CC BY
630
Основные направления развития систем комплексной автоматизации на флоте
А.Г. Лепский, В.В. Цветков, A.A. Щеглов
Судомеханический факультет МГТУ, кафедра судовых энергетических установок
Аннотация. Рассмотрены основные этапы внедрения компьютерных технологий в судовые системы автоматического управления. Произведен анализ основных задач и перспектив развития технической базы современных систем промышленной автоматики. Определены направления перспективных исследований систем микропроцессорного управления на флоте.
Abstract. This paper considers the basic stages of the computer technologies implementation in the marine automatic control systems. The analysis of the primary goals and prospects of the technical base development for the modern industrial automatics systems has been fulfilled. The directions of perspective researches of microprocessor control systems on fleet have been shown.
1. Введение
Флот относится к производственным системам с непрерывным циклом производства, на котором каждое рабочее место в системах движения и жизнеобеспечения судна требует наличия не менее трех членов экипажа.
Отказ от использования весла как основного типа движителя судна и переход от биологической энергетики к ветровой, а затем и к паровым машинам был связан с развитием торгового мореплавания и решением задачи повышения эффективности грузоперевозок. В результате численность экипажа условного машинного отделения на судах сопоставимого тоннажа (200-250 т) снизилась со 170 гребцов на римской триреме (I в. н.э.) до 40 матросов на ганзейском когге (XIII в. н.э.) и 6 котельных машинистов на американском колесном пароходе "New Orleans" (1811 г.).
В настоящее время решение указанной выше задачи связывается с комплексной автоматизацией судовой энергетической установки (СЭУ), позволяющей обеспечить ее эксплуатацию без содержания на борту судна машинной команды.
Локальные средства автоматизации впервые появились на флоте в конце XVIII в. одновременно с появлением судовых паровых машин и выполняли функции автоматической защиты паровых котлов и магистралей с помощью предохранительного клапана, изобретенного Денисом Папеном в 1680 г.
До середины XX в. судовая автоматика развивалась исключительно в рамках автоматизации технологических процессов конкретных машин и механизмов. Следующий этап развития судовой автоматики начался после создания в 1961 г. первых систем комплексной автоматизации, позволивших перейти на безвахтенное обслуживание машинного отделения, чему предшествовало изобретение в 1948 г. транзистора (Нобелевская премия 1956 г.) и создание в 1957 г. первого компьютера на транзисторах (компания NCR, США).
Изобретение интегральных микросхем (1958 г., Texas Instruments) и микропроцессоров (1972 г., Intel) привело к качественному изменению технической базы судовых систем контроля и управления судовых энергетических установок, а резкое снижение в конце 80-х годов стоимости элементной базы стимулировало развитие нового направления систем судовой автоматики - "интеллектуализации" систем управления (http://home.polarcom.ru/vvtsv/).
Рис. 1. Автоматизированный ракетоносец США: 500 ракет "Томагавк", длина до 250 м, экипаж - не более 50 чел., проект "Arsenal", Advanced Research Projects Agency (ARPA)
Рис. 2. Линейный корабль "Ямато", Ь/В/О: 263x38.9x10.4 м, водоизмещение 72809 т, экипаж 2500 чел., вооружение 9x18" орудий главного калибра, скорость 27 узлов
Настоящая статья посвящена определению перспективных направлений исследований автоматизированных систем СЭУ на современном, микропроцессорном, этапе их развития.
2. Переход от автоматического регулирования к автоматическому управлению
Переход от систем автоматического регулирования к автоматическому управлению элементами СЭУ начался с проектирования в 1945-50 гг. систем комплексного управления котлотурбинными и газотурбинными установками надводных кораблей и дизельных энергетических установок подводных лодок. Основным назначением данных систем было решение задачи сокращения численности экипажа, обслуживающего энергетическую установку корабля, а на подводных лодках определяла ее автономность.
В 1950 г. на базе струйных усилительных реле, использующих в качестве рабочей жидкости воду, были созданы автоматические регуляторы, позволившие разработать первые системы комплексной автоматизации энергетических установок эсминцев, сторожевых кораблей и ракетных крейсеров, однако основной прорыв в области комплексной автоматизации СЭУ был связан с началом строительства атомного подводного флота.
Ядерные энергетические установки (ЯЭУ) потребовали от судостроения скорейшего перехода к комплексной автоматизации машинного отделения судна, т.к. скорость протекания контролируемых процессов в ЯЭУ была несовместимой с физиологическими характеристиками человеческого организма, а наличие повышенного радиоактивного фона делало невозможным постоянное пребывание человека в зоне работы ядерного реактора.
