徐青發(fā)，張建康，吳曉生，錢 斌，周益平，陶周棟

應(yīng)用研究

基于網(wǎng)絡(luò)的大型造波機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

徐青發(fā)，張建康，吳曉生，錢 斌，周益平，陶周棟

（無錫東方海洋測試設(shè)備有限公司，江蘇 無錫 214082）

波浪是海岸工程、港口工程、船舶和海洋工程中需要考慮的主要荷載因素。目前研究波浪載荷的主要技術(shù)手段是在試驗(yàn)水池放置縮小的結(jié)構(gòu)物模型，并模擬現(xiàn)場的波浪環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)波浪載荷的精確測量，為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。造波機(jī)是試驗(yàn)室模擬波浪環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到模型試驗(yàn)的精準(zhǔn)度。本文介紹一種基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的大型造波機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的同步運(yùn)動(dòng)性能，并具有良好的擴(kuò)展性，可為先進(jìn)造波方法研究提供設(shè)備平臺(tái)。

EtherCAT 造波機(jī) 同步運(yùn)動(dòng)

0 引言

為精確模擬海洋或港口波浪環(huán)境，國內(nèi)外相繼建立了大型多向波浪水池。1956 年的荷蘭瓦格寧根水池建成，共有 158 塊搖板[1]。2003年荷蘭Delft 水工試驗(yàn)室為中國船舶科學(xué)研究中心建造了188塊板L型造波機(jī)，這是國內(nèi)首套由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大型多向不規(guī)則波造波機(jī)系統(tǒng)。2008年上海交通大學(xué)海洋深水試驗(yàn)池建成，共有222塊搖板，也采用荷蘭技術(shù)。此后，國內(nèi)造波機(jī)生產(chǎn)廠商開始崛起。

隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和交流伺服控制技術(shù)的快速發(fā)展，液壓造波機(jī)和空氣式造波機(jī)占比越來越小，基于網(wǎng)絡(luò)的交流伺服控制系統(tǒng)已成為大型多軸造波機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的首選。先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有高實(shí)時(shí)性、高同步性和極強(qiáng)的可擴(kuò)展性；交流伺服控制系統(tǒng)具有精度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)。本文介紹某水池的大型造波機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該水池采用300塊搖板，呈L型布置（短邊100塊，長邊200塊），可模擬規(guī)則波，不規(guī)則波，斜向波。造波機(jī)控制系統(tǒng)由1臺(tái)上位機(jī)、3臺(tái)控制器、300個(gè)驅(qū)動(dòng)器、300臺(tái)伺服電機(jī)、電線電纜和其它附件組成，300個(gè)軸擁有各自獨(dú)立的運(yùn)行曲線，造波過程中所有的軸采用分布式同步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。本文首先簡單介紹搖板造波機(jī)的工作原理，然后著重闡述整個(gè)控制系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)方法，并提供了相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 造波機(jī)原理與計(jì)算

1.1 造波機(jī)工作原理

搖板造波機(jī)計(jì)算模型如圖1所示，水深=20，造波板浸深=1.5，搖板繞鉸支點(diǎn)沿鉛垂面做往復(fù)簡諧運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)角速度為行程為0，假設(shè)水為無旋不可壓縮理想流體，根據(jù)微幅波理論可知運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的行進(jìn)波波高為H[2]。

（2）

1.2 造波機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文造波機(jī)選用同步帶驅(qū)動(dòng)方式。每臺(tái)搖板造波機(jī)機(jī)械裝置由鉸點(diǎn)、搖板、同步帶、同步帶輪、伺服電機(jī)和同步帶張緊調(diào)節(jié)器等組成。機(jī)械裝置將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成搖板的轉(zhuǎn)動(dòng)。為方便運(yùn)輸和安裝，10個(gè)造波機(jī)單元組成1個(gè)造波機(jī)組如圖2所示。

圖2 搖板造波機(jī)組機(jī)械裝置

按照波高和周期要求計(jì)算出造波機(jī)行程和造波板的運(yùn)行速度；根據(jù)造波板運(yùn)動(dòng)與波面變化的規(guī)律應(yīng)用流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)可得到造波板板面的壓力分布狀況。進(jìn)而求出電機(jī)速度、扭矩、功率等參數(shù)。

