總線式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在造波機(jī)中的應(yīng)用

陳俊+王磊+王天奕+丘瑾煒+郭澤斌

摘 要：首先簡(jiǎn)單介紹了造波機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，分析了不同造波方式和不同驅(qū)動(dòng)方式的造波機(jī)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。其次介紹了幾種廣泛使用的現(xiàn)場(chǎng)總線，概述了這些總線的技術(shù)特點(diǎn)，分析了這些總線在造波機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)。最后給出一些總線式多軸控制系統(tǒng)在造波機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：總線 多軸 運(yùn)動(dòng)控制 造波機(jī)

中圖分類號(hào)：TH123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）10（b）-0133-02

目前，國(guó)內(nèi)研究海浪及其對(duì)海洋工程的影響主要傾向于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行物理模型研究。港池多向不規(guī)則造波機(jī)系統(tǒng)是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行海浪模擬的主要專業(yè)設(shè)備[1]。而基于總線控制系統(tǒng)具有數(shù)字信號(hào)傳輸、系統(tǒng)完全開放、復(fù)雜多樣的通信服務(wù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使其成為現(xiàn)代工業(yè)控制發(fā)展的主要方向[2]。本文主要探討基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在造波機(jī)中的應(yīng)用。

1 造波機(jī)介紹

造波機(jī)是一種與海浪試驗(yàn)水池配套的基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括上位機(jī)、下位機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、零位檢測(cè)與控制和推波板等組成部分。

1.1 造波機(jī)分類

常見的造波方式有4種：氣動(dòng)式、搖板式、推板式和沖箱式[3]。造波機(jī)原理結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 造波機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

目前造波機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要有3種：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式、伺服液壓驅(qū)動(dòng)式和氣壓式[3]。

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是控制性能好，響應(yīng)速度快且無污染；在高速、高精度、小型節(jié)能方面更能滿足要求；調(diào)速范圍寬。無明顯缺點(diǎn)。

伺服液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)矩大，負(fù)載能力強(qiáng)；頻率響應(yīng)快，控制精度高；適用于大功率的港池造波試驗(yàn)。缺點(diǎn)是易漏油，維護(hù)不便；造價(jià)一般比伺服電機(jī)要高。

氣壓式的優(yōu)點(diǎn)是不生銹，不漏油。缺點(diǎn)是控制精度低。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線具有簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等主要優(yōu)點(diǎn)，在各工業(yè)領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。其中，CAN總線、SynqNet總線和EtherCAT總線在造波機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，下面分別介紹。

2.1 CAN總線

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)一般由主控節(jié)點(diǎn)和各分控節(jié)點(diǎn)組成，主控節(jié)點(diǎn)和各分控節(jié)點(diǎn)都是掛接在同一CAN總線上，他們之間的通信是通過CAN通信卡和接口模塊實(shí)現(xiàn)[4]?；贑AN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

2.2 SynqNet總線

SynqNet總線是MEI公司設(shè)計(jì)的一種運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，采用環(huán)形容錯(cuò)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器運(yùn)行的高可靠性[5]。SynqNet容錯(cuò)機(jī)制見圖3。

基于SynqNet總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

2.3 EtherCAT總線

EtherCAT由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司（Beckhoff）研發(fā)。EtherCAT的網(wǎng)絡(luò)通常為一主多從結(jié)構(gòu)。基于EtherCAT總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與SynqNet總線類似（見圖5）[6]。

3 主要總線在造波機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

以下給出CAN總線、SynqNet總線和EtherCAT總線在造波機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3.1 CAN總線在造波機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

廣州珠江水利科學(xué)研究院里水試驗(yàn)基地?fù)碛?座波浪水池。該波浪水池規(guī)格為寬40m、長(zhǎng)50m、最大水深1.0m。系統(tǒng)基于CAN總線結(jié)構(gòu)，由1臺(tái)上位機(jī)通過以太網(wǎng)控制10臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器，每臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器控制8臺(tái)伺服電機(jī)。

3.2 SynqNet總線在造波機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

浙江大學(xué)舟山校區(qū)，有一長(zhǎng)度為70m，寬度為40m，池深為1.5m的水池，內(nèi)部擁有1套L型多向不規(guī)則波造波機(jī)系統(tǒng)。水池一側(cè)安裝112套寬0.5m的造波單元，相鄰一側(cè)安裝68套寬0.5m的造波單元，共180套造波單元，整個(gè)系統(tǒng)呈L型分布。系統(tǒng)基于SynqNet總線結(jié)構(gòu)，由1臺(tái)上位機(jī)通過以太網(wǎng)控制6臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器，每臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器控制32臺(tái)伺服電機(jī)。

3.3 EtherCAT總線在造波機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

上海某研究所有1套L型多向不規(guī)則波造波機(jī)系統(tǒng)。該波浪水池長(zhǎng)100m、寬60m、深8m，在水池相鄰的兩邊分別安裝78套寬0.6m的造波單元，共156套造波單元，整個(gè)系統(tǒng)呈L型分布。系統(tǒng)基于EtherCAT總線結(jié)構(gòu)，由1臺(tái)上位機(jī)通過1臺(tái)主站運(yùn)動(dòng)控制器控制6臺(tái)從站運(yùn)動(dòng)控制器，每臺(tái)從站運(yùn)動(dòng)控制器控制26臺(tái)伺服電機(jī)。

4 結(jié)語

本文概述了幾種總線式造波機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用，對(duì)了解造波機(jī)原理及現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)的科研人員具有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)造波機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型具有一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[6] 王國(guó)河.基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT的多軸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.endprint