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所示。挖泥船。
传统的挖泥船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，而更复杂的算法则在PC工作站上实现。两种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®和仿真软万博1manbetx件®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。
虽然我们对基于模型的设计和挖泥船控制应用还很陌生，在四个月内我们队的三名工程师已完成原型控制器能够保持疏浚头安装在30米吸入管在五厘米的目标深度开发的植物模型(图2)。现在作为数字挖泥船的双胞胎,使我们能够完整的虚拟调试船舶。
图2。30米的吸入管有两个旋转接头。
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:通风和负荷监测(DLM)和吸入管定位监测(STPM)。DLM模块提供了船舶吃水和船舶当前负载状态的实时测量，并使用这些测量来计算纵倾和列表。STPM模块计算并监控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，因为它使用倾角仪、压力传感器和其他传感器的测量来执行复杂的转换，包括旋转和平移。这些计算决定了收回或延长多少电缆，以保持吸引管。
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，我们使用Simscape和Simscape Multibody™开发了工厂的物理模型(图3)。单个团队成员关注特定于特定物理领域的设计方面。例如，一个成员研究机械连杆和关节，另一个研究电机和电气子系统，还有一个研究液压。完整的植物模型跨越了所有这些物理领域，并包括了容器本身的模型。因此，我们能够模拟整个系统，以了解当船舶的负载和浮力中心发生变化时，所有组件是如何协同工作的。
图3。上图:吸气管的Simscape模型。下图:机制探索视图。
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。万博1manbetx
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。
我们创建了血管的3D动画，使我们能够在HIL测试期间查看血管和吸管的动态行为。在长达一天的演示过程中，我们触发了故障，并将模拟的船舶和吸力管置于极端条件下，以显示控制器的响应情况。在成功的演示基础上，客户同意我们进行生产设计。
图5。带有挖泥船3D动画的HIL测试设置
虚拟调试与数字孪生
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。
数字孪生系统使Ingeteam能够提前完成调试，目前控制系统已在三艘船上运行。目前，我们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控制系统的开发。