1.3 伺服系統(tǒng)選型計(jì)算

波浪的主要技術(shù)指標(biāo)是波長和波高的對應(yīng)關(guān)系，伺服系統(tǒng)通常根據(jù)波浪指標(biāo)，再結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)裝置的減速機(jī)，同步帶弧半徑，造波板板寬等參數(shù)計(jì)算伺服電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速指標(biāo)。本文造波板板寬0.6米，電機(jī)和造波板的傳動(dòng)比為320：1。表1為單位寬度（寬度1米）造波板的計(jì)算數(shù)值。第1列為波長，第2列為波高，第3列為計(jì)算得到的造波板運(yùn)動(dòng)頻率，第4列為造波板行程，第5列為造波板最大受力，第6列為造波板最高運(yùn)行速度。折算到電機(jī)側(cè)可得電機(jī)最大轉(zhuǎn)速1325 rpm，電機(jī)最大扭矩6.6 N.m。

表1 單位寬度造波機(jī)選型計(jì)算

2 控制系統(tǒng)硬件介紹

2.1 控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

本文選用倍福AM8052電機(jī)，AX5103伺服驅(qū)動(dòng)器，C5102運(yùn)動(dòng)控制器。中控室上位機(jī)通過以太網(wǎng)與倍福的3個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令和造波時(shí)序文件并監(jiān)控電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)信息?？刂茖拥暮诵臑?臺(tái)C5102運(yùn)動(dòng)控制器，它們將上位機(jī)的指令通過EtherCA網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)指令。文中１#C5102控制器設(shè)置為獨(dú)立時(shí)鐘模式，２#、３#C5102分別通過EtherCAT橋EL6695和1#控制器連接。1#控制器設(shè)置為獨(dú)立模式，２#、３#控制器采用配置為外部時(shí)鐘同步模式，整個(gè)系統(tǒng)的ＤＣ時(shí)鐘將同步于1#控制參考時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)300個(gè)軸的精確同步控制。

圖3 控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 EtherCAT網(wǎng)絡(luò)

大型造波機(jī)控制系統(tǒng)的精髓就是要實(shí)現(xiàn)各軸的精確同步控制，而具有精確校準(zhǔn)分布式時(shí)鐘EtherCAT總線很好地滿足了這個(gè)需求。EtherCAT 參考新的IEEE1588 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了一種精確的時(shí)鐘同步機(jī)制，該機(jī)制采用分布式時(shí)鐘來同步所有支持 DC（Distributed Clock）功能的從站設(shè)備，使從站的動(dòng)作可以同時(shí)進(jìn)行。對于分布式100軸伺服電機(jī)可在100 μs內(nèi)完成各軸命令數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送與讀取，分布時(shí)鐘同步技術(shù)使各軸的時(shí)鐘偏差遠(yuǎn)小于1 ms[3]

圖4 EtherCAT網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行原理圖

由于通訊利用了邏輯環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和全雙工快速以太網(wǎng)而又有實(shí)際環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主站時(shí)鐘可以簡單而精確地確定對每個(gè)從站時(shí)鐘的運(yùn)行補(bǔ)償。EtherCAT的工作原理如圖4所示[4]。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般采用主從結(jié)構(gòu)方式。一個(gè)完整通信周期數(shù)據(jù)由下行數(shù)據(jù)幀和上行數(shù)據(jù)幀組成，主站周期性的下發(fā)給下行數(shù)據(jù)幀給1～n號(hào)從站，n號(hào)從站將數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行上行傳輸，反向返回并依次經(jīng)過所有從站發(fā)回給主站，結(jié)束一個(gè)周期的通信。

2.3 驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)

AX5103伺服驅(qū)動(dòng)器，電流控制環(huán)最快可達(dá) 62.5 μs；通過分布式時(shí)鐘可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確同步；內(nèi)置EMC濾波器，電抗器。

