NASA航天发射系统的重型自动化

如果你还记得旧的航天飞机发射，你可能还记得将航天飞机从一个缓慢移动的运输车上移到发射台的艰难过程。尽管航天飞机项目已经结束，但重型运输机仍然是NASA航天器组装和运输的关键组成部分。

Doerfer公司制造用于美国宇航局太空发射系统(SLS)计划的轮升力自推进模块化运输车(SPMTs)。这些SPMTs在NASA的生产设施中工作，如位于新奥尔良的Michoud组装设施(MAF)，该设施拥有超过187万平方英尺的组装和制造空间。在MAF，美国国家航空航天局SLS火箭计划的核心级组件被组装起来，当完成时，组成了历史上能够携带最高有效载荷质量的火箭。完全组装的SLS高322英尺，发射重量550万磅，有效载荷77吨。

在MAF生产的SLS的关键部件，如容纳液氧和液氢的容器，重量可达数百吨。在MAF的整个组装和制造过程中，这些储罐的大部分必须被移动，完成后，通过SPMTs和起重机从制造设施移出，进行包装和运输到发射场。

自从NASA开始使用Doerfer的Wheelift(不到22英寸高，可以移动超过500吨的负载，并可以拾起20英寸低的重物)以来，航天局已经避免在其制造基地进行新的基础设施投资。美国宇航局以前使用的材料处理设备不允许火箭通过组装设施的开口运输。然而，Wheelift可以帮助NASA在必要时移动组件，而无需更换或大量修改其外部门。此外，让一个Wheelift系统启动和运行不需要几个月的时间安装和启动，因为以前的系统所做的。Doerfer说，它可以在一周或更短的时间内在NASA的工厂地板上准备、装载和运行Wheelift SPMTs。

在美国宇航局的Wheelift的许多应用中，多个车辆经常被协调来装载大的负荷或多个特别重的负荷点。为了实现这种水平的车辆之间的精确协调，Doerfer需要为SPMTs开发一个控制系统，该系统可以收集连续反馈，以保持负载的精确对准。

Doerfer公司的首席控制设计师John Pullen说:“在困难的地面条件、工厂地面和运输地点的高程变化中，保持多个SPMTs的协调平衡支撑夹具是一项挑战。”他说，Doerfer通过使用重型伺服电机和轮胎，以及先进的自动化和控制系统来满足这些需求，这些系统能够跟上不断变化的环境。一个基于pc机的控制平台Beckhoff自动化是Doerfer系统的核心组件，确保Wheelift能够“根据来自支持装置的反馈进行调整，并根据需要专业地重新定位SPMTs，”Pullen说。

Pullen表示，Doerfer需要借助Beckhoff的TwinCAT 3自动化软件，在面向对象的控制体系结构中，指定一个SPMT作为车辆组的主节点，其他节点作为从节点。每台SPMTs通过TwinCAT 3 PLC运行时运行，加载在贝克霍夫CP6201面板pc上的英特尔Core2 Duo处理器。

Pullen补充道:“主PLC运行在一个核心上，执行每组车辆的所有计算。“这包括每10毫秒平衡扭矩和转向中心、速度、负载分布和气缸高度。”

Doerfer开发的最新一代Wheelift spmt通过一台安装在DIN导轨上的Beckhoff CX2030嵌入式PC来完成这些任务，这台PC配备了1.5 GHz Intel Core i7双核cpu。

Doerfer Companies的控制工程师Ryan Canfield说:“当我们开始集成CX2030 epc时，我们提高了我们的软件性能，因为我们增加了很多处理器能力。”“在TwinCAT 3中的核心隔离对我们来说是一个重要的考虑，因为它允许我们将核心1用于TwinCAT，并将核心0分配给Windows操作系统和InduSoft HMI软件。这为最大限度地提高处理器效率提供了相当大的好处，并使我们的控制软件更加健壮和响应更快。”

有关使用CPU的多核执行不同自动化任务的详细信息，请参阅这自动化的世界关于贝克霍夫多核集中机器控制的文章和相关视频．

Canfield还指出了TwinCAT3的源代码和版本控制特性对SPMT操作的重要性。“当管理多个程序员的工作时，我们不再需要担心代码丢失;例如，我们可以更容易地在团队中协作，将项目A的工作合并到项目B中。”

这个特性在NASA组装项目的Wheelift车辆分组应用中发挥了作用。使用TwinCAT 3, Doerfer已经能够创建分组在一起的车辆对象。“我们在TwinCAT 3中使用IEC 61131-3的面向对象扩展来编程Wheelift代码，”Pullen说。这支持Doerfer创建高度复杂的功能。这就像给对象一个起点，然后允许参数发挥作用。然后对象可以自己完成剩下的工作。这种方法非常优雅，只需要很少的工程工作。”

“在使用TwinCAT 3中的代码管理工具之前，通过大型合并(在这样的项目中)进行软件系统更新可能需要9到10个小时;今天，更新时间远远低于半个小时，”加菲尔德补充道。

在SPMT自动化系统的网络端，EtherCAT同时充当I/O和驱动总线。这允许亚毫秒级的通信时间和与其他总线系统的灵活连接。例如，EL6751 CANopen主终端安装在spmt上，用于建立发动机诊断和电池系统逆变器的连接，以及连接到Wheelift操作人员使用的无线电控制接口。

通过EL6900 TwinSAFE逻辑终端，SPMT的I/O系统增加了安全功能。这些I/O终端具有集成的安全PLC，并通过EtherCAT进行通信。这些终端连接到硬件e-stop按钮，并且在无线电通讯中断时也会被激活。当e-stop启动时，TwinSAFE强制驱动坡道至零速度，并取消全功率，使Wheelift停止。

在SPMT上，每辆车需要控制多达24个轴，Doerfer公司的重型单负载轮的运动控制由Beckhoff公司的AX5000 EtherCAT伺服驱动器和AM3000伺服电机进行。Canfield表示:“凭借AX5000伺服驱动器的单通道和双通道版本，Wheelift可以将伺服轴和液压轴的分辨率降低到千分之一英寸。“此外，Doerfer团队在TwinCAT 3中编写的负载分配算法，可以将负载分配到目前举升平台上的所有气瓶上，”即使是在颠簸或负载偏离中心的情况下。在这种情况下，Wheelift会做出相应的反应，均匀地分配重量，在运输材料时消除任何重点或滑点。