CN108445830B - 一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统 - Google Patents

一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统，具体方案包括上位机、主控制器、从控制器、EtherCAT桥接器和造波单元；所述上位机将对造波机的控制指令信息实时传送至主控制器，所述主控制器将该控制指令实时传送至多个从控制器，所述从控制器将对造波机的控制指令信息实时传送至造波单元，所述造波单元依据控制指令信息进行造波运动；其中主控制器、从控制器均为基于PC的软PLC控制。本系统通过EtherCAT桥接器达到了多控制器同步控制的效果，使得数百根伺服轴的大型造波系统也能同步控制，而且同步控制精度高，实时性好。

Description

一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统
技术领域
本发明涉及海洋波浪模拟领域，尤其涉及一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统。
背景技术
目前在海洋、船舶等工程领域中，常在实验室内利用造波机模拟海浪，对模型进行作用，验证工程设计的各项指标。随着技术的发展，当代造波机系统通常采用同步伺服电机来驱动造波装置，以此来达到高实时性具有高控制精度和快速响应等特点。这种造波系统通常由上位机、运动控制器、伺服驱动器、同步伺服电机和造波单元构成。由于单台运动控制器的运算性能有限，只能控制数十根伺服电机轴，而大型造波系统通常需要数百根伺服电机轴协同运动。这就需要多台运动控制器协同控制这些伺服电机轴，因此产生了多运动控制器的同步控制问题，若同步问题解决不好，会使造波精度变差，严重影响造波品质。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统，具体方案包括上位机、主控制器、从控制器、EtherCAT桥接器和造波单元；
所述上位机将对造波机的控制指令信息实时传送至主控制器，所述主控制器将该控制指令实时传送至多个从控制器，所述从控制器将对造波机的控制指令信息实时传送至造波单元，所述造波单元依据控制指令信息进行造波运动；其中主控制器、从控制器均为基于PC的软PLC控制，
所述从控制器上搭载有EtherCAT桥接器，所述EtherCAT桥接器通过EtherCAT现场总线与主控制器相连接；所述EtherCAT桥接器包括分别同步于外部EtherCAT网络和本地EtherCAT网络的EtherCAT的从站，所述从控制器根据EtherCAT桥接器计算同步DC时间将计算得到的数据信息传送至主控制器，即整个造波机系统的同步时间，所述主控制器计算控制命令的传输延迟，根据传输延迟决定将控制命令发送给特定从控制器的时刻；
所述主控制器包括主同步控制模块、波浪存储模块和运动控制模块；所述主同步控制模块接收上位机传送的控制指令信息、并将控制指令通过EtherCAT桥接器同时分发至多个从控制器，同时主同步控制模块控制自身的工作状态；所述波浪存储模块接收上位机传送的波浪数据并将波浪数据存储在主控制器和从控制器的硬盘上、在主控制器和从控制器内存中设置两个FIFO空间来交替读取存储在硬盘上的波浪数据；所述运动控制模块接收主同步控制模块传送的控制命令控制造波单元的运动状态；
所述造波单元包括伺服驱动器、伺服电机、滚珠丝杠和推波板；所述伺服驱动器和伺服电机接收主控制器和从控制器传送的造波数据信息控制电机的运动状态；所述滚珠丝杠将电机的旋转运动转化为直线运动，进而驱动推波板做造波运动。
进一步的，所述主同步控制模块在发送控制命令前计算控制命令的传输延迟，根据传输延迟决定控制命令发送给特定的从控制器的时刻，具体采用如下步骤：
S1：主同步控制模块同时向所有的从控制器发送延迟估算指令，同时主同步控制模块记录当前任务周期的起始时刻tm；
S2：所有从控制器接收S1中的延迟估算指令，并记录各自当前任务周期的起始时刻，分别记为：ts1，ts2，…，tsn；并将这些值传回至主同步控制模块；
S3：主同步控制模块接收S2中的各个起始时刻后，计算：
Figure GDA0002640739090000021
其中，tcycleTime表示主控制器、从控制器的任务周期，\表示取余运算，主同步控制模块将tdelay1，tdelay2，…，tdelayn分别发送给从控制器1，从控制器2，…，从控制器n；
S4：主同步控制模块计算：
Figure GDA0002640739090000022
Figure GDA0002640739090000031
主同步控制模块延迟tmasterDelay周期后，将控制指令发给自身的运动控制模块，分别延迟tdelayCycle1，tdelayCycle2，…，tdelayCyclen个周期后向从控制器1，从控制器2，…，从控制器n发送控制指令。
S5：主控制器的运动控制模块在接收到控制命令后，延迟tmaxDelay\tcycleTime时间刷新I/O；每个从控制器的运动控制模块在接收到控制命令后，分别延迟S3中的tdelay1，tdelay2，…，tdelayn时间刷新I/O。
