EtherCAT技术为高塔的安然无恙提供保障

文｜德国倍福自动化有限公司

1 项目简介

广州新电视塔（又称广州塔、电视观光塔）是为迎接2010年在广州召开的第十六届亚洲运动会而新建的地标性建筑。它坐落于城市新中轴线和珠江新城景观轴的交汇处，是一座以观光旅游为主，具有广播电视发射、文化娱乐和城市窗口功能的大型城市基础设施。

广州新电视塔的整体高度达到610m，其中塔身主体高454m，天线桅杆高156m，竣工后将取代加拿大的西恩塔成为世界第一高塔，也将成为广州的新地标。由于广州夏季台风频繁，电视塔纤细高耸，很容易受到台风影响。新电视塔塔身按照特一级标准进行抗震设计，并采用Beckhoff的控制系统作为整个建筑振动控制的核心部分，即使遇到百年一遇的大风和8级地震，也可确保高塔安然无恙。

广州新电视塔全部采用高强钢，总重不到50000t，外筒大约30000t。为了让它在地震和台风中保持平稳，设计人员在塔顶设计了一个大型平衡水箱。水箱与塔身主体之间采用阻尼器连接，并通过阻尼器给塔体施加力矩，即纠偏力矩。振动控制系统的核心目标就是根据瞬息万变的环境数据实时调节施加给塔体的纠偏力矩。具体做法是：在平衡水箱上安装一套直线电机，并将导轨固定在水箱上。直线电机在导轨上运动的力就会经过导轨和水箱传递到与塔体相连的阻尼器上，使之产生弹性变形。由于阻尼器的存在，直线电机可以用较小的力给塔体施加一个较大的纠编力矩，但是两者之间的关系并不是线性的，而是动态变化的。

2 系统构成

整个振动控制系统分为主控系统、数据采集系统和远程监控系统三个部分，分别由深圳大簇精密机电有限公司、广州大学工程抗震研究中心以及香港理工大学的土木及结构工程学系实施。

数据采集系统为整个系统的运算提供依据，它的任务是采集环境数据，并根据专门的数学模型实时计算直线电机的目标转矩。广州新电视塔数据采集系统有三个特点：一是采集点分散，从塔基到桅杆顶部，共610m的高度上，一共设有6个采集站，主机位于塔体的顶部，即454m高度的平台上；第二个特点是速度要求高，当发生台风或者地震的时候，风速、加速度都在高速变化，纠偏力矩必须及时对风速或者振动的变化做出响应；第三个特点是精度要求高，数据采集模块既能分辨出轻微的风速和振动，也能测量出台风和地震时的风速及振动。

主控系统是整个系统的核心，它的主要任务是接受数据采集系统给出的直线电机目标转矩，并将其发送给直线电机的驱动器。和数据采集系统一样，主控系统也必须迅速响应，以保证目标转矩及时传送到驱动器。

远程监控系统是整个系统的HMI人机交互部分，它的任务是将实时环境数据以及相关的运算结果以友好的界面显示给操作人员，并完成数据存储等工作。为了方便监视和维护，远程监控系统的主机被设置在整个电视塔的底部，它必须同位于塔顶的主控系统和数据采集系统进行通信。

3 EtherCAT技术在项目中的应用

在最初的设计中，三个子系统分别由三个单位实施，各有一台计算机。但是，主控系统和数据采集系统的通信频繁，且实时性要求高，使用模拟量传输虽然可以保证速度，但是容易受到干扰；而若使用以太网通信，又不能满足实时性的要求。最终，Beckhoff的控制系统很好地解决了这两个问题。它将主控系统和数据采集系统的主机合二为一，共用一条EtherCAT总线；将主控系统的运算交给TwinCAT PLC/NC软件来实现，将数据采集系统的运算交给C语言来实现；通过包含IO变量的“.h”文件和包含TwinCAT IO的API函数来控制硬件。主控系统和数据采集系统之间的通信通过TwinCAT变量链接实现，传输性能可靠，实时性也能得到保障。EtherCAT的通信速度非常快，刷新100个伺服轴的数据只需要100μs，本系统中只用了2个伺服轴和不到50个模拟量IO，响应时间不到50μs，远低于系统要求的1ms响应时间的标准。

由于数据采集系统点数分散，Beckhoff提供了带光纤接口的EtherCAT耦合器来应对站点间距离超过100m的情况，以保证数据传输链路简单、快速、不受电磁干扰。同时，光纤可形成环路，从而实现网络冗余，大幅提高整个系统的可靠性。另外，为了满足数据采集系统对速度和精度的要求，Beckhoff提供了24Bit的EtherCAT模拟量输入端子模块EL3602，将AD转换时间缩短到了60μs。

Beckhoff基于PC的控制技术在远程控制站与主站之间的通信上面也显示出很强的灵活性。根据原设计方案，位于塔顶的主控系统和位于塔底的远程控制站之间的距离超过500m，因此必须有一条专门的光纤和一对光纤转换器。而使用了Beckhoff的EtherCAT技术之后，只需在位于塔底的数据采集站上增加一个Ethernet以太网交换机端子模块EL6601（其作用相当于在塔顶的主控计算机上增加了一块以太网卡），通过EL6601连接一条普通网线到远程控制站的主机上，两台计算机之间就可以进行实时的Ethernet通信。

4 结束语

广州新电视塔振动控制系统是Beckhoff控制技术在工业控制、仪器仪表和测量、楼宇自动化等三个领域的综合应用。其中，EtherCAT是Beckhoff技术的灵魂，也是这个项目中贯穿三个子系统的关键技术，本项目充分体现了EtherCAT传输速度快、实现简便、组网灵活等特点。而TwinCAT控制软件则具有很强的实时性和开放性，在集成采集系统的C语言程序时可简化软硬件结构，并大幅提升系统性能。

此外，使用Beckhoff的控制系统之后，客户还获得意外的惊喜：材料成本和工程费用比预算节约近30%。