某大型港池造波機(jī)控制系統(tǒng)智能化改造研究

陳俊 倪藝萍 徐奕蒙 王天奕 林柏涵

摘要：某大型港池多向不規(guī)則造波機(jī)系統(tǒng)投入使用已有10余年，由于該造波機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件技術(shù)落后，存在計(jì)算速度慢、故障率高和傳輸速度慢等問題，無法滿足目前波浪物理模型試驗(yàn)復(fù)雜波譜及長(zhǎng)歷時(shí)無重復(fù)不規(guī)則波試驗(yàn)的需求。為了更加精細(xì)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)波浪譜模擬，故對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，構(gòu)建了基于EtherCAT總線的多向不規(guī)則造波機(jī)控制結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：造波機(jī)?控制系統(tǒng)?優(yōu)化改造?CAN總線?EtherCAT總線

中圖分類號(hào)：TH166

Research?on?the?Intelligent?Transformation?of?the?Control?System?of?the?Wave?Maker?for?a?Large?Harbour?Basin

CHEN?Jun??NI?Yiping??XU?Yimeng??WANG?Tianyi??LIN?Baihan

Pearl?River?Water?Resources?Research?Institute，?Pearl?River?Water?Resources?Commission，?Guangzhou，?Guangdong?Province，?510611?China

Abstract：?The?multi-directional?irregular?wave?maker?system?of?a?large?harbour?basin?has?been?in?use?for?more?than?10?years.?Due?to?the?outdated?software?and?hardware?technology?of?the?control?system?of?the?wave?maker，?there?are?problems?such?as?slow?calculation?speed，?high?fault?rate?and?slow?transmission?speed，?which?cannot?meet?the?current?needs?of?complex?spectrum?and?long-duration?non-repetitive?irregular?wave?tests?in?wave?physics?model?tests.?In?order?to?achieve?high-quality?wave?spectrum?simulation?more?finely?and?accuracely，?the?control?system?is?intelligently?transformed，?and?the?control?structure?of?the?multi-directional?irregular?wave?maker?based?on?EtherCAT?bus?is?constructed.

Key?Words：?Wave?maker;?Control?system;?Optimization?and?transformation;?CAN?bus;?EtherCAT?bus

多向不規(guī)則造波機(jī)是一種大型海洋儀器裝備，其主要功能是在試驗(yàn)港池內(nèi)產(chǎn)生更加逼近海上真實(shí)海況的多向不規(guī)則波浪，在水利工程、交通運(yùn)輸工程、海洋工程、環(huán)境工程等領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。某水利科研院有一套推板式港池造波機(jī)，具有80塊40?cm×100?cm（寬×高）的獨(dú)立推波板，推波板行程±30?cm，總寬32?m，它能夠模擬波周期0.5～3?s，波向范圍0～±45?，最大波高0.3?m的不規(guī)則波。該造波機(jī)自建成以來已有10余年，其控制系統(tǒng)由于受原有安裝軟硬件的限制，采用傳統(tǒng)的“CAN控制器+驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)”的造波控制方式，存在計(jì)算速度慢、故障率高和傳輸速度慢等問題，無法滿足目前波浪物理模型試驗(yàn)復(fù)雜波譜及長(zhǎng)歷時(shí)無重復(fù)不規(guī)則波試驗(yàn)的需求。

本文將從控制系統(tǒng)優(yōu)化的角度對(duì)現(xiàn)有的大型多向不規(guī)則造波機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，采用了現(xiàn)代具有高性能計(jì)算能力的且?guī)в熊汸LC的新型控制器代替原來造波機(jī)所采用的傳統(tǒng)控制器局域網(wǎng)（Control?Area?Network，CAN）進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)構(gòu)建了基于以太網(wǎng)分布式自動(dòng)化總線（Ethernet?for?Control?Automation?Technology，EtherCAT）的多向不規(guī)則造波機(jī)控制結(jié)構(gòu)。該工作將為下一代具有更高計(jì)算復(fù)雜度的大型多向造波裝備的研制奠定基礎(chǔ)[1]。

