摘 要：基于对潮汐研究是预防海洋灾害的有效手段，设计开发了一种基于PAc模块的潮汐模拟控制系统。该系统中，RS 485总线网络由基于DCON协议的现场采集控制模块和PAC构成，并通过MODBUs TCP／IP协议与上位机联网构成潮汐模拟控制系统。实验证明，本系统可模拟潮汐涨潮落潮特性，具有集成度高、抗干扰能力强、稳定性高等优点。
关键词：潮汐模拟；PAC；RS 485总线；MODBUS TCP／IP协议

l 引 言
    在研究海水对港口工程和海洋工程建筑物影响时，通常在实验室里建造实地模型模拟潮汐，为工程设计和科研提供可靠的依据。近年来我国加快了沿海港口的整治与开发，对实验系统的实时性和稳定性要求进一步提高。目前国内潮汐模型控制系统多以传统计算机控制为主．采用集中监控方式，电信号直接接到控制计算机，线路耗材多，弱信号易受干扰，系统的可靠性和稳定性大大降低。而PAC(Programmable Automatic Controller，可编程自动化控制器)模块可脱离计算机独立工作，也可以作为核心处理部件。PAC与采集模块通过485接口连接构成数据采集控制系统，线路少，连接方便，可靠性高，调试及安装成本低，数据传输可靠性高，且与传统的DCS兼容等特点，更适合应用于中小控制系统。
    基于以上优点，本设计将基于PAC的分布式多点数据采集控制系统应用在海洋潮汐模拟控制系统中，并通过MODBUS TCP／IP协议将控制系统联网，从而实现对水位和水流的实时采集、远程控制和网络监控，以达到精确模拟潮汐变化曲线并可靠稳定实时地传输潮汐模拟数据的目的。

2 系统原理
2．1 系统的构成
    本系统是在已建的环境海洋实验潮流水槽中模拟海洋潮汐，使用变频器来控制双向水泵的方向和流速来实现水流的方向和流速的控制，同时控制水槽一侧尾门的高度，以尾门上溢水的形式来控制水槽内水位的变化，进行潮汐模拟。
2．2 控制系统框架描述
    控制系统采用泓格现场数据采集系统，下端连接变频器和双向水泵控制涨潮落潮，上端通过设置IP地址与上位机连接，其中泓格现场数据采集系统由可脱离PC机自行运行的PAC控制器和现场采集控制单元通过485接口连接组成。系统网络采用主从通信控制方法：在同一通信网络中，每个设备的地址是惟一的设备地址，并只有一个主设备可以有多个从设备。避免总线通信的竞争与冲突。
    采集控制模块通过写入DCON命令初始化。本系统在串行通信波特率为9 600 b／s，无奇偶校验位，8位数据位，1位停止位的设置下通信，没有发生丢帧或错帧的现象。
2．3 关键技术
    潮汐物理模型试验是将现场的水流运动模拟在相似的物理模型上，根据水流物理模型实验的相似理论，当模型的水平比尺和垂直比尺为λL和λH时，水流速度比尺λv=λ1/2H；水流时间比尺其λt=λL／λv=λL／λ1/2H，例如一海湾模型，λL=650，λH=65，λt=83，即现场1 h相当于模型1／83=O．012 048 h=43．4 s。
    一般，将一个全潮分为25 h检测点进行水文(包括潮位、流速、流向等)测量。如果1 h现场进行一次检测，换算到模型上为每43．3 s取一个流量控制数据，数据跳跃之大使控制无法进行。所以，对25个数据进行值处理，使数据能平滑过渡。具体方法：在两个数据时间插入20个数据，即将一天划分为500个控制点。插值采用牛顿二项式插值法，共取26个点，前25点为实测数据，第26点和第一点重合。整个潮汐控制过程为：
    (1)将原始测量的潮汐水文数据转换为模型的25个数据。
    (2)将25个数据插值为500数据点，根据时间比尺，43．3 s中有20个数据通过，因此控制周期为43．3／20=2．15 s。
    (3)为准确地反映涨潮落潮，必须在相应的时间点上控制水泵的正、反转。在生成模型数据的过程中，将这些转折点数据存放在特定的数组中，数组中有500个数据。水泵有自己的“跳泵”数据，一旦“时间指针”和某个“跳泵”数据一致，电平“1”写入相应的控制模块，控制水泵的“转向”。一般模型一天有两个涨落潮，系统中用了一台双向水泵，可用一个1×4数组存放“跳泵”数据。
    (4)程序执行过程中不断地进行水位、流速、流向的数据采集，通过自适应PID控制器计算出本时间间隔内水位变化量△H，水位变化量转换为尾门开度来控制水位步骤如下：根据输入的潮汐模拟曲线参数，首先计算出本时刻尾门高度Hi，并换算成尾门与竖直方向夹角αi，再算出△t时间后尾门高度Hi+1=Hi+△H，同样换算成尾门与竖直方向夹角αi+1，由此可以求出本段内应给步进电机发送的脉冲频率，也就是变频器输出的脉冲频率。式中，n为变速箱的变速比；O．75为步进电机的步距角；△α=αi+1一αi；△t=2．15 s。然后根据需要显示在工控机的监控画面中，并按时间顺序存放在相应的数据文件中。