某大型港池造波机控制系统智能化改造研究

陈俊 倪艺萍 徐奕蒙 王天奕 林柏涵

摘要：某大型港池多向不规则造波机系统投入使用已有10余年，由于该造波机控制系统软硬件技术落后，存在计算速度慢、故障率高和传输速度慢等问题，无法满足目前波浪物理模型试验复杂波谱及长历时无重复不规则波试验的需求。为了更加精细、准确地实现高品质波浪谱模拟，故对该控制系统进行智能化改造，构建了基于EtherCAT总线的多向不规则造波机控制结构。

关键词：造波机 控制系统 优化改造 CAN总线 EtherCAT总线

中图分类号：TH166

Research on the Intelligent Transformation of the Control System of the Wave Maker for a Large Harbour Basin

CHEN Jun  NI Yiping  XU Yimeng  WANG Tianyi  LIN Baihan

Pearl River Water Resources Research Institute， Pearl River Water Resources Commission， Guangzhou， Guangdong Province， 510611 China

Abstract： The multi-directional irregular wave maker system of a large harbour basin has been in use for more than 10 years. Due to the outdated software and hardware technology of the control system of the wave maker， there are problems such as slow calculation speed， high fault rate and slow transmission speed， which cannot meet the current needs of complex spectrum and long-duration non-repetitive irregular wave tests in wave physics model tests. In order to achieve high-quality wave spectrum simulation more finely and accuracely， the control system is intelligently transformed， and the control structure of the multi-directional irregular wave maker based on EtherCAT bus is constructed.

Key Words： Wave maker; Control system; Optimization and transformation; CAN bus; EtherCAT bus

多向不规则造波机是一種大型海洋仪器装备，其主要功能是在试验港池内产生更加逼近海上真实海况的多向不规则波浪，在水利工程、交通运输工程、海洋工程、环境工程等领域中都有广泛的应用。某水利科研院有一套推板式港池造波机，具有80块40 cm×100 cm（宽×高）的独立推波板，推波板行程±30 cm，总宽32 m，它能够模拟波周期0.5～3 s，波向范围0～±45 ，最大波高0.3 m的不规则波。该造波机自建成以来已有10余年，其控制系统由于受原有安装软硬件的限制，采用传统的“CAN控制器+驱动器+伺服电机”的造波控制方式，存在计算速度慢、故障率高和传输速度慢等问题，无法满足目前波浪物理模型试验复杂波谱及长历时无重复不规则波试验的需求。

本文将从控制系统优化的角度对现有的大型多向不规则造波机系统进行改进与优化，采用了现代具有高性能计算能力的且带有软PLC的新型控制器代替原来造波机所采用的传统控制器局域网（Control Area Network，CAN）进行设计，同时构建了基于以太网分布式自动化总线（Ethernet for Control Automation Technology，EtherCAT）的多向不规则造波机控制结构。该工作将为下一代具有更高计算复杂度的大型多向造波装备的研制奠定基础[1]。

1 CAN总线与EtherCAT总线

CAN总线和EtherCAT总线都是工业自动化领域中常用的通信协议，它们有各自的优点和适用场景。CAN总线是一种用于实时应用的串行通信协议。它使用多主站方式，在总线上的每个节点（包括主机和从机）都可以成为主站，发送和接收数据。CAN总线具有可靠性高、实时性好、传输距离长等优点，因此在工业自动化领域得到了广泛应用。EtherCAT是一种基于以太网技术的实时工业总线系统。它采用了主从结构，由一个主站控制多个从站，实现多个从站设备的同步通信。EtherCAT的传输速度非常快，通常可达到100 Mbps或更高，适用于需要快速实时通信的高速应用[2]。

在实际应用中，CAN总线和EtherCAT总线都有各自的优点和适用场景。CAN总线适用于中低速、中小规模的实时控制系统，而EtherCAT在传输速度、实时性能和网络规模等方面更加强大，适合于高速、高要求的实时控制应用。因此，EtherCAT总线更适用于多轴、大运算量和高精稳定控制的大型多向不规则造波机控制系统[3]。

2 多向不规则造波机控制系统改造

2.1 原控制系统方案

原造波机控制系统是基于CAN总线的运动控制系统，其控制对象为伺服运动控制对象，多个CAN控制器节点通过CAN总线通信媒介平行互联为一个单层结构的基于CAN总线的伺服运动控制系统。当需要更多轴运动控制时，只需要简单的再增加新运动控制节点，把新的运动控制节点作为新的CAN总线节点挂接到CAN总线上就可以形成一个分布式多轴运动控制系统，而且无须在硬件上对原有的运动控制节点做任何的修改。控制系统结构如图1所示[4]。

2.2 造波机控制系统改造优化方案

优化方案选用：德国Beckhoff公司的C6640系列控制器代替原造波机控制系统所采用的CAN控制器，倍福EK1100模块满足控制系统支持EtherCAT总线的需要，EL2521模块代替原来造波机控制系统所采用的脉冲卡，EL1004模块代替原来造波机控制系统所采用的IO卡。

