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(chǎng)總線CC－bbbb，架構(gòu)了一套實(shí)時(shí)性較強(qiáng)、可靠性良好的海況實(shí)時(shí)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(shí)用型的半實(shí)物仿真平臺(tái)，節(jié)省了大量的試驗(yàn)測(cè)試經(jīng)費(fèi)，降低了試驗(yàn)所需的物力和人力，同時(shí)在一定程度上，還可以進(jìn)行海洋能量開發(fā)的仿真試驗(yàn)，填補(bǔ)了行業(yè)空白。
關(guān)鍵詞：PLC 半實(shí)物仿真 CC－bbbb
1 設(shè)計(jì)背景
船舶在海洋中的搖擺姿態(tài)、船體的抗風(fēng)浪性能對(duì)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(dòng)姿態(tài)：橫傾、縱傾、上下代表不同的海況等級(jí)，船舶的適航等級(jí)適海洋船舶的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，在設(shè)計(jì)船舶時(shí)，尤其是遠(yuǎn)洋船舶、海洋船舶的設(shè)計(jì)，必須要經(jīng)過科學(xué)計(jì)算其船體的抗風(fēng)浪等級(jí)。但計(jì)算僅僅是理論值，必須要經(jīng)過多次的海風(fēng)浪試驗(yàn)加以修正。這樣的試驗(yàn)不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，還浪費(fèi)了大量的財(cái)力。有些單位為了減少開支，將海風(fēng)浪試驗(yàn)降低到最低的次數(shù)，不僅影響了測(cè)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(jì)的更為科學(xué)、省時(shí)、省力、省經(jīng)費(fèi)，我們利用了菱電自動(dòng)化的大型實(shí)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－bbbb現(xiàn)場(chǎng)總線，開發(fā)了一套長(zhǎng)50米、寬30米、深6米的水池造波系統(tǒng)，可以模擬實(shí)時(shí)海況的風(fēng)浪，實(shí)現(xiàn)了船舶設(shè)計(jì)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)平臺(tái)，不僅可以提供給船舶設(shè)計(jì)單位以及船舶認(rèn)證單位進(jìn)行半實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)，為船舶設(shè)計(jì)提供接近實(shí)際海況的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)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(shí)物分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)在國外90年代就已成型，在我國船舶設(shè)計(jì)單位目前正在展開試制工作。
2 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)組成
為了實(shí)時(shí)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(zhǎng)峰波，最大波高可達(dá)0.3米，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序控制，可以產(chǎn)生模型試驗(yàn)所需要的規(guī)則波或不規(guī)則波?！?BR>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(yàn)的需要。
3） 造風(fēng)系統(tǒng)：配置一套可移動(dòng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可進(jìn)行風(fēng)譜的模擬?！?BR>4） 拖車系統(tǒng)：在拖曳試驗(yàn)時(shí)可以進(jìn)行迎浪、順浪和橫浪的拖曳試驗(yàn)，也可對(duì)x、y方向調(diào)節(jié)進(jìn)行斜浪的拖曳試驗(yàn)?！?BR>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(duì)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?！?BR>2．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)采用分層、分單元的概念，將系統(tǒng)實(shí)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(tái)PLC控制，海況的波浪有大海浪、小海浪、紋波海浪，為了真實(shí)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(gè)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(hào)控制FR－E540型變頻器的輸出頻率，變頻器實(shí)時(shí)控制三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)帶動(dòng)造波器的漿液片打擊水面，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，造成兩個(gè)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(duì)應(yīng)，因此，兩個(gè)三相異步電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速組合便可實(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)。
為了提高可靠性，本控制系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了手動(dòng)備用調(diào)速系統(tǒng)，以保證在計(jì)算機(jī)故障時(shí)不影響造波。當(dāng)計(jì)算機(jī)故障時(shí)，切換裝置不需人工干預(yù)，自行切換到手動(dòng)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(gè)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(gè)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(tái)架構(gòu)圖
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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