基于網絡的大型造波機運動控制系統

徐青發，張建康，吳曉生，錢 斌，周益平，陶周棟

應用研究

基于網絡的大型造波機運動控制系統

徐青發，張建康，吳曉生，錢 斌，周益平，陶周棟

（無錫東方海洋測試設備有限公司，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手段是在試驗水池放置縮小的結構物模型，并模擬現場的波浪環境，從而實現波浪載荷的精確測量，為工程設計提供科學依據。造波機是試驗室模擬波浪環境的關鍵設備，其運動控制系統的性能直接關系到模型試驗的精準度。本文介紹一種基于EtherCAT網絡的大型造波機運動控制系統，該系統具有良好的同步運動性能，并具有良好的擴展性，可為先進造波方法研究提供設備平臺。

EtherCAT 造波機 同步運動

0 引言

為精確模擬海洋或港口波浪環境，國內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 水工試驗室為中國船舶科學研究中心建造了188塊板L型造波機，這是國內首套由伺服電機驅動的大型多向不規則波造波機系統。2008年上海交通大學海洋深水試驗池建成，共有222塊搖板，也采用荷蘭技術。此后，國內造波機生產廠商開始崛起。

隨著工業以太網技術和交流伺服控制技術的快速發展，液壓造波機和空氣式造波機占比越來越小，基于網絡的交流伺服控制系統已成為大型多軸造波機運動控制的首選。先進的工業以太網技術具有高實時性、高同步性和極強的可擴展性；交流伺服控制系統具有精度高、響應快等特點。本文介紹某水池的大型造波機運動控制系統。該水池采用300塊搖板，呈L型布置（短邊100塊，長邊200塊），可模擬規則波，不規則波，斜向波。造波機控制系統由1臺上位機、3臺控制器、300個驅動器、300臺伺服電機、電線電纜和其它附件組成，300個軸擁有各自獨立的運行曲線，造波過程中所有的軸采用分布式同步時鐘實現同步運行。本文首先簡單介紹搖板造波機的工作原理，然后著重闡述整個控制系統的構建和實現方法，并提供了相關試驗數據。

1 造波機原理與計算

1.1 造波機工作原理

搖板造波機計算模型如圖1所示，水深=20，造波板浸深=1.5，搖板繞鉸支點沿鉛垂面做往復簡諧運動，運動角速度為行程為0，假設水為無旋不可壓縮理想流體，根據微幅波理論可知運動產生的行進波波高為H[2]。

（2）

1.2 造波機機械結構

本文造波機選用同步帶驅動方式。每臺搖板造波機機械裝置由鉸點、搖板、同步帶、同步帶輪、伺服電機和同步帶張緊調節器等組成。機械裝置將電機的轉動轉換成搖板的轉動。為方便運輸和安裝，10個造波機單元組成1個造波機組如圖2所示。

圖2 搖板造波機組機械裝置

按照波高和周期要求計算出造波機行程和造波板的運行速度；根據造波板運動與波面變化的規律應用流體力學相關知識可得到造波板板面的壓力分布狀況。進而求出電機速度、扭矩、功率等參數。

1.3 伺服系統選型計算

波浪的主要技術指標是波長和波高的對應關系，伺服系統通常根據波浪指標，再結合機械傳動裝置的減速機，同步帶弧半徑，造波板板寬等參數計算伺服電機的扭矩和轉速指標。本文造波板板寬0.6米，電機和造波板的傳動比為320：1。表1為單位寬度（寬度1米）造波板的計算數值。第1列為波長，第2列為波高，第3列為計算得到的造波板運動頻率，第4列為造波板行程，第5列為造波板最大受力，第6列為造波板最高運行速度。折算到電機側可得電機最大轉速1325 rpm，電機最大扭矩6.6 N.m。

