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抽吸疏浚是一项船上作业流程。吸扬挖泥船的复杂装置集液压、机械和电气组件于一身，深入海床挖沙，再转移到其他地点，可用于填海造岛、扩建港口、加深航道或恢复海滩（图 1）。
图 1.吸扬挖泥船。
我们的工程团队采取了一种新方法，利用了现代PLC的强大处理核心。我们使用基于模型的设计以及MATLAB和Simulink开发完整控制器并在单一PLC上实现。然后，我们使用在另一PLC上运行的物理系统Simscape?模型运行硬件在环（HIL）测试。
尽管团队是初次接触基于模型的设计和挖泥船控制应用控制工程网版权所有，而且只有三名工程师，但是仅用了短短四个月就完成了原型控制器设计，用于精确控制安装在30米吸管上的耙头，使其位置与目标深度相差不超过5厘米（图 2）。
图 2.带两个旋转关节的 30 米吸管。
建模和桌面仿真
在项目第一阶段，我们为控制系统的两个核心模块构建了模型：吃水和负载监测（DLM）与吸管定位监测（STPM）。
DLM模块实时测量船舶吃水及当前船舶负载状态，然后通过这些测量数据计算纵倾和横倾。
STPM模块计算并监测吸管和耙头的位置。
此模块是系统最复杂的部分之一，因为它使用测斜仪、压力传感器及其他一些传感器的测量数据进行复杂变换，包括旋转和平移。相关计算结果将决定控制吸管的线缆的伸缩幅度。
下一阶段，我们为自动耙头绞盘控制（ADWC）模块构建模型，使耙头（即安装在吸管末端的集砂器）在疏浚过程中保持在指定位置。
此模块负责驱动船舶的绞盘及控制波浪补偿器，抑制因波浪作用引起的船体振荡，以确保耙头与水底保持接触。
在设计控制器的同时，我们还使用Simscape和Simscape Multibody开发了被控对象物理模型（图 3）。
团队各成员分别负责某一特定物理域的各个设计层面。例如，一位成员负责机械连杆和关节，一位成员负责电动机和电气子系统，还有一位成员负责液压装置。
整个被控对象模型涵盖所有这些物理域，并且包含一个船只模型。因此，我们可以仿真整套系统，了解各组件如何随着船只负载和浮心的变化协同工作。
图 3.上图：吸管的 Simscape 模型。下图：Mechanics Explorer 视图。
我们结合使用控制器和被控对象模型，在Simulink中运行闭环仿真CONTROL ENGINEERING China版权所有，验证DLM、ADWC和STPM模块的功能。
代码生成和HIL测试
我们在桌面上验证控制设计，再转移到PLC上开展实时HIL测试。
我们从控制器模型生成C代码并将其部署到Bachmann M1 PLC，之后使用该硬件在船只上进行生产部署。
同时，我们将Simscape模型转换为C代码并部署到Beckhoff CX2040 PLC，作为HIL测试的实时仿真器。
关联两个PLC，让控制器与被控对象模型能够实时交换传感器读数和作动命令（图 4）。我们使用这一装置在各种工况下测试控制器，包括很多使用真船测试存在困难或危险的工况。
图 4.关联控制PLC和被控对象PLC以开展HIL测试。
我们创建了船只三维动画，以便在HIL测试期间观察船只和吸管动态行为。我们采用HIL装置并配合动画，向客户演示控制设计（图 5）。
在为期一天的演示中CONTROL ENGINEERING China版权所有，我们触发故障，将仿真船舶和吸管置于极端工况，并展示控制器如何加以应对。鉴于演示非常成功，客户批准我们继续完成生产设计。
图 5.挖泥船的HIL测试装置及三维动画。
使用数字孪生进行虚拟调试
正式调试船只之前，我们使用HIL装置，将PLC上运行的控制器和被控对象作为数字孪生，在办公室里完成了大量调试测试。
如果没有数字孪生，我们就不得不在真船上完成所有这些测试。
正式调试期间CONTROL ENGINEERING China版权所有，我们与船上作业团队合作解决控制器设计存在的问题。
一旦船上作业团队发现问题www.cechina.cn，我们可以通过数字孪生复制问题，更新控制器模型，在数字孪生上验证修复效果，然后将更新反馈给船只。
借助数字孪生，Ingeteam提前完成了调试，目前该控制系统已在三艘船上投入使用。
现阶段，我们采用基于模型的设计和基于PLC的HIL测试，同时结合数字孪生，致力于加快重型起重船控制系统的开发进度。
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