陳俊 邢方亮 王磊 王天奕 徐奕蒙 郭澤斌 丘瑾煒

摘? 要：該文構(gòu)建了基于EtherCAT總線的推板式造波機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)論述了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程。該系統(tǒng)由1臺(tái)中央控制主機(jī)、1臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器和48套執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。中央控制主機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸是基于CSocket類開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通信軟件實(shí)現(xiàn)，而控制命令的傳輸是基于ADS通信來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)TwinCAT的電子凸輪耦合技術(shù)，同時(shí)借助虛擬軸的概念，實(shí)現(xiàn)48臺(tái)推波板的高精度同步。

關(guān)鍵詞：EtherCAT? TwinCAT? 推板式造波機(jī)? ADS? 凸輪耦合

中圖分類號(hào)：TH166 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）08（b）-0018-04

Control System of Push-plate Wavemaker Based on EtherCAT Bus

CHEN Jun*? XING Fangliang? WANG Lei? WANG Tianyi? XU Yimeng? GUO Zebin? QIU Jinwei

（The Pearl River Hydraulic Research Institute， Guangzhou， Guangdong Province， 510611 China）

Abstract： In this paper， the overall structure of the control system of push-plate WaveMaker based on EtherCAT bus is built， and the hardware structure and software flow of the system are discussed in detail. The system consists of a central control host， a motion controller and 48 sets of actuators. The data transmission between the central control host and the motion controller is realized by network communication software developed based on CSocket， while the transmission of control command is realized based on ADS communication. Through the electronic CAM coupling technology of TwinCAT and the concept of virtual axis， 48 push wave plates are synchronized with high precision.

Key Words： EtherCAT; TwinCAT; Push-plate wavemaker; ADS; Cam coupling

造波機(jī)是與波浪試驗(yàn)水池或水槽緊密相關(guān)的一種專用科研設(shè)備，通過(guò)它在試驗(yàn)水池或水槽中造出不同周期和不同波高的波浪，從而盡可能地模擬真實(shí)的海洋狀況，并為各種海洋試驗(yàn)、港口及河口試驗(yàn)等研究提供準(zhǔn)確可靠的科學(xué)依據(jù)[1]。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)的造波機(jī)系統(tǒng)采用的是伺服電機(jī)+推波板結(jié)構(gòu)，其工作原理是通過(guò)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)推波板的前后往復(fù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)水體施加振動(dòng)產(chǎn)生波浪。由于實(shí)際海洋中的波浪運(yùn)動(dòng)是連續(xù)、光滑、多變的，因此推波板的機(jī)械運(yùn)動(dòng)也要滿足這一特點(diǎn)，這需要伺服電機(jī)具有強(qiáng)大的快速響應(yīng)能力以及較高的位置和速度跟蹤精度[2]。該系統(tǒng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，選擇遵循高性能EtherCAT總線協(xié)議的倍福運(yùn)動(dòng)控制器，同時(shí)借助TwinCAT 2靈活強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制處理能力，因此造波控制性能好、伺服響應(yīng)速度快、安裝調(diào)試易操作和無(wú)環(huán)境污染等是該控制系統(tǒng)的4個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)[2]。

1? 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于EtherCAT總線的推板式造波機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由中央控制主機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3個(gè)部分組成（見圖1）。

中央控制主機(jī)是整個(gè)造波機(jī)系統(tǒng)的控制中樞。主要完成各種類型波浪運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)的生成、控制指令的發(fā)送、波高采集、圖形顯示和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。

運(yùn)動(dòng)控制器集成基于EtherCAT總線的運(yùn)動(dòng)控制卡，并安裝TwinCAT 2 PLC程序，接收中央控制主機(jī)傳來(lái)的造波數(shù)據(jù)文件和控制指令，將造波文件中每臺(tái)推波板的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為脈沖和方向數(shù)據(jù)，發(fā)送給對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)做正反向運(yùn)動(dòng)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、滾珠絲杠和推波板4個(gè)部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是整個(gè)造波機(jī)的運(yùn)動(dòng)單元，控制系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送控制命令給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器接收到指令后驅(qū)動(dòng)電機(jī)做正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。由于伺服電機(jī)的軸承通過(guò)聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接，而推波板是通過(guò)滑臺(tái)掛接在滾珠絲杠上，因此，推波板便在滾珠絲杠上隨著伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而做規(guī)律性的前后往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)水體產(chǎn)生波浪。

