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以模型为基础的设计开发结合液压、机械和电气之PLC-Based控制器
以绞吸式挖泥船为例
[作者 Roberto Vazquez]   2021年03月18日 星期四 浏览人次: [1635]

本文以绞吸式挖泥船为例说明,当在挖泥船上执行绞吸式疏浚流程时,透过以模型为基础的设计开发结合液压、机械和电气之PLC-Based控制器,如何从侦测到问题後搭配数位分身更新控制器模型并且验证修复,藉以有效解决开发挖泥船控制设计的问题。


绞吸式疏浚是一项在船上执行的产业流程,进行疏浚的绞吸式挖泥船上装载了结合液压、机械、和电气等元件的复杂机械装置,抽取海床上的沙子并将沙子搬移到另外一个地方,用来建造岛屿、扩张港囗、加深航道、或者复原海岸(图1)。



图1 : 绞吸式挖泥船。
图1 : 绞吸式挖泥船。

传统挖泥船机械的控制器设计被分割在两种硬体平台上:感测器监控与致动处理是在PLC上实现,而更复杂的演算法则是在PC工作站上实现;两种系统之後都会在服役和海上测试时进行密集的测试。


我们的工程团队采用了一种新的方法,这种方法借助现代化PLC的强大处理核心。我们使用MATLAB和Simulink提供的以模型为基础的设计(Model-Based Design)流程平台来开发完整的控制器模型,并在单独的PLC上进行实现;接着,在第二个PLC上透过该平台提供的Simscape 物理系统模型来进行硬体??圈(hardware-in-the-loop;HIL)测试。


以模型为基础的新方法对我们而言是很新的设计概念,不过我们使用这个新方法来开发挖泥船控制,结果是仅仅用了三名工程师的团队,在四个月之内便完成了能够将固定於30公尺长的吸入管上的吸头维持在距离目标深度5公分以内的控制器原型(图2)。而开发完成的受控体模型,现在则被用来作为挖泥船的数位分身(Digital Twin),让我们可以完成船舰的虚拟服役模拟。



图2 : 带有两个旋转关节的30公尺长吸入管。
图2 : 带有两个旋转关节的30公尺长吸入管。

建立模型与桌机模拟

在开发专案的第一阶段,我们透过模型基础设计来建立了控制系统的两个核心模组的模型:满载吃水监控(Draught and Load Monitoring;DLM)与吸入管定位监控(Suction Tube Positioning Monitoring;STPM)。DLM模组提供船只吃水的即时量测资料和船只当下的负载,并使用这些量测资料来计算吃水差(trim)和偏斜(list)。STPM模组则计算并监控吸入管和吸头的位置;这个模组是系统最为错综复杂的部份之一,因为它使用到来自於倾斜仪(inclinometers)、压力感测器、以及其他感测器的量测资料来执行复杂的转换,包含旋转和平移;这些计算决定了支撑吸入管的绳索要缩短或延长多少。


下一个阶段,利用MATLAB & Simulink的模型基础设计方法建立了自动吸头绞盘控制(Automatic Draghead Winch Control;ADWC)模组的模型,它会在疏浚时维持吸头(draghead,装置在吸入管末端的沙子收集器)的位置。这个模组负责船只绞盘的致动以及波浪补偿器(swell compensator)的控制,以抑制因波浪动作引起船只波动,确保吸头与地面维持接触。


控制器的设计,我们是透过Simscape和Simscape Multibody开发受控体的物理模型(图3),每一位团队成员各专注一个特定物理领域方面的设计;举例来说,一位成员进行机械的连动与接合,一位进行电动马达与电动子系统,另外一位则是液压,设计完成的完整的受控体模型跨越了这些物理领域,并包含了一个船只本身的模型;因此,我们能够对完整的系统进行模拟,以检视所有的元件随着船只的装载及浮力中心变动时的合力运作结果如何。



图3 : (上)吸入管的Simscape模型;(下)Mechanics Explorer动态图示。
图3 : (上)吸入管的Simscape模型;(下)Mechanics Explorer动态图示。

我们结合了控制器与受控体模型,并且在Simulink中执行封闭??路模拟(closed-loop simulations)来检验DLM、ADWC、和STPM模组的功能性。


程式码生成与HIL测试

在桌上电脑检验过控制器的设计之後,把即时的硬体??圈测试(HIL)测试搬到PLC上。流程在於透过模型基础设计方法提供的自动转码软体来产生控制器模型的C程式码,并且将程式码部署在一个Bachmann M1 PLC上面,这也是我们之後同样想用来在船上进行产品部署的硬体。


我们也将Simscape上的模型转换为C程式码,并且部署到Beckhoff CX2040 PLC上面,在HIL测试上它用来当作即时模拟器。接着,连结两个PLCs,让控制器和受控体模型可以即时地交换感测器读数和致动指令(图4)。我们使用这样的设置在各种操作条件来测试控制器,包含许多难以在真实船只上进行或者是具危险性操作条件的种种测试。



图4 : 控制PLC和受控体PLC相连以进行HIL测试。
图4 : 控制PLC和受控体PLC相连以进行HIL测试。

透过模型的基础设计,我们也设计了一个船只的3D动画来查看船只和吸入管在HIL测试时的动态行为,我们并使用HIL设置及动画来向客户展示控制设计(图5)。在长达一天的设计展示,我们触发故障情境,并模拟船只和吸入管在承受极端的条件下控制器会如何反应,由於这次成功的示范,客户批准我们得以继续进行生产设计。



图5 : 附带挖泥船3D动画的HIL测试设置。
图5 : 附带挖泥船3D动画的HIL测试设置。

透过数位分身进行虚拟服役

在船只正式开始服役之前,我们使用控制器和受控体皆执行在PLCs上面这样的HIL设置做为数位分身,在办公室内完成多项服役测试;若不是使用数位分身,可能会需要在真正的船上执行所有测试。


在正式服役时,我们与船上的团队合作来解决控制器设计的问题;当船上团队侦测到问题,我们可以把问题复制到数位分身上,更新我们的控制器模型,在数位分身上验证修复的结果,接着再将更新传送到船上。


透过采用数位分身,让我们Ingeteam的船只比原定排程更早就进入了服役阶段,而这个控制系统现在也已运行在三艘船上了。我们目前也正在使用以模型为基础的设计和PLC-based HIL测试搭配数位分身来加速起重机船控制系统的开发。


(本文由??思科技提供;作者Roberto Vazquez任职於Ingeteam Marine Systems公司)


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