Лекция 8. Принципы построения судовых МПСУ

С начала 80-х годов морские суда оснащаются системами комплексной автоматизации, построенными на основе микроЭВМ. Применение микроЭВМ позволило комплексно автоматизировать не только СЭУ, но и судно в целом, включая управление грузовыми операциями танкера, решение навигационных, административных и других задач. В настоящее время комплексные МПСУ выпускаются несколькими ведущими в области автоматизации судов фирмами европейских стран. Несмотря на отличия в технических характеристиках, во всех МПСУ

прослеживаются некоторые общие принципы их построения. Судовые МПСУ могут быть охарактеризованы как комплексные распределенные децентрализованные системы управления с иерархическим принципом организации, построенные по модульному принципу.

Представление об общей структуре комплексной МПСУ судовой энергетической установки дает рис. 1.

Рис. 1. Общая структура судовой МПСУ

Такая система автоматики строится в принципе на двух типах модулей – управляющих ЭВМ и диспетчерских ЭВМ, связанных между собою информационными линиями связи, объединяющими их в систему.

Каждая из управляющих ЭВМ специализирована для решения конкретной задачи и непосредственно управляет конкретным судовым объектом – главным двигателем, дизель-генератором, выполняет функции СЦК и т.д. Количество управляющих ЭВМ, а в документации фирм их часто называют процессовыми или рабочими станциями, контроллерами, в МПСУ может составлять несколько десятков. Каждая из ЭВМ, обладая вычислительными возможностями, является в некотором смысле "интеллектуальной" системой. Территориально управляющие ЭВМ могут быть расположены непосредственно у объекта управления, совместно с которыми они образуют локальные системы автоматики, способные достаточно эффективно функционировать и самостоятельно, без связи с диспетчерской ЭВМ. Поэтому такие МПСУ и характеризуют как децентрализованные и распределенные – общие "интеллектуальные" возможности системы управления разделены между многими, относительно простыми ЭВМ, которые распределены по объектам управления.

Диспетчерская ЭВМ решает две основные задачи – обеспечивает связь системы с человеком и объединяет управляющие ЭВМ в систему комплексной автоматизации. С позиции взаимодействия с человеком, диспетчерская Эвм по существу является постом управления СЭУ и территориально размещается в центральном посту управления (ЦПУ) энергетической установкой судна. Для обеспечения надежности, как правило, используются две диспетчерские ЭВМ, дублирующие друг друга. По составу комплектующих блоков (принтер, накопители на магнитных дисках, цветной монитор и т.д.), по организации программного обеспечения, по техническим характеристикам диспетчерские ЭВМ приближаются к персональным компьютерам, отличаясь от них более жесткими требованиями к надежности.

С позиции управления диспетчерская ЭВМ представляет собою верхний уровень управления (иерархии), на нижнем находятся управляющие ЭВМ. диспетчерская ЭВМ координирует работу управляющих ЭВМ, получая от них информацию о процессах в объектах управления и задавая им режимы работы, не вмешиваясь, однако, в детали процесса управления. Такая структура системы обеспечивает ее высокую надежность и гибкость. Если связь с диспетчерской ЭВМ нарушена, управляющая ЭВМ в состоянии решать задачи управления объектом самостоятельно, практически в том же объеме. В зависимости от требований к уровню автоматизации конкретного судна, из состава МПСУ могут быть исключены или добавлены необходимые управляющие ЭВМ – отразится это, в основном, на составе программного обеспечения диспетчерской ЭВМ.

С позиции технического обслуживания комплексная система управления, построенная на микроЭВМ, обладает значительными преимуществами перед системами автоматики, построенными без применения ЭВМ. Электрические схемы управляющих ЭВМ практически одинаковы. Это резко сокращает число типов электронных блоков, обеспечивает их широкую взаимозаменяемость. Специализация же конкретной управляющей ЭВМ достигается в основном на программном уровне – соответствующим содержимым микросхем ПЗУ, где хранится программа.

Вычислительные возможности ЭВМ позволяют легко обеспечить ее тестирование и обнаруживать неисправные блоки. Обычно для этих целей используются специальные тестирующие и диагностические программы, заносимые в память ЭВМ и работающие параллельно с решением основных задач.

Аналогичные по принципам построения распределенные системы управления в настоящее время широко используются в промышленности, на других видах транспорта и в других отраслях. Их сокращенно именуют SCADA-системы (от англ. Supervisory Control And Data Acquisition System) – системы дистанционного управления и обработки данных.

