1 設計背景
船舶在海洋中的搖擺姿態、船體的抗風浪性能對船舶的航行的穩定性、安全性具有巨大的意義。船體在海洋中的不同運動姿態：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。因此，在設計船舶時，尤其是遠洋船舶、海洋船舶的設計，必須要經過科學計算其船體的抗風浪等級。但計算僅僅是理論值，必須要經過多次的海風浪試驗加以修正。這樣的試驗不僅費時、費力，還浪費了大量的財力。有些單位為了減少開支，將海風浪試驗降低到最低的次數，不僅影響了測試數據的完整性，而且有些數據不一定完整。為了避免這種現象發生，使遠洋和海洋船舶設計的更為科學、省時、省力、省經費，我們利用了菱電自動化的大型實用型PLC AnSH以及經濟緊湊型FX2NPLC，FR－E540變頻器，并采用CC－Link現場總線，開發了一套長50米、寬30米、深6米的水池造波系統，可以模擬實時海況的風浪，實現了船舶設計的半實物仿真系統平臺，不僅可以提供給船舶設計單位以及船舶認證單位進行半實物的實時仿真試驗，為船舶設計提供接近實際海況的測試現場數據，還可以為海洋開發單元進行波能發電裝置的開發研究。這樣的半實物分布式仿真平臺系統在國外90年代就已成型，在我國船舶設計單位目前正在展開試制工作。

2 系統組成與設計

2．1 系統組成
為了實時模擬海況的風浪，水流、浪程和浪高等，本造波系統有如下分系統組成
1） 造波分系統：水池配有三套雙推板大功率的造波機和小功率的造波機，大、小造波機不同的組合能產生縱向傳播的長峰波，最大波高可達0.3米，由計算機進行程序控制，可以產生模型試驗所需要的規則波或不規則波。
2） 造流系統：水池配有一套高壓噴水造流系統，在池墻兩側均勻密布噴水管，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。該系統能產生縱向流和橫向流，最大流速為0.1米/秒。此外，還配置了局部造流系統，以適應高速水流以及不同流向試驗的需要。
3） 造風系統：配置一套可移動式鼓風機造風系統。最大風速可達5米/秒，通過計算機控制系統可進行風譜的模擬。
4） 拖車系統：在拖曳試驗時可以進行迎浪、順浪和橫浪的拖曳試驗，也可對x、y方向調節進行斜浪的拖曳試驗。
5） 水池過濾系統：水池配有機械過濾系統。
6） 消波系統：在造波機對岸設有一定傾斜度的格柵式消波灘，借以吸收波能防止產生反射波。

2．2 系統設計
為了實現上述功能，系統采用分層、分單元的概念，將系統實現真正的分布式控制。其中，造波分系統、造流分系統以及造風分系統分別可由兩臺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的轉速，電機帶動造波器的漿液片打擊水面，電機的轉速不同，造成兩個波頭之間的波程和波峰的不同，這樣，三相異步電機不同的轉速與不同的波頭、波程、波峰相對應，因此，兩個三相異步電機不同的轉速組合便可實時再現模擬不同的海況。造流系統同樣由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。造風系統由AnSH PLC控制大功率的風機實現。
為了提高可靠性，本控制系統中還設計了手動備用調速系統，以保證在計算機故障時不影響造波。當計算機故障時，切換裝置不需人工干預，自行切換到手動備用調速系統，操作人員可以通過電位器調節變頻器轉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組成的三個現地控制單元和由PC組成的服務器、人機交互服務器架構的系統配置見圖1所示。AnSH PLC、FX2N PLC配置圖見圖2、圖3所示。


圖1：仿真平臺架構圖

2．2．1 AnSH PLC特性及配置
A1SJHCPU是AnSH系列中最經濟的CPU經的CPU組件。A1SJHCPU的獨特之處在于它的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學運算而開發的“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運算，浮點運算和三角函數等)。同時內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系列能適應極廣泛的應用場合。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、與繼電器配合控制電機和變頻器的電源的開閉狀態。
2） A1SJ61BT11 CC－Link現場總線通信適配器：主要用于與系統服務器中的CC－Link主控模塊通信，實時傳遞AnSH PLC監測各量的狀態與參數、同時接收服務器傳來的控制指令。
3） A1S66ADA模擬輸入/輸出模塊：實時監測水池的水壓變化趨勢(反應了海況的級別)，給FR－E540變頻器提供模擬控制量，使變頻器的輸出頻率變化，達到控制三相異步電機轉速的目的，從而控制、模擬海況的風浪和浪高、浪程。
4） A1SD62D高速計數模塊：實時監測三相異步電機的轉速，以便A1S66ADA模塊對電機的轉速進行PID調節。

2．2．2 FX2N PLC特性與配置
FX2N系列是PLC FX家族中最先進的系列，它最大范圍的包容了標準特點、程序執行更快、全面補充了通信功能、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，FX2N是從16到256路輸入/輸出的多種應用的選擇方案。其靈活的配置、高速運算、突出的寄存器容量、豐富的元件資源、尤其適合小點數的過程控制。其中

