一种六自由度载人模拟平台的安全控制系统及控制方法与流程

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1.本发明涉及运动平台技术控制领域，具体是涉及一种六自由度载人模拟平台的安全控制系统及控制方法。

背景技术：

2.六自由度载人模拟平台主要用于承担操纵控制系统人在环路体验与控制、试验研究任务，通过与操艇测试系统、操艇仿真系统配合，接收并跟踪操艇仿真系统发来过来的姿态信号，通过解算，驱动伺服系统运动使转台转到相应的位姿，给操纵人员以运动感知，检验操纵控制设备的人机设计情况。
3.目前市面上的六自由度载人模拟平台，都是基于工业控制计算机来完成运行的，工业控制计算机完成显示器ui界面的显示，兼顾运动平台的运动控制和逻辑控制算法运行，同时接收运动仿真器的控制指令，完成整个电气控制系统的控制。但是现有的电气控制系统中的工业控制计算机需要多块控制卡，包括运动控制卡、数位io卡、模拟量卡等多种类pci插槽卡，价格昂贵，极大增加了电气控制系统的成本，同时pci接口部分不可靠容易出问题，工业控制计算机完成集中式控制，加重了工业pc的运行负担，容易造成蓝屏、卡死、系统崩溃等异常，电气控制系统稳定差，现有的一些载人模拟平台缺少一种独立于正常控制系统之外的安全控制系统。而安全控制系统是一种高度可靠的安全保护手段，这是载人模拟平台不可或缺的系统组成部分。

技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，提供一种载人模拟平台的控制系统，本技术方案在载人模拟平台控制系统中引入主控制plc主站、安全控制plc主站、安全输入和安全输出从站等控制设备，提升了载人模拟平台的安全可靠性和控制系统的稳定性，降低了控制系统的成本。
5.为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种六自由度载人模拟平台的安全控制系统，包括：工业控制计算机、显示器、主控制plc主站、安全plc主站、安全输入从站、安全输出从站、若干个运动伺服控制从站和若干个动作执行单元；
6.所述工业控制计算机与外部操舰仿真系统和操舰测试系统电性连接，所述工业控制计算机通过以太网或者反射内存网接收外部操舰仿真系统发送过来的潜艇仿真舱的姿态信息和位移信息，所述姿态信息包括纵倾角、横倾角、偏航角，所述位移信息包括x方向位移、y方向位移、z方向位移；
7.所述显示器与工业控制计算机电性连接，所述工业控制计算机运行显示器的ui界面；
8.所述工业控制计算机通过以太网与主控制plc主站实现通讯连接，所述主控制plc主站用于根据潜艇仿真舱的姿态信息进行进行求解计算每个动作执行单元的运动量，得到控制信息；
9.所述主控制plc主站与多个所述运动伺服控制从站之间通过ethercat总线实时进
行数据和信息的交互，所述主控制plc主站将控制信息实时发送至运动伺服控制从站；
10.所述运动伺服控制从站与动作执行单元电性连接，所述运动伺服控制从站用于根据控制信息驱动动作执行单元；
11.所述动作执行单元内部集成有上限位开关、下限位开关、硬限位防撞上接触开关和硬限位防撞下接触开关；
12.所述安全plc主站与主控制plc主站通过高速twinsafe网络进行通讯连接；
13.所述安全输入从站与安全plc主站的输入端电性连接；
14.所述安全输出从站与安全plc主站的输出端电性连接，所述安全输出从站的输出端与运动伺服控制从站电性连接。
15.优选的，所述安全输入从站的输入端与控制柜急停开关、模拟座舱内急停开关、安全光栅围栏外急停开关、多个动作执行单元的上限位开关、下限位开关、硬限位防撞上接触开关和硬限位防撞下接触开关电性连接。
