模擬波浪的船舶試驗(yàn)水池可以用來產(chǎn)生各種波浪，來評價(jià)海上作業(yè)的可靠性和安全性，造波機(jī)是與船舶試驗(yàn)水池配套的最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，用來產(chǎn)生不同波長和波高的各種形式的波浪，模擬實(shí)際波浪對船只或水中建筑物的影響，測定試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為科學(xué)試驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。
科學(xué)試驗(yàn)對數(shù)據(jù)多樣性和準(zhǔn)確度要求的不斷提高對試驗(yàn)水池的規(guī)模和造波系統(tǒng)造波板的數(shù)量都提出了更高的要求，即將投入使用的目前亞洲最大的船舶試驗(yàn)水池長320米，寬10米，工作水深為5米，共采用了160塊造波板，能夠產(chǎn)生多向不規(guī)則波形，其中最大波高可達(dá)0.4米。對于這種大型的復(fù)雜造波系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)160塊造波板的同步運(yùn)行并保證波形的準(zhǔn)確度對其控制系統(tǒng)的性能要求非常高。由Danaher Motion公司提供基于高性能運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)SynqNet的運(yùn)動(dòng)控制卡ZMP、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)執(zhí)行器以及由大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的控 制軟件相配合最終成功實(shí)現(xiàn)了160塊造波板的高精度同步。
造波機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)
在以往的造波機(jī)控制系統(tǒng)中，采用單臺(tái)計(jì)算機(jī)模擬信號控制方式，通過計(jì)算機(jī)算出每一塊造波板的運(yùn)行軌跡，然后通過D/A接口轉(zhuǎn)換成控制造波板運(yùn)行的信號，傳送給工業(yè)直線執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器，但這種模擬信號的控制方式存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)，就是抗干擾能力差，不能滿足這種160塊造波板同步運(yùn)行所要求的高精度。經(jīng)過多方考察，最終的控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)字信號及網(wǎng)絡(luò)控制的方式，用一臺(tái)上位機(jī)通過以太網(wǎng)控制多臺(tái)下位機(jī)，下位機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的通信通過SynqNet網(wǎng)絡(luò)控制卡并配備專用的線路相連接。這種數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)降低了系統(tǒng)整體成本、傳輸速率高并且穩(wěn)定可靠性也得到大幅提高。
造波機(jī)的整個(gè)控制系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)以及由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)直線執(zhí)行器組成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分構(gòu)成，如圖1所示：
上位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的主控機(jī)，用普通PC或工控機(jī)都可以，作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞，所有控制命令的發(fā)送、圖形顯示和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)都由它來完成。
下位機(jī)的主要任務(wù)是接收上位機(jī)發(fā)來的控制命令，通過運(yùn)動(dòng)控制接口完成對所分管的每塊造波板相應(yīng)的控制，同時(shí)將造波板的工作狀態(tài)上傳給上位機(jī)。下位機(jī)內(nèi)嵌的運(yùn)動(dòng)控制卡選用了丹納赫傳動(dòng)公司的SynqNet總線運(yùn)動(dòng)控制卡ZMP，下位機(jī)程序通過控制它，使之發(fā)出有規(guī)律的數(shù)字脈沖及方向控制信號，送往驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)完成相應(yīng)的正反向運(yùn)轉(zhuǎn)。
在實(shí)際的造波過程中，造波系統(tǒng)需要模擬一個(gè)波譜時(shí)，首先要根據(jù)目標(biāo)譜，通過人機(jī)界面設(shè)定欲模擬波浪的相關(guān)參數(shù)，上位機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，利用反傅立葉變換計(jì)算出每塊造波板運(yùn)行的時(shí)間序列值控制信號，傳送到相應(yīng)的下位機(jī)，下位機(jī)接收到上位機(jī)的指令后，啟動(dòng)造波程序。同時(shí)上位機(jī)通過內(nèi)部的控制軟件采集波高參數(shù)與實(shí)際波形的誤差，以及實(shí)際周期與設(shè)計(jì)周期的偏差，并向下位機(jī)發(fā)送一個(gè)可以產(chǎn)生一定波高和周期所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速，下位機(jī)采集電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和電流信號并向驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)發(fā)出指令，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)工業(yè)直線執(zhí)行器，帶動(dòng)造波板前后擺動(dòng)，生成實(shí)驗(yàn)所需要的波浪。水池中間放置的波浪檢測傳感器，它能將每時(shí)每刻波浪的波高和周期反饋給上位機(jī)，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。每塊造波板都設(shè)有零位檢測和控制功能，造波機(jī)在調(diào)試、維護(hù)、維修期間，可以通過計(jì)算機(jī)或者手動(dòng)控制按鈕，精確定位造波板的位置。
實(shí)施難點(diǎn)