圖3：FX2N PLC配置
1） FX2N－64MT－D主控模塊：其數字輸入/輸出模塊控制一些控制繼電器、接觸器的開閉狀態、與繼電器配合控制電機和變頻器的電源的開閉狀態。
2） FX2N －32CCL CC－Link現場總線通信適配器：主要用于與系統服務器中的CC－Link主控模塊通信，實時傳遞FX2N－64MT監測各量的狀態與參數、同時接收服務器傳來的控制指令。
3） FX2N －4AD模擬輸入模塊：實時監測水池的水壓變化趨勢(反應了海況的級別)；
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，達到控制三相異步電機轉速的目的，從而控制、模擬海況的風浪和浪高、浪程。
5） FX2N －1HC高速計數模塊：實時監測三相異步電機的轉速，以便FX2N －2DA模塊對電機的轉速進行PID調節。

2．2．3 服務器配置
CC－Link為主從模式，因此，在中控室內的主控服務器內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，操作系統選用Windows NT4.0＋SP4。系統的編程開發環境為Visual C＋＋ Ver6.0。并安裝有SQL Server V7.0，用于人機交互、CC—Link網絡組態、實時數據庫訪問、歷史數據回放、控制命令的傳遞和下放等任務、仿真三維圖形的顯示等。

2.3 CC－Link現場總線
CC-Link是Control&Communication Link (控制與通信鏈路系統)的簡稱，是一種開放式現場總線，以設備層為主的網絡，其數據容量大，通信速度多級可選擇，而且它是一個復合的、開放的、適應性強的網絡系統，能夠適應于較高的管理層網絡到較低的傳感器層網絡的不同范圍?？蓪崿F從CC-Link到AS-I總線的聯接。CC-Link具有高速的數據傳輸速度，最達可達10Mbps。CC-Link的底層通信協議遵循RS－485，一般情況下，CC-Link主要采用廣播一輪詢的方式進行通信，CC-Link也支持主站與本地站、智能設備站之間的瞬間通信。
CC-Link。具有性能卓越、應用廣泛使用簡單節省成本等突出優點。

2．4 系統可靠性設計
PLC輸出模塊內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驅動外部繼電器，用外部繼電器的觸點驅動～380v的負載。同時較多的AC220V～380V電磁閥內部有與其線圈串聯的限位開關常閉觸點，電磁閥線圈通電，閥芯動作后，是用閥內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接PLC的輸出信號。本系統中用到了大功率可控硅裝置，PLC應遠離強干擾源。PLC不能與高壓電器安裝在同一個開關柜內，在柜內PLC應遠離動力線(二者之間的距離應大于200mm)。與PLC裝在同一個開關柜內的電感性元件，如繼電器、接觸器的線圈，應并聯RC消弧電路。PLC的I/O線與大功率線應分開走線，如必須要在同一線槽中布線，信號線應使用屏蔽電纜。交流線與直流線應分別使用不同的電纜，開關量、模擬量I/O線應分開敷設，后者應采用屏蔽線。不同類型的線應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CC－Link要完成所有數據通信，因此對通信電纜要求可靠性高應選用CC－Link推薦并提供的專用電纜。

3 系統特性
在本系統中，可以進行多種船舶半實物仿真試驗和海洋能量的開發試驗：
1） 新型海洋工程結構物的開發研究、船舶部件受力的分析和模型試驗技術，
2） 可以進行波能發電裝置的開發研究。
3） 海浪、海流、浪流交互作用下波態的模擬及其分析處理技術，海洋環境數值預報的模擬驗證，海洋浮標、海洋水文儀器的設計、校驗、標定。
4） 各類船舶的設計、結構強度及流體動力性能的研究。

4 系統軟件設計
系統仿真控制軟件是本系統設計的關鍵核心所在，同時也是難點。包括上位機人機交互可視化軟件及PLC 控制軟件2 大塊，人機交互可視化軟件主要由人機界面程序模塊、數字信號處理程序模塊、數據庫程序模塊等組成，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 查詢語句讀寫數據庫中的相關數據。在仿真試驗結束之后，可以進行工藝闡述數據統計操作，可以任意選擇統計開始時間和結束時間，計算機自動對該時間段的所有測量數據進行分類統計。并可以用三維動畫形式直觀的顯示出來，相關數據可以進行備份、刪除、導出、打印報表等操作，以利于人機交互操作。 在仿真服務器上，由于要進行大量的數據分析、圖象處理、人機交互，因此選用了Windows NT作為操作系統，完成數據的分析、仿真通信、海況模擬擬合以及仿真評估。系統軟件的整體結構見圖2所示。


5 應用體會
在本系統中，系統硬件選型是關鍵，如何選用性價比高、性能可靠的硬件平臺應該是本系統仿真平臺的設計關鍵之一，系統的可靠性設計也是本設計的重點。
1） 菱電公司的AnSH和FX2N型PLC在工業控制中是市場占有率較高的PLC，以其可靠應用的品質、較高的性價比和抗干擾性能強而著稱，這兩款PLC的應用使得系統的可靠性和經濟性得到了保證。
2） 與其他產品相比，三菱PLC指令簡潔，給用戶編程，維護都帶來極大方便，降低了生產成本，可較大縮短開發周期。
3） CC－Link現場總線傳輸速率較高，數據傳輸可靠性好，保證了本系統大量仿真數據的可靠傳輸，使得系統的實時性、可靠性得到了保證。同時，CC－Link的應用大量減少現場布線，使得系統的可維護性得到了提高。
4） 系統采用真正的分布式概念，使得仿真平臺相互之間的相關性減少，便于了系統的設計、分析和應用。
5） 系統由現地手動和遠程計算機自動控制兩種方式，增加了系統的靈活性。