16.优选的，所述安全输入从站与安全plc主站、安全输出从站与安全plc主站和安全输出从站与运动伺服控制从站之间均通过fsoe协议进行信息交互。
17.优选的，所述动作执行单元为电动缸，所述电动缸包括伺服电机，所述伺服电机通过同步轮与伸缩滚珠丝杠传动连接，所述伸缩滚珠丝杠上螺纹啮合有滚珠螺母，所述滚珠螺母上安装有伸缩筒。
18.一种六自由度载人模拟平台的安全控制方法，适用于如上述的六自由度载人模拟平台的安全控制系统，包括如下步骤：
19.系统初始化；
20.判断是否初始化成功，若是，则设备准备就绪，准备执行动作，若否，则输出错误代码，给出对应维修措施；
21.选择工作模式，判断工作模式是否为本地工作模式；
22.若为是，则进行本地操作控制模式，由用户输入控制参数；
23.若为否，则进行远程控制模式。
24.可选的，所述本地操作控制模式具体包括如下步骤：
25.用户输入控制模式和合适控制参数，并由动作执行单元执行动作；
26.执行动作过程中，判断动作执行单元是否存在超速、过电流或者限位触发；
27.若是，则系统断电进行保护，并进行系统清错后上电，运动至安全位置；
28.若否，则判定为运行正常。
29.可选的，所述远程控制模式具体包括如下步骤：
30.导入本地数据文件，并接收远程串口控制信号和远程网络控制信号；
31.根据本地数据文件、远程串口控制信号和远程网络控制信号判断姿态、杆长、速度以及加速度是否超限；
32.若是，则不执行，同时系统断电进行保护，并进行系统清错后上电，运动至安全位置；
33.若否，则由动作执行单元执行动作，执行动作过程中，判断动作执行单元是否存在超速、过电流或者限位触发；
34.若是，则系统断电进行保护，并进行系统清错后上电，运动至安全位置；
35.若否，则判定为运行正常。
36.与现有技术相比，本发明的优点在于：
37.本方案提出的一种载人模拟平台的控制系统，本技术提出了创新性的改善，控制系统引入了主控plc主站和运动伺服从站分层控制的理念，不再单纯依靠工业控制计算机进行整个系统的控制，而是将时效性与可靠性要求强的运动执行命令交给主控plc进行控制，工业计算机单纯负责显示器的ui界面运行。
38.本技术提出的控制系统，将安全控制系统应用到载人模拟平台，提供一种高度可靠的安全保护手段与策略，可以最大限度地避免载人模拟平台出现不安全状态，保护运动装装置和人身安全，防止恶性事故的发生，减小损失，安全plc主站和主控plc主站各司其职，安全plc负责安全策略控制，主控plc负责六自由度平台的模拟运动仿真控制，大大提高了载人模拟平台的安全性。
附图说明
39.图1为本发明提出的六自由度载人模拟平台的安全控制系统结构框图；
40.图2为本发明中的六自由度载人模拟平台结构示意图；
41.图3为本发明中的动作执行单元的结构示意图；
42.图4为本发明中提出的六自由度载人模拟平台的安全控制方法流程图；
43.图5为本发明中的远程控制模式方法流程图。
具体实施方式
44.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
45.参照图1-3所示，一种六自由度载人模拟平台的安全控制系统，其特征在于，包括：工业控制计算机、显示器、主控制plc主站、安全plc主站、安全输入从站、安全输出从站、若干个运动伺服控制从站和若干个动作执行单元；
46.工业控制计算机与外部操舰仿真系统和操舰测试系统电性连接，工业控制计算机通过以太网或者反射内存网接收外部操舰仿真系统发送过来的潜艇仿真舱的姿态信息和位移信息，姿态信息包括纵倾角、横倾角、偏航角，位移信息包括x方向位移、y方向位移、z方向位移，工业控制计算机向操艇测试系统发送纵倾角、横倾角、偏航角和x方向位移、y方向位移、z方向位移以及模拟平台自检信息，操艇测试系统向工业控制计算机发送初始化指令、中止指令等。
