波浪水槽自动加风系统设计

王永举

（浙江水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

我国海岸线曲折绵长，沿海地区人口众多、生产要素高度集中、社会财富高度聚集。由于地理位置和气候条件，沿海地区夏秋季节经常遭受台风侵袭，极端性天气事件多，强台风已对沿海地区构成了极大威胁[1]。海岸地区的防潮防浪研究是涉海工程最重要的研究课题之一，而波浪水槽试验则是分析、解决此类问题最有效的技术手段[2]。波浪试验加风是研究波浪爬高、越浪量的一个重要负载，加风的准确性直接影响试验结果的准确性[3]。目前国内各大高校以及科研院所大多采用人工控制加风的方式，通过变频器手动输入频率控制风机转速，只能输出风速固定的定常风[4]。在每次试验前，配合使用风速仪，把变频器频率值对应的风速一一列出，试验中根据需要的风速，输入对应的频率值，由于风机性能及机械部件的磨损老化，造风能力会产生变化，每次试验前都需要重新率定风速对应的频率。此法加风结构简单有效，只能输出定常风速，无法输出可变的风速序列，而且随着外界环境的变化，造风精度难以保证[5]。本文以浙江省河口海岸重点实验室波浪水槽作为实例，研究并且实施波浪水槽自动加风系统。

2 系统整体设计

加风系统的总体设计思路沿用已有的加风方式，采用变频器带动风机加风，与以往不同的是编写功能完备的上位机软件，通过软硬件结合实现自动加风[6]。

2.1 软件架构

软件设计按照“技术先进、控制可靠、生产需要、经济合理”的原则，设计实现“采集、控制、数据传输、数据保存一体化”的计算机网络和完善的现场测控仪表配置。在对软件设计时，充分考虑系统的扩充和兼容性能。

软件分为3方面：中央控制子系统、运行监测子系统、风速测量采集显示子系统。软件设计框架见图1。

图1 软件设计框架图

2.1.1 中央控制子系统设计

中央控制子系统为整个系统的控制中心，主要完成系统运行的自动化管理，可随时直观地观察、控制整个试验过程并处理记录各种试验数据。包括历史数据显示、检索，实时数据显示、存档，人机交互，实时监视运行状态与控制。

在本系统中以Visual C++作为软件开发平台，主要完成内容：利用Visua1 C++强大的图形化编程功能，构建一个美观大方、操作方便的用户界面。用户只需要简单的操作主界面上的各控件按钮或菜单选项即可进入相应的模块以完成相应的任务，并在主界面上以数字和图形的方式实时地显示出该参数的信息[7]。

2.1.2 运行监测子系统功能设计

运行监测子系统主要监测运行风机系统运行的各种参数，需要控制电脑与变频器进行数据交互，主要包括风机运行电流、运行电压、变频器通讯状态等指标，它是保证控制系统安全运行的基础[8]。

2.1.3 风速数据采集显示子系统功能设计

风速数据的采集是系统控制的基础，本系统以风速值作为控制变量，系统通过给定风速曲线与实测风速值差值运算来控制风机运行频率，输出合适的风谱，控制核心算法采用增量式PID算法，在软件界面可以设置具体控制参数，包括比例控制、积分控制、微分控制、滞后常数等参数，以获取更好的控制效果。

风速采集通过高精度风速仪完成，采集的数据传输至控制电脑，风速仪与电脑间通讯采用无线透传模式通讯，对每一个风速仪独立寻址，这样设计的益处是可以灵活布置风速仪位置，同时加减仪器方便，最多可供32台风速仪同时工作，提高了系统的扩展性。

在软件界面实时显示风速值，风速显示界面同时显示给定曲线和实测曲线，方便判断控制的准确性以及控制系统是否异常。

2.1.4 加风算法设计及软件界面

本加风系统采用闭环反馈控制模式，闭环自动控制技术是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括3部分：测量、比较和执行。测量关键是被控变量的实际值与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。实际应用最为广泛的调节器控制为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

本项目采用的是增量式PID控制算法，是通过对控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）进行PID控制的一种控制算法，也称为校正方法。

具体的实现是根据当前实测风速与预期风速的差值进行运算，如果差值为正，减小输出频率，减小量具体依据程序预先给定的差值表进行确定，例如风速差为1.00 m/s，频率减小量为2 Hz，风速差值为0.50 m/s，频率减小量为1 Hz，然后不停的判断风速差值，具体的运算流程见图2。

关于风速控制的核心算法代码为：

public float PID_Calculation()

{ err = SetValue - RealTimeValue；//期望值与实测值的差值

float increaseValue；

increaseValue = Kp * (err - err_next) + Ki * err + Kd * (err -2 * err_next + err_last)；//此为PID增量公式

return increaseValue；//返回频率变化量}

软件启动后，用户先点击连接网络，连接变频器和风速仪，网络连接好之后选择造风模式，有定常风速和输出可变风谱2种，选择好模式后，导入给定的风速数据，设置PID参数，输入一个启动频率（20 Hz以内），开始加风，系统按照给定的风速曲线自动输出控制频率，开始加风试验，采集风速数据，试验结束后，保存数据并导出，然后退出软件。

2.2 硬件设计

本系统涉及的硬件主要有加风结构（包括风机和导风罩）、变频器、风速仪等，风机按照水槽的尺寸和设计风速来选型，变频器依据拖动类型和功率匹配来选型，本次设计按照浙江省河口海岸重点实验的波浪水槽来实施，具体选择功率18.5 kW、直径1 200 mm的风机，变频器采用三菱F800系列，风速仪采用易谷科技的高精度风速仪。