21 января 1954 г. в США была спущена на воду первая подводная лодка с ядерной энергетической установкой - "Наутилус" ("Nautilus"), получившая позже классификационное определение атомная подводная лодка (АПЛ), а в 1957 году первое гражданское атомное судно - ледокол "Ленин" (СССР), оснащенный автоматизированным комплексом централизованного контроля "Полюс".
Типовая для атомного флота первого поколения система централизованного контроля (СЦК) включала транзисторный вычислитель с оперативной памятью на ферритовых кольцах и контролировала около 600 параметров. Система была способна обеспечить режим автоматического управления реактором с учетом нагрузки турбин и предназначалась для защиты ЯЭУ от нештатных режимов работы.
В 1959 г. в ходе первой перезарядки ядерного реактора на АПЛ "Наутилус" была выполнена доработка и промышленная сертификация нового для флота оборудования, после чего в августе 1960 г. корабль вошел в боевой состав флота США. Начало боевого применения АПЛ открыло эру становления ядерной энергетики на военном флоте и дало старт процессу комплексной автоматизации СЭУ транспортных судов (http://www.ussnautilus.org).
Первые гражданские автоматизированные суда, численность экипажа на которых была сокращена за счет передачи ряда функций контроля и управления бортовой ЭВМ, были спущены на воду в 1961 г. Ими стали японский сухогруз "Кинкасау Мару" и два французских танкера: паротурбинный "Ситала" и дизельный "Сириус". При этом следует отметить, что Франция впервые спроектировала судно с центром управления СЭУ, размещенным на мостике, и поставила эксперимент по новой форме организации труда, где вместо традиционного деления на палубную и машинную команды были введены службы эксплуатации и технического обслуживания с совмещением профессий механика и штурмана.
В 1962 г. в Англии спустили на воду автоматизированное судно "Клан Макджиливрей", на котором было впервые реализовано устройство экстренной остановки главного двигателя с мостика, а в 1963 г. в состав мирового флота вошли еще два автоматизированных судна: "Кристофер Олдендорф", построенный в Германии, и "Инженер Пустошкин" (СССР), переоборудованный в ходе планового ремонта.
Характерной чертой новых судов английского флота стала специализация членов экипажа в соответствии с функциями обслуживаемого оборудования, а для немецких судов-автоматов - широкое применение дистанционного автоматического управления (ДАУ) главных двигателей, размещение в машинном отделении (МО) центрального поста управления (ЦПУ) и преимущественное применение электронных средств автоматики (Ланчуковский, 1990; Петров, 1971).
Рис. 3. ЦПУ на неавтоматизированном и автоматизированном судне
Кроме того, на немецких автоматизированных судах впервые начали привлекать матросов для выполнения работ в машинном отделении, а мотористов - для палубных работ, что завершилось введением для рядового состава флота квалификационной категории моряка универсала I, II, III класса (GP I,II,III - General Purpose Seamen), выполняющего все виды работ на судне.
В 1963 г. опыт строительства и эксплуатации автоматизированных судов был обобщен в меморандуме Ллойда "Автоматизация на судах" (Automation on Ships, Lloyd's, 1963), где было впервые изложено основное требование к технической базе средств комплексной автоматизации СЭУ: "управляющее оборудование должно обеспечивать непрерывную работу в течение 350 дней в году".
В 1964 г. на небольших судах датского флота класса река-море начались опыты по безвахтенному обслуживанию МО. Положительный опыт и особенности эксплуатации СЭУ без несения постоянной вахты в МО были учтены при постройке в 1966 г. танкера-автомата "Санкт Михаэлис" (Германия), после чего началось интенсивное строительство комплексно-автоматизированных судов (Ланчуковский, 1990).
Экономическая эффективность эксплуатации судов класса UMS (unmanned machinery space), присвоенного Регистром Ллойда судам с безвахтенным обслуживанием МО, оказалась настолько высокой, что уже в 1968 г. в эксплуатации и постройке находилось около 1000 автоматизированных судов, причем 25 % из них не требовали круглосуточной вахты в машинном отделении. К середине 80-х годов число автоматизированных судов приблизилось к 10 000, из которых уже половина не требовала круглосуточной вахты в машинном отделении, а в настоящее время практически все суда водоизмещением больше 500 тонн строятся только с автоматизированной энергетической установкой.
В табл. 1 и 2 приведены конвенционные требования к минимальному составу инженерной службы морских транспортных судов и определению классов автоматизации, соответствующих правилами классификации и постройки морских судов (Rules for Building and Classing) Американского (American Bureau of Shipping) и Российского регистров морского судоходства.