47.显示器与工业控制计算机电性连接，工业控制计算机运行显示器的ui界面；
48.工业控制计算机通过以太网与主控制plc主站实现通讯连接，主控制plc主站用于根据潜艇仿真舱的姿态信息进行进行求解计算每个动作执行单元的运动量，得到控制信息；
49.主控制plc主站与多个运动伺服控制从站之间通过ethercat总线实时进行数据和信息的交互，主控制plc主站将控制信息实时发送至运动伺服控制从站，运动伺服控制从站与动作执行单元电性连接，运动伺服控制从站用于根据控制信息驱动动作执行单元，ethercat(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，运
动伺服控制从站根据六个动作执行单元的期望位移和六个动作执行单元的位移反馈量，给出运动偏差，经过位置环、速度环、电流环三环的计算，最终将驱动电流指令输出给六个电动缸，实现六个动作执行单元的闭环控制；
50.动作执行单元内部集成有上限位开关、下限位开关、硬限位防撞上接触开关和硬限位防撞下接触开关；
51.安全plc主站与主控制plc主站通过高速twinsafe网络进行通讯连接；安全输入从站与安全plc主站的输入端电性连接，安全输出从站与安全plc主站的输出端电性连接，安全输出从站的输出端与运动伺服控制从站电性连接，twinsafe作为一种安全总线，在现有工业现场总线的基础上，采用了一系列的时间检测、地址检测、连接检测和crc冗余校验等措施，达到高的安全等级，安全输入从站和安全输出从站是一种基于twinsafe的端子模块，与安全plc主站直接连接在一起。
52.安全输入从站的输入端与控制柜急停开关、模拟座舱内急停开关、安全光栅围栏外急停开关、多个动作执行单元的上限位开关、下限位开关、硬限位防撞上接触开关和硬限位防撞下接触开关电性连接，安全控制plc的cpu采用冗余的多处理器结构，多处理器分别与安全输入从站的不同输入端连接，各个处理器之间相互监控，一旦出现不一致，立刻使控制器处于安全状态，并且发出报警信息；同时，安全可编程控制器对内部的ram、eprom、输入输出寄存器等元件进行实时监控，并且采用特殊的测试脉冲对输入信号和输出被控元件进行检测，一旦出现任何不安全隐患，控制器立刻切换至安全保护状态。
53.安全输入从站与安全plc主站、安全输出从站与安全plc主站和安全输出从站与运动伺服控制从站之间均通过fsoe协议进行信息交互，fsoe是一种比正常ethercat数据帧优先级别更高的安全数据帧协议。安全输入从站的相关信息通过安全plc编程来实现安全逻辑的与、或、非等操作，从而触发安全输出从站执行相应的安全动作，采用fsoe协议进行安全输入从站与安全plc主站、安全输出从站与安全plc主站和安全输出从站与运动伺服控制从站之间之间的信息交互，极大地提高了安全信号的反馈速率，保证了系统的安全性能。
54.动作执行单元为电动缸，电动缸包括伺服电机，伺服电机通过同步轮结构与伸缩滚珠丝杠传动连接，伸缩滚珠丝杠上螺纹啮合有滚珠螺母，滚珠螺母上安装有伸缩筒，交流伺服电机通过同步轮结构带动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆实现将旋转运动转变为直线运动驱动伸缩筒进行直线移动，通过电动缸的伸缩运动，实现载人模拟平台的摇摆运动。
55.上述安全控制系统的运行过程为：
56.潜艇仿真系统向工业控制计算机发送控制指令和实时控制数据，工业控制计算机接收数据后，判断该指令和数据是否有效；