2? 高性能運(yùn)動(dòng)控制總線EtherCAT

EtherCAT是一個(gè)開放架構(gòu)，以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，EtherCAT是確定性的工業(yè)以太網(wǎng)，是德國(guó)Beckhoff（倍福）公司在2003年提出[3]。EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)具有通信速率高、實(shí)時(shí)性能好、同步性能精準(zhǔn)、拓?fù)錂C(jī)制多樣化等優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)生后迅速在工業(yè)領(lǐng)域興起應(yīng)用熱潮[4]。尤其在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，EtherCAT的作用是保證運(yùn)動(dòng)控制器和各驅(qū)動(dòng)器之間指令數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)以微秒為單位的同步通信，以達(dá)到多軸實(shí)時(shí)同步運(yùn)動(dòng)控制目的[5]。

EtherCAT的工作原理如圖2所示。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般采用“一主多從”方式，即一個(gè)主站節(jié)點(diǎn)+多個(gè)從站節(jié)點(diǎn)[4]。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的一個(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，上行數(shù)據(jù)幀由主站周期性的下發(fā)給從站，從站將下行數(shù)據(jù)幀處理后作為上行數(shù)據(jù)幀發(fā)給主站。具體工作流程是：主站將下行數(shù)據(jù)幀發(fā)給1#從站，1#從站獲得幀數(shù)據(jù)后進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作，然后將處理后的幀數(shù)據(jù)發(fā)給2#從站，同樣的，2#從站獲得幀數(shù)據(jù)后也進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作，然后將處理后的幀數(shù)據(jù)發(fā)給3#從站，按照該傳遞流程，（N-1）#從站獲得幀數(shù)據(jù)后進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作，然后將處理后的幀數(shù)據(jù)發(fā)給N#從站，也就是網(wǎng)絡(luò)的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，N#從站獲得幀數(shù)據(jù)后依然進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作，到此，所有從站節(jié)點(diǎn)都對(duì)主站發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行了讀寫操作，此時(shí)N#從站將新的數(shù)據(jù)幀，即上行數(shù)據(jù)幀，反向并依次經(jīng)過(guò)所有從站發(fā)回給主站，結(jié)束一個(gè)周期的通信。

一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)能否成功運(yùn)用到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，其中需要考慮的一個(gè)十分重要的指標(biāo)便是時(shí)鐘同步的精度。EtherCAT采用特殊的分布時(shí)鐘同步機(jī)制對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各伺服軸進(jìn)行時(shí)鐘同步，該時(shí)鐘同步機(jī)制是基于標(biāo)準(zhǔn)精密時(shí)鐘同步協(xié)議IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)[6]。EtherCAT采用分布時(shí)鐘的同步機(jī)制，使其同步精度（<100ns）遠(yuǎn)高于其他同類型網(wǎng)絡(luò)（例如CAN、SynqNet等）。對(duì)于分布式100軸伺服電機(jī)可在100μs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1ms[6]。

3? 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)由1臺(tái)中央控制主機(jī)、1臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器和48套執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。中央控制主機(jī)選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，安裝Windows 7 64位操作系統(tǒng)，中央控制主機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器之間通過(guò)以太網(wǎng)相連。運(yùn)動(dòng)控制器選用Beckoff工控機(jī)，運(yùn)行Windows 7 32位操作系統(tǒng)，安裝TwinCAT 2運(yùn)動(dòng)控制軟件。該控制器配備2個(gè)通信網(wǎng)口，一個(gè)與中央控制主機(jī)相連，執(zhí)行以太網(wǎng)協(xié)議，另外一個(gè)與伺服驅(qū)動(dòng)器相連，執(zhí)行EtherCAT協(xié)議。采用VS2010高級(jí)語(yǔ)言中的MFC模塊中的CSocket通信類開發(fā)了中央控制主機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器之間的通信軟件，完成二者之間的波浪數(shù)據(jù)傳輸與控制指令執(zhí)行任務(wù)。

伺服驅(qū)動(dòng)器選用德國(guó)LTI公司3軸驅(qū)動(dòng)器，即1臺(tái)驅(qū)動(dòng)器可帶3臺(tái)伺服電機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制器與16臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器之間通過(guò)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)相連，組成一個(gè)單鏈路總線結(jié)構(gòu)，即運(yùn)動(dòng)控制器EtherCAT接口的輸出端接入1#驅(qū)動(dòng)器EtherCAT接口的輸入端，1#驅(qū)動(dòng)器EtherCAT接口的輸出端接入2#驅(qū)動(dòng)器EtherCAT接口的輸入端，依此類推，直到15#驅(qū)動(dòng)器EtherCAT接口的輸出端接入16#驅(qū)動(dòng)器EtherCAT接口的輸入端為止。

該系統(tǒng)采用推板式造波機(jī)，其原理如圖4所示。造波時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)位于水體中的推波板沿直線方向做前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)池中水體產(chǎn)生向前的波浪運(yùn)動(dòng)，波高與推波板行程和速度成正比，波長(zhǎng)與推波板往復(fù)的頻率成反比[1]。推板式造波機(jī)使用的導(dǎo)軌元件和滾珠絲杠等尺寸較大而且整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜適用于淺水池造波。