Таблица 1. Минимальная численность инженерной службы морских транспортных судов
Автоматизированные суда с мощностью энергетической установки: Неавтоматизированные суда с мощностью энергетической установки:
свыше 3000 кВт до 3000 кВт свыше 3000 кВт до 3000 кВт
1 инженер 1-го класса 1 инженер 2-го класса 1 инженер 3-го класса 1 инженер 2-го класса 2 инженера 3-го класса 1 инженер 1-го класса 1 инженер 2-го класса 2 инженера 3-го класса 1 инженер 2-го класса 3 инженера 3-го класса
2 моториста 2-го класса или 2 GP 2-го класса 2 моториста 2-го класса или 2 ОР 2-го класса 1 моторист 3-го класса или 1 ОР 3-го класса 1 стажер или кадет
Таблица 2. Определения классов автоматизации морских судов
Американское бюро судоходства (часть 4, глава 9, "Управление пропульсивным комплексом и автоматизация", ABS, 2002) Российский морской регистр судоходства (часть XV, "Автоматизация", РМРС, 8-е издание; 1999)
ACCU (Automatic Centralized Control Unmanned) -централизованное автоматическое управление энергетической установкой с навигационного мостика А1 - объем автоматизации механической установки самоходных судов и плавучих сооружений позволяет ее эксплуатацию без постоянного присутствия
или с центрального поста управления, размещенного в обслуживающего персонала в машинных помещениях и
пределах машинного отделения или смежных с ним помещениях. в центральном посту управления.
ACC (Automatic Centralized Control) - централизованное автоматическое управление энергетической установкой из центрального поста управления, размещенного в А2 - объем автоматизации механической установки самоходных и несамоходных судов и плавучих сооружений позволяет ее эксплуатацию одним
пределах машинного отделения или смежных с ним помещениях. оператором из центрального поста управления без
постоянного присутствия обслуживающего персонала в
машинных помещениях.
ABCU (Automatic Bridge Centralized Control Unmanned) -централизованное автоматическое управление с навигационного мостика при отсутствии места для А3 - объем автоматизации механической установки самоходных судов и плавучих сооружений позволяет ее эксплуатацию без постоянного присутствия
размещения центрального поста управления в машинном обслуживающего персонала в машинных помещениях.
отделении или смежных с ним помещениях (для судов с размеренней L<90 м). Знак А3 применим только к судам и плавучим сооружениям с мощностью главных механизмов до 2250 кВт.
3. Микропроцессорное управление судовыми энергетическими установками
В 1972 г. американская компания "Intel" (INTegrated ELectronics - интегральная электроника), основанная в 1968 г., создала первый 4-разрядный промышленный микропроцессор Intel 4004, содержащий 2300 транзисторов в диске диаметром около 0,5 дюйма и выполняющий функции одной из первых ЭВМ ENIAC (85 куб. м, 18000 вакуумных ламп, 60 тыс. оп./с, 1946 г.).
Однако интенсивное внедрение микропроцессорной техники в промышленности началось только после доведения стоимости микропроцессоров до приемлемого уровня и было связано с появлением в 1981 г. первого серийного персонального компьютера (ПК) IBM 150 Personal Computer, торговая марка IBM PC, процессор i8088, операционная система MS DOS, стоимость $1565 / $3000 -с цветным монитором. В течение трех лет микропроцессорные технологии преобразовали настольные компьютеры в наколенные (Laptop), и в 1984 г. появились вычислители, объединяющие системный блок, дисплей и клавиатуру в одном корпусе.
Впечатляющий рывок в развитии элементной базы, идеально подходящей для применения в системах комплексной автоматизации, сразу нашел применение на флоте. В апреле 1984 г. в Финляндии был спущен на воду первый в мире т/х типа ро-ро дедвейтом 13 000 тонн - "Ойхонна" ("Oihonna") с микропроцессорной системой "Shipa" производства фирма "Раума-Репола".
Первая в мире микропроцессорная система автоматизированного управления судовой энергетической установкой выполняла следующие функции:
- контроль технологических процессов, аварийная и предупредительная сигнализация;
- автоматическое управление судовой электростанцией;
- автоматическое управление пуском главных двигателей и вспомогательных механизмов;
- автоматическое управление сепараторами льяльных вод;
- автоматическое поддержание температуры и влажности в грузовых помещениях.
Для каждой подсистемы был предусмотрен отдельный процессор, которые были объединены в локальную сеть. Связь с операторами обеспечивали семь терминалов, оснащенных цветными дисплеями и клавиатурой. Одной из основных функций центрального блока управления являлась запись тренда параметров и хранение информации для представления в контрольных отчетах, в том числе и ведение вахтенного журнала.
В мае 1984 г. в Финляндии был принят в эксплуатацию паром "Свеа" водоизмещением 35 000 тонн, курсирующий на линии Турку - Стокгольм. Паром был оснащен микропроцессорной системой управления "Selma Marine" производства компании "Стремберг", первой получившей сертификат на соответствие требованиям "Норвежского Веритаса" (DnV) к судам с МО класса E0 (engineer zero - нет инженера). До этого классификационных требований к микропроцессорным системам автоматизированного управления СЭУ просто не существовало (http://www.stq.ru/).
