基于EtherCAT網(wǎng)絡的伺服造波控制系統(tǒng)

聶俊杰, 徐東亮，王龍飛，陳宗雨

(1.武漢理工大學 機電工程學院，武漢　430070；2.武漢菲仕運動控制系統(tǒng)有限公司，武漢　430223)

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基于EtherCAT網(wǎng)絡的伺服造波控制系統(tǒng)

聶俊杰1, 徐東亮1，王龍飛2，陳宗雨2

(1.武漢理工大學 機電工程學院，武漢430070；2.武漢菲仕運動控制系統(tǒng)有限公司，武漢430223)

摘要：介紹了TwinCAT和EtherCAT的基本特性。闡述了構(gòu)建EtherCAT網(wǎng)絡伺服造波控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程。該系統(tǒng)采用安裝德國 Beckhoff公司的TwinCAT軟件的工控機作為主站、基于倫茨EtherCAT的數(shù)字伺服驅(qū)動器I700作從站、菲仕同步交流伺服電機U725.20.3作執(zhí)行機構(gòu)。對 EtherCAT 的主從站進行了一系列的配置，編寫 TwinCAT PLC 程序，結(jié)合驅(qū)動器的 PID 算法，實現(xiàn)了造波板的高精度同步。

關鍵詞：造波；運動控制 ；EtherCAT；TwinCAT；電子凸輪

0引言

在實驗室中運用造波機精確模擬海上波浪，完成各種實驗，為科學研究和工程設計提供理論支持，是相關人士一直關心的課題[1]。造波機的基本工作原理是通過造波板的機械運動對水體施加振動產(chǎn)生波浪。

隨著計算機技術，伺服控制技術以及現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，基于現(xiàn)場總線的伺服控制技術已然是一種趨勢。目前國際上存在40多種現(xiàn)場總線，而以太網(wǎng)具有速度快，傳輸數(shù)據(jù)量大的優(yōu)點，因此，將以太網(wǎng)技術引入造波機領域，能夠較大程度上改善造波機的性能。在國內(nèi)，大連理工大學將以太網(wǎng)技術引入造波系統(tǒng)，構(gòu)建了一個三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的多向不規(guī)則造波系統(tǒng)，并獲得了成功。但是該系統(tǒng)需要在現(xiàn)場安裝5臺計算機，操作和維護極為不便[2]。因為Ethernet/IP技術存在一定的問題，它不能保證數(shù)據(jù)的實時性。而EtherCAT實時以太網(wǎng)技術能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場的實時性要求。

為了提高造波系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時性，保證各個造波板之間的同步。本系統(tǒng)由兩臺上位工控機和80臺雙驅(qū)伺服驅(qū)動器構(gòu)建了一個局域網(wǎng)，運用實時以太網(wǎng)EtherCAT實現(xiàn)工控機和驅(qū)動器之間的數(shù)據(jù)交互，通過控制推波板有規(guī)律的前后運動來實現(xiàn)各種波浪的模擬。

1TwinCAT和EtherCAT網(wǎng)絡

TwinCAT 是Beckhoff公司的自動控制軟件包。它能夠在Windows NT/2000/XP/7，還有嵌入式Windows NT/XP 和 CE.NET的硬實時環(huán)境下實現(xiàn)。具有使用方便，界面友善，編程簡單的優(yōu)點。可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)周期時基，最小50μs[3]。它具有強大的NC配置功能，只需一臺工控機就可以控制255根軸。內(nèi)置多速度控制，相位同步控制，電子凸輪控制，定位控制，多軸套準控制，降低編程難度和編程時間。強大TwinCAT NC 凸輪功能(凸輪表耦合) 庫，支持多種凸輪表在線修改模式。具有強大的虛軸功能，能夠輕松實現(xiàn)運動的模擬，只需要簡單的配置就能夠?qū)⒐た貦C和伺服驅(qū)動器連接起來，縮短現(xiàn)場調(diào)試時間?；赥CP/IP的TwinCAT ADS通訊協(xié)議，能夠簡單實現(xiàn)TwinCAT與第三方應用程序之間的數(shù)據(jù)通訊，具有很高的兼容性，為開發(fā)者提供更多選擇。

EtherCAT由德國Beckoff公司在2003年提出，并成為國際標準。EtherCAT是目前國際上領先的現(xiàn)場總線技術。支持多種設備連接的拓撲結(jié)構(gòu)，EtherCAT中分布式時鐘的運用，使得各從站節(jié)點設備可以達到小于1μs的時鐘同步精度。其從站由專門的硬件實現(xiàn)，通信控制通過實時通道內(nèi)的實時MAC接管，從而在本質(zhì)上消除了報文沖突，通信數(shù)據(jù)的處理過程也得到了大大簡化。通過修改以太網(wǎng)協(xié)議層，來保證其實時性。它已成為最流行的現(xiàn)場總線技術之一[4,7]。

