抽吸式挖泥是在船上进行的工业过程。吸力挖泥船将液压、机械和电子部件结合在一起，将海床上的沙子提取出来，并将其移动到另一个位置，以建造岛屿、扩大港口、加深航道或恢复海滩(图1)。
图1.吸入挖泥船。
用于挖泥船机械的传统控制器设计在两个硬件平台之间分配：传感器监控和驱动过程在PLC上实现，而在PC工作站上实现了更复杂的算法。然后在调试期间和海上试验中广泛测试两个系统。
我们的工程团队采用了一种新方法，利用了现代plc上强大的处理核心。我们使用基于模型的设计与MATLAB®和模拟金宝app®开发完整的控制器，并在单个PLC上实现。然后，我们使用在第二台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程序，但在四个月内，我们只有三个工程师的团队完成了一种原型控制器，能够将挖沟头安装在30米的吸管上，以便在其目标的五厘米范围内。深度（图2）。我们开发的工厂型号现在是挖泥船的数字双胞胎，使我们能够完成船只的虚拟调试。
图2. 30米吸管，有两个旋转接头。
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：牵引和负载监测（DLM）和吸管定位监测（STPM）。DLM模块提供船舶草案的实时测量和船舶加载的当前状态，并使用这些测量来计算修剪和列表。STPM模块计算并监控吸管和疏通头的位置。该模块是系统中最复杂的一个，因为它使用来自倾角计，压力传感器和其他传感器的测量来执行复杂的变换，包括旋转和翻译。这些计算确定缩回或延伸握住吸管的电缆的多少。
在下一阶段，我们对自动拖头绞车控制(ADWC)模块进行了建模，该模块保持了绞车的位置draghead(安装在吸沙管末端的集沙器)。该模块负责启动船舶的绞盘，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，以确保拖曳头与地面接触。
在设计控制器时，我们开发了具有Simscape和Simscape Multibody™的工厂的物理模型（图3）。各个团队成员专注于特定物理领域特定的设计的方面。例如，一个成员在电动机和电气子系统上的机械连接和关节上工作，另一个成员在液压系统上进行了另一个。完整的工厂模型跨越所有这些物理域并包括船只本身的模型。因此，我们能够模拟完整的系统，了解所有组件如何在船舶的负载和浮力中心变化时如何合作。
图3.顶部：吸管的Simscape模型。底部：力学探险家视图。
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。金宝app
代码生成和HIL测试
在验证了桌面控制设计后，我们在PLC上进行了实时HIL测试。我们从控制器模型中生成C代码，并将其部署到Bachmann M1 PLC上，随后我们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中，作为HIL测试中的实时模拟器。我们联系这两个制度,使控制器和植物模型实时交换传感器读数和驱动命令(图4)。我们使用这个设置测试控制器在不同的运行条件,包括许多困难或危险的测试在一个真正的船。
图4。控制PLC和工厂PLC连接在一起进行HIL测试。
我们创建了船舶的3D动画，使我们能够在HIL测试期间查看船只和吸管的动态行为。我们使用HIL设置，完成动画，向客户展示控制设计（图5）。在日常演示期间，我们触发了故障并使模拟船舶和吸管进行了极端条件，以显示控制器如何响应。根据成功的演示，客户使我们批准继续生产设计。
图5。带有挖泥船3D动画的HIL测试设置
虚拟调试用数字双胞胎
在正式调试开始之前，我们使用我们的HIL设置(控制器和设备运行在plc上)作为数字孪生，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，我们就得在实际的飞船上进行所有这些测试。在正式调试期间，我们与机载团队合作解决控制器设计方面的问题。当船上的团队检测到问题时，我们可以用数字孪生系统复制问题，更新控制器模型，验证数字孪生系统的修复，然后向船上发送更新。
数字双胞胎使Ingeteam能够提前完成调试，并且控制系统现在在三个船上运行。我们目前正在使用基于模型的设计和基于PLC的HIL测试，这是一种数字双胞胎，可加速重型起重机容器的控制系统的开发。
