總線式多軸運動控制系統在造波機中的應用

陳俊+王磊+王天奕+丘瑾煒+郭澤斌

摘 要：首先簡單介紹了造波機系統構成，分析了不同造波方式和不同驅動方式的造波機的原理及優缺點。其次介紹了幾種廣泛使用的現場總線，概述了這些總線的技術特點，分析了這些總線在造波機系統中的應用結構。最后給出一些總線式多軸控制系統在造波機中的應用實例。

關鍵詞：總線 多軸 運動控制 造波機

中圖分類號：TH123 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（b）-0133-02

目前，國內研究海浪及其對海洋工程的影響主要傾向于在實驗室中進行物理模型研究。港池多向不規則造波機系統是在實驗室中進行海浪模擬的主要專業設備[1]。而基于總線控制系統具有數字信號傳輸、系統完全開放、復雜多樣的通信服務和現場設備的智能化的特點，這些特點使其成為現代工業控制發展的主要方向[2]。本文主要探討基于現場總線的多軸運動控制系統在造波機中的應用。

1 造波機介紹

造波機是一種與海浪試驗水池配套的基礎設施，主要包括上位機、下位機、運動控制器、伺服驅動器、伺服電機、執行機構、零位檢測與控制和推波板等組成部分。

1.1 造波機分類

常見的造波方式有4種：氣動式、搖板式、推板式和沖箱式[3]。造波機原理結構見圖1。

1.2 造波機驅動方式

目前造波機的驅動方式主要有3種：伺服電機驅動式、伺服液壓驅動式和氣壓式[3]。

伺服電機驅動的優點是控制性能好，響應速度快且無污染；在高速、高精度、小型節能方面更能滿足要求；調速范圍寬。無明顯缺點。

伺服液壓驅動的優點是輸出轉矩大，負載能力強；頻率響應快，控制精度高；適用于大功率的港池造波試驗。缺點是易漏油，維護不便；造價一般比伺服電機要高。

氣壓式的優點是不生銹，不漏油。缺點是控制精度低。

2 現場總線

現場總線具有簡單、可靠、經濟實用等主要優點，在各工業領域得到了很好的應用。其中，CAN總線、SynqNet總線和EtherCAT總線在造波機系統中應用最為廣泛，下面分別介紹。

2.1 CAN總線

CAN總線是一種串行數據通信協議，其構成的現場總線網絡的結構一般由主控節點和各分控節點組成，主控節點和各分控節點都是掛接在同一CAN總線上，他們之間的通信是通過CAN通信卡和接口模塊實現[4]。基于CAN總線的運動控制系統結構見圖2。

2.2 SynqNet總線

SynqNet總線是MEI公司設計的一種運動控制網絡，采用環形容錯設計，可實現機器運行的高可靠性[5]。SynqNet容錯機制見圖3。

基于SynqNet總線的運動控制系統結構見圖4。

2.3 EtherCAT總線

EtherCAT由德國倍福自動化有限公司（Beckhoff）研發。EtherCAT的網絡通常為一主多從結構。基于EtherCAT總線的運動控制系統結構與SynqNet總線類似（見圖5）[6]。

3 主要總線在造波機系統中的應用

以下給出CAN總線、SynqNet總線和EtherCAT總線在造波機系統中的應用。

3.1 CAN總線在造波機系統中的應用

廣州珠江水利科學研究院里水試驗基地擁有1座波浪水池。該波浪水池規格為寬40m、長50m、最大水深1.0m。系統基于CAN總線結構，由1臺上位機通過以太網控制10臺運動控制器，每臺運動控制器控制8臺伺服電機。

3.2 SynqNet總線在造波機系統中的應用

浙江大學舟山校區，有一長度為70m，寬度為40m，池深為1.5m的水池，內部擁有1套L型多向不規則波造波機系統。水池一側安裝112套寬0.5m的造波單元，相鄰一側安裝68套寬0.5m的造波單元，共180套造波單元，整個系統呈L型分布。系統基于SynqNet總線結構，由1臺上位機通過以太網控制6臺運動控制器，每臺運動控制器控制32臺伺服電機。

3.3 EtherCAT總線在造波機系統中的應用

上海某研究所有1套L型多向不規則波造波機系統。該波浪水池長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，整個系統呈L型分布。系統基于EtherCAT總線結構，由1臺上位機通過1臺主站運動控制器控制6臺從站運動控制器，每臺從站運動控制器控制26臺伺服電機。

4 結語

本文概述了幾種總線式造波機系統結構、原理及應用，對了解造波機原理及現場總線結構的科研人員具有一定的指導意義，對造波機系統設計選型具有一定參考價值。

參考文獻

[1] 羅朝林，何啟連，吳華良，等.多向不規則造波機系統監控軟件設計[J].人民珠江，2011，3（19）：56-59.

[2] 徐福榮.基于網絡的造波機運動控制系統研究[D].大連：大連理工大學，2007.

[3] 舒志兵.現場總線網絡化多軸運動控制系統研究與應用[M].上海：上海科學技術出版社，2012.

[4] 舒志兵，張杰.基于CAN總線的網絡化運動控制系統的研究[J].機械設計與制造，2008（1）：181-183.

[5] 李木國，徐福榮.基于SynqNet的多向不規則波造波機控制系統[J].測控技術，2007，26（10）：37-39.

[6] 王國河.基于實時以太網EtherCAT的多軸網絡運動控制系統設計[D].廣州：華南理工大學，2012.endprint