AM8052電機(jī)額定扭矩7.5 Nm，額定轉(zhuǎn)速2000 rpm，多圈絕對值編碼器。通過總線技術(shù)，載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)動(dòng)力電纜和編碼器電纜合二為一，大大方便了布線。

3 控制系統(tǒng)軟件介紹

3.1 TwinCAT軟件平臺(tái)

倍福的實(shí)時(shí)控制工程軟件為基于Windows的TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology），具有實(shí)時(shí)核，順序控制 (軟 PLC)，運(yùn)動(dòng)控制 (軟移動(dòng)控制)，和通訊 (ADS)功能。通過 TwinCAT 實(shí)時(shí)核調(diào)度 CPU 資源，完成實(shí)時(shí)的邏輯運(yùn)算和運(yùn)動(dòng)控制，其中由TwinCAT PLC 負(fù)責(zé)具體的邏輯運(yùn)算，由 TwinCAT NC 負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制。由于采用ADS通信技術(shù)，它在數(shù)據(jù)交互上具有先天優(yōu)勢。ADS（Automation Device specification）是倍福自動(dòng)化設(shè)備規(guī)范的簡稱，是一種獨(dú)立于設(shè)備和數(shù)據(jù)總線的訪問設(shè)備的接口控制，為設(shè)備之間的通訊提供路由[5]?；贏DS 的TwinCAT 系統(tǒng)構(gòu)架如圖5所示。在TwinCAT 系統(tǒng)中，各個(gè)軟件模塊（如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows 應(yīng)用程序等）的工作模式類似于硬件設(shè)備，它們能夠獨(dú)立工作，通過 ADS 而完成各個(gè)模塊之間的信息交換。

圖5 TwinCAT系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 上位機(jī)軟件

圖6 上位機(jī)流程圖

上位機(jī)軟件是所有人機(jī)操作接口的匯總，造波機(jī)的常規(guī)命令操作和狀態(tài)監(jiān)控均在上位機(jī)上完成。本文下位機(jī)為3臺(tái)倍福C5102控制器，上位機(jī)為1臺(tái)工控機(jī)。上位機(jī)選用WIN10-64位操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺(tái)軟件為C++和duilib界面庫。上位機(jī)的主要程序流程如圖6所示。上位機(jī)與各下位機(jī)之間建立SOCKET通信和ADS通信，SOCKET通信用于發(fā)送實(shí)時(shí)性要求不高但數(shù)據(jù)量大的波浪時(shí)序文件，ADS通信用于上下位機(jī)之間傳遞命令、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和報(bào)警信息等數(shù)據(jù)。

上位機(jī)界面分7個(gè)頁面：單軸設(shè)置頁面用于設(shè)置各軸在中立位置時(shí)的編碼器反饋值；運(yùn)行界面用于發(fā)送命令及波浪時(shí)序文件；數(shù)據(jù)生成界面用于生成簡單的波浪時(shí)序文件（僅為簡諧波，復(fù)雜的波浪時(shí)序文件如不規(guī)則波，斜向波，三維波等均由專門的波浪模擬軟件生成）；曲線顯示界面用于顯示待運(yùn)行的波浪時(shí)序文件YT圖；報(bào)警管理用于接收并存儲(chǔ)下位機(jī)發(fā)送來的故障和報(bào)警信息；軸屏蔽設(shè)置用于屏蔽某些軸使其不運(yùn)動(dòng)（常用于造波機(jī)組L型布置時(shí)，交角處若干造波板的處理）；調(diào)試維護(hù)為選定造波板的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。由于界面較多，本文僅展示最核心的運(yùn)行界面，如圖7所示。

圖7 上位機(jī)運(yùn)行界面

3.3 下位機(jī)軟件

下位機(jī)有兩重身份：SOCKET服務(wù)器（用于接收上位機(jī)發(fā)送的造波時(shí)序文件）和運(yùn)動(dòng)控制器（解析上位機(jī)的命令，控制驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)運(yùn)行，并返回相關(guān)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息和故障報(bào)警信息）。下位機(jī)程序框圖如圖8所示。

