林 俊 吴华良 何启莲
摘 要 HMMC水力物理模型计算机测控系统采用分层分布式系统结构、工业现场总线和交流变频调速器技术，实现了对水力物理模型试验的各项水力要素的自动采集、多边界水力要素的自动跟踪控制，提高了水力物理模型试验的准确度和效率。
关键词 物理模型 测控系统 分层分布式 技术 实验
长期以来，计算机采集控制技术在水利系统中的应用一直落后于工业控制领域，水力物理模型试验测控技术也不例外。自’98大洪水后，国家加大水利事业的投入，对河流现状和未来水利工程的前期研究得到高度重视，作为重要研究手段之一的水力物理模型，其数量、规模不断增大，对完成模型试验过程的自动量测和控制系统的技术指标和效率要求愈来愈高。
一、系统创新点
ＨＭＭＣ水力物理模型计算机测控系统采用多项创新技术，整体集成技术含量高、采集控制准确、稳定可靠、重复性好，可视化操作简便，适用于各种规模水力物理模型中的稳定流、非稳定流或往复流试验的水位、流量过程的自动实时量测控制。具体表现在：
①水边界控制设备不沿用传统的尾门、潮汐箱、双向泵或开关泵等，改用通用水泵加交流变频调速器组合模式。
②变集中采集为分层分布式计算机结构，应用先进的工业现场总线网络，实时完成高效可靠的数据采集与控制。
③开发与系统结构相适应的、具有网络接口的高精度光栅水位仪、多点流速采集仪和其他一整套相关仪器。
④开发适合于水力物理模型试验特点的、满足可视化、易操作、实时稳定和满足非常规数据处理要求的监控软件。
二、系统组成 1．系统硬件结构 本测控系统采用分层分布式结构，由中央监控机、现场机、变频调速器、水泵、量测仪器和工业现场总线网络等组成。系统可独立寻址32台变频调速器和64台量测仪器。变频调速器和水泵负责水边界供水，ＧＳ－3Ｂ光栅水位仪负责水位采集，ＬＳ－8Ｃ八点光电流速仪和升降仪负责流速采集，ＬＳ－ＡＤ适配器完成将其他仪器接入网络。所有设备和量测仪器通过ＲＳ485通信接口和网络与现场机通信，实现数据的传送（见图1）。 |
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2．系统仪器设备
目前，交流调速已经上升为电气调速的主流，采用自关断器件的全数字控制ＰＷＭ变频器已经实现了通用化。全数字控制方式的软件功能使得变频器的ＲＡＳ三性（可靠性、可使用性、可维护性）功能得以充实。由于变频器具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便且便于同其他设备接口、系统组成状态灵活等优点，所以应用越来越广泛，社会经济效益十分显著。经理论研究和实测数据，证实变频器与被控水泵的频率～流量呈良好的线性关系，因此成为本系统理想的水边界控制设备。另外，由于采用了网络通信，现场机独立寻址各个变频器，通过控制对应水泵的流量，可再现水边界各处在时域、空域分布上的差异，完成传统设备（如尾门、潮汐箱）难以模拟的试验。
水位采集采用无角位移—线位移机械变换装置的ＧＳ－3Ｂ跟踪式光栅水位仪。该水位仪采用机电一体化设计，内置线位移光栅编码器、线性轴承导轨及同步带传动机构、双微处理器电路和光电隔离ＲＳ485总线网络接口。分辨率0.01ｍｍ，量程300ｍｍ。
ＬＳ－8Ｃ八点光电流速仪可配置多达8支的红外旋桨流速测杆。内置双微处理器、恒定流驱动、背光大屏幕液晶显示屏和光电隔离ＲＳ485总线网络接口。
ＬＳ－ＡＤ适配器内置10位Ａ/Ｄ转换器与光电隔离开关、微处理器和光电隔离ＲＳ485总线网络接口。通过它，可将其他量测仪器产品（如电磁流量计、电动阀）接入系统网络。
3．工业现场总线
系统采用ＲＳ485工业现场总线网络，网络长度可达1200ｍ。通信采用国际标准ＭＯＤＢＵＳ协议。分布系统各级之间以主从式方式通信，再加上特有的ＣＲＣ校验手段，保证了数据通信的实时可靠。 4．中央监控机软件 采用Borland C++ Builder 6.0编程，以Windows98为操作平台，将水力物理模型试验中所用的各种分析方法和采集控制对象集成进来，做到通用、灵活、高效（见图2）。 |