表1 單位寬度造波機選型計算

2 控制系統硬件介紹

2.1 控制系統拓撲圖

本文選用倍福AM8052電機，AX5103伺服驅動器，C5102運動控制器。中控室上位機通過以太網與倍福的3個運動控制器進行數據交換，發送運動指令和造波時序文件并監控電機和驅動器狀態信息?？刂茖拥暮诵臑?臺C5102運動控制器，它們將上位機的指令通過EtherCA網絡轉換成驅動器的運動指令。文中１#C5102控制器設置為獨立時鐘模式，２#、３#C5102分別通過EtherCAT橋EL6695和1#控制器連接。1#控制器設置為獨立模式，２#、３#控制器采用配置為外部時鐘同步模式，整個系統的ＤＣ時鐘將同步于1#控制參考時鐘，實現300個軸的精確同步控制。

圖3 控制系統拓撲圖

2.2 EtherCAT網絡

大型造波機控制系統的精髓就是要實現各軸的精確同步控制，而具有精確校準分布式時鐘EtherCAT總線很好地滿足了這個需求。EtherCAT 參考新的IEEE1588 標準實現了一種精確的時鐘同步機制，該機制采用分布式時鐘來同步所有支持 DC（Distributed Clock）功能的從站設備，使從站的動作可以同時進行。對于分布式100軸伺服電機可在100 μs內完成各軸命令數據和狀態數據的發送與讀取，分布時鐘同步技術使各軸的時鐘偏差遠小于1 ms[3]

圖4 EtherCAT網絡運行原理圖

由于通訊利用了邏輯環網結構和全雙工快速以太網而又有實際環網結構，主站時鐘可以簡單而精確地確定對每個從站時鐘的運行補償。EtherCAT的工作原理如圖4所示[4]。EtherCAT網絡結構一般采用主從結構方式。一個完整通信周期數據由下行數據幀和上行數據幀組成，主站周期性的下發給下行數據幀給1～n號從站，n號從站將數據報文進行上行傳輸，反向返回并依次經過所有從站發回給主站，結束一個周期的通信。

2.3 驅動器和電機

AX5103伺服驅動器，電流控制環最快可達 62.5 μs；通過分布式時鐘可實現系統精確同步；內置EMC濾波器，電抗器。

AM8052電機額定扭矩7.5 Nm，額定轉速2000 rpm，多圈絕對值編碼器。通過總線技術，載波技術實現電機動力電纜和編碼器電纜合二為一，大大方便了布線。

3 控制系統軟件介紹

3.1 TwinCAT軟件平臺

倍福的實時控制工程軟件為基于Windows的TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology），具有實時核，順序控制 (軟 PLC)，運動控制 (軟移動控制)，和通訊 (ADS)功能。通過 TwinCAT 實時核調度 CPU 資源，完成實時的邏輯運算和運動控制，其中由TwinCAT PLC 負責具體的邏輯運算，由 TwinCAT NC 負責運動控制。由于采用ADS通信技術，它在數據交互上具有先天優勢。ADS（Automation Device specification）是倍福自動化設備規范的簡稱，是一種獨立于設備和數據總線的訪問設備的接口控制，為設備之間的通訊提供路由[5]?；贏DS 的TwinCAT 系統構架如圖5所示。在TwinCAT 系統中，各個軟件模塊（如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows 應用程序等）的工作模式類似于硬件設備，它們能夠獨立工作，通過 ADS 而完成各個模塊之間的信息交換。

圖5 TwinCAT系統架構

3.2 上位機軟件

圖6 上位機流程圖

上位機軟件是所有人機操作接口的匯總，造波機的常規命令操作和狀態監控均在上位機上完成。本文下位機為3臺倍福C5102控制器，上位機為1臺工控機。上位機選用WIN10-64位操作系統，開發平臺軟件為C++和duilib界面庫。上位機的主要程序流程如圖6所示。上位機與各下位機之間建立SOCKET通信和ADS通信，SOCKET通信用于發送實時性要求不高但數據量大的波浪時序文件，ADS通信用于上下位機之間傳遞命令、運動狀態和報警信息等數據。