进一步的，所述从控制器控制下的多个造波单元之间采用串联的方式相连接。
进一步的，所述主控制器与从控制器通过以太网交换机与上位机相连接。
进一步的，所述运动控制模块采用外部位置发生器的工作方式，一定时间内向造波单元发送一次位置数据，该位置数据读取自波浪存储模块的FIFO空间的信息。
进一步的，所述上位机包括波浪生成模块、命令控制模块和数据分发模块，所述波浪生成模块按照所选的波浪类型、依据水动力学原理计算出波浪数据信息；所述命令控制模块将对造波机的各种控制命令发送至主控制器，所述数据分发模块将生成的造波数据发送给每个控制器。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统，本系统通过EtherCAT桥接器达到了多控制器同步控制的效果，使得数百根伺服轴的大型造波系统也能同步控制，而且同步控制精度高，实时性好。由于采用了基于PC的软PLC技术，可以充分利用PC技术的成熟解决方案，降低成本，并且可以提供强大的运算能力，尤其是浮点运算能力，可以为水池主动吸收式造波机系统提供良好的硬件支持。同时，本发明控制系统选择EtherCAT作为现场总线，其通信速率高，实时性好，且诊断能力强，进一步提高了系统的同步性和实时性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于多控制器同步控制的造波机控制系统的结构示意图；
图2为本发明中基于多控制器同步控制的造波机控制系统的结构示意图；
图3为本发明中造波单元的的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统，包括上位机、主控制器、从控制器、EtherCAT桥接器和造波单元。其中主控制器、从控制器均为基于PC的软PLC控制。其中上位机采用研华工控机。主控制器、从控制器均采用倍福CX2030控制器，所选控制器硬件配置为双核i7处理器(主频1.5Ghz)，内存2GB；软件环境为TwinCAT 3，凭借其强大的运算能力，尤其是浮点运算能力，为下一代吸收式造波机提供了良好的硬件基础。EtherCAT桥接器为倍福EL6695桥接模块，其可作为TwinCAT的外部参考时钟，每个从控制器均通过右侧的E-BUS总线挂载一个EL6695桥接模块，桥接模块的二次侧使用EtherCAT总线与主控制器连接，以此达到同步控制的效果。造波主控制器、从控制器通过以太网交换机与上位机相连。造波单元由倍福AX5000驱动器、倍福AM8000伺服电机、滚珠丝杠和推波板构成。驱动器使用EtherCAT总线与主控制器、从控制器连接，一个控制器控制下的多个驱动器之间采用串联的方式连接，依据控制器的性能每个控制器可挂载m(使用CX2030控制器，m＝25)个造波单元。假设采用了n个控制器，则本发明可同步控制m*n个造波单元，理论上n可以为小于65535-m的任意值。
如图2所示为本发明控制系统结构图，所述上位机包括波浪生成模块、命令控制模块和数据分发模块。波浪生成模块按照所选波浪类型，依据水动力学原理计算生成波浪数据，波浪数据为每块造波板运动的绝对位置时间序列，时间间隔为1ms；波浪生成模块可以生成规则波、单向不规则波、多向不规则波、椭圆余弦波、破碎波、交叉波、聚焦波和用户自定义频谱的波形。命令控制模块负责发送造波机的各种控制命令，主要有所有轴寻零、电机使能、电机去使能、开始造波、停止造波等控制命令。数据分发模块将生成的造波数据发送给每个控制器，所发送的造波数据为造波机运行期间控制器所需的全部波浪数据，这个过程在造波机开始造波之前完成；数据分发模块和控制命令模块都采用ADS通信技术与主控制器、从控制器通讯。由于ADS通信不是实时的通信技术，所以造波机的控制命令都先通过ADS发送给主控制器，再由主控制器通过EL6695的实时通信功能分发到每个从控制器。
所述主控制器包括主同步控制模块、波浪存储模块和运动控制模块。主同步控制模块接收来自上位机的控制命令，并将控制命令通过EtherCAT桥接器同时分发给各个从控制器，在发送各种控制命令，尤其是开始造波命令之前，主、从同步控制模块会协同估计通信延迟，并采用延迟补偿的方式来消除延迟误差；同时主同步控制模块还控制自身的运动控制模块，此时会依据主同步控制模块计算的延迟来修正主控制器执行命令的时刻。波浪存储模块接收来自上位机的波浪数据并将波浪数据存储在控制器的硬盘上，并且在控制器内存中开辟两个2K字节的FIFO空间，来交替读取存储在硬盘上的波浪数据，满足造波时实时读取波浪数据的要求。运动控制模块根据控制命令控制伺服电机系统的运动，采用TwinCAT Tc2_MC2运动控制库中的外部位置发生器功能，每1ms向伺服电机系统发送一次位置数据，该位置数据读取自波浪存储模块的FIFO空间，当FIFO读空时，切换到另一个FIFO空间继续读取数据，同时通知波浪存储模块填充读空的FIFO。
所述从控制器包括从同步控制模块、波浪存储模块和运动控制模块，除从同步控制模块与主控制器不同外，其他模块作用均与主控制器对应模块的功能相同，在此不再赘述。从同步控制模块接收来自主同步控制模块的命令，并控制运动控制模块与伺服电机系统交互。
