抽吸疏浚是一項(xiàng)船上作業(yè)流程。吸揚(yáng)挖泥船的復(fù)雜裝置集液壓、機(jī)械和電氣組件于一身，深入海床挖沙，再轉(zhuǎn)移到其他地點(diǎn)，可用于填海造島、擴(kuò)建港口、加深航道或恢復(fù)海灘。

圖 1.吸揚(yáng)挖泥船。傳統(tǒng)挖泥船控制器設(shè)計(jì)分別在兩個硬件平臺上進(jìn)行：傳感器監(jiān)測和作動流程在 PLC 上實(shí)現(xiàn)，而較復(fù)雜的算法則在 PC 工作站上實(shí)現(xiàn)。接著，在調(diào)試和海上試運(yùn)轉(zhuǎn)階段，對兩種系統(tǒng)開展充分的測試。 我們的工程團(tuán)隊(duì)采取了一種新方法，利用了現(xiàn)代 PLC 的強(qiáng)大處理核心。我們使用基于模型的設(shè)計(jì)以及 MATLAB 和 Simulink 開發(fā)完整控制器并在單一 PLC 上實(shí)現(xiàn)。

然后，我們使用在另一 PLC 上運(yùn)行的物理系統(tǒng) Simscape 模型運(yùn)行硬件在環(huán) （HIL） 測試。 盡管團(tuán)隊(duì)是初次接觸基于模型的設(shè)計(jì)和挖泥船控制應(yīng)用，而且只有三名工程師，但是僅用了短短四個月就完成了原型控制器設(shè)計(jì)，用于精確控制安裝在 30 米吸管上的耙頭，使其位置與目標(biāo)深度相差不超過 5 厘米。現(xiàn)在，我們將開發(fā)的被控對象模型作為挖泥船的數(shù)字孿生，用它來完成挖泥船的虛擬調(diào)試。

建模和桌面仿真

在項(xiàng)目第一階段，我們?yōu)?a target="_blank">控制系統(tǒng)的兩個核心模塊構(gòu)建了模型：吃水和負(fù)載監(jiān)測 （DLM） 與吸管定位監(jiān)測 （STPM）。DLM 模塊實(shí)時測量船舶吃水及當(dāng)前船舶負(fù)載狀態(tài)，然后通過這些測量數(shù)據(jù)計(jì)算縱傾和橫傾。STPM 模塊計(jì)算并監(jiān)測吸管和耙頭的位置。此模塊是系統(tǒng)最復(fù)雜的部分之一，因?yàn)樗褂脺y斜儀、壓力傳感器及其他一些傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜變換，包括旋轉(zhuǎn)和平移。相關(guān)計(jì)算結(jié)果將決定控制吸管的線纜的伸縮幅度。

下一階段，我們?yōu)樽詣影翌^絞盤控制 （ADWC） 模塊構(gòu)建模型，使耙頭（即安裝在吸管末端的集砂器）在疏浚過程中保持在指定位置。此模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動船舶的絞盤及控制波浪補(bǔ)償器，抑制因波浪作用引起的船體振蕩，以確保耙頭與水底保持接觸。 在設(shè)計(jì)控制器的同時，我們還使用 Simscape 和 Simscape Multibody 開發(fā)了被控對象物理模型。

團(tuán)隊(duì)各成員分別負(fù)責(zé)某一特定物理域的各個設(shè)計(jì)層面。例如，一位成員負(fù)責(zé)機(jī)械連桿和關(guān)節(jié)，一位成員負(fù)責(zé)電動機(jī)和電氣子系統(tǒng)，還有一位成員負(fù)責(zé)液壓裝置。整個被控對象模型涵蓋所有這些物理域，并且包含一個船只模型。因此，我們可以仿真整套系統(tǒng)，了解各組件如何隨著船只負(fù)載和浮心的變化協(xié)同工作。

我們結(jié)合使用控制器和被控對象模型，在 Simulink 中運(yùn)行閉環(huán)仿真，驗(yàn)證 DLM、ADWC 和 STPM 模塊的功能。

代碼生成和 HIL 測試

我們在桌面上驗(yàn)證控制設(shè)計(jì)，再轉(zhuǎn)移到 PLC 上開展實(shí)時 HIL 測試。我們從控制器模型生成 C 代碼并將其部署到 Bachmann M1 PLC，之后使用該硬件在船只上進(jìn)行生產(chǎn)部署。同時，我們將 Simscape 模型轉(zhuǎn)換為 C 代碼并部署到 Beckhoff CX2040 PLC，作為 HIL 測試的實(shí)時仿真器。關(guān)聯(lián)兩個 PLC，讓控制器與被控對象模型能夠?qū)崟r交換傳感器讀數(shù)和作動命令。我們使用這一裝置在各種工況下測試控制器，包括很多使用真船測試存在困難或危險(xiǎn)的工況。

圖我們創(chuàng)建了船只三維動畫，以便在 HIL 測試期間觀察船只和吸管動態(tài)行為。我們采用 HIL 裝置并配合動畫，向客戶演示控制設(shè)計(jì)。在為期一天的演示中，我們觸發(fā)故障，將仿真船舶和吸管置于極端工況，并展示控制器如何加以應(yīng)對。鑒于演示非常成功，客戶批準(zhǔn)我們繼續(xù)完成生產(chǎn)設(shè)計(jì)。

使用數(shù)字孿生進(jìn)行虛擬調(diào)試

正式調(diào)試船只之前，我們使用 HIL 裝置，將 PLC 上運(yùn)行的控制器和被控對象作為數(shù)字孿生，在辦公室里完成了大量調(diào)試測試。如果沒有數(shù)字孿生，我們就不得不在真船上完成所有這些測試。正式調(diào)試期間，我們與船上作業(yè)團(tuán)隊(duì)合作解決控制器設(shè)計(jì)存在的問題。一旦船上作業(yè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)問題，我們可以通過數(shù)字孿生復(fù)制問題，更新控制器模型，在數(shù)字孿生上驗(yàn)證修復(fù)效果，然后將更新反饋給船只。

借助數(shù)字孿生，Ingeteam 提前完成了調(diào)試，目前該控制系統(tǒng)已在三艘船上投入使用?，F(xiàn)階段，我們采用基于模型的設(shè)計(jì)和基于 PLC 的 HIL 測試，同時結(jié)合數(shù)字孿生，致力于加快重型起重船控制系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度。

原文標(biāo)題：數(shù)字孿生：使用基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)基于 PLC 的控制器

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