Network topologies for long armature linear motors

Abstract

Uzun armatürlü lineer motor, büyük sayıda motor sürücü içeren bir çeşit dağıtık kontrol sistemidir. Bu gibi sistemlerde, motor sürücüler arasındaki bilgi alışverişi doğru ve kayıpsız olmalıdır. Fakat, kullanılan ağ protokolüne göre sabit, sınırlı veya rastgele zaman gecikmeleri ve kayıplar oluşabilmektedir. Haberleşme ağlarında, bu gibi zaman gecikmesi ve paket kaybı problemlerinden tamamen kurtulmak mümkün olmasa da, seçilen uygun bir haberleşme protokolü ve ağ topolojisine göre bu dezavantajları en düşük seviyeye indirmek mümkündür. Bu çalışmada, uzun armatürlü lineer motorun motor sürücülerinin haberleşmesinde kontrol sistemleri için güvenilir bir gerçek-zamanlı haberleşme protokolü olan CAN protokolü kullanılmış, topoloji A ve topoloji B isimli iki farklı ağ topolojisi önerilmiştir. Topoloji A, motor sürücüleri, ana bilgisayar ve bu ikisi arasındaki gateway bilgisayarlardan oluşan hiyerarşik bir sistemdir. Bir gateway bilgisayar ve belirli sayıda motor sürücüden oluşan bölüme bir `motor bölümü` denilmektedir. Bu topolojinin yapısı, itici motor bölümlerinin sınırlarını geçerken, komşu motor bölümlerle haberleşmek için gateway bilgisayarları kullanmayı gerektirir. Buna bağlı olarak, komşu motor bölümler ile haberleşmelerde daha fazla zaman gecikmesi meydana gelmektedir.. Topoloji A‟ya benzer olarak, topoloji B de motor sürücüler, ana bilgisayar ve gateway bilgisayarlardan oluşan hiyerarşik bir sistemdir. Fakat, bu topolojinin yapısı sayesinde, komşu motor bölümlerle haberleşmelerde gateway bilgisayarların kullanılması gerekmemektedir. Amaçlanan topolojiler, gerçek-zamanlı dağıtık kontrol sistemlerinin simülasyonu için geliştirilmiş olan TrueTime yazılımı ile simüle edilmiştir. Sistem pek çok bilgisayardan oluştuğu için, simülasyon modelini oluştururken, standart grafiksel kullanıcı arayüzüne dayalı Matlab işlemlerini kullanmak kolay değildir ve verimsiz bir metottur. Ayrıca, topolojileri analiz ederken, sistem parametrelerinin performansa etkisini gözlemlemek için veya başka amaçlarla pek çok defa değiştirilmeleri gerekmektedir. Bu gibi büyük ve karmaşık modelleri kolaylıkla oluşturmak ve değiştirmek için, Matlab kodlarına dayalı bir metot kullanılmıştır.Her iki topolojinin avantaj ve dezavantajları tartışılmış ve zaman gecikme miktarları kıyaslanarak da performansları değerlendirilmiştir. Sonuçlar, beklenen gibi topoloji B‟nin daha iyi sonuçlar verdiğini göstermiştir. Bu yüzden, uzun armatürlü lineer motorun haberleşmesi için topoloji B ağ yapısı önerilmektedir

Long armature linear motor is a type of distributed control system including a large number of motor drivers implemented in a distributed fashion. In such a system, data exchange between the motor drivers must be accurate and lossless. However, delays and packet losses can be constant, bounded, or even random, depending on the network protocol adopted. Although it is hard to avoid delay and packet loss problems in communication networks, it is possible to decrease these disadvantages to the minimum level by choosing a suitable communication protocol and a network topology. In this thesis, CAN protocol that is a reliable real-time communication protocol for control systems is used and two different network topologies entitled as topology A and topology B are introduced for the communication of motor drivers of long armature linear motor. Topology A is a hierarchical system composed of motor drivers, a main computer that coordinating the overall motion of the linear motor movers (with connected elevator cars), and gateway computers in between. The unit that is composed of one gateway and a fixed number of motor drivers connected to it is called one `motor section`. The structure of this topology requires using gateway computers to communicate with adjacent motor sections while the mover is passing the borders of motor sections. Due to this, an extra delay occurs in the communication of the adjacent motor sections. Similar to topology A, topology B is a hierarchical system composed of motor drivers, a main computer and gateway computers as well. However, thanks to the structure of this topology, gateway computers are not required to be used to communicate with adjacent motor sections. The proposed topologies are simulated via TrueTime, a toolbox for simulation of distributed real-time control systems. Since the system consists of many computers, it is not easy and inefficient to use the standard Matlab graphical user interface based mouse operations to create a model. Moreover, while analyzing the topologies, the system parameters must be changed several times to observe their effects in the system performance or for other purposes. In order to easily create and modify that kind of large and complicated models, we use a new Matlab script based method to build Simulink models of large repetitive systems. The advantages and disadvantages of both topologies are discussed and their performances are evaluated based on comparisons in delay amount. The results indicate that compared to topology A, topology B has a better performance with less delay as expected. Therefore, topology B is suggested for the communication of motor drivers of long armature linear motor.