所述EtherCAT桥接器是整个系统同步性的保证，具有时钟同步和实时数据传输两个功能，它包括两个完整的EtherCAT从站，分别同步于外部EtherCAT网络(主控制器EtherCAT网络)和本地EtherCAT网络。主、从同步控制模块根据EtherCAT桥接器计算同步的DC(Distributed Clock)时间，即整个造波机系统的同步时间。主同步控制模块在发送控制命令之前首先计算控制命令的传输延迟，根据传输延迟决定控制命令发送给特定从同步控制模块的时刻，以此来达到多控制器同步控制的效果。
如图3所示，所述造波单元包括伺服驱动器、伺服电机、滚珠丝杠和推波板。伺服驱动器和伺服电机构成了伺服电机系统，接收主控制器、从控制器的造波数据控制电机运动。滚珠丝杠将电机的旋转运动转化为直线运动，进而驱动推波板运动，推波板推动水池中的水做往复运动，来达到造波的效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统，其特征在于：包括上位机、主控制器、从控制器、EtherCAT桥接器和造波单元；
所述上位机将对造波机的控制指令信息实时传送至主控制器，所述主控制器将该控制指令实时传送至多个从控制器，所述从控制器将对造波机的控制指令信息实时传送至造波单元，所述造波单元依据控制指令信息进行造波运动；
所述从控制器上搭载有EtherCAT桥接器，所述EtherCAT桥接器通过EtherCAT现场总线与主控制器相连接；所述EtherCAT桥接器包括分别同步于外部EtherCAT网络和本地EtherCAT网络的EtherCAT的从站，所述从控制器根据EtherCAT桥接器计算同步分布式时钟时间将计算得到的数据信息传送至主控制器，所述主控制器计算控制命令的传输延迟，根据传输延迟决定将控制命令发送给特定从控制器的时刻；
所述主控制器包括主同步控制模块、波浪存储模块和运动控制模块；所述主同步控制模块接收上位机传送的控制指令信息、并将控制指令通过EtherCAT桥接器同时分发至多个从控制器，同时主同步控制模块控制自身的工作状态；所述波浪存储模块接收上位机传送的波浪数据并将波浪数据存储在主控制器和从控制器的硬盘上、在主控制器和从控制器内存中设置两个FIFO空间来交替读取存储在硬盘上的波浪数据；所述运动控制模块接收主同步控制模块传送的控制命令控制造波单元的运动状态；
所述造波单元包括伺服驱动器、伺服电机、滚珠丝杠和推波板；所述伺服驱动器和伺服电机接收主控制器和从控制器传送的造波数据信息控制电机的运动状态；所述滚珠丝杠将电机的旋转运动转化为直线运动，进而驱动推波板做造波运动；
所述主同步控制模块在发送控制命令前计算控制命令的传输延迟，根据传输延迟决定控制命令发送给特定的从控制器的时刻，具体采用如下步骤：
S1：主同步控制模块同时向所有的从控制器发送延迟估算指令，同时主同步控制模块记录当前任务周期的起始时刻tm；
S2：所有从控制器接收S1中的延迟估算指令，并记录各自当前任务周期的起始时刻，分别记为：ts1，ts2，…，tsn；并将这些值传回至主同步控制模块；
S3：主同步控制模块接收S2中的各个起始时刻后，计算：
Figure FDA0002640739080000021
其中，tcycleTime表示主控制器、从控制器的任务周期，\表示取余运算，主同步控制模块将tdelay1，tdelay2，…，tdelayn分别发送给从控制器1，从控制器2，…，从控制器n；
S4：主同步控制模块计算：
Figure FDA0002640739080000022
主同步控制模块延迟tmasterDelay周期后，将控制指令发给自身的运动控制模块，分别延迟tdelayCycle1，tdelayCycle2，…，tdelayCyclen个周期后向从控制器1，从控制器2，…，从控制器n发送控制指令；
S5：主控制器的运动控制模块在接收到控制命令后，延迟tmaxDelay\tcycleTime时间刷新I/O；每个从控制器的运动控制模块在接收到控制命令后，分别延迟S3中的tdelay1，tdelay2，…，tdelayn时间刷新I/O。
2.根据权利要求1所述的一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统，其特征还在于：所述从控制器控制下的多个造波单元之间采用串联的方式相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统，其特征还在于：所述主控制器与从控制器通过以太网交换机与上位机相连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统，其特征还在于：所述运动控制模块采用外部位置发生器的工作方式，一定时间内向造波单元发送一次位置数据，该位置数据读取自波浪存储模块的FIFO空间的信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于多控制器同步控制的造波机控制系统，其特征还在于：所述上位机包括波浪生成模块、命令控制模块和数据分发模块，所述波浪生成模块按照所选的波浪类型、依据水动力学原理计算出波浪数据信息；所述命令控制模块将对造波机的各种控制命令发送至主控制器，所述数据分发模块将生成的造波数据发送给每个控制器。
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