上位機界面分7個頁面：單軸設置頁面用于設置各軸在中立位置時的編碼器反饋值；運行界面用于發送命令及波浪時序文件；數據生成界面用于生成簡單的波浪時序文件（僅為簡諧波，復雜的波浪時序文件如不規則波，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行的波浪時序文件YT圖；報警管理用于接收并存儲下位機發送來的故障和報警信息；軸屏蔽設置用于屏蔽某些軸使其不運動（常用于造波機組L型布置時，交角處若干造波板的處理）；調試維護為選定造波板的點動運行。由于界面較多，本文僅展示最核心的運行界面，如圖7所示。

圖7 上位機運行界面

3.3 下位機軟件

下位機有兩重身份：SOCKET服務器（用于接收上位機發送的造波時序文件）和運動控制器（解析上位機的命令，控制驅動器和電機運行，并返回相關運動狀態信息和故障報警信息）。下位機程序框圖如圖8所示。

造波機的運動控制一般根據波浪參數先計算出每塊造波板的造波時序文件（造波機的位置序列），然后讓它們按照各自的時序文件同步運動。倍福的TwinCAT NC FIFO功能非常適合這種控制。 FIFO把1個n維數組組成堆棧，數組中的值就是n個軸的位置序列?？刂破饕龅木褪且贿呑x入造波時序文件填充FIFO，一邊調用FIFO_Start函數讓驅動器和電機運行消耗FIFO數據。從而達到連續造波的目的。下位機采用自定義的FB_Fillfifo函數塊實現這個功能：造波時序文件被分割成若干長度為iEntries，維數為iColDIM的數組單元，FIFO消耗了80%時，函數塊置位bFeed信號要求填充1個數據單元，數組單元填入成功后函數塊復位bFeed同時置位bUpDate。

圖8 下位機流程圖

圖9 FIFO管理功能塊

4 運行效果

大型多板造波機運動控制的的主要指標是造波板的動態跟隨性和運動同步性，本文以運動幅度1度，運動頻率1 Hz為例說明。

4.1 動態跟隨性

圖10 第250軸動態跟隨性監控

監控第250軸的設定位置曲線和運行位置曲線，圖10橫坐標為時刻，縱坐標為造波板位置，綠色曲線為設定位置曲線，紅色曲線為實際運行位置曲線。兩條曲線基本重合，造波機動態跟隨性良好。

4.2 同步性

監控第1軸和第300軸的運行位置曲線（如圖11）紅色曲線是第1軸運行位置曲線，綠色曲線是第300軸運行位置曲線，兩軸時間延時為2 ms。本文監控了第1軸，第100軸，第101軸，第200軸，第201軸和第300軸的位置曲線，分析結論：不同控制器之間的造波板位置曲線延時為2 ms，同1控制器內的各造波板位置曲線延時為0（通過ms級TwinCAT自帶錄波軟件無法分辨）。改變造波板的運動頻率和運動幅度分析的同步性結果也相同。說明本文基于網絡的大型造波機運動控制系統同步性良好。

圖11 第1軸和第300軸同步性監控

5 結論與展望

本文介紹了一種基于網絡的大型造波機控制系統，比較全面地闡述了造波機原理，造波機結構，控制系統的硬件部分和軟件部分，并實際測量了造波板之間的同步性。該系統具有較好的同步運動性能和較好的可擴展性，非常適用于大型造波系統。當前造波技術研究的熱門是主動消波技術：采集造波板上的浪高信號來實時修正造波機的運動。本系統補充相應的AD采樣模塊后可以滿足主動消波的要求。

[1] A.N Williams, W W Crull, Simulation of directional waves in a numerical basin by a desingularized integral equation approach. Ocean Engineering, 2000. 27(6): p. 603–624.

[2] 鄭文濤, 姚木林, 蘭波,等. 水池搖板式造波機傳遞函數研究[J]. 船舶力學, 2011, 15(11): 1234-1239.

[3] 聶俊杰, 徐東亮, 王龍飛, 等. 基于EtherCAT 網絡的伺服造波控制系統[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2016(5): 91-93.

[4] 丁可. 基EtherCAT 的多控制器同步的造波機控制系統設計[D]. 大連: 大連理工大學, 2018.

[5] 史小磊. 基于BECKHOFFTwinCAT的開放式數控系統軟件開發[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2011.

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