1?CAN總線與EtherCAT總線

CAN總線和EtherCAT總線都是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中常用的通信協(xié)議，它們有各自的優(yōu)點(diǎn)和適用場(chǎng)景。CAN總線是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通信協(xié)議。它使用多主站方式，在總線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)（包括主機(jī)和從機(jī)）都可以成為主站，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。CAN總線具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、傳輸距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。EtherCAT是一種基于以太網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)工業(yè)總線系統(tǒng)。它采用了主從結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主站控制多個(gè)從站，實(shí)現(xiàn)多個(gè)從站設(shè)備的同步通信。EtherCAT的傳輸速度非?？欤ǔ？蛇_(dá)到100?Mbps或更高，適用于需要快速實(shí)時(shí)通信的高速應(yīng)用[2]。

在實(shí)際應(yīng)用中，CAN總線和EtherCAT總線都有各自的優(yōu)點(diǎn)和適用場(chǎng)景。CAN總線適用于中低速、中小規(guī)模的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，而EtherCAT在傳輸速度、實(shí)時(shí)性能和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等方面更加強(qiáng)大，適合于高速、高要求的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。因此，EtherCAT總線更適用于多軸、大運(yùn)算量和高精穩(wěn)定控制的大型多向不規(guī)則造波機(jī)控制系統(tǒng)[3]。

2?多向不規(guī)則造波機(jī)控制系統(tǒng)改造

2.1?原控制系統(tǒng)方案

原造波機(jī)控制系統(tǒng)是基于CAN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制對(duì)象為伺服運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象，多個(gè)CAN控制器節(jié)點(diǎn)通過CAN總線通信媒介平行互聯(lián)為一個(gè)單層結(jié)構(gòu)的基于CAN總線的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)需要更多軸運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，只需要簡(jiǎn)單的再增加新運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)，把新的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)作為新的CAN總線節(jié)點(diǎn)掛接到CAN總線上就可以形成一個(gè)分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，而且無須在硬件上對(duì)原有的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)做任何的修改?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

2.2?造波機(jī)控制系統(tǒng)改造優(yōu)化方案

優(yōu)化方案選用：德國(guó)Beckhoff公司的C6640系列控制器代替原造波機(jī)控制系統(tǒng)所采用的CAN控制器，倍福EK1100模塊滿足控制系統(tǒng)支持EtherCAT總線的需要，EL2521模塊代替原來造波機(jī)控制系統(tǒng)所采用的脈沖卡，EL1004模塊代替原來造波機(jī)控制系統(tǒng)所采用的IO卡。

2.2.1?C6640系列控制器

該控制器是一款緊湊的具有高性能計(jì)算能力的且?guī)в熊汸LC的新型控制器，配備2個(gè)通信網(wǎng)口，1個(gè)與上位控制主機(jī)相連，執(zhí)行以太網(wǎng)協(xié)議，1個(gè)與EK1100模塊相連，執(zhí)行EtherCAT協(xié)議。該控制器集成了運(yùn)動(dòng)控制卡，具有性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，最多可控制255臺(tái)伺服軸，可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)通信功能，簡(jiǎn)化了直線執(zhí)行單元的復(fù)雜度[5]。

2.2.2?EK1100模塊

EK1100是EtherCAT耦合器模塊，是一款性能優(yōu)異、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活且具有高可靠性的模塊，用于連接EtherCAT協(xié)議與EtherCAT端子模塊。

2.2.3?EL2521模塊

EL2521是單通道脈沖輸出模塊，其常用于脈沖輸出，或者控制脈沖型的伺服電機(jī)，支持EtherCAT總線。

2.2.4?EL1004模塊

EL1004是數(shù)字量輸入模塊，用于采集造波機(jī)零位開關(guān)、前后限位開關(guān)、驅(qū)動(dòng)器報(bào)警狀態(tài)等二進(jìn)制信號(hào)，支持EtherCAT總線。

