新加坡樟宜機(jī)場(chǎng)： EtherCAT 實(shí)現(xiàn) 1,216 根伺服軸的同步運(yùn)動(dòng)

新加坡樟宜機(jī)場(chǎng)的“雨之舞”可能是世界上最大的動(dòng)態(tài)雕塑。該作品的藝術(shù)理念和編舞的算法設(shè)計(jì)由柏林的 Art+Com AG 公司創(chuàng)作。為了達(dá)到熱帶雨的效果，該作品使用了 1,216 滴閃閃發(fā)亮的鍍銅鋁制雨滴造型。 這些“雨滴”通過細(xì)鋼絲從天花板上懸垂下來，每滴“雨滴”都由一臺(tái)小型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 在這個(gè)時(shí)長(zhǎng)為 15 分鐘的表演秀中，“雨滴”形成與飛舞主題相關(guān)的不同場(chǎng)景。動(dòng)力裝置專家 MKT AG 公司負(fù)責(zé)整個(gè)“雨之舞”的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括軟件。 基于 EtherCAT 技 術(shù)，Beckhoff 公司的 TwinCAT 軟件控制平臺(tái)和模塊化緊湊型伺服驅(qū)動(dòng)器的方案，完美解決了 1,216 根伺服軸實(shí)時(shí)同步帶來的挑戰(zhàn)。

（基于高性能，高實(shí)時(shí)性，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靈活性等特點(diǎn)，EtherCAT 技術(shù)完美解決了來自 1216 根伺服軸實(shí)時(shí)同步帶來的挑戰(zhàn)。）

新加坡樟宜機(jī)場(chǎng)第一航站樓的旅客和機(jī)場(chǎng)訪客進(jìn)入這個(gè)現(xiàn)代化的登機(jī)大廳時(shí)，他們都會(huì)因這個(gè)動(dòng)態(tài)雕塑“雨之舞”而駐足。“一千多滴‘雨滴’的和諧互動(dòng)也象征著機(jī)場(chǎng)的工作人員，他們?nèi)諒?fù)一日地確保來到樟宜機(jī)場(chǎng)的旅客和訪客能感到驚喜并對(duì)機(jī)場(chǎng)留下美好回憶，”樟宜機(jī)場(chǎng)集團(tuán)的機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)副主任 Yeo Kia Thye 說。

該作品由兩個(gè)相鄰的區(qū)域組成，共 75 平方米，每個(gè)區(qū)域有 608 個(gè)“雨滴”造型，這些“雨滴”在 7.3 米高的空中可以自如升降。這個(gè)與眾不同的空間布置藝術(shù)理念來自柏林的 Art+Com 公司。德國(guó)奧而興（靠近慕尼黑）的 MKT AG 公司負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目和編程的技術(shù)實(shí)施。專營(yíng)動(dòng)力裝置的 MKT AG 公司在控制系統(tǒng)的編程和實(shí)施期間得到了 Beckhoff 公 司（德國(guó)倍福）的支持。“在‘雨之舞’中，我們實(shí)現(xiàn)了迄今為止該類藝術(shù)作品中最尖端的項(xiàng)目。”MKT AG 總監(jiān) Axel Haschkamp 說：“本項(xiàng)目花費(fèi)了 2,000 多工程小時(shí)。最具有挑戰(zhàn)性的是將重達(dá) 30 噸的完全預(yù)裝設(shè)備運(yùn)輸?shù)叫录悠隆?rdquo;

新加坡樟宜機(jī)場(chǎng)集團(tuán) 

新加坡樟宜機(jī)場(chǎng)集團(tuán)（CAG）成立于 2009 年 6 月 16 日。作為樟宜機(jī)場(chǎng)的行政管理公司，新加坡樟宜機(jī)場(chǎng)集團(tuán)主要負(fù)責(zé)機(jī)場(chǎng)的營(yíng)運(yùn)和管理、空中交通樞紐功能的不斷完善、商業(yè)活動(dòng)和提供緊急服務(wù)。 2011 年，機(jī)場(chǎng)的客流量達(dá) 4,600 萬人次。作為登機(jī)大廳現(xiàn)代化的一部分，CAG 投資了一副動(dòng)態(tài)雕塑：表現(xiàn)了熱帶雨效果的作品“雨之舞”是向新加坡這個(gè)熱帶城市的致敬。

