EtherCAT技術為高塔的安然無恙提供保障

文｜德國倍福自動化有限公司

1 項目簡介

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動會而新建的地標性建筑。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，具有廣播電視發射、文化娛樂和城市窗口功能的大型城市基礎設施。

廣州新電視塔的整體高度達到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。由于廣州夏季臺風頻繁，電視塔纖細高聳，很容易受到臺風影響。新電視塔塔身按照特一級標準進行抗震設計，并采用Beckhoff的控制系統作為整個建筑振動控制的核心部分，即使遇到百年一遇的大風和8級地震，也可確保高塔安然無恙。

廣州新電視塔全部采用高強鋼，總重不到50000t，外筒大約30000t。為了讓它在地震和臺風中保持平穩，設計人員在塔頂設計了一個大型平衡水箱。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。振動控制系統的核心目標就是根據瞬息萬變的環境數據實時調節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，并將導軌固定在水箱上。直線電機在導軌上運動的力就會經過導軌和水箱傳遞到與塔體相連的阻尼器上，使之產生彈性變形。由于阻尼器的存在，直線電機可以用較小的力給塔體施加一個較大的糾編力矩，但是兩者之間的關系并不是線性的，而是動態變化的。

2 系統構成

整個振動控制系統分為主控系統、數據采集系統和遠程監控系統三個部分，分別由深圳大簇精密機電有限公司、廣州大學工程抗震研究中心以及香港理工大學的土木及結構工程學系實施。

數據采集系統為整個系統的運算提供依據，它的任務是采集環境數據，并根據專門的數學模型實時計算直線電機的目標轉矩。廣州新電視塔數據采集系統有三個特點：一是采集點分散，從塔基到桅桿頂部，共610m的高度上，一共設有6個采集站，主機位于塔體的頂部，即454m高度的平臺上；第二個特點是速度要求高，當發生臺風或者地震的時候，風速、加速度都在高速變化，糾偏力矩必須及時對風速或者振動的變化做出響應；第三個特點是精度要求高，數據采集模塊既能分辨出輕微的風速和振動，也能測量出臺風和地震時的風速及振動。

主控系統是整個系統的核心，它的主要任務是接受數據采集系統給出的直線電機目標轉矩，并將其發送給直線電機的驅動器。和數據采集系統一樣，主控系統也必須迅速響應，以保證目標轉矩及時傳送到驅動器。

遠程監控系統是整個系統的HMI人機交互部分，它的任務是將實時環境數據以及相關的運算結果以友好的界面顯示給操作人員，并完成數據存儲等工作。為了方便監視和維護，遠程監控系統的主機被設置在整個電視塔的底部，它必須同位于塔頂的主控系統和數據采集系統進行通信。

3 EtherCAT技術在項目中的應用

在最初的設計中，三個子系統分別由三個單位實施，各有一臺計算機。但是，主控系統和數據采集系統的通信頻繁，且實時性要求高，使用模擬量傳輸雖然可以保證速度，但是容易受到干擾；而若使用以太網通信，又不能滿足實時性的要求。最終，Beckhoff的控制系統很好地解決了這兩個問題。它將主控系統和數據采集系統的主機合二為一，共用一條EtherCAT總線；將主控系統的運算交給TwinCAT PLC/NC軟件來實現，將數據采集系統的運算交給C語言來實現；通過包含IO變量的“.h”文件和包含TwinCAT IO的API函數來控制硬件。主控系統和數據采集系統之間的通信通過TwinCAT變量鏈接實現，傳輸性能可靠，實時性也能得到保障。EtherCAT的通信速度非常快，刷新100個伺服軸的數據只需要100μs，本系統中只用了2個伺服軸和不到50個模擬量IO，響應時間不到50μs，遠低于系統要求的1ms響應時間的標準。

由于數據采集系統點數分散，Beckhoff提供了帶光纖接口的EtherCAT耦合器來應對站點間距離超過100m的情況，以保證數據傳輸鏈路簡單、快速、不受電磁干擾。同時，光纖可形成環路，從而實現網絡冗余，大幅提高整個系統的可靠性。另外，為了滿足數據采集系統對速度和精度的要求，Beckhoff提供了24Bit的EtherCAT模擬量輸入端子模塊EL3602，將AD轉換時間縮短到了60μs。

Beckhoff基于PC的控制技術在遠程控制站與主站之間的通信上面也顯示出很強的靈活性。根據原設計方案，位于塔頂的主控系統和位于塔底的遠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光纖轉換器。而使用了Beckhoff的EtherCAT技術之后，只需在位于塔底的數據采集站上增加一個Ethernet以太網交換機端子模塊EL6601（其作用相當于在塔頂的主控計算機上增加了一塊以太網卡），通過EL6601連接一條普通網線到遠程控制站的主機上，兩臺計算機之間就可以進行實時的Ethernet通信。

4 結束語

廣州新電視塔振動控制系統是Beckhoff控制技術在工業控制、儀器儀表和測量、樓宇自動化等三個領域的綜合應用。其中，EtherCAT是Beckhoff技術的靈魂，也是這個項目中貫穿三個子系統的關鍵技術，本項目充分體現了EtherCAT傳輸速度快、實現簡便、組網靈活等特點。而TwinCAT控制軟件則具有很強的實時性和開放性，在集成采集系統的C語言程序時可簡化軟硬件結構，并大幅提升系統性能。

此外，使用Beckhoff的控制系統之后，客戶還獲得意外的驚喜：材料成本和工程費用比預算節約近30%。