模擬波浪的船舶試驗水池可以用來產生各種波浪，來評價海上作業的可靠性和安全性，造波機是與船舶試驗水池配套的最重要的基礎設施，用來產生不同波長和波高的各種形式的波浪，模擬實際波浪對船只或水中建筑物的影響，測定試驗數據，為科學試驗和工程設計提供可靠的依據。
科學試驗對數據多樣性和準確度要求的不斷提高對試驗水池的規模和造波系統造波板的數量都提出了更高的要求，即將投入使用的目前亞洲最大的船舶試驗水池長320米，寬10米，工作水深為5米，共采用了160塊造波板，能夠產生多向不規則波形，其中最大波高可達0.4米。對于這種大型的復雜造波系統，要實現160塊造波板的同步運行并保證波形的準確度對其控制系統的性能要求非常高。由Danaher Motion公司提供基于高性能運動控制網絡SynqNet的運動控制卡ZMP、電機、驅動器、工業執行器以及由大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室開發的控 制軟件相配合最終成功實現了160塊造波板的高精度同步。
造波機控制系統架構
在以往的造波機控制系統中，采用單臺計算機模擬信號控制方式，通過計算機算出每一塊造波板的運行軌跡，然后通過D/A接口轉換成控制造波板運行的信號，傳送給工業直線執行器驅動器，但這種模擬信號的控制方式存在一個致命的弱點，就是抗干擾能力差，不能滿足這種160塊造波板同步運行所要求的高精度。經過多方考察，最終的控制系統采用先進的數字信號及網絡控制的方式，用一臺上位機通過以太網控制多臺下位機，下位機與執行機構之間的通信通過SynqNet網絡控制卡并配備專用的線路相連接。這種數字化信息網絡控制技術降低了系統整體成本、傳輸速率高并且穩定可靠性也得到大幅提高。
造波機的整個控制系統由上位機、下位機以及由電機、驅動器、工業直線執行器組成的執行機構部分構成，如圖1所示：
上位機是整個系統的主控機，用普通PC或工控機都可以，作為整個系統的控制中樞，所有控制命令的發送、圖形顯示和數據處理等任務都由它來完成。
下位機的主要任務是接收上位機發來的控制命令，通過運動控制接口完成對所分管的每塊造波板相應的控制，同時將造波板的工作狀態上傳給上位機。下位機內嵌的運動控制卡選用了丹納赫傳動公司的SynqNet總線運動控制卡ZMP，下位機程序通過控制它，使之發出有規律的數字脈沖及方向控制信號，送往驅動器控制伺服電機完成相應的正反向運轉。
在實際的造波過程中，造波系統需要模擬一個波譜時，首先要根據目標譜，通過人機界面設定欲模擬波浪的相關參數，上位機根據系統的傳遞函數，利用反傅立葉變換計算出每塊造波板運行的時間序列值控制信號，傳送到相應的下位機，下位機接收到上位機的指令后，啟動造波程序。同時上位機通過內部的控制軟件采集波高參數與實際波形的誤差，以及實際周期與設計周期的偏差，并向下位機發送一個可以產生一定波高和周期所需要的電機轉速，下位機采集電機的實際轉速和電流信號并向驅動器和電機發出指令，電機轉動并驅動工業直線執行器，帶動造波板前后擺動，生成實驗所需要的波浪。水池中間放置的波浪檢測傳感器，它能將每時每刻波浪的波高和周期反饋給上位機，形成一個閉環控制系統。每塊造波板都設有零位檢測和控制功能，造波機在調試、維護、維修期間，可以通過計算機或者手動控制按鈕，精確定位造波板的位置。
實施難點