2.2.1 C6640系列控制器

该控制器是一款紧凑的具有高性能计算能力的且带有软PLC的新型控制器，配备2个通信网口，1个与上位控制主机相连，执行以太网协议，1个与EK1100模块相连，执行EtherCAT协议。该控制器集成了运动控制卡，具有性能稳定的特点，最多可控制255台伺服轴，可实现高速数据传输和网络通信功能，简化了直线执行单元的复杂度[5]。

2.2.2 EK1100模块

EK1100是EtherCAT耦合器模块，是一款性能优异、拓扑结构灵活且具有高可靠性的模块，用于连接EtherCAT协议与EtherCAT端子模块。

2.2.3 EL2521模块

EL2521是单通道脉冲输出模块，其常用于脉冲输出，或者控制脉冲型的伺服电机，支持EtherCAT总线。

2.2.4 EL1004模块

EL1004是数字量输入模块，用于采集造波机零位开关、前后限位开关、驱动器报警状态等二进制信号，支持EtherCAT总线。

改造后的港池多向不规则造波机控制系统结构如图2所示，整个系统由1台上位控制主机、1台运动控制器、80台伺服驱动器和80套执行机构组成，通过EtherCAT总线组成一个网络化的运动控制系统。EtherCAT总线具有网络刷新速率高和冗余自恢复能力强的特点，很好地实现了终端造波单元与顶层监控主机实时的点对点交互，确保了系统数据物理层交互的稳定可靠实时[6]。

表1中列举的是改造前后控制系统的主要性能指标，可以看出，改造后的控制系统传输速度和同步精度均大幅度提高，同时由于减少了控制器数量，系统结构简单，后续维护方便且成本低。

2.3改造前后造波机造波能力对比

对造波机控制系统硬件改造的同时，其软件也得到了升级，包括中央控制主机软件和运动控制软件。中央控制主机软件是基于Windows 7 64位系统，采用VC++ 2010平台开发；运动控制软件是基于Windows 7 32位系统，采用TwinCAT 2平台开发。二者之间通过ADS通信進行数据交换[7]。

整个控制系统改造完成后，进行了35种规则波和不规则波工况测试。测试结果表明，改造后的造波机造波能力的各项性能均优于原造波机控制系统。具体指标见表2。

3 控制系统难点及解决方案

3.1脉冲信号优化控制

EL2521脉冲模块输出信号直接与驱动器脉冲输入端相连，由于现场存在电磁干扰，使得EL2521模块PULS和SIGN输出信号的电压有不同程度的下降，导致造波机有时未能按指令正确运动。针对该问题，若选用YN2209工业级防雷光电隔离RS485中继放大器，可防止主从机两端电源的电压差而造成的总线故障和损坏。RS485中继放大器与EL2521、驱动器连接图如图3所示。

3.2造波机启停优化控制

由于造波机系统机械结构惯量大和总体负载大的特点，所以存在启停过程中电机过流、机械损伤和波浪破碎等问题。针对造波机在模拟多向不规则波时，各轴电机的随机启动位置难以通过电子齿轮耦合实现电机转速的比例增减方式处理，实现了一种余弦函数算法拟合的方式以解决造波机的启动与停止过程优化[8]。

4 结语

随着水利、海洋、交通运输工程快速发展，实验室内逐渐出现了物理模型试验需求与当代造波机技术水平之间的矛盾，为了打造新一代造波机系统，本文针对某水利科研院原有造波系統拓展能力受限的问题，将运动控制技术与波浪理论相结合提出了一种基于EtherCAT总线的面向新一代大型多向造波技术的控制系统结构改造优化方法。本文所研究的内容具有很强的实用性，相信本文的工作将为海洋实验装备的更新换代起到积极的推动作用。

参考文献

[1] 刘壮.大型多向造波机的控制系统设计优化[D].大连：大连理工大学，2020.

[2] 徐青发，张建康，吴晓生，等.基于网络的大型造波机运动控制系统[J]. 船电技术，2022，42（1）：19-22.

[3] 杜海，孟娟，张群，等.新型波浪模拟装备的网络化设计方法[J].实验室研究与探索，2023，42（3）：135-139.

[4] 陈俊，王磊，王天奕，等.总线式多轴运动控制系统在造波机中的应用[J].科技资讯，2017，15（29）：133-134.

[5] 陈俊，邢方亮，王磊，等.基于EtherCAT总线的推板式造波机控制系统[J].科技资讯，2020，18（23）：18-21.

[6] 麦万庚.基于多轴耦合位置同步运动控制的摇板式造波机造波策略研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2021.

[7] 陈俊，王磊，林俊，等.圆形水池造波机系统设计及聚焦波研究[J].科技资讯. 2021，19（18）：43-47.

[8] 丁可.基于EtherCAT的多控制器同步的造波机控制系统设计[D].大连：大连理工大学，2018.