3.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為兩個(gè)部分：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(guò)ADS通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

中央控制主機(jī)軟件流程如圖5所示。

4? 控制系統(tǒng)難點(diǎn)及解決方案

在該造波控制系統(tǒng)中，較為復(fù)雜的問(wèn)題是波浪實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的生成和傳輸以及48個(gè)伺服軸的高精度同步運(yùn)動(dòng)。

在該系統(tǒng)中，中央控制主機(jī)軟件根據(jù)輸入的造波參數(shù)生成波列數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制軟件，后者將它以文本格式（.txt）存在計(jì)算機(jī)中。造波前運(yùn)動(dòng)控制軟件在TwinCAT 2 PLC 中從這個(gè)文件裝載數(shù)據(jù)。為解決TwinCAT與伺服驅(qū)動(dòng)器之間快速、大量的數(shù)據(jù)交換，該系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)。

軸的同步是指該運(yùn)動(dòng)控制器所帶的48個(gè)伺服軸之間的同步運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)采用TwinCAT 2的電子凸輪耦合技術(shù)，同時(shí)借助虛擬軸的概念來(lái)解決同這48個(gè)伺服軸之間的高精度同步問(wèn)題[7]。電子凸輪技術(shù)是相對(duì)于機(jī)械凸輪被提出的，可替代機(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)功能相同的凸輪軸和虛擬主軸之間的同步運(yùn)動(dòng)。在該系統(tǒng)中增加一個(gè)虛擬軸作為主軸，48個(gè)物理軸作為從軸，主軸位置坐標(biāo)按照0.02mm間隔增加，運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為恒定值1mm/s，這樣相鄰兩個(gè)位置點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間是0.02s（造波運(yùn)動(dòng)一般運(yùn)動(dòng)間隔為0.02s），48個(gè)從軸與主軸之間做凸輪耦合，那么從軸會(huì)隨著主軸運(yùn)動(dòng)而同步運(yùn)動(dòng)。

5? 試驗(yàn)

試驗(yàn)選取基本參數(shù)為J譜，波高0.1m，譜峰周期1.5s，水深0.74m的單向不規(guī)則波為試驗(yàn)對(duì)象。通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)采集的波高數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可發(fā)現(xiàn)，只需經(jīng)過(guò)1次迭代，試驗(yàn)指標(biāo)總能量M0，波高有效值Hs和譜峰周期Tp都滿足條件。迭代前和迭代后的試驗(yàn)指標(biāo)與理論值的誤差對(duì)比見表1所示，迭代后的實(shí)測(cè)能量譜曲線和理論曲線的對(duì)比如圖7所示，從圖7中可發(fā)現(xiàn)，二者幾乎重合，說(shuō)明迭代后的波列數(shù)據(jù)可滿足試驗(yàn)條件。

對(duì)不同類型波，在不同周期、波高、水深等條件下進(jìn)行了多組造波試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該造波機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造能夠滿足造波要求，工作穩(wěn)定、可靠，造波性能測(cè)試反應(yīng)出該設(shè)備性能達(dá)到相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求，可以進(jìn)行正向、斜向和多向不規(guī)則波等各種科學(xué)研究的波浪試驗(yàn)。

6? 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)將高性能的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)TwinCAT應(yīng)用到造波機(jī)系統(tǒng)中，成功開發(fā)了基于EtherCAT總線的推板式造波機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了造波機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，而且系統(tǒng)采用TwinCAT的電子凸輪耦合技術(shù)并借助虛擬軸的概念，顯著提高了系統(tǒng)各伺服軸之間的同步精度。同時(shí)，得益于Beckhoff強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器處理能力，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試方便，節(jié)省了成本，且便于后期維護(hù)，在一定程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。并通過(guò)大量試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)科學(xué)研究海洋和科學(xué)開發(fā)利用海洋的深入研究具有十分重要的工程意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳俊，王磊，王天奕，等.總線式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在造波機(jī)中的應(yīng)用[J].科技資訊，2017，15（29）：133-134.

[2] 蘇印紅，張愛軍，孫琳，等.基于EtherCAT的多軸伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（14）：40-44.

[3] 丁可.基于EtherCAT的多控制器同步的造波機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連理工大學(xué)，2018.

[4] 王丁一，程少科，陳俊華，等.基于倍福TwinCAT的搖板式造波控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2016（12）：37-39.

[5] 張憶.大波高電動(dòng)推板式造波機(jī)高精度控制算法研究[D].中國(guó)艦船研究院，2018.

[6] 聶俊杰，徐東亮，王龍飛，等.基于EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)的伺服造波控制系統(tǒng)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2016（5）：91-93.

[7] 龔文科.基于EtherCAT總線的多軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué)，2019.