为相同频率并启动，手动输入出水电动阀门的开度，得到该频率下単位时间内不同开度下的水位下降值，由此得到频率-阀门开度-水位变化量关系，并记录形成数据库。步骤B :在人机操作部件中输入潮汐周期与最大潮位差两个潮汐类型的控制參数，參数确认后测控系统自动调用数据库数据，计算得到潮位模拟曲线，然后转换获得控制电动阀门不同开度的指令时间序列，使能潮汐模拟启动功能，测控系统自动将该组电动阀门指令时间序列数据以RS485通讯方式控制，经由ADAM转换模块后转换为4 20mA电流信号依次下发至电动阀门，电动阀门根据收到的电流指令按给定开度大小及时间动作模拟潮汐，走潮开始，潮汐周期时间到，自动停止。同时，电动阀门实际开度值以4 20mA电流信号形式输出，经ADAM转换模块输入控机人机操作部件显示。步骤C :走潮过程中，水位仪实时检测L型连通管中水位高度，并反馈至控机，在人机操作部件中以曲线形式显示实际水位。 步骤D :将实际水位曲线与给定曲
