基于模型设计的抽吸式挖泥船plc控制开发

吸力疏浚是在船舶上进行的一种工业过程。吸力挖泥船的复杂的船载机械结合了液压、机械和电气部件，从海底抽取沙粒，并将其移动到另一个位置，以建造岛屿，扩大港口，加深水道，或恢复海滩(图1)。

挖泥船机械的传统控制器设计分为两个硬件平台:传感器监测和驱动过程在PLC上实现，而更复杂的算法在PC工作站上实现。这两个系统都在调试和海上试验期间进行了广泛的测试。

我们的工程团队采用了一种新的方法，利用了现代plc上强大的处理核心。我们在MATLAB中使用基于模型的设计^®和仿真软件^®开发完整的控制器，并在一台PLC上实现。然后，我们使用在第二个PLC上运行的物理系统的Simscape™模型运行硬件在环(HIL)测试。

虽然我们是基于模型的设计和挖泥船控制应用的新手，但在4个月内，我们只有3名工程师的团队已经完成了一个原型控制器，能够将安装在30米吸入管上的挖泥船头保持在其目标深度5厘米以内(图2)。我们开发的工厂模型现在作为挖泥船的数字孪生兄弟，使我们能够完成船只的虚拟调试。

建模与桌面仿真

在项目的第一阶段，我们建模了控制系统的两个核心模块:吃水和负载监测(DLM)和吸入管定位监测(STPM)。DLM模块提供船舶吃水和船舶负载的当前状态的实时测量，并使用这些测量数据计算纵倾和纵倾。STPM模块计算并监测吸入管和疏浚头的位置。该模块是系统中最复杂的模块之一，因为它使用倾角计、压力传感器和其他传感器的测量数据来执行复杂的转换，包括旋转和平移。这些计算决定了支撑吸入管的电缆的缩回或伸展程度。

下一阶段，我们对自动拖头绞车控制(ADWC)模块进行了建模，该模块负责维护绞车的位置draghead(安装在吸沙管末端的集沙器)。该模块负责驱动船舶的绞车，并控制一个膨胀补偿器，以抑制由波浪作用引起的船舶振荡，以确保拖船头与地面保持接触。

在设计控制器时，我们使用Simscape和Simscape多体™开发了工厂的物理模型(图3)。每个团队成员都专注于特定物理领域的设计方面。例如，一名成员研究机械连杆和关节，另一名研究电机和电气子系统，另一名研究液压。完整的工厂模型跨越了所有这些物理领域，包括一个容器本身的模型。因此，我们能够模拟整个系统，看看当船只的负载和浮力中心发生变化时，所有组件是如何一起工作的。

我们将控制器和工厂模型结合起来，并在Simulink中运行闭环仿真，以验证DLM、ADWC和STPM模块的功能。

代码生成和HIL测试

在桌面上验证了控制设计之后，我们转移到PLC上的实时HIL测试。我们从我们的控制器模型生成C代码，并将其部署到Bachmann M1 PLC上，我们稍后将使用相同的硬件在船上进行生产部署。我们还将Simscape模型转换为C代码，并将其部署到Beckhoff CX2040 PLC上，作为HIL测试的实时模拟器。我们连接了两个plc，使控制器和工厂模型能够实时交换传感器读数和驱动命令(图4)。我们使用这种设置在各种操作条件下测试控制器，包括许多在真实船舶上测试是困难或危险的。

我们创建了血管的3D动画，使我们能够在HIL测试中查看血管和吸入管的动态行为。我们使用HIL设置，并完成动画，向我们的客户演示控制设计(图5)。在一整天的演示中，我们触发了故障，并将模拟的船舶和吸入管置于极端条件下，以显示控制器如何响应。基于成功的演示，客户同意我们继续进行生产设计。

使用数字双胞胎进行虚拟调试

在正式调试开始之前，我们使用了我们的HIL设置——控制器和工厂运行在plc上——作为一个数字双胞胎，在我们的办公室完成了许多调试测试。如果没有数字双胞胎，我们就得在真正的血管上进行所有这些测试。在正式调试期间，我们与机载团队一起解决了控制器设计方面的问题。当船上的团队发现一个问题时，我们能够用数字双胞胎复制它，更新我们的控制器模型，验证数字双胞胎上的修复，然后向船上发送更新。

数字双胞胎使Ingeteam能够提前完成调试，目前控制系统已在三艘船上运行。我们目前正在使用基于模型的设计和基于plc的HIL测试，并使用数字双胞胎来加速重型起重船舶控制系统的开发。