图2 中央监控机软件结构图 |
中央监控软件的主要功能：基于Windows98平台，ＥＸＣＥＬ数据格式；多种控制模式选择；模型地形、地物的逼真显示；以图形和表格多窗口形式，实时显示给定值与实测值；实时修改、替换给定值；查看历史数据、清除历史图形；各种仪器、设备和控制参数的配置和存取；控制参数实时修改；多媒体语音播放；实时数据通信。
5．现场机软件 现场机是系统的控制核心。采用Borland C++3.1编程，通过提高系统时钟分辨率和运用中断处理方法，保证程序运行的实时性。它实时在线完成以下主要功能：接收中央监控机命令并处理，现场仪器设备数据采集，数字滤波，开闭环参数计算，各种水边界控制量输出处理（见图3）。 三、水边界控制技术 1．水边界控制原理 本系统的水边界控制模式相当灵活，可单独按水位闭环或流量开、闭环控制，也可组合控制。闭环控制设计思想是：计算机根据水位或流量给定值与实测反馈值的误差，经ＰＩＤ控制算法计算，将结果传送给变频器控制水泵运转速度，实时调节模型边界的进出水流量以减小误差。该原理的采用使本系统可按给定的水位或流量的连续曲线进行跟踪控制，不必进行曲线的阶梯概化，提高试验精度。 |
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2．水边界闭环控制算法
根据变频器特点，本系统闭环控制采用离散增量式，考虑到水体大滞后的特性，增加开环预测部分，形成开闭环复合型ＰＩＤ算法：
Fi=fi-1+Fc+Fo
Fo=Ko（Bi+1－Bi）
Fc=Kp（Bi－Ci）+KI（Bi－Ci－Bi-1＋Ci-1）
式中：Fi为第ｉ次控制输出，Fc为闭环分量，Fo为开环预测分量，Bi为试验给定值（标准值），Ci为试验实测反馈值，Kp、KI、Ko分别为比例、微分和开环系数。
四、应用实例
1．珠江出海口门整体物理模型
该模型包括了珠江全部8个出海口门，完整再现了珠江三角洲的形态。模型平面比尺700，垂直比尺70，纵横向布置250ｍ×160ｍ，属大型潮汐物理模型，测量点分布范围广。海区生潮控制水边界长达157ｍ，按潮汐空域分布分６段进行同步控制。系统使用了57台水位仪、7台流速仪、30台变频器和６４台水泵，最大供水量13680ｍ3/ｈ。
2．杭州湾交通通道可行性研究定床模型
该模型平面比尺1000，垂直比尺100，纵横向布置120ｍ×45ｍ。下游河口生潮控制水边界45ｍ，按潮汐空域分布分5段进行同步控制。涌潮特点为涨落潮较大，最大潮差8ｃｍ。系统使用了24台水位仪、3台流速仪、23台变频器和2台潜水泵，最大供水量9140ｍ3/ｈ。
3．黄河微弯概化河道模型
该模型宽1.2ｍ、长20ｍ，属小型物理模型。下游控制水边界3ｍ。系统使用了3台水位仪、2台流速仪、1台变频器和3台潜水泵，最大供水量320ｍ3/ｈ。
五、结 论
以水力物理模型试验为基础，从科技创新出发，应用多项新技术，为物理模型试验研制了一种新型自动测控系统。由于采用了工业化机电标准设备（变频器、水泵），使得系统具有无须定制和机械加工、配套土建少、易安装、易调试、易扩展、易移植、易维护、节能、低噪音、可重复使用等优点。另外，在可靠性、稳定性、实时性、实用性、灵活性和通用性等方面该系统能很好地满足各种模型试验的要求，系统的安装调试时间及模型试验周期大大缩短，经多个单位十几个项目的使用表明，该系统具有很好的应用前景和良好的社会经济效益。
参考文献：
1.韩安荣．通用变频器及其应用．北京：机械工业出版社，2000.6．
2.吴麒．自动控制理论．北京：清华大学出版社，1990.3．
3.陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型ＰＩＤ控制及其应用．北京：机械工业出版社，1999.5
作者单位：水利部珠江水利委员会科学研究所，林俊为高级工程师