Система включала более 3000 точек контроля, и базировалась на 19 автономно действующих микро ЭВМ "Selma", обеспечивающих управление четырьмя главными двигателями, четырьмя дизель-генераторами, 190 клапанами, 20 электродвигателями, 41 парой резервных насосов и 44 регуляторами температуры и вязкости.
Пройденный за двадцать лет путь развития микропроцессорных систем централизованного контроля и управления (СЦК) позволил определить типовой набор функций СЦК современного автоматизированного судна:
- сбор и обработка первичной информации от устройств нижнего уровня;
- контроль технологических нормативов и автоматизация процесса их поддержания;
- регистрация сигналов и управление в аварийных ситуациях;
- визуализация информации в виде графиков, гистограмм, трендов и т. п.;
- автоматическая генерация отчетной информации.
Современный этап развития технической базы микропроцессорных систем автоматизированного управления на флоте связан с решением следующих основных задач:
- взаимопроникновением различных уровней автоматизации, обеспечивающим оперативный контроль технологических процессов с любого рабочего места на судне, например, с мостика или каюты инженера-механика;
- унификацией стандартов и интерфейсов различных аппаратных и программных средств, используемых в рамках многоуровневых систем автоматизации, и созданием так называемых открытых систем, допускающих в рамках одной системы использование оборудования любого производителя;
- внедрением сетевых технологий и Интернета во все уровни управления СЭУ, позволяющих автоматизировать организацию берегового обслуживания судна, включая формирование заказов на расходные материалы, поставку топлива, масла, запчастей и т. д. (http://www.scada.ru/).
4. Компьютеризация автоматизированных систем управления
Одновременно с применением микропроцессоров в системах управления СЭУ появились первые приложения, ориентированные на использование интеллектуальных ресурсов новой технической базы. Одним из первопроходцев нового направления стала компания "SpecTec Danmark A/S", входящая в основанный в 1915 г. консорциум "J.O. Odfjell Group" (Берген, Норвегия), специализирующийся на морских перевозках особо опасных грузов (химические реагенты, взрывчатые вещества, бензин и т.д.). Специфика перевозимых грузов требовала не только максимального применения новейших систем технологического контроля, но и обязательного согласования всех технических решений с классификационными обществами, гарантирующих грузоотправителю техническую безопасность судна.
Накопленный опыт внедрения новейших технологий на флоте позволил компании одной из первых предложить в 1985 г. программный продукт AMOS-D, реализующий концепцию управления потоком работ по технической эксплуатации судна (Work Flow Management, WFM). В основу концепции программного обеспечения были положены следующие основные принципы, соблюдаемые сегодня всеми производителями программных продуктов для бортовых ЭВМ:
- простота применения; - максимум сообщений о рабочих процессах;
- минимум обслуживания; - совместимость с офисными приложениями;
- встроенный самоконтроль; - базирование на ресурсы стандартных ПК;
- низкая себестоимость; - глобальная техническая поддержка.
В AMOS-D впервые в отрасли были использованы новые информационные технологии, а именно: язык структурированных запросов; безбумажный обмен данными; объектный подход и взаимосвязь с управляемыми объектами. Позже система была расширена включением поддержки почтовых приложений.
Однако главным для продвижения продукта стала его сертификация в соответствии со стандартом ISO 9002, т.е. требованиями Ллойда (Lloyd's) к изделиям, применяемым на борту судна. В настоящее время пакет AMOS-D установлен более чем на 5000 судах мирового флота, а обучение работе с ним входит в перечень программ тренажерной подготовки плавсостава. В России система качества научно-производственного предприятия (НПП) "СпецТек" сертифицирована в соответствии с требованиями международного стандарта ИСО 9001:2000, Госстандарта РФ №P0CC.RU.HC09.K00144 от 27.12.2002 и DQS № 263480 QM от 25.11.2002 (http://www.spectec.dk/SpecTec/, http://www.trim.ru/ru/index.html).
Компьютеризация организационной составляющей работ по техническому обслуживанию и ремонту судна вызвала потребность в разработке аппаратных средств, автоматически определяющих тренд технического состояния судового оборудования.
Решение поставленной задачи было найдено в ходе разработки морских систем технической диагностики (СТД), представляющих сегодня одну из наиболее динамично развивающихся отраслей судостроительной промышленности и решающих две основные производственные задачи:
- контроль технического состояния и эффективности использования оборудования;
- контроль качества обслуживания и регламента работ по ТО и ремонту.