2.2.1 加风结构设计

本项目采用吹风式加风，风机安装在入风口位置，入风口位于造波机前端约10 m处（见图3），试验区在出风口位置，风机与试验区之间有约60 m的距离，中间为水槽管道，风经水槽管道传至试验区，达到加风目的，吹风式加风有以下优点：

（1）风速平稳，风场分布较为均匀，风经过60 m的水槽管道后趋于平稳；

（2）机理上与海岸工程真实情况更加符合，沿程的波浪及水面都能受到风的作用，试验更加合理；

（3）可以进行风生浪等其他类型的研究，加风方式灵活，研究内容更加丰富广泛。

图3 吹风式加风示意图

具体的加风结构见图4。

图4 加风结构示意图

由于风机与水槽整体平行但有高度差，需要一个过渡段将风传输至水槽管道内，导风罩起过渡作用，导风罩的设计尤为重要，角度过大，风直接吹到导风罩上，导致风压损失，加风效率低下且紊乱；角度过小，会出现风回吹现象，导致试验结果不准确，按照现场的实际经验，最终设计的导风罩采用2段式设计，尽可以尽量减少风压的损失，也避免风回吹现象。

本次风罩的设计，采用5 m长的斜坡渐入式导风罩结构，分成2段，第1段长2 m左右，与风机通过隔离震动的软连接包围连接，小角度侵入水槽管道内，第2段长3 m左右，下倾斜角度稍大，与水槽管道的盖板相连。

2.2.2 变频器与风速仪布置及通讯

三菱变频器F800采用RS - 485总线标准，既可以使用MODBUS - RTU协议通信，也可以使用简单的自有协议通信。本系统使用自有协议通信，未来可以扩展为MODBUS - RTU协议通信。变频器布置在风机附件，这样风机与变频器之间的动力线缆更短。

通讯的具体格式为：

（1）从计算机向变频器发送通信要求数据，具体格式见表1。

表1 从计算机向变频器发送通信要求数据格式表

（2）从变频器返回计算机数据，格式见表2。

表2 从变频器返回计算机数据格式表

2.2.3 风速仪

采用的风速仪由易谷科技生产，有多种通讯模式可供选择，本系统采用的是标准RS233/RS485（标准modbus）协议，风速仪布置在试验区上方，实时测量试验区的风速，具体协议如下：

（1）串口格式。数据位8位，停止位1位，校验位无，波特率9 600 bps，串口软件设置为hex发送和接收，2次通信间隔至少1 000 ms以上，下文的CR0，CR1为CRC的校验位。

（2）通讯格式。通讯格式见表3。

表3 风速仪通讯格式表

通用帧分为请求帧和应答帧，请求帧通讯格式见表4，应答帧通讯格式见表5。

表4 请求帧通讯格式表

表5 应答帧通讯格式表

硬件设计的要点有：①由于波浪水槽侧壁是波浪幕墙，必须做好风机的震动隔离措施，本系统的风机采用悬挂式设计，同时导风罩与风机以及水槽间的连接均采用柔性连接，最大限度的隔离震动。②电磁干扰，干扰源是大功率变频器及风机，变频器及风机运行时会对电网造成污染，敏感设备是波浪水槽运行时所需的其他精密仪器，例如测量流速流向的多普勒流速仪、测量波高的DJ800等仪器，耦合途径是通过电网电源以及电磁辐射。电磁干扰设计有3方面：①屏蔽干扰源，对变频器的输入输出安装输出功率匹配电源滤波器，动力电从电网经过滤波器进入变频器；② 隔离敏感设备，变频器与工控机的、工控机和其他采集设备的通讯采用带有屏蔽层的双绞线结构通讯电缆，防止变频器对信号传输的干扰；③做好接地工作，安装变频器的控制柜通过导电率好的铜牌接地。

3 实验结果分析

试验结果分析分为2组：

第1组是波浪水槽最常用的加风，风速为10.00 m/s的定常风速，图5为该系统在运行时的1组实测数据：

图5 定常风速实测值与期望值图

数据统计表明实测风速在不断变化，程序在不断的调节，风速控制误差在3%以内，控制精度高。

第2组是1组变化较为缓慢的正弦波，实验结果见图6。

图6 正弦风速实测值与期望值图

数据显示，对于产生变化的风速，系统在不断的调节频率，跟随效果尚可。试验数据统计见表6。

表6 试验数误差统计表 m/s

由表6可知，该套系统对定常风速和变化较为缓慢的风谱控制效果较好，能够满足波浪加风试验的需求。

4 总结及展望

4.1 总 结

波浪水槽加风系统的总体设计方案以及各子系统的设计方案，最终设计安装运行，给出实框图，该套加风系统有3个特点：①实现波浪水槽自动加风功能，2种模式可供选择，实时显示试验数据及运行状态参数；②测控系统的输入数据（给定曲线）和输出数据（试验结果）都采用EXCEL 数据格式；③实时数据通讯。

4.2 展 望

由于时间及水平所限，该系统仍有很多问题有待深入研究解决，对于定常风速以及变化较为缓慢的风速谱，系统控制效果较好，但是对于风速变化较为剧烈的谱型，由于软件算法和风机性能等的原因，控制效果不理想，希望在后续的研究中，能够改进风机结构、优化程序设计，造风系统功能更加完善。