57.工业控制计算机将判断有效的数据发送至主控plc主站。然后主控plc主站进行求解计算每个动作执行单元的运动量，得到控制信息；
58.主控plc主站向运动伺服控制从站发送控制信息，驱动动作执行单元进行运动；
59.当安全输入从站检测到控制柜急停开关、模拟座舱内急停开关、安全光栅围栏外急停开关、多个动作执行单元的上限位开关、下限位开关、硬限位防撞上接触开关和硬限位防撞下接触开关其中任意一个触发安全信号时，安全plc主站进行系统断电，并进行系统清错后上电，安全输出从站输出运动控制信号至运动伺服控制从站，驱动动作执行单元运动至安全位置。
60.请参阅图4-5所示，为进一步的说明本方案，以下提出一种六自由度载人模拟平台的安全控制方法，包括：
61.系统初始化；
62.判断是否初始化成功，若是，则设备准备就绪，准备执行动作，若否，则输出错误代码，给出对应维修措施；
63.选择工作模式，判断工作模式是否为本地工作模式；
64.若为是，则进行本地操作控制模式，由用户输入控制参数；
65.若为否，则进行远程控制模式。
66.其中，本地操作控制模式具体包括如下步骤：
67.用户输入控制模式和合适控制参数，并由动作执行单元执行动作；
68.执行动作过程中，判断动作执行单元是否存在超速、过电流或者限位触发；
69.若是，则系统断电进行保护，并进行系统清错后上电，运动至安全位置；
70.若否，则判定为运行正常。
71.远程控制模式具体包括如下步骤：
72.选择控制方式，控制方式包括本地数据控制、远程串口控制和远程网络控制；
73.根据选择的控制方式进行导入本地数据文件或接收远程串口控制信号或接收远程网络控制信号；
74.根据本地数据文件或接收远程串口控制信号或远程网络控制信号判断姿态、杆长、速度以及加速度是否超限；
75.若是，则不执行，同时系统断电进行保护，并进行系统清错后上电，运动至安全位置；
76.若否，则由动作执行单元执行动作，执行动作过程中，判断动作执行单元是否存在超速、过电流或者限位触发；
77.若是，则系统断电进行保护，并进行系统清错后上电，运动至安全位置；
78.若否，则判定为运行正常。
79.本方案中在接收到指令时，首先判断姿态、杆长、速度以及加速度是否超限，如果超过正常运行范围则提醒用户，并且不执行。
80.在载人模拟平台正常工作过程中，如果动作执行单元出现超速、过电流或者限位触发等故障，安全plc主站会立即向安全输出从站发出相关命令，让载人模拟平台响应快停，抱闸动作。
81.综上所述，本发明的优点在于：主控plc主站和运动伺服从站分层控制的理念，不再单纯依靠工业控制计算机进行整个系统的控制，同时，将安全控制系统应用到载人模拟平台，大大提高了载人模拟平台的安全性。
82.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

技术特征：

1.一种六自由度载人模拟平台的安全控制系统，其特征在于，包括：工业控制计算机、显示器、主控制plc主站、安全plc主站、安全输入从站、安全输出从站、若干个运动伺服控制从站和若干个动作执行单元；所述工业控制计算机与外部操舰仿真系统和操舰测试系统电性连接，所述工业控制计算机通过以太网或者反射内存网接收外部操舰仿真系统发送过来的潜艇仿真舱的姿态信息和位移信息，所述姿态信息包括纵倾角、横倾角、偏航角，所述位移信息包括x方向位移、y方向位移、z方向位移；所述显示器与工业控制计算机电性连接，所述工业控制计算机运行显示器的ui界面；所述工业控制计算机通过以太网与主控制plc主站实现通讯连接，所述主控制plc主站用于根据潜艇仿真舱的姿态信息进行进行求解计算每个动作执行单元的运动量，得到控制信息；所述主控制plc主站与多个所述运动