Лекция 9. Судовая МПСУ "Data chief-7"

Данная система комплексной автоматизации СЭУ разработана в 80-х годах норвежской фирмой "Norcontrol" и установлена на многих судах мирового флота. Имеется ее более совершенная модификация "Data chief-2000", отличающаяся от рассматриваемой в основном составом и характеристиками диспетчерской станции (ЭВМ) и ее программным обеспечением и устанавливавшаяся на морских судах в 90-х годах.

Представление о структуре МПСУ "Data chief-7" и размещении ее блоков на судне дает рис. 1. Система построена на основе нескольких типов блоков, специализированных под решаемые задачи:

- SAU (signal acquisition unit) – блок сбора и обработки информации;

- GCU (generator control unit) – блок управления дизель-генератором;

- PCU (programmable controller unit) – блок управления вспомогательными механизмами, регулирования параметров – температуры, давления и т.д.;

- LGU (level gauging unit) – блок измерения уровней жидкостей в цистернах, грузовых танках;

- OCP (operator control panel) – панель управления системы;

- SPU (signal processing unit) – центральный блок системы.

Блоки SAU, GCU, PCU, LGU выполняют роль управляющих ЭВМ. Их структурные схемы практически одинаковы. Один из этих блоков (SAU) подробно рассмотрен ранее. Отличие между блоками состоит лишь в наборе адаптеров, в конфигурации их панелей управления и в содержимом управляющей программы.

Блок SPU выполняет функцию диспетчерской ЭВМ. он состоит из 8 микроЭВМ, каждая из которых выполнена на основе микропроцессора 8086 и запрограммирована под свою задачу. Блок SPU обеспечивает связь системы с человеком через устройства ввода-вывода информации: графический или алфавитно-цифровой монитор, панель управления типа OCP, принтер. Панель управления ОСР выполнена в форме специализированной клавиатуры и по внутреннему построению является микроЭВМ, структурная схема которой близка к схеме блока SAU. Панель управления, монитор и принтер образуют пост управления системы. Таких постов может быть до четырех (на рис. 1 показан один).

Передача информации между управляющими ЭВМ и диспетчерской осуществляется по линии связи типа токовая петля.

Для обеспечения функций сигнализации в состав МПСУ включены блоки обобщенной сигнализации и вызова вахтенного (БОС), блок сигнализации и вызова вахтенного механика на мостике, средства сигнализации в машинном отделении. Аналогичные блоки используются в СЦК "Data chief-7 midi".

МПСУ "Data chief-2000" выполнена по структуре, аналогичной представленной на рис. 1, и использует те же типы специализированных блоков – SAU, GCU и т.д. Основное отличие состоит в том, что вместо блока SPU, выполняющего функции диспетчерской ЭВМ, используется блок MCU (Main Computer Unit). По принципам построения и комплектации этот блок по существу является PC-компьютером в промышленном исполнении – по сравнению с офисным компьютером лучше защищен от факторов внешней среды.

Для управления главным судовым двигателем фирмой "Norcontrol" разработана отдельная МПСУ типа "Auto chief-4" (на рис. 4 не показана). Она построена на основе специализированного микропроцессорного блока DGS (digital governor system), структура которого в целом аналогична блоку SAU.

Рис. 1. Структурная схема МПСУ "Data chief-7"

Лекция 10. Судовая МПСУ "Data chief-C20"

Технические средства автоматизации СЭУ непрерывно совершенствуются. Показательным в этом смысле является процесс смены поколений МПСУ на примере продукции одного из лидеров в области автоматизации судового энергетического оборудования – норвежской фирмы Kongsberg Norcontrol.

С начала 2000-х годов вместо системы "Data chief-7" (80-е годы) и ее улучшенного варианта "Data chief-2000" (90-е годы) на суда устанавливается МПСУ нового поколения "Data chief-С20" (сокращенно – "DC-С20"). По сравнению с предшествующими системами она имеет ряд существенных отличий.

В зависимости от предъявляемых требований к уровню автоматизации, система DC-С20 может поставляться на суда в различных вариантах и различном объеме – от минимального, выполняющего только функции СЦК (Alarm And Monitoring System), до полномасштабного, обеспечивающего комплексное управление всеми техническими средствами судна, включая энергетическую установку, пропульсивный комплекс, грузовую систему танкера и др. Ниже рассматривается базовый вариант системы DC-С20, обеспечивающий управление оборудованием СЭУ и функции СЦК (Alarm, Monitoring and Control System) (рис. 1).

Система комплектуется из блоков четырех основных типов:

- блоков распределенной обработки данных (Distributed Process Unit – DPU);

- местