EtherCAT技術(shù)為高塔的安然無恙提供保障

文｜德國倍福自動(dòng)化有限公司

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

廣州新電視塔（又稱廣州塔、電視觀光塔）是為迎接2010年在廣州召開的第十六屆亞洲運(yùn)動(dòng)會(huì)而新建的地標(biāo)性建筑。它坐落于城市新中軸線和珠江新城景觀軸的交匯處，是一座以觀光旅游為主，具有廣播電視發(fā)射、文化娛樂和城市窗口功能的大型城市基礎(chǔ)設(shè)施。

廣州新電視塔的整體高度達(dá)到610m，其中塔身主體高454m，天線桅桿高156m，竣工后將取代加拿大的西恩塔成為世界第一高塔，也將成為廣州的新地標(biāo)。由于廣州夏季臺(tái)風(fēng)頻繁，電視塔纖細(xì)高聳，很容易受到臺(tái)風(fēng)影響。新電視塔塔身按照特一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，并采用Beckhoff的控制系統(tǒng)作為整個(gè)建筑振動(dòng)控制的核心部分，即使遇到百年一遇的大風(fēng)和8級(jí)地震，也可確保高塔安然無恙。

廣州新電視塔全部采用高強(qiáng)鋼，總重不到50000t，外筒大約30000t。為了讓它在地震和臺(tái)風(fēng)中保持平穩(wěn)，設(shè)計(jì)人員在塔頂設(shè)計(jì)了一個(gè)大型平衡水箱。水箱與塔身主體之間采用阻尼器連接，并通過阻尼器給塔體施加力矩，即糾偏力矩。振動(dòng)控制系統(tǒng)的核心目標(biāo)就是根據(jù)瞬息萬變的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)施加給塔體的糾偏力矩。具體做法是：在平衡水箱上安裝一套直線電機(jī)，并將導(dǎo)軌固定在水箱上。直線電機(jī)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)的力就會(huì)經(jīng)過導(dǎo)軌和水箱傳遞到與塔體相連的阻尼器上，使之產(chǎn)生彈性變形。由于阻尼器的存在，直線電機(jī)可以用較小的力給塔體施加一個(gè)較大的糾編力矩，但是兩者之間的關(guān)系并不是線性的，而是動(dòng)態(tài)變化的。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)振動(dòng)控制系統(tǒng)分為主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)部分，分別由深圳大簇精密機(jī)電有限公司、廣州大學(xué)工程抗震研究中心以及香港理工大學(xué)的土木及結(jié)構(gòu)工程學(xué)系實(shí)施。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算提供依據(jù)，它的任務(wù)是采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)專門的數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算直線電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。廣州新電視塔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有三個(gè)特點(diǎn)：一是采集點(diǎn)分散，從塔基到桅桿頂部，共610m的高度上，一共設(shè)有6個(gè)采集站，主機(jī)位于塔體的頂部，即454m高度的平臺(tái)上；第二個(gè)特點(diǎn)是速度要求高，當(dāng)發(fā)生臺(tái)風(fēng)或者地震的時(shí)候，風(fēng)速、加速度都在高速變化，糾偏力矩必須及時(shí)對(duì)風(fēng)速或者振動(dòng)的變化做出響應(yīng)；第三個(gè)特點(diǎn)是精度要求高，數(shù)據(jù)采集模塊既能分辨出輕微的風(fēng)速和振動(dòng)，也能測(cè)量出臺(tái)風(fēng)和地震時(shí)的風(fēng)速及振動(dòng)。

主控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它的主要任務(wù)是接受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)給出的直線電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，并將其發(fā)送給直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一樣，主控系統(tǒng)也必須迅速響應(yīng)，以保證目標(biāo)轉(zhuǎn)矩及時(shí)傳送到驅(qū)動(dòng)器。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的HMI人機(jī)交互部分，它的任務(wù)是將實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)以及相關(guān)的運(yùn)算結(jié)果以友好的界面顯示給操作人員，并完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等工作。為了方便監(jiān)視和維護(hù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)被設(shè)置在整個(gè)電視塔的底部，它必須同位于塔頂?shù)闹骺叵到y(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行通信。