這個(gè)大型的造波池不僅可以模擬規(guī)則波，還是國內(nèi)唯一能夠模擬斜向波和多向不規(guī)測波的拖曳實(shí)驗(yàn)水池，對波長、波高的精度要求很高。在長度約320米的造波池側(cè)安裝有160塊造波板，每32塊造波板和與之相連的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)執(zhí)行器分為一組，由5臺(tái)下位機(jī)分別控制，而造波池端的4塊造波板和與之相連的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)執(zhí)行器成為一組，由另外1臺(tái)下位機(jī)控制。在造波系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)過程中，造波池側(cè)的160塊造波板以及造波池端的4塊造波板的擺動(dòng)幅度和頻率都必須嚴(yán)格按照系統(tǒng)指令保持同步，這樣才能保證造出的波浪波形準(zhǔn)確。達(dá)到這種要求的造波系統(tǒng)，對于系統(tǒng)中最重要的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備的運(yùn)行速度、控制精度等都有極高的要求。基于高性能數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)SynqNet的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)解決系統(tǒng)同步的難題
SynqNet是一種高性能、全數(shù)字的開放性同步運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，它采用一種同步數(shù)字網(wǎng)絡(luò)專利技術(shù)及雙冗余數(shù)據(jù)通道設(shè)計(jì)，從而可在各種復(fù)雜應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)卓越的運(yùn)動(dòng)性能，并確保機(jī)器運(yùn)行的高可靠性。SynqNet集眾多功能和特色于一身，可以靈活地實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制算法，自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和完整性檢驗(yàn)，支持32個(gè)同步協(xié)調(diào)軸，支持?jǐn)U展I/O以完成各種邏輯操作，支持多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS，如VxWorks、RealTime Linux、RTSS、mITRON等。采用SynqNet運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，只需要在控制器、驅(qū)動(dòng)器以及輸入/輸出模塊之間布設(shè)一根電纜，極大地減少控制系統(tǒng)配線數(shù)量，將線纜故障造成的危害降到最低。
當(dāng)SynqNet網(wǎng)絡(luò)中32 根協(xié)同軸一起工作時(shí)的伺服更新周期在1ms以內(nèi)，即整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的軸數(shù)據(jù)可以在1ms內(nèi)完成更新，從而達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)軸與軸之間的高精度同步。整個(gè)系統(tǒng)160個(gè)軸需要5個(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)之間通過外部I/O信號來同步觸發(fā)，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)之間的同步。據(jù)該項(xiàng)目的工程人員介紹：“Synqnet是我們了解到的最先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。它所具備的高速、數(shù)字化以及能夠?qū)Χ噍S同步控制的性能在我們的造波池項(xiàng)目中表現(xiàn)出色，解決了池側(cè)造波機(jī)的160塊造波板和造波池端的4塊造波板的同步控制問題，完全達(dá)到了系統(tǒng)要求的控制精度。”
同樣是因?yàn)橄到y(tǒng)龐大，直接帶動(dòng)造波板擺動(dòng)的工業(yè)直線執(zhí)行器和與之相匹配的電機(jī)的選擇也至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的造波機(jī)采用液壓系統(tǒng)推動(dòng)，給用戶的設(shè)計(jì)和使用帶來許多問題，例如液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難，能耗巨大，效率極低 ，系統(tǒng)維護(hù)工作量大且成本高昂，漏油污染水池和環(huán)境等。而采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不僅可以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，還可以提高造波的效率和精度。
造波時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)工業(yè)執(zhí)行器往復(fù)運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)造波板前后擺動(dòng)，在水池中形成波浪。由于波高是由造波板的擺動(dòng)幅度來決定的，在造大波，也就是實(shí)驗(yàn)波高要求較高的情況下，造波板的擺動(dòng)幅度就要越大，系統(tǒng)要求的電機(jī)功率也就越大，但是電機(jī)功率越大，它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也就越大。如果電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大，造波板在運(yùn)動(dòng)過程中受它的慣性影響轉(zhuǎn)不回來，必然會(huì)影響系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，控制精度就很難保證。在這個(gè)系統(tǒng)中必須要選用功率大而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的電機(jī)。最終，與造波池端的4塊造波板配套的是Danaher Motion的低慣量GoldLine BH系列電機(jī)。
造波池側(cè)的160塊造波板需要配備160個(gè)工業(yè)直線執(zhí)行器和配套的電機(jī)，通過計(jì)算，Danaher Motion的TC4系列工業(yè)直線執(zhí)行器恰好能滿足功率要求，這種大型工業(yè)直線執(zhí)行器適于重型推力負(fù)載在12000N的行程1500mm范圍內(nèi)。
實(shí)踐驗(yàn)證
目前，這一亞洲最大的造波試驗(yàn)水池即將投入使用，在系統(tǒng)調(diào)試階段所做的所有空載試驗(yàn)顯示的結(jié)果都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的效果。“在這個(gè)項(xiàng)目整個(gè)實(shí)施過程中，Danaher Motion公司除了提供了優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品外，從最初的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施調(diào)試到項(xiàng)目完成后的維護(hù)工作，Danaher Motion公司的技術(shù)人員一直都全程參與，為我們提供了完善的技術(shù)支持和服務(wù)。”該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人說。