2控制系統(tǒng)總體設計

2.1造波理論及對控制的要求

目前，波浪的數(shù)值生成技術大體上可以分為 3 類：一是基于求解粘性不可壓縮流體NS 方程的粘性數(shù)值造波方法，二是在理想流體假設下，基于勢流理論求解拉普拉斯方程的邊界元方法，三是既可應用于粘性流體又可應用于理想流體的源函數(shù)造波方法。在工程實際中，理想流體是不存在的，因此第二種方法用的最為普遍[8]。造波要求造波機系統(tǒng)的造波精度高，重復性良好、穩(wěn)定性高以及抗擾動能力強[9]。

2.2硬件組成

系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)由兩臺工控機，一個時鐘模塊，80個雙軸驅(qū)動器，160個同步交流伺服電機組成。其中工控機選擇倍福工控機，運行普通Windows 7操作系統(tǒng)，然后在這個操作系統(tǒng)下安裝Beckoff 的TwinCAT軟件。理論上一臺工控機可以帶255根軸，但由于造波對軸同步性要求特別高，咨詢Beckoff的相關工程師后得知，在保證軸的同步性比較高的情況下，他們用一臺工控機最多可以帶120根軸左右(在優(yōu)化程序的情況下)。因此在設計本控制系統(tǒng)時，選用了兩臺工控機。但是這樣就會有一個新的問題，兩臺工控機之間如何保證時鐘同步。為解決這個問題，Beckoff提供了時鐘模塊EL6692。單個TwinCAT系統(tǒng)中通過分布式時鐘系統(tǒng)始終保持實時性同步。所有的 EtherCAT 設備自身都配備了本地時鐘，在TwinCAT系統(tǒng)上電通訊后的納秒級自動連續(xù)地與其它所有時鐘保持同步，并且在同步后系統(tǒng)開始工作。兩個TwinCAT系統(tǒng)中，各主站系統(tǒng)對各系統(tǒng)時鐘進行數(shù)據(jù)交換，并且進行差值計算。 EL6692作為兩個EtherCAT系統(tǒng)之間的一個交叉點，用作同步系統(tǒng)中的參考時鐘，使兩個系統(tǒng)達到同步運行。雙軸驅(qū)動器選擇德國LENZE公司的i700伺服驅(qū)動器。同步交流伺服電機選擇意大利菲仕公司的U725.20.3電機。

圖1　控制系統(tǒng)框圖

2.3軟件設計

控制軟件是基于Windows 7系統(tǒng)，采用TwinCAT開發(fā)的。軟件流程圖如圖2所示。首先進行系統(tǒng)配置，配置完成后，根據(jù)數(shù)值造波的方法，生成造波序列，用TXT文檔格式存儲。選擇這個文檔，載入凸輪表。載入成功后，選擇是否開始造波，如果選擇是，則開始造波，運行TwinCAT Scope View 進行相關配置后開始采樣。選擇是否停止造波，如果選擇是，則對采樣數(shù)據(jù)進行處理和分析。

圖2　軟件流程圖

看是否滿足要求，如果不滿足要求，調(diào)節(jié)驅(qū)動器內(nèi)部PID參數(shù)，再開始造波，循環(huán)這個過程，直到滿足要求。

伺服驅(qū)動器內(nèi)部一般包含位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)，經(jīng)過分析，造波主要是要求軸位置同步，因此伺服驅(qū)動器均選擇位置模式。對采樣數(shù)據(jù)進行處理和分析后，如果不滿足要求，只需要調(diào)整位置環(huán)的PID參數(shù)，直到滿足要求。調(diào)節(jié)PID參數(shù)主要通過伺服驅(qū)動器廠家提供的參數(shù)調(diào)整軟件進行調(diào)整。

3控制系統(tǒng)難點及解決方案

在造波控制系統(tǒng)中，較為復雜的問題是實時數(shù)據(jù)的生成和傳輸以及 160根運動軸的嚴格同步運動。在本系統(tǒng)中，根據(jù)數(shù)值造波原理產(chǎn)生波列數(shù)據(jù)，并將它以.txt文本格式存在計算機中。在TwinCAT PLC中從這個文件裝載數(shù)據(jù)。為解決TwinCAT與伺服驅(qū)動器之間快速、大量的數(shù)據(jù)交換 , 本系統(tǒng)采用了實時以太網(wǎng)EtherCAT。