В настоящее время системы технической диагностики для флота выпускаются такими компаниями, как "Норконтрол", "Зульцер", "Мицубиси дзюкеге", "Симоне", АСЕА, "Сигма". Отличительным признаком современных диагностических систем является применение глубоко развитых интеллектуальных систем анализа и обработки данных, построенных на новейшей микропроцессорной базе и допускающих оперативную перенастройку и коррекцию рабочих программ в ходе их эксплуатации (http://www.icn.ru/, http://www.ipu.ru/period/pisu.htm).
Дополнение функций СЦК задачами, решаемыми системами технической диагностики, привело к появлению на автоматизированных судах информационно-измерительных систем (ИИС), функционально приближающихся к береговым комплексам диспетчерского управления и сбора данных, получившими наименование SCADA системы (Supervisory Control And Data Acquisition).
Технологические преимущества систем SCADA связаны с расширением функций современных ИИС следующими дополнительными возможностями:
- организацией накопления и длительного хранения информации с возможностью ее постобработки с помощью интерфейсов к наиболее популярным базам данных;
- использованием человеко-машинного интерфейса (Human Machine Interface, HMI) и технологий визуального проектирования (Visual Tag System™, VTS™) для разработки или индивидуальной подстройки программного обеспечения (ПО) без реального программирования;
Рис. 5. Современный переносной диагностический комплекс СДВС, 2004 г.
- поддержкой работы прикладной системы с набором параметров, рассматриваемых как "единое целое" ("recipe" или "установки", например, создание контрольной точки, объединяющей температуру, давление и расход рабочей среды).
Программные продукты класса SCADA широко представлены на мировом рынке. Это несколько десятков SCADA-систем, многие из которых нашли свое применение и в России. Наиболее популярные из них: InTouch (Wonderware, США); Citect (CI Technology, Австралия); FIX (Intellution, США); Genesis (Iconics Co., США); Factory Link (United States Data Co., США); RealFlex (BJ Software Systems, США); Sitex (Jade Software, Великобритания); TraceMode (AdAstrA, Россия); Cimplicity (GE Fanuc, США); САРГОН (HBT - Автоматика, Россия).
Специфику SCADA систем хорошо иллюстрирует таблица 3, где приведено распределение стоимости модулей, входящих в типовой диспетчерский комплекс VTScada (без учета стоимости датчиков и рабочих станций) (http://www.scada.ru/).
Таблица 3. Стоимость составляющих модулей комплекса VTScada
Назначение модуля Стоимость, USD
VTS Full Development & Run Time license (визуальный интерфейс разработчика) бб80 (3б,7 %)
VTScada version 3.0 license (лицензированное ПО VTScada) 2500 (13,8 %)
Data Flow Systems driver (драйверы системы сбора данных): 1000 (5,5 %)
Data Flow Systems DFS TAC II database conversion utility (конверторы баз данных) 1000 (5,5 %)
Complete Base System computer (компьютер системы управления) 2000 (11,0 %)
Base System integration (системный интегратор): 5000 (27,5 %)
ИТОГО 18180(100%)
Примечание: функции системного интегратора:
- преобразование информации стандарта DFS (VTScada) в базу данных Microsoft Access,
- генерация общих обзорных страниц из страниц локальных станций,
- конфигурирование системы обмена информации между станциями и объектами контроля.
Т. е. практически все основные особенности систем SCADA связаны с наличием специальных технических и программных средств, ориентированных на совершенствование методов обработки информации и расширение интерфейса система - оператор - внешний мир, что и лежит сегодня в основе развития компьютерных технологий в промышленности и на транспорте
Роль и значение современных компьютерных технологий признана всеми морскими классификационными обществами и нашла отражение в выделении специальных разделов, непосредственно контролируемых надзорными органами флота. Так, например, в изданном в 1999 г. восьмом издании Правил классификации и постройки морских судов российского морского регистра судоходства в главе XV "Автоматизация" появился новый, седьмой, раздел - "Компьютеры и компьютерные системы".
4. Современные системы автоматизированного управления на флоте
Современная судовая автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП) реализуется, как правило, в виде трехуровневой иерархической системы.
На первом уровне находятся датчики для сбора информации и исполнительные механизмы, осуществляющие управляющее воздействие, на втором - локальные контроллеры (PLC - Programming Logical Controller), на третьем - концентраторы, коммутаторы и интеллектуальные контроллеры, реализующие заданный алгоритм управления.
В принципе, локальные контроллеры выполняют функции регуляторов местных постов управления и осуществляют:
- сбор и обработку информации о параметрах технологического процесса;
- управление электроприводами и другими исполнительными механизмами;
- решение производственных задач на местном (логическом) уровне управления.
Рис. б. Обобщенная схема систем управления SCADA
К аппаратно-программным средствам локальных контроллеров предъявляются жесткие требования по надежности и времени реакции на сигнал датчиков и скорости выработки управляющего воздействия.
