一、系统组成与设计
（一）系统组成
为了实时模拟海况的风浪、水流、浪程和浪高等，本造波系统有如下分系统组成：
1．造波分系统：水池配有三套双推板大功率的造波机和小功率的造波机，大、小造波机不同的组合能产生纵向传播的长峰波，最大波高可达0.3m，由计算机进行程序控制，可以产生模型试验所需要的规则波或不规则波。
2．造流系统：水池配有一套高压喷水造流系统，在池墙两侧均匀密布喷水管，水泵从粗管吸水加压后从密布的喷水管中喷出，在水池中造成均匀的水流。该系统能产生纵向流和横向流，最大流速为0.1m/s。此外，还配置了局部造流系统，以适应高速水流以及不同流向试验的需要。
3．造风系统：配置一套可移动式鼓风机造风系统。最大风速可达5m/s，通过计算机控制系统可进行风谱的模拟。
4．拖车系统：在拖曳试验时可以进行迎浪、顺浪和横浪的拖曳试验，也可对x、y方向调节进行斜浪的拖曳试验。
5．水池过滤系统：水池配有机械过滤系统。
6．消波系统：在造波机对岸设有一定倾斜度的格栅式消波滩，借以吸收波能防止产生反射波。
（二）系统设计
为实现上述功能，系统采用分层、分单元的概念，实现真正的分布式控制。其中，造波、造流以及造风分系统分别由两台PLC控制，海况的波浪有大海浪、小海浪、纹波海浪，为了真实模拟海况的特性，高头较大的海浪由AnSH PLC控制，小海浪、纹波海浪由FX2NPLC控制。造流分系统与之类似。只有这样，才能模拟海况中的两个大浪潮中含有许多的小高头的浪潮。浪潮产生的过程为：由PLC的模拟输出功能模块输出0～10V的控制信号控制FR-E540型变频器的输出频率，变频器实时控制三相异步电机的转速，电机带动造波器的浆液片打击水面，电机的转速不同，造成两个波头之间的波程和波峰的不同，这样，三相异步电机不同的转速与不同的波头、波程、波峰相对应，因此，两台三相异步电机不同的转速组合便可实时再现模拟不同的海况。造流系统同样由AnSH PLC和FX2N PLC组合控制各自的动力水泵，形成不同的水流能量。造风系统由AnSH PLC控制大功率的风机实现。
为了提高可靠性，本控制系统中还设计了手动备用调速系统，以保证在计算机故障时不影响造波。当计算机故障时，切换装置不需人工干预，自行切换到手动备用调速系统，操作人员可以通过电位器调节变频器转速来维持正常的造波过程。三个由AnSH PLC、FX2N PLC以及FR-E540变频器和三相异步电机组成的三个现地控制单元和由PC组成的服务器、人机交互服务器架构的系统配置见图1所示。AnSH PLC、FX2N PLC配置图见图2、图3所示。
1．AnSH PLC特性及配置
A1SJHCPU是AnSH系列中最经济的CPU组件。A1SJHCPU的独特之处在于它的CPU、电源和基板集为一体，从而显著地降低了制造成本。AnSH采用了三菱专为顺序控制和数学运算而开发的“三菱顺控处理器芯片”（MSP）。AnSH不但速度比AnS快，而且增加了CC-Link的专用指令，原先的指令仍然得到保留（包括PID运算，浮点运算和三角函数等）。同时内置的性能诸如锂电池、后备RAM、用户存储器、实时时钟和一个灵活的通信口，使AnS系列能适应极广泛的应用场合。其特殊功能组件的完整，使AnSH可完美地适用于过程控制、定位控制和其他各种类型的控制。与同类产品相比，其性价比较高。其中：
A1SH42数字输入/输出模块：主要控制一些控制继电器、接触器的开闭状态、与继电器配合控制电机和变频器的电源的开闭状态。
A1SJ61BT11 CC-Link现场总线通信适配器：主要用于与系统服务器中的CC-Link主控模块通信，实时传递AnSH PLC监测各量的状态与参数、同时接收服务器传来的控制指令。
A1S66ADA模拟输入/输出模块：实时监测水池的水压变化趋势（反应了海况的级别），给FR-E540变频器提供模拟控制量，使变频器的输出频率变化，达到控制三相异步电机转速的目的，从而控制、模拟海况的风浪和浪高、浪程。
A1SD62D高速计数模块：实时监测三相异步电机的转速，以便A1S66ADA模块对电机的转速进行PID调节。
2．FX2N PLC特性与配置
FX2N系列是PLC FX家族中最先进的系列，它最大范围地包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。同时它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。其灵活的配置、高速运算、突出的寄存器容量、丰富的元件资源、尤其适合小点数的过程控制。其中：
FX2N-64MT-D主控模块：其数字输入/输出模块控制一些控制继电器、接触器的开闭状态、与继电器配合控制电机和变频器的电源的开闭状态。
FX2N-32CCL CC-Link现场总线通信适配器：主要用于与系统服务器中的CC-Link主控模块通信，实时传递FX2N-64MT监测各量的状态与参数、同时接收服务器传来的控制指令。
FX2N-4AD模拟输入模块：实时监测水池的水压变化趋势（反应了海况的级别）；
FX2N-2DA模拟输出模块：给FR-E540变频器提供模拟控制量，使变频器的输出频率变化，达到控制三相异步电机转速的目的，从而控制、模拟海况的风浪和浪高、浪程。