伺服控制从站之间通过ethercat总线实时进行数据和信息的交互，所述主控制plc主站将控制信息实时发送至运动伺服控制从站；所述运动伺服控制从站与动作执行单元电性连接，所述运动伺服控制从站用于根据控制信息驱动动作执行单元；所述动作执行单元内部集成有上限位开关、下限位开关、硬限位防撞上接触开关和硬限位防撞下接触开关；所述安全plc主站与主控制plc主站通过高速twinsafe网络进行通讯连接；所述安全输入从站与安全plc主站的输入端电性连接；所述安全输出从站与安全plc主站的输出端电性连接，所述安全输出从站的输出端与运动伺服控制从站电性连接。2.根据权利要求1所述的一种六自由度载人模拟平台的安全控制系统，其特征在于，所述安全输入从站的输入端与控制柜急停开关、模拟座舱内急停开关、安全光栅围栏外急停开关、多个动作执行单元的上限位开关、下限位开关、硬限位防撞上接触开关和硬限位防撞下接触开关电性连接。3.根据权利要求2所述的一种六自由度载人模拟平台的安全控制系统，其特征在于，所述安全输入从站与安全plc主站、安全输出从站与安全plc主站和安全输出从站与运动伺服控制从站之间均通过fsoe协议进行信息交互。4.根据权利要求1所述的一种六自由度载人模拟平台的安全控制系统，其特征在于，所述动作执行单元为电动缸，所述电动缸包括伺服电机，所述伺服电机通过同步轮与伸缩滚珠丝杠传动连接，所述伸缩滚珠丝杠上螺纹啮合有滚珠螺母，所述滚珠螺母上安装有伸缩筒。5.一种六自由度载人模拟平台的安全控制方法，适用于如权利要求1-4任一项所述的六自由度载人模拟平台的安全控制系统，其特征在于，包括如下步骤：系统初始化；判断是否初始化成功，若是，则设备准备就绪，准备执行动作，若否，则输出错误代码，给出对应维修措施；选择工作模式，判断工作模式是否为本地工作模式；若为是，则进行本地操作控制模式，由用户输入控制参数；
若为否，则进行远程控制模式。6.根据权利要求5所述的一种六自由度载人模拟平台的安全控制方法，其特征在于，所述本地操作控制模式具体包括如下步骤：用户输入控制模式和合适控制参数，并由动作执行单元执行动作；执行动作过程中，判断动作执行单元是否存在超速、过电流或者限位触发；若是，则系统断电进行保护，并进行系统清错后上电，运动至安全位置；若否，则判定为运行正常。7.根据权利要求6所述的一种六自由度载人模拟平台的安全控制方法，其特征在于，所述远程控制模式具体包括如下步骤：导入本地数据文件，并接收远程串口控制信号和远程网络控制信号；根据本地数据文件、远程串口控制信号和远程网络控制信号判断姿态、杆长、速度以及加速度是否超限；若是，则不执行，同时系统断电进行保护，并进行系统清错后上电，运动至安全位置；若否，则由动作执行单元执行动作，执行动作过程中，判断动作执行单元是否存在超速、过电流或者限位触发；若是，则系统断电进行保护，并进行系统清错后上电，运动至安全位置；若否，则判定为运行正常。

技术总结

本发明公开了一种六自由度载人模拟平台的安全控制系统及控制方法，涉及运动平台技术控制领域，包括：工业控制计算机、主控制PLC主站、安全PLC主站、安全输入从站、安全输出从站、运动伺服控制从站和动作执行单元；工业控制计算机与外部操舰仿真系统和操舰测试系统电性连接；工业控制计算机与主控制PLC主站实现通讯连接；主控制PLC主站与多个运动伺服控制从站之间通讯连接；运动伺服控制从站与动作执行单元电性连接；安全PLC主站与主控制PLC主站通讯连接。本发明的优点在于：主控PLC主站和运动伺服从站分层控制的理念，不再单纯依靠工业控制计算机进行整个系统的控制，同时，将安全控制系统应用到载人模拟平台，大大提高了载人模拟平台的安全性。拟平台的安全性。拟平台的安全性。