Разработка, отладка и исполнение программ управления локальными контроллерами осуществляются с помощью специализированного, так называемого инструментального ПО, широко представленного на рынке. К этому классу программных продуктов относятся пакеты типа ISaGRAF (CJ International, Франция), InConrol (Wonderware, США), Paradym 31 (Intellution, США), имеющие открытую архитектуру (http://www.mka.ru/).
После приема и первичной обработки информация локальных контроллеров направляется в аналитические контроллеры верхнего уровня. В зависимости от поставленной задачи их называют концентратор, коммуникационный или
интеллектуальный контроллер со специализаций в одной из следующих областей:
- сбор и обработка данных с локальных контроллеров, включая масштабирование;
- синхронизация работы подсистем и контроль единства времени в системе;
- обмен информацией между локальными контроллерами и контроллерами верхнего уровня; системы управления СЭУ "^clmatic ^ 1996 г.
- организация автономной работы системы при отсутствии внешних команд;
- распределение информации по внутренним и внешним каналам передачи данных;
- организация и обслуживание архивов по выбранным критериям.
Связь человека с системой управления организуется на третьем уровне управления с помощью одной или нескольких станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место оператора. Конструктивно станция связи может располагаться либо автономно, либо включаться в пульт управления судном на мостике или ЦПУ в машинном отделении.
Разработкой компьютерных систем управления для флота занимается не один десяток компаний, но практически все системы определяются как секрет производителя ("know-how"), а открытые данные о большинстве из них представляют собой лишь рекламные проспекты. Среди мировых производителей судовых компьютерных АСУТП можно выделить следующие компании: ABB, Side Marine, Imtech Marine and Industry, KonGsberg MariTime и др., а из отечественных - НПО "Аврора", российского монополиста в области корабельной и судовой автоматики.
Предприятие существует уже более 30 лет, в течение которых были созданы и успешно эксплуатируются автоматизированные системы для более 200 судов различного назначения, в том числе и атомных ледоколов. С конца 80-х годов XX века в НПО были развернуты работы по созданию принципиально новой микропроцессорной системы комплексной автоматизации, предназначенной для замены бортового комплекса "Залив-М", выпускавшегося более 10 лет.
В первой интегрированной микропроцессорной системе, разработанной и поставленной НПО "Аврора", в качестве вычислительного ядра использовались программно-аппаратурные средства фирмы "ABB Stremberg drives". На основе данных средств были разработаны, изготовлены и поставлены заказчику четыре автоматизированные системы для лесовозов проекта 15640 и две системы для танкера проекта 15967.
В 1993 г. в НПО "Аврора" были начаты работы по созданию базового комплекса средств автоматизации "Авролог". Базовые технические условия на элементную базу системы были одобрены Главным Управлением Российского Морского Регистра Судоходства (РМРС), а сам комплекс, включая техническую базу АСУТП, был сертифицирован Регистром и допущен к применению на флоте.
На базе комплекса "Авролог" в период с 1994 по 1999 гг. было создано и поставлено заказчику пять интегрированных систем управления для сухогруза "река-море" проекта 17310 (заказчик - АО "Завод "Красное Сормово"), система управления и контроля "Авролог ПС-500" для иностранного заказчика (СРВ) и система управления принципиально новой сепарационной установкой (Научно-технический сборник ФНПЦ "НПО "Аврора", 2000).
Рис. 7. Структура автоматизированной
5. Перспективные технологии автоматизированного управления
Наиболее эффективные технологии измерения и обработки данных могут быть реализованы на базе стандарта VXI (Vme eXtention for Instrumentation), разработанного в 1987 г. Первоначально стандарт VXI предназначался для контрольно-диагностического и радиоизмерительного оборудования военного назначения и соответствует не только военным (MIL-45662A) и промышленным (ISO 9000) стандартам качества, но и обеспечивает электромагнитную совместимость (EN 55011) и помехозащищенность (EN 50082-1) измерительных систем.
Рис. 8. Современная система комплексной автоматизации управления судном ALSTOM, 2003 г. The Integrated Alarm Control and Monitoring System (IACMS):
The Power Management System (PMS) & The Vessel Management System (VMS)
В настоящее время шина VXI определена в качестве стандарта IEEE 1155-1994, в соответствии с которым более 250 производителей выпускают свыше 800 коммерческих продуктов. К ведущим производителям оборудования стандарта VXI относятся такие компании, как "Hewlett Packard", "Tektronix", "Racal Instruments" и др.
Стандарт VXI позволяет реализовать основные варианты конфигурации ИИС. В варианте централизованной ИИС измерительные и управляющие каркасы (крейты) VXI подключаются к стандартному внешнему компьютеру, выполняющему функции управляющей ЭВМ.