改造后的港池多向不規(guī)則造波機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由1臺(tái)上位控制主機(jī)、1臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器、80臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器和80套執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，通過EtherCAT總線組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。EtherCAT總線具有網(wǎng)絡(luò)刷新速率高和冗余自恢復(fù)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，很好地實(shí)現(xiàn)了終端造波單元與頂層監(jiān)控主機(jī)實(shí)時(shí)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交互，確保了系統(tǒng)數(shù)據(jù)物理層交互的穩(wěn)定可靠實(shí)時(shí)[6]。

表1中列舉的是改造前后控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)，可以看出，改造后的控制系統(tǒng)傳輸速度和同步精度均大幅度提高，同時(shí)由于減少了控制器數(shù)量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后續(xù)維護(hù)方便且成本低。

2.3改造前后造波機(jī)造波能力對(duì)比

對(duì)造波機(jī)控制系統(tǒng)硬件改造的同時(shí)，其軟件也得到了升級(jí)，包括中央控制主機(jī)軟件和運(yùn)動(dòng)控制軟件。中央控制主機(jī)軟件是基于Windows?7?64位系統(tǒng)，采用VC++?2010平臺(tái)開發(fā)；運(yùn)動(dòng)控制軟件是基于Windows?7?32位系統(tǒng)，采用TwinCAT?2平臺(tái)開發(fā)。二者之間通過ADS通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[7]。

整個(gè)控制系統(tǒng)改造完成后，進(jìn)行了35種規(guī)則波和不規(guī)則波工況測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，改造后的造波機(jī)造波能力的各項(xiàng)性能均優(yōu)于原造波機(jī)控制系統(tǒng)。具體指標(biāo)見表2。

3?控制系統(tǒng)難點(diǎn)及解決方案

3.1脈沖信號(hào)優(yōu)化控制

EL2521脈沖模塊輸出信號(hào)直接與驅(qū)動(dòng)器脈沖輸入端相連，由于現(xiàn)場(chǎng)存在電磁干擾，使得EL2521模塊PULS和SIGN輸出信號(hào)的電壓有不同程度的下降，導(dǎo)致造波機(jī)有時(shí)未能按指令正確運(yùn)動(dòng)。針對(duì)該問題，若選用YN2209工業(yè)級(jí)防雷光電隔離RS485中繼放大器，可防止主從機(jī)兩端電源的電壓差而造成的總線故障和損壞。RS485中繼放大器與EL2521、驅(qū)動(dòng)器連接圖如圖3所示。

3.2造波機(jī)啟停優(yōu)化控制

由于造波機(jī)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)慣量大和總體負(fù)載大的特點(diǎn)，所以存在啟停過程中電機(jī)過流、機(jī)械損傷和波浪破碎等問題。針對(duì)造波機(jī)在模擬多向不規(guī)則波時(shí)，各軸電機(jī)的隨機(jī)啟動(dòng)位置難以通過電子齒輪耦合實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的比例增減方式處理，實(shí)現(xiàn)了一種余弦函數(shù)算法擬合的方式以解決造波機(jī)的啟動(dòng)與停止過程優(yōu)化[8]。

4?結(jié)語

隨著水利、海洋、交通運(yùn)輸工程快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)逐漸出現(xiàn)了物理模型試驗(yàn)需求與當(dāng)代造波機(jī)技術(shù)水平之間的矛盾，為了打造新一代造波機(jī)系統(tǒng)，本文針對(duì)某水利科研院原有造波系統(tǒng)拓展能力受限的問題，將運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)與波浪理論相結(jié)合提出了一種基于EtherCAT總線的面向新一代大型多向造波技術(shù)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造優(yōu)化方法。本文所研究的內(nèi)容具有很強(qiáng)的實(shí)用性，相信本文的工作將為海洋實(shí)驗(yàn)裝備的更新?lián)Q代起到積極的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

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