本文以絞吸式挖泥船為例說明，當(dāng)在挖泥船上執(zhí)行絞吸式疏浚流程時，透過以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計開發(fā)結(jié)合液壓、機(jī)械和電氣之PLC-Based控制器，如何從偵測到問題後搭配數(shù)位分身更新控制器模型並且驗(yàn)證修復(fù)，藉以有效解決開發(fā)挖泥船控制設(shè)計的問題。
絞吸式疏浚是一項(xiàng)在船上執(zhí)行的產(chǎn)業(yè)流程，進(jìn)行疏浚的絞吸式挖泥船上裝載了結(jié)合液壓、機(jī)械、和電氣等元件的複雜機(jī)械裝置，抽取海床上的沙子並將沙子搬移到另外一個地方，用來建造島嶼、擴(kuò)張港口、加深航道、或者復(fù)原海岸（圖1）。
傳統(tǒng)挖泥船機(jī)械的控制器設(shè)計被分割在兩種硬體平臺上：感測器監(jiān)控與致動處理是在PLC上實(shí)現(xiàn)，而更複雜的演算法則是在PC工作站上實(shí)現(xiàn)；兩種系統(tǒng)之後都會在服役和海上測試時進(jìn)行密集的測試。
我們的工程團(tuán)隊(duì)採用了一種新的方法，這種方法借助現(xiàn)代化PLC的強(qiáng)大處理核心。我們使用MATLAB和Simulink提供的以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計（Model-Based Design）流程平臺來開發(fā)完整的控制器模型，並在單獨(dú)的PLC上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；接著，在第二個PLC上透過該平臺提供的Simscape 物理系統(tǒng)模型來進(jìn)行硬體迴圈（hardware-in-the-loop；HIL）測試。
以模型為基礎(chǔ)的新方法對我們而言是很新的設(shè)計概念，不過我們使用這個新方法來開發(fā)挖泥船控制，結(jié)果是僅僅用了三名工程師的團(tuán)隊(duì)，在四個月之內(nèi)便完成了能夠?qū)⒐潭?0公尺長的吸入管上的吸頭維持在距離目標(biāo)深度5公分以內(nèi)的控制器原型（圖2）。而開發(fā)完成的受控體模型，現(xiàn)在則被用來作為挖泥船的數(shù)位分身（Digital Twin），讓我們可以完成船艦的虛擬服役模擬。
| 圖2 : 帶有兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的30公尺長吸入管。 |
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建立模型與桌機(jī)模擬
在開發(fā)專案的第一階段，我們透過模型基礎(chǔ)設(shè)計來建立了控制系統(tǒng)的兩個核心模組的模型：滿載吃水監(jiān)控（Draught and Load Monitoring；DLM）與吸入管定位監(jiān)控（Suction Tube Positioning Monitoring；STPM）。DLM模組提供船隻吃水的即時量測資料和船隻當(dāng)下的負(fù)載，並使用這些量測資料來計算吃水差（trim）和偏斜（list）。STPM模組則計算並監(jiān)控吸入管和吸頭的位置；這個模組是系統(tǒng)最為錯綜複雜的部份之一，因?yàn)樗褂玫絹碜造秲A斜儀（inclinometers）、壓力感測器、以及其他感測器的量測資料來執(zhí)行複雜的轉(zhuǎn)換，包含旋轉(zhuǎn)和平移；這些計算決定了支撐吸入管的繩索要縮短或延長多少。
下一個階段，利用MATLAB & Simulink的模型基礎(chǔ)設(shè)計方法建立了自動吸頭絞盤控制（Automatic Draghead Winch Control；ADWC）模組的模型，它會在疏浚時維持吸頭（draghead，裝置在吸入管末端的沙子收集器）的位置。這個模組負(fù)責(zé)船隻絞盤的致動以及波浪補(bǔ)償器（swell compensator）的控制，以抑制因波浪動作引起船隻波動，確保吸頭與地面維持接觸。