由于需要精確驅(qū)動(dòng) 1,216 根軸，所以“雨之舞”對(duì)控制的要求非常高。除此之外，項(xiàng)目還要求高度的可用性、組件的緊湊型設(shè)計(jì)以及組件無需編址即可被輕松更換。“我們的客戶，樟宜機(jī)場(chǎng)，提出的最重要的要求之一就是系統(tǒng)必須全天候 24 小時(shí)運(yùn)行。即使個(gè)別軸出現(xiàn)故障，‘雨之舞’必須繼續(xù)進(jìn)行，”同樣是 MKT 總監(jiān)的 Peter Haschkamp補(bǔ)充說。

如何同步控制 1,216 根軸？

“1,216 根軸的同步驅(qū)動(dòng)是本項(xiàng)目的絕對(duì)亮點(diǎn)之一，”Beckhoff 慕尼黑辦事處的銷售人員 Raphik Shahmirian 強(qiáng)調(diào)說。Raphik Shahmirian 與MKT 公司密切合作，參與了“雨之舞”的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。除此之外，還必須滿足“雨滴”在順序運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力學(xué)、精確度和速度方面的高要求。“雨滴”以 1.5 m/s 的速度和 1.4 m/s2 的加速度運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)必須是充滿動(dòng)態(tài)的，但是同時(shí)又必須平滑、沒有震動(dòng)。MKT 在帶緊湊型伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基于 PC 和 EtherCAT 的 Beckhoff 控制平臺(tái)中找到了適合本任務(wù)的解決方案。

C6525 工業(yè) PC 作為中央 PC 負(fù)責(zé)控制。其通過 TwinCAT ADS 與 MKT 的 專用 GUI 計(jì)算機(jī)通信。同時(shí)，PC 為 EtherCAT 主站，并通過 TwinCAT NC PTP 集中控制 1,216 根軸。通過 TwinCAT 凸輪表函數(shù)，主 PC 將位置 數(shù)據(jù)分配給六臺(tái)從 PC ，每臺(tái)從 PC 分配有 192 或 208 根軸，并參考主動(dòng)軸確保所有軸的同步性（見第 20 頁的圖表）。EtherCAT實(shí)時(shí)通信直達(dá)每一個(gè)軸。

MKT 的 GUI 計(jì)算機(jī)用于可視化，用表格的形式以 200 ms 的間隔顯示每滴雨滴的位置數(shù)據(jù)。這相當(dāng)于每秒五幅圖片?？赡苤挥型ㄟ^ TwinCATNC PTP 中的插補(bǔ)法才能實(shí)現(xiàn)肉眼看到的這種流暢感。這里，使用 2 msNC 任務(wù)中的樣條算法計(jì)算每滴“雨滴”的 100 個(gè)中間位置。 這些計(jì)算在每臺(tái)分配有本地軸的從 PC 上進(jìn)行。

只有通過使用 EtherCAT 和 TwinCAT NC PTP 才能實(shí)現(xiàn)像 3-D 電影般的雨滴同步運(yùn)動(dòng)的藝術(shù)效果。主站保持所有軸相互同步；從 PC 每 2 ms 計(jì)算一次軸的位置并通過 EtherCAT 將軸的位置與伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)通信。

寬度僅為 12 mm 的模塊化緊湊型伺服驅(qū)動(dòng)單元

每根軸的運(yùn)動(dòng)精度在±1 mm，運(yùn)動(dòng)路徑總長(zhǎng) 7.6 m。兩滴“雨滴”間的最大偏差為 0.25 mm。每滴雨滴通過 EtherCAT 伺服電機(jī)端子模塊 EL7201和 AM3121 型伺服電機(jī)進(jìn)行控制。“在與 EtherCAT 端子模塊排無縫集成的伺服端子模塊中，我們找到了與機(jī)場(chǎng)航站樓天花板有限安裝空間完美配合的超緊湊型解決方案，”Peter Haschkamp 強(qiáng)調(diào)說。 此外，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也提供了動(dòng)態(tài)優(yōu)勢(shì)并實(shí)現(xiàn)了流型轉(zhuǎn)變。