造波機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制一般根據(jù)波浪參數(shù)先計(jì)算出每塊造波板的造波時(shí)序文件（造波機(jī)的位置序列），然后讓它們按照各自的時(shí)序文件同步運(yùn)動(dòng)。倍福的TwinCAT NC FIFO功能非常適合這種控制。 FIFO把1個(gè)n維數(shù)組組成堆棧，數(shù)組中的值就是n個(gè)軸的位置序列?？刂破饕龅木褪且贿呑x入造波時(shí)序文件填充FIFO，一邊調(diào)用FIFO_Start函數(shù)讓驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)運(yùn)行消耗FIFO數(shù)據(jù)。從而達(dá)到連續(xù)造波的目的。下位機(jī)采用自定義的FB_Fillfifo函數(shù)塊實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能：造波時(shí)序文件被分割成若干長度為iEntries，維數(shù)為iColDIM的數(shù)組單元，F(xiàn)IFO消耗了80%時(shí)，函數(shù)塊置位bFeed信號(hào)要求填充1個(gè)數(shù)據(jù)單元，數(shù)組單元填入成功后函數(shù)塊復(fù)位bFeed同時(shí)置位bUpDate。

圖8 下位機(jī)流程圖

圖9 FIFO管理功能塊

4 運(yùn)行效果

大型多板造波機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的的主要指標(biāo)是造波板的動(dòng)態(tài)跟隨性和運(yùn)動(dòng)同步性，本文以運(yùn)動(dòng)幅度1度，運(yùn)動(dòng)頻率1 Hz為例說明。

4.1 動(dòng)態(tài)跟隨性

圖10 第250軸動(dòng)態(tài)跟隨性監(jiān)控

監(jiān)控第250軸的設(shè)定位置曲線和運(yùn)行位置曲線，圖10橫坐標(biāo)為時(shí)刻，縱坐標(biāo)為造波板位置，綠色曲線為設(shè)定位置曲線，紅色曲線為實(shí)際運(yùn)行位置曲線。兩條曲線基本重合，造波機(jī)動(dòng)態(tài)跟隨性良好。

4.2 同步性

監(jiān)控第1軸和第300軸的運(yùn)行位置曲線（如圖11）紅色曲線是第1軸運(yùn)行位置曲線，綠色曲線是第300軸運(yùn)行位置曲線，兩軸時(shí)間延時(shí)為2 ms。本文監(jiān)控了第1軸，第100軸，第101軸，第200軸，第201軸和第300軸的位置曲線，分析結(jié)論：不同控制器之間的造波板位置曲線延時(shí)為2 ms，同1控制器內(nèi)的各造波板位置曲線延時(shí)為0（通過ms級(jí)TwinCAT自帶錄波軟件無法分辨）。改變造波板的運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅度分析的同步性結(jié)果也相同。說明本文基于網(wǎng)絡(luò)的大型造波機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)同步性良好。

圖11 第1軸和第300軸同步性監(jiān)控

5 結(jié)論與展望

本文介紹了一種基于網(wǎng)絡(luò)的大型造波機(jī)控制系統(tǒng)，比較全面地闡述了造波機(jī)原理，造波機(jī)結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分，并實(shí)際測量了造波板之間的同步性。該系統(tǒng)具有較好的同步運(yùn)動(dòng)性能和較好的可擴(kuò)展性，非常適用于大型造波系統(tǒng)。當(dāng)前造波技術(shù)研究的熱門是主動(dòng)消波技術(shù)：采集造波板上的浪高信號(hào)來實(shí)時(shí)修正造波機(jī)的運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)補(bǔ)充相應(yīng)的AD采樣模塊后可以滿足主動(dòng)消波的要求。

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Design of EtherCAT based motion control system of large wave maker

Xu Qingfa, Zhang Jiankang, Wu Xiaosheng, Qian Bin, Zhou Yiping, Tao Zhoudong

(Wuxi Dongfang ocean testing equipment Co., Ltd, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

TP273

A

1003-4862（2022）01-0019-04

2021-06-24

徐青發(fā)（1981-），男，高級(jí)工程師，主要從事電氣控制技術(shù)。Email：lampade@126.com