В децентрализованной системе управления применяются только встроенные крейт-компьютеры, обеспечивающие контроль и управление технологическим процессом одновременно с функциями интеллектуальных контроллеров и маршрутизаторов шины VXI (http://www.vxi.ru, http://www.mka.ru).
Перечень модулей, из которых комплектуется VXI система, включает:
- командные модули или встроенные компьютеры, обеспечивающие управление шиной VXI и синхронизацию работы крейта с внешними устройствами. Командный модуль определяет тип интерфейса связи с внешним компьютером: последовательный, GP-IB, VXLink или параллельный - MXI. Например, командный модуль фирмы "Hewlett-Packard" HP Е1306А для крейта размера В (5, 7, 12 и 20 посадочных мест) с процессором М68000, 8 МГц, ОЗУ до 2 МБ и интерфейсами связи RS-232 и GP-IB;
- модули памяти со встроенными накопителями (HP E1562B, 2*2,1 ГБ) и портами SCSI-2 для внешнего обмена данными или статической ОЗУ (HP Е1488А, 2-16 МБ) с выходом на локальную шину, по который производится подключения аналоговых регистраторов, цифровых осциллографов или сигнальных процессоров стандарта VXI;
- модули интерфейсов связи и адаптеров интерфейсов. К ним относятся адаптеры VXI/MXI, GPIB/VXI, а также модули интерфейсов MIL-STD-1553B, ARINC-429, ARINC-629, IRIG и т.п.;
- цифровые мультиметры, обеспечивающие проведение интегрирующих измерений напряжения постоянного и переменного тока в диапазоне от 3 В до 3 ГВ и сопротивлений с точностью до 0,2 %, при времени интегрирования не менее 16,7 мс (модуль HP Е1401А) и длительности преобразования сигнала до 10 мс;
- многоканальные (от 4 до 64 встроенных каналов) АЦП с достаточно высокими разрешением (16 бит) и скоростью преобразования до 400 кГц с индивидуально программируемыми встроенными усилителями и фильтрами (модули фирм ANALOGIC - DBS 8700,8701 и Hewlett-Packard - HP Е1313А, HP E1413A);
- интеллектуальные входные модули (SCP) для подключения каналов с малыми уровнями сигналов (термопар, терморезисторов, тензодатчиков и др.). Платы SCP содержат сигнальный процессор (DSP) с блоком калибровки (CAL), обеспечивающие тестирование и настройку канала, и два модуля буферной памяти для хранения промежуточных результатов измерений FIFO и специальных таблиц с текущими значениями режимов и диапазонов измерений (Current Value Table);
- высокоскоростные дигитайзеры и цифровые осциллографы, обеспечивающие максимальную скорость регистрации до 20 Мслов/с на канал, на частоте измерений от 10 МГц до 1 ГГц при разрешении от 18 до 8 бит соответственно и количестве параллельных каналов от 2 до 4;
- 16-битовые цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) стандарта VXI с двуполярным вольтовым или токовым выходом, гальванической развязкой и числом независимых выходов от 4 до 12 в одном модуле. Например, 12-канальный ЦАП производства фирмы "Tektronix" X4730 имеет вольтовый выходной сигнал ±16,4 В c разрешением 500 мВ и током нагрузки 410 мА по каждому каналу. Имеется возможность записи кода с шины VXI в двоичном или ASCII формате со скоростью 250 КБ/c.
- многоканальные модули цифрового ввода/вывода (до 32 каналов) с низким уровнем входных/выходных сигналов (TTL, CMOS) и модули с повышенным уровнем входных/выходных сигналов (5, 12, 24 или 48 В), используемые для управления внешними реле и ввода информации типа "включено / выключено" с контактов внешних реле и концевых выключателей;
- релейные и полупроводниковые мультиплексоры, используемые для подключения к измерительным блокам (например, мультиметров) и поддержки многоканальных (от 32 до 128 каналов) измерений со стандартной для VXI аналоговой шиной, позволяющей объединять до 16 мультиплексоров в одну сканирующую систему;
- матричные переключатели и многоканальные модули силовых ключей (16, 32, 64 канала), предназначенные для коммутации цепей с напряжением до 250 В и током до 5 А. Максимальное напряжение коммутируемых цепей в матричных переключателях 60 В, ток - 200 мА. Типовое значение тока для силовых ключей 0,6 А, однако в некоторых модулях (HP Z2468A) при уменьшении числа используемых каналов можно увеличивать ток в выходной цепи до 5 или 8 А;
- специальные модули, ориентированные на конкретные области применения, например, для многоканальных виброакустических испытаний (Bruel&Kjaer, HP), многоканальные компараторы, модули управления шаговыми двигателями (Tektronix, HP); высокочастотные аттенюаторы и усилители (CAL-AV Labs), регистраторы быстроменяющихся сигналов (Kinetic Systems Corp.) и др.
