抽吸疏浚是一項船上作業流程。吸揚挖泥船的復雜裝置集液壓、機械和電氣組件于一身，深入海床挖沙，再轉移到其他地點，可用于填海造島、擴建港口、加深航道或恢復海灘。

圖 1.吸揚挖泥船。傳統挖泥船控制器設計分別在兩個硬件平臺上進行：傳感器監測和作動流程在 PLC 上實現，而較復雜的算法則在 PC 工作站上實現。接著，在調試和海上試運轉階段，對兩種系統開展充分的測試。 我們的工程團隊采取了一種新方法，利用了現代 PLC 的強大處理核心。我們使用基于模型的設計以及 MATLAB 和 Simulink 開發完整控制器并在單一 PLC 上實現。

然后，我們使用在另一 PLC 上運行的物理系統 Simscape 模型運行硬件在環 （HIL） 測試。 盡管團隊是初次接觸基于模型的設計和挖泥船控制應用，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計，用于精確控制安裝在 30 米吸管上的耙頭，使其位置與目標深度相差不超過 5 厘米?，F在，我們將開發的被控對象模型作為挖泥船的數字孿生，用它來完成挖泥船的虛擬調試。

建模和桌面仿真

在項目第一階段，我們為控制系統的兩個核心模塊構建了模型：吃水和負載監測 （DLM） 與吸管定位監測 （STPM）。DLM 模塊實時測量船舶吃水及當前船舶負載狀態，然后通過這些測量數據計算縱傾和橫傾。STPM 模塊計算并監測吸管和耙頭的位置。此模塊是系統最復雜的部分之一，因為它使用測斜儀、壓力傳感器及其他一些傳感器的測量數據進行復雜變換，包括旋轉和平移。相關計算結果將決定控制吸管的線纜的伸縮幅度。

下一階段，我們為自動耙頭絞盤控制 （ADWC） 模塊構建模型，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。此模塊負責驅動船舶的絞盤及控制波浪補償器，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。 在設計控制器的同時，我們還使用 Simscape 和 Simscape Multibody 開發了被控對象物理模型。

團隊各成員分別負責某一特定物理域的各個設計層面。例如，一位成員負責機械連桿和關節，一位成員負責電動機和電氣子系統，還有一位成員負責液壓裝置。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，了解各組件如何隨著船只負載和浮心的變化協同工作。

我們結合使用控制器和被控對象模型，在 Simulink 中運行閉環仿真，驗證 DLM、ADWC 和 STPM 模塊的功能。

代碼生成和 HIL 測試

我們在桌面上驗證控制設計，再轉移到 PLC 上開展實時 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行生產部署。同時，我們將 Simscape 模型轉換為 C 代碼并部署到 Beckhoff CX2040 PLC，作為 HIL 測試的實時仿真器。關聯兩個 PLC，讓控制器與被控對象模型能夠實時交換傳感器讀數和作動命令。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的工況。

圖我們創建了船只三維動畫，以便在 HIL 測試期間觀察船只和吸管動態行為。我們采用 HIL 裝置并配合動畫，向客戶演示控制設計。在為期一天的演示中，我們觸發故障，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對。鑒于演示非常成功，客戶批準我們繼續完成生產設計。

使用數字孿生進行虛擬調試

正式調試船只之前，我們使用 HIL 裝置，將 PLC 上運行的控制器和被控對象作為數字孿生，在辦公室里完成了大量調試測試。如果沒有數字孿生，我們就不得不在真船上完成所有這些測試。正式調試期間，我們與船上作業團隊合作解決控制器設計存在的問題。一旦船上作業團隊發現問題，我們可以通過數字孿生復制問題，更新控制器模型，在數字孿生上驗證修復效果，然后將更新反饋給船只。

借助數字孿生，Ingeteam 提前完成了調試，目前該控制系統已在三艘船上投入使用?，F階段，我們采用基于模型的設計和基于 PLC 的 HIL 測試，同時結合數字孿生，致力于加快重型起重船控制系統的開發進度。

原文標題：數字孿生：使用基于模型的設計開發基于 PLC 的控制器

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責任編輯：haq