总线式多轴运动控制系统在造波机中的应用

陈俊+王磊+王天奕+丘瑾炜+郭泽斌

摘 要：首先简单介绍了造波机系统构成，分析了不同造波方式和不同驱动方式的造波機的原理及优缺点。其次介绍了几种广泛使用的现场总线，概述了这些总线的技术特点，分析了这些总线在造波机系统中的应用结构。最后给出一些总线式多轴控制系统在造波机中的应用实例。

关键词：总线 多轴 运动控制 造波机

中图分类号：TH123 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（b）-0133-02

目前，国内研究海浪及其对海洋工程的影响主要倾向于在实验室中进行物理模型研究。港池多向不规则造波机系统是在实验室中进行海浪模拟的主要专业设备[1]。而基于总线控制系统具有数字信号传输、系统完全开放、复杂多样的通信服务和现场设备的智能化的特点，这些特点使其成为现代工业控制发展的主要方向[2]。本文主要探讨基于现场总线的多轴运动控制系统在造波机中的应用。

1 造波机介绍

造波机是一种与海浪试验水池配套的基础设施，主要包括上位机、下位机、运动控制器、伺服驱动器、伺服电机、执行机构、零位检测与控制和推波板等组成部分。

1.1 造波机分类

常见的造波方式有4种：气动式、摇板式、推板式和冲箱式[3]。造波机原理结构见图1。

1.2 造波机驱动方式

目前造波机的驱动方式主要有3种：伺服电机驱动式、伺服液压驱动式和气压式[3]。

伺服电机驱动的优点是控制性能好，响应速度快且无污染；在高速、高精度、小型节能方面更能满足要求；调速范围宽。无明显缺点。

伺服液压驱动的优点是输出转矩大，负载能力强；频率响应快，控制精度高；适用于大功率的港池造波试验。缺点是易漏油，维护不便；造价一般比伺服电机要高。

气压式的优点是不生锈，不漏油。缺点是控制精度低。

2 现场总线

现场总线具有简单、可靠、经济实用等主要优点，在各工业领域得到了很好的应用。其中，CAN总线、SynqNet总线和EtherCAT总线在造波机系统中应用最为广泛，下面分别介绍。

2.1 CAN总线

CAN总线是一种串行数据通信协议，其构成的现场总线网络的结构一般由主控节点和各分控节点组成，主控节点和各分控节点都是挂接在同一CAN总线上，他们之间的通信是通过CAN通信卡和接口模块实现[4]。基于CAN总线的运动控制系统结构见图2。

2.2 SynqNet总线

SynqNet总线是MEI公司设计的一种运动控制网络，采用环形容错设计，可实现机器运行的高可靠性[5]。SynqNet容错机制见图3。

基于SynqNet总线的运动控制系统结构见图4。

2.3 EtherCAT总线

EtherCAT由德国倍福自动化有限公司（Beckhoff）研发。EtherCAT的网络通常为一主多从结构。基于EtherCAT总线的运动控制系统结构与SynqNet总线类似（见图5）[6]。

3 主要总线在造波机系统中的应用

以下给出CAN总线、SynqNet总线和EtherCAT总线在造波机系统中的应用。

3.1 CAN总线在造波机系统中的应用

广州珠江水利科学研究院里水试验基地拥有1座波浪水池。该波浪水池规格为宽40m、长50m、最大水深1.0m。系统基于CAN总线结构，由1台上位机通过以太网控制10台运动控制器，每台运动控制器控制8台伺服电机。

3.2 SynqNet总线在造波机系统中的应用

浙江大学舟山校区，有一长度为70m，宽度为40m，池深为1.5m的水池，内部拥有1套L型多向不规则波造波机系统。水池一侧安装112套宽0.5m的造波单元，相邻一侧安装68套宽0.5m的造波单元，共180套造波单元，整个系统呈L型分布。系统基于SynqNet总线结构，由1台上位机通过以太网控制6台运动控制器，每台运动控制器控制32台伺服电机。

3.3 EtherCAT总线在造波机系统中的应用

上海某研究所有1套L型多向不规则波造波机系统。该波浪水池长100m、宽60m、深8m，在水池相邻的两边分别安装78套宽0.6m的造波单元，共156套造波单元，整个系统呈L型分布。系统基于EtherCAT总线结构，由1台上位机通过1台主站运动控制器控制6台从站运动控制器，每台从站运动控制器控制26台伺服电机。

4 结语

本文概述了几种总线式造波机系统结构、原理及应用，对了解造波机原理及现场总线结构的科研人员具有一定的指导意义，对造波机系统设计选型具有一定参考价值。

参考文献

[1] 罗朝林，何启连，吴华良，等.多向不规则造波机系统监控软件设计[J].人民珠江，2011，3（19）：56-59.

[2] 徐福荣.基于网络的造波机运动控制系统研究[D].大连：大连理工大学，2007.

[3] 舒志兵.现场总线网络化多轴运动控制系统研究与应用[M].上海：上海科学技术出版社，2012.

[4] 舒志兵，张杰.基于CAN总线的网络化运动控制系统的研究[J].机械设计与制造，2008（1）：181-183.

[5] 李木国，徐福荣.基于SynqNet的多向不规则波造波机控制系统[J].测控技术，2007，26（10）：37-39.

[6] 王国河.基于实时以太网EtherCAT的多轴网络运动控制系统设计[D].广州：华南理工大学，2012.endprint