控制器的設(shè)計，我們是透過Simscape和Simscape Multibody開發(fā)受控體的物理模型（圖3），每一位團(tuán)隊(duì)成員各專注一個特定物理領(lǐng)域方面的設(shè)計；舉例來說，一位成員進(jìn)行機(jī)械的連動與接合，一位進(jìn)行電動馬達(dá)與電動子系統(tǒng)，另外一位則是液壓，設(shè)計完成的完整的受控體模型跨越了這些物理領(lǐng)域，並包含了一個船隻本身的模型；因此，我們能夠?qū)ν暾南到y(tǒng)進(jìn)行模擬，以檢視所有的元件隨著船隻的裝載及浮力中心變動時的合力運(yùn)作結(jié)果如何。
| 圖3 : （上）吸入管的Simscape模型；（下）Mechanics Explorer動態(tài)圖示。 |
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我們結(jié)合了控制器與受控體模型，並且在Simulink中執(zhí)行封閉迴路模擬（closed-loop simulations）來檢驗(yàn)DLM、ADWC、和STPM模組的功能性。
程式碼生成與HIL測試
在桌上電腦檢驗(yàn)過控制器的設(shè)計之後，把即時的硬體迴圈測試（HIL）測試搬到PLC上。流程在於透過模型基礎(chǔ)設(shè)計方法提供的自動轉(zhuǎn)碼軟體來產(chǎn)生控制器模型的C程式碼，並且將程式碼部署在一個Bachmann M1 PLC上面，這也是我們之後同樣想用來在船上進(jìn)行產(chǎn)品部署的硬體。
我們也將Simscape上的模型轉(zhuǎn)換為C程式碼，並且部署到Beckhoff CX2040 PLC上面，在HIL測試上它用來當(dāng)作即時模擬器。接著，連結(jié)兩個PLCs，讓控制器和受控體模型可以即時地交換感測器讀數(shù)和致動指令（圖4）。我們使用這樣的設(shè)置在各種操作條件來測試控制器，包含許多難以在真實(shí)船隻上進(jìn)行或者是具危險性操作條件的種種測試。
| 圖4 : 控制PLC和受控體PLC相連以進(jìn)行HIL測試。 |
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透過模型的基礎(chǔ)設(shè)計，我們也設(shè)計了一個船隻的3D動畫來查看船隻和吸入管在HIL測試時的動態(tài)行為，我們並使用HIL設(shè)置及動畫來向客戶展示控制設(shè)計（圖5）。在長達(dá)一天的設(shè)計展示，我們觸發(fā)故障情境，並模擬船隻和吸入管在承受極端的條件下控制器會如何反應(yīng)，由於這次成功的示範(fàn)，客戶批準(zhǔn)我們得以繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計。
| 圖5 : 附帶挖泥船3D動畫的HIL測試設(shè)置。 |
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透過數(shù)位分身進(jìn)行虛擬服役
在船隻正式開始服役之前，我們使用控制器和受控體皆執(zhí)行在PLCs上面這樣的HIL設(shè)置做為數(shù)位分身，在辦公室內(nèi)完成多項(xiàng)服役測試；若不是使用數(shù)位分身，可能會需要在真正的船上執(zhí)行所有測試。
在正式服役時，我們與船上的團(tuán)隊(duì)合作來解決控制器設(shè)計的問題；當(dāng)船上團(tuán)隊(duì)偵測到問題，我們可以把問題複製到數(shù)位分身上，更新我們的控制器模型，在數(shù)位分身上驗(yàn)證修復(fù)的結(jié)果，接著再將更新傳送到船上。
透過採用數(shù)位分身，讓我們Ingeteam的船隻比原定排程更早就進(jìn)入了服役階段，而這個控制系統(tǒng)現(xiàn)在也已運(yùn)行在三艘船上了。我們目前也正在使用以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計和PLC-based HIL測試搭配數(shù)位分身來加速起重機(jī)船控制系統(tǒng)的開發(fā)。
（本文由鈦思科技提供；作者Roberto Vazquez任職於Ingeteam Marine Systems公司）