模塊化控制器簡(jiǎn)化了調(diào)試工作

“模塊化的控制解決方案和單獨(dú)軸的簡(jiǎn)易更換對(duì)我們來說很重要。例如，這使得部分調(diào)試成為了可能；比如，我們能夠在軟件、硬件和機(jī)械裝置上并行工作，這使得我們能在短暫的時(shí)間段內(nèi)完成本項(xiàng)目，”Peter Haschkamp 強(qiáng)調(diào)說。有了 TwinCAT NC PTP，就有可能“調(diào)試”整個(gè)表演秀，例如，可像電影一樣快進(jìn)和倒帶。這大大地簡(jiǎn)化了MKT 的調(diào)試工作。如果單獨(dú)的序列段未能 100% 令人滿意，那么 MKT的工程師可以不斷地重復(fù)這個(gè)過程。正如 Peter Haschkamp 所強(qiáng)調(diào)的一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)：“使用其它的解決方案是不可能完成這項(xiàng)任務(wù)的，因?yàn)槟忝看伪仨殢囊婚_始便不斷地啟動(dòng)表演秀直到達(dá)到你想要的位置，這非常耗時(shí)。”

Beckhoff 的工業(yè) PC C6525 非常適合安裝在狹小的空間內(nèi)，因此完全滿足該項(xiàng)目非常扁平的設(shè)計(jì)要求。由于選用了可選的 SSD 存儲(chǔ)介質(zhì)和被動(dòng)式散熱技術(shù)，C6525 不包含任何旋轉(zhuǎn)組件。

在 Beckhoff 的產(chǎn)品中，MKT 公司找到了與機(jī)場(chǎng)航站樓天花板狹小安裝空間完美配合的緊湊型驅(qū)動(dòng)解決方案：EtherCAT 端子模塊，與其無縫集成安裝的伺服端子模塊和 AM3121 緊湊型伺服電機(jī)。

最具有挑戰(zhàn)性的是將重達(dá) 30 噸的完全預(yù)裝設(shè)備運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)有建筑中。

與過去 MKT 通過分散式硬件控制器實(shí)現(xiàn)的類似動(dòng)態(tài)雕塑相比，“雨之舞”則是通過中央 PC 和軟件采用 EtherCAT 通信實(shí)現(xiàn)控制的。在早前的控制解決方案中，MKT 將凸輪表函數(shù)本地存儲(chǔ)在驅(qū)動(dòng)器中，而現(xiàn)在凸輪表函數(shù)則由軟件執(zhí)行。這樣，中央 PC 管理位置數(shù)據(jù)，并通過EtherCAT 將其實(shí)時(shí)發(fā)送到軸。

MKT 選擇 Beckhoff 作為合作伙伴的另一個(gè)重要原因是因?yàn)?nbsp;Beckhoff 在全球的地位。Beckhoff 不僅能夠讓來自德國(guó)威爾公司總部的專家陪同和支持項(xiàng)目。終端客戶還能得到新加坡 Beckhoff 子公司的現(xiàn)場(chǎng)支持和服務(wù)。

MKT AG

位于德國(guó)奧爾興的 MKT AG 公司從事貿(mào)易展覽、活動(dòng)、博物館和展示廳的獨(dú)特展品和動(dòng)態(tài)作品的設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施，已有 30 多年的經(jīng)驗(yàn)。其客戶不僅包括藝術(shù)和文化事業(yè)單位，而且還包括知名的工業(yè)公司和服務(wù)供應(yīng)商。MKT 致力于最先進(jìn)的技術(shù)、互動(dòng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)。

ART+COM

位于德國(guó)柏林的 ART+COM AG 在空間設(shè)計(jì)方面選擇了新的道路。與媒體設(shè)計(jì)師、媒體藝術(shù)家、IT 開發(fā)人員、技術(shù)人員、編程人員、通信和產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、科學(xué)家、工程師和項(xiàng)目經(jīng)理合作，公司研究了計(jì)算機(jī)媒體的創(chuàng)造和技術(shù)可能性并將其投入到藝術(shù)設(shè)施的實(shí)踐中。在翻新新加坡機(jī)場(chǎng)第 1 航站樓期間，新加坡樟宜機(jī)場(chǎng)集團(tuán)委托 ART+COM 設(shè)計(jì)一套奢華的設(shè)施。目標(biāo)是為登機(jī)大廳營(yíng)造出凸顯個(gè)性、讓人沉思的時(shí)刻，與忙碌的旅行氣氛形成對(duì)比。