軸的同步運動分為2種情況，一種是在同一個工控機內(nèi)部的80根軸之間的同步運動，另一個是2個工控機之間的同步問題[10]。在本系統(tǒng)中為解決2個工控機之間的同步，本系統(tǒng)選用了倍福的時鐘模塊EL6692。為解決同一個工控機內(nèi)部的80根軸之間的同步問題，本系統(tǒng)借助倍福的電子凸輪模塊，同時借助了虛擬軸的概念來實現(xiàn)。做試驗后發(fā)現(xiàn)，倍福的電子凸輪模塊最多能耦合50根軸，本系統(tǒng)借助了倍福的位置外部設定值發(fā)生器來解決，解決方法如圖3所示。

圖3　突破電子凸輪軸限制方法

4實驗

本研究以兩軸為實驗對象，利用示波器軟件TwinCAT Scope View對造波機運行過程中(ITTC譜)兩伺服軸的位移，速度進行采集。實際位移曲線如圖4所示、實際速度曲線如圖5所示。兩伺服軸的位置誤差如圖6所示，速度誤差如圖7所示。實驗結(jié)果表明兩伺服軸的位置誤差大約為10μs，速度誤差大約為40μs，完全能夠滿足造波的同步性要求。

圖4　兩伺服軸位移曲線

圖5　兩伺服軸速度曲線

圖6　兩伺服軸位移誤差(大約為10μs)

圖7　兩伺服軸速度誤差(大約為40μs)

5結(jié)束語

本控制系統(tǒng)基于PC，軟件資源豐富，數(shù)據(jù)處理能力強大。通過對造波機控制系統(tǒng)的開發(fā)，將TwinCAT和EtherCAT網(wǎng)絡引入造波機領域，不僅提高了造波機的各項性能，大大減小了同步誤差，還簡化了布線，提高了系統(tǒng)的可靠性，簡化了操作，維護方便。并通過試驗證明了該方案的可行性。

[參考文獻]

[1] 李木國,徐福榮. 基于SynqNet的多向不規(guī)則波造波機控制系統(tǒng)[J]. 測控技術,2007(10):37-39,49.

[2] 羅朝林,陳若舟,何啟蓮,等. 基于以太網(wǎng)的多向不規(guī)則造波系統(tǒng)設計[A]. 中國海洋工程學會.第十五屆中國海洋(岸)工程學術討論會論文集(中)[C].中國海洋工程學會,2011.

[3] 陳志軍,徐東進,程志江,等. 基于TwinCAT的PLC水源地遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)設計[J]. 電子技術應用,2008(12):95-98.

[4] 王國河,李偉光. EtherCAT冗余技術在多軸網(wǎng)絡運動控制系統(tǒng)中的應用研究[J]. 組合機床與自動化加工技術,2012(1):58-61.

[5] 陳灝,宋寶,唐小琦. EtherCAT精確時鐘同步技術的實現(xiàn)[J]. 組合機床與自動化加工技術,2014(5):69-72.

[6] Cena G, Cena G, Scanzio S, et al. A distribute-merge switch for EtherCAT networks[C]. IEEE, 2010.

[7] Stubbs J. EtherCAT: Ethernet for automation, best practices[J]. Control engineering: Covering control, instrumentation, and automation systems worldwide. 2014, 61(7): 38.

[8] 鄧紹云. 數(shù)值造波技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 水利科技與經(jīng)濟,2015(4):5-7.

[9] 劉達. 造波機系統(tǒng)運動控制及其網(wǎng)絡化技術研究[D].大連:大連理工大學,2013.

[10] 張鵬,魏仁哲. 基于TRIO運動控制器的144軸運動控制系統(tǒng)[J]. 控制工程,2009(S2):21-23.

(編輯趙蓉)

Servo Making Wave Control System Based on EtherCAT

NIE Jun-jie1, XU Dong-liang1, WANG Long-fei2, CHEN Zong-yu2

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China；2.Phase Motion Control Solution Wuhan Co.,LTD, Wuhan 430223,China)

Abstract：Introduces the basic characteristics of TwinCAT and EtherCAT. And describes the hardware structure and software of the system. Using Beckoff company's TwinCAT software as soft master device, Lenze EtherCAT-based digital servo drive I700 as slave device, Phase synchronous AC servo motor U725.20.3 as actuator, formed the system. The EtherCAT master and slave station conducted a series of configuration, and write TwinCAT PLC program, and combined with PID algorithm of the drive, the wave-maker boards have a high-precision synchronization.

Key words：making wave; motion control; EtherCAT; TwinCAT; electronic cam

文章編號：1001-2265(2016)05-0091-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.024

收稿日期：2015-06-26

作者簡介：聶俊杰(1991—)，男，湖北潛江人，武漢理工大學碩士研究生，研究方向為先進制造裝備與工藝，(E-mail)1210776014@qq.com。

中圖分類號：TH166;TG659

文獻標識碼：A