FX2N-1HC高速计数模块：实时监测三相异步电机的转速，以便FX2N-2DA模块对电机的转速进行PID调节。
3．服务器配置
CC-Link为主从模式，因此在中控室的主控服务器内必须插放一块主模式的CC-Link通信适配卡：A80BD-J61BT11。为提高其控制的实时性，通信速率选用了2.5Mb/s，操作系统选用Windows NT4.0+SP4。系统的编程开发环境为Visual C++ Ver6.0。并安装有SQL Server V7.0，用于人机交互、CC-Link网络组态、实时数据库访问、历史数据回放、控制命令的传递和下放等任务、仿真三维图形的显示等。
（三）CC-Link现场总线
CC-Link是Control & Communication Link（控制与通信链路系统）的简称，是一种开放式现场总线，以设备层为主的网络，其数据容量大，通信速度多级可选择，而且它是一个复合的、开放的、适应性强的网络系统，能够适应于较高的管理层网络到较低的传感器层网络的不同范围。可实现从CC-Link到AS-i总线的联接。CC-Link具有高速的数据传输速度，最高可达10Mb/s。CC-Link的底层通信协议遵循RS-485，一般情况下，CC-Link主要采用广播一轮询的方式进行通信，CC-Link也支持主站与本地站、智能设备站之间的瞬间通信。
CC-Link具有性能卓越、应用广泛、使用简单、节省成本等突出优点。
（四）系统可靠性设计
PLC输出模块内的小型继电器的触点很小，断弧能力很差，不能直接用于厂级AC220V～380V电路中，必须用PLC驱动外部继电器，用外部继电器的触点驱动AC380v的负载。同时较多的AC220V～380V电磁阀内部有与其线圈串联的限位开关常闭触点，电磁阀线圈通电，阀芯动作后，是用阀内部的触点来断开电路的。在这种情况下，要选用触点较小的小型继电器来转接PLC的输出信号。本系统中用到了大功率晶闸管装置，PLC应远离强干扰源。PLC不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在柜内PLC应远离动力线（两者之间的距离应大于200mm）。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件，如继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。PLC的I/O线与大功率线应分开走线，如必须要在同一线槽中布线，信号线应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同的电缆，开关量、模拟量I/O线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。不同类型的线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离。
另外，由于本系统CC-Link要完成所有数据通信，因此对通信电缆要求可靠性高，应选用CC-Link推广中心推荐并提供的专用电缆。
二、系统特性和软件设计
（一）系统特性
在本系统中，可以进行多种船舶半实物仿真试验和海洋能量的开发试验：新型海洋工程结构物的开发研究、船舶部件受力的分析和模型试验技术；可以进行波能发电装置的开发研究；海浪、海流、浪流交互作用下波态的模拟及其分析处理技术，海洋环境数值预报的模拟验证，海洋浮标、海洋水文仪器的设计、校验、标定；各类船舶的设计、结构强度及流体动力性能的研究。
（二）系统软件设计
系统仿真控制软件是本系统设计的关键核心所在，同时也是难点。包括上位机人机交互可视化软件及PLC控制软件两大块，人机交互可视化软件主要由人机界面程序模块、数字信号处理程序模块、数据库程序模块等组成，均采用Visual C++编程，在控制过程中，主程序可随时通过DAO利用SQL查询语句读写数据库中的相关数据。在仿真试验结束之后，可以进行工艺阐述数据统计操作，可以任意选择统计开始和结束时间，计算机自动对该时间段的所有测量数据进行分类统计。并可以用三维动画形式直观地显示出来，相关数据可以进行备份、删除、导出、打印报表等操作，以利于人机交互操作。
在仿真服务器上，由于要进行大量的数据分析、图像处理、人机交互，因此选用了Windows NT作为操作系统，完成数据的分析、仿真通信、海况模拟拟合以及仿真评估。系统软件的整体结构见图4所示。
三、应用体会
在本系统中，系统硬件选型是关键，如何选用性价比高、性能可靠的硬件平台应该是本系统仿真平台的设计关键之一，系统的可靠性设计也是本设计的重点。
与其他产品相比，三菱PLC指令简洁，给用户编程、维护都带来极大方便，降低了生产成本，可较大缩短开发周期。CC-Link现场总线传输速率较高、数据传输可靠性好，保证了本系统大量仿真数据的可靠传输，使得系统的实时性、可靠性得到了保证。同时，CC-Link的应用大量减少现场布线，使得系统的可维护性得到了提高。系统采用真正的分布式概念，使得仿真平台相互之间的相关性减少，便于系统设计、分析和应用。系统有现地手动和远程计算机自动控制两种方式，增加了系统的灵活性。