這個大型的造波池不僅可以模擬規則波，還是國內唯一能夠模擬斜向波和多向不規測波的拖曳實驗水池，對波長、波高的精度要求很高。在長度約320米的造波池側安裝有160塊造波板，每32塊造波板和與之相連的電機、驅動器、工業執行器分為一組，由5臺下位機分別控制，而造波池端的4塊造波板和與之相連的電機、驅動器、工業執行器成為一組，由另外1臺下位機控制。在造波系統運行的整個過程中，造波池側的160塊造波板以及造波池端的4塊造波板的擺動幅度和頻率都必須嚴格按照系統指令保持同步，這樣才能保證造出的波浪波形準確。達到這種要求的造波系統，對于系統中最重要的運動控制設備的運行速度、控制精度等都有極高的要求?；诟咝阅軘底只W絡SynqNet的運動控制平臺解決系統同步的難題
SynqNet是一種高性能、全數字的開放性同步運動控制網絡，它采用一種同步數字網絡專利技術及雙冗余數據通道設計，從而可在各種復雜應用中實現卓越的運動性能，并確保機器運行的高可靠性。SynqNet集眾多功能和特色于一身，可以靈活地實現各種運動控制算法，自動網絡組態和完整性檢驗，支持32個同步協調軸，支持擴展I/O以完成各種邏輯操作，支持多種實時操作系統RTOS，如VxWorks、RealTime Linux、RTSS、mITRON等。采用SynqNet運動控制網絡，只需要在控制器、驅動器以及輸入/輸出模塊之間布設一根電纜，極大地減少控制系統配線數量，將線纜故障造成的危害降到最低。
當SynqNet網絡中32 根協同軸一起工作時的伺服更新周期在1ms以內，即整個網絡內的軸數據可以在1ms內完成更新，從而達到整個網絡內軸與軸之間的高精度同步。整個系統160個軸需要5個這樣的網絡，網絡之間通過外部I/O信號來同步觸發，從而達到網絡之間的同步。據該項目的工程人員介紹：“Synqnet是我們了解到的最先進的運動控制網絡。它所具備的高速、數字化以及能夠對多軸同步控制的性能在我們的造波池項目中表現出色，解決了池側造波機的160塊造波板和造波池端的4塊造波板的同步控制問題，完全達到了系統要求的控制精度。”
同樣是因為系統龐大，直接帶動造波板擺動的工業直線執行器和與之相匹配的電機的選擇也至關重要的。傳統的造波機采用液壓系統推動，給用戶的設計和使用帶來許多問題，例如液壓系統設計困難，能耗巨大，效率極低 ，系統維護工作量大且成本高昂，漏油污染水池和環境等。而采用電動執行機構來設計驅動系統，不僅可以降低系統設計的復雜程度，還可以提高造波的效率和精度。
造波時，電機驅動工業執行器往復運動來帶動造波板前后擺動，在水池中形成波浪。由于波高是由造波板的擺動幅度來決定的，在造大波，也就是實驗波高要求較高的情況下，造波板的擺動幅度就要越大，系統要求的電機功率也就越大，但是電機功率越大，它的轉動慣量也就越大。如果電機的轉動慣量太大，造波板在運動過程中受它的慣性影響轉不回來，必然會影響系統的頻率響應，控制精度就很難保證。在這個系統中必須要選用功率大而轉動慣量小的電機。最終，與造波池端的4塊造波板配套的是Danaher Motion的低慣量GoldLine BH系列電機。
造波池側的160塊造波板需要配備160個工業直線執行器和配套的電機，通過計算，Danaher Motion的TC4系列工業直線執行器恰好能滿足功率要求，這種大型工業直線執行器適于重型推力負載在12000N的行程1500mm范圍內。
實踐驗證
目前，這一亞洲最大的造波試驗水池即將投入使用，在系統調試階段所做的所有空載試驗顯示的結果都能夠達到設計預期的效果。“在這個項目整個實施過程中，Danaher Motion公司除了提供了優質的產品外，從最初的系統設計、項目實施調試到項目完成后的維護工作，Danaher Motion公司的技術人員一直都全程參與，為我們提供了完善的技術支持和服務。”該項目的負責人說。