3 EtherCAT技術(shù)在項(xiàng)目中的應(yīng)用

在最初的設(shè)計(jì)中，三個(gè)子系統(tǒng)分別由三個(gè)單位實(shí)施，各有一臺(tái)計(jì)算機(jī)。但是，主控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信頻繁，且實(shí)時(shí)性要求高，使用模擬量傳輸雖然可以保證速度，但是容易受到干擾；而若使用以太網(wǎng)通信，又不能滿足實(shí)時(shí)性的要求。最終，Beckhoff的控制系統(tǒng)很好地解決了這兩個(gè)問題。它將主控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主機(jī)合二為一，共用一條EtherCAT總線；將主控系統(tǒng)的運(yùn)算交給TwinCAT PLC/NC軟件來實(shí)現(xiàn)，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)算交給C語言來實(shí)現(xiàn)；通過包含IO變量的“.h”文件和包含TwinCAT IO的API函數(shù)來控制硬件。主控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的通信通過TwinCAT變量鏈接實(shí)現(xiàn)，傳輸性能可靠，實(shí)時(shí)性也能得到保障。EtherCAT的通信速度非?？?，刷新100個(gè)伺服軸的數(shù)據(jù)只需要100μs，本系統(tǒng)中只用了2個(gè)伺服軸和不到50個(gè)模擬量IO，響應(yīng)時(shí)間不到50μs，遠(yuǎn)低于系統(tǒng)要求的1ms響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。

由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)分散，Beckhoff提供了帶光纖接口的EtherCAT耦合器來應(yīng)對(duì)站點(diǎn)間距離超過100m的情況，以保證數(shù)據(jù)傳輸鏈路簡(jiǎn)單、快速、不受電磁干擾。同時(shí)，光纖可形成環(huán)路，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，大幅提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。另外，為了滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)速度和精度的要求，Beckhoff提供了24Bit的EtherCAT模擬量輸入端子模塊EL3602，將AD轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短到了60μs。

Beckhoff基于PC的控制技術(shù)在遠(yuǎn)程控制站與主站之間的通信上面也顯示出很強(qiáng)的靈活性。根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，位于塔頂?shù)闹骺叵到y(tǒng)和位于塔底的遠(yuǎn)程控制站之間的距離超過500m，因此必須有一條專門的光纖和一對(duì)光纖轉(zhuǎn)換器。而使用了Beckhoff的EtherCAT技術(shù)之后，只需在位于塔底的數(shù)據(jù)采集站上增加一個(gè)Ethernet以太網(wǎng)交換機(jī)端子模塊EL6601（其作用相當(dāng)于在塔頂?shù)闹骺赜?jì)算機(jī)上增加了一塊以太網(wǎng)卡），通過EL6601連接一條普通網(wǎng)線到遠(yuǎn)程控制站的主機(jī)上，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的Ethernet通信。

4 結(jié)束語

廣州新電視塔振動(dòng)控制系統(tǒng)是Beckhoff控制技術(shù)在工業(yè)控制、儀器儀表和測(cè)量、樓宇自動(dòng)化等三個(gè)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。其中，EtherCAT是Beckhoff技術(shù)的靈魂，也是這個(gè)項(xiàng)目中貫穿三個(gè)子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，本項(xiàng)目充分體現(xiàn)了EtherCAT傳輸速度快、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)。而TwinCAT控制軟件則具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和開放性，在集成采集系統(tǒng)的C語言程序時(shí)可簡(jiǎn)化軟硬件結(jié)構(gòu)，并大幅提升系統(tǒng)性能。

此外，使用Beckhoff的控制系統(tǒng)之后，客戶還獲得意外的驚喜：材料成本和工程費(fèi)用比預(yù)算節(jié)約近30%。