Поставщиками VXI систем в России являются представители компаний VXI Technology Inc. (холдинг "Информтест"), "National Instruments", "Agilent Technologies" и Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт "Кварц", разработавшие по заказу предприятий Росавиакосмоса, Академии наук и Минатома более 30 типов модульных приборов и 7 видов VXI систем (Тест 9712, Тест 9611, Тест 9902, Тест 2001, Тест 9110) (http://www.vxi.ru, http://www.mka.ru).
0 1 -
V - -
Рис. 9. Интерфейсы современного инструментального программного обеспечения
УХ1-системы располагают широким спектром разработок в области реализации интерфейсов на уровне "человек-система", таких, как графический язык программирования ЬаЬУЕБ'^ использующий при создании приложений графические символы вместо текста. В отличие от текстовых языков программирования, в которых процесс выполнения программы определяется инструкциями, ЬаЪУК^ использует потоковое программирование, при котором ход выполнения программы определяется потоком поступающих данных.
Широкое распространение УХ1 технологий сдерживает относительно высокая стоимость оборудования,
Vsl С-*и*
PXI 6U
PKi эи
1
ПррИ J ■ р ДИ1» ЛЩФСТ1,
Рис. 10. Экономические показатели оборудования VXI и PXI стандартов
однако не исключено, что этот недостаток будет вскоре преодолен благодаря появлению в 1997 г. новой, совместимой с VXI, но более дешевой шины PXI (Pci eXtention for Instrumentation), разработанной компанией "National Instruments" для расширения стандарта CompactPCI в область поддержки производственных измерительных систем (http://vxi.ru).
6. Заключение
Проведенный анализ истории и перспектив развития систем комплексной автоматизации на флоте позволяет утверждать, что для современных судовых АСУТП характерно:
- постоянное расширение сферы применения микропроцессоров в системах технологического контроля и управления СЭУ;
- резкое увеличение объема применения прикладного программного обеспечения в новых судовых информационно-измерительных системах и системах централизованного контроля;
- непрерывный рост количества контролируемых параметров технологических процессов и технического состояния судового оборудования.
Однако функциональное развитие судовых систем комплексной автоматизации невозможно без оптимального переноса задач, решаемых СЦК, на локальные системы контроля и управления. Только так можно расширять возможности АСУТП без их существенного усложнения и удорожания, например, увеличивать объем контроля технического состояния оборудования СЭУ и повышать надежность управления технологическим процессом за счет децентрализации системы управления СЭУ.
При этом следует помнить, что основной особенностью микропроцессорной элементной базы является расширение возможностей измерительных систем, в частности, обеспечение контроля параметров, недоступных для прямого измерения и осуществление управления по прогнозу отклонения любых показателей технологического процесса от теоретической модели.
Реализация новых технологий управления судовыми машинами и механизмами требует пересмотра сложившейся методики конструирования локальных систем управления, ориентированных на использование только физически контролируемых параметров и выработке нового -микропроцессорного подхода к созданию судовых систем автоматики.
Литература
Ships of the world: An historical encyclopedia. USS Nautilus (SSN-571) [электронный ресурс] - Режим
доступа: http://college.hmco.com/history/readerscomp/ships/html/sh 000106 shipsofthewo.htm Submarine Force museum. Historic Ship NAUTILUS. [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.ussnautilus.org/nautilus.htm
Автоматика и робототехника [электронный ресурс] - Режим доступа: http://home.polarcom.ru/vvtsv/ Информационный портал SCADA [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.scada.ru/, свободный.
Информационный портал VXI [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.vxi.ru/, свободный. Ланчуковский В.И. Автоматизированные системы управления судовыми дизельными и
газотурбинными установками. Ланчуковский В.И., Козьминых A.B. М., Транспорт, 1990. Мир компьютерной автоматизации [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.mka.ru/, свободный.
Московцев Ю.П. Системы управления и обработки информации. Научно-технический сборник ФНПЦ
"НПО "Аврора", СПб, вып. 1, 2000. Официальный сайт Интернет журнала "Новости промышленных и встраиваемых компьютеров"
[электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.icn.ru/ Официальный сайт компании "SpecTec Danmark A/S" [электронный ресурс] - Режим доступа:
http://www.spectec.dk/SpecTec/ Официальный сайт научно-производственного предприятия "СпецТек, Россия" [электронный ресурс] -
Режим доступа: http://www.trim.ru/ru/index.html Петров В.П. Эксплуатация автоматизированных судовых дизельных установок. Петров В.П., Попов
Г.А., Савин E.B. М., Транспорт, 1971. Промышленные АСУ и контроллеры, Институт проблем управления РАН [электронный ресурс] -
Режим доступа: http://www.ipu.ru/period/pisu.htm, свободный. Современные технологии автоматизации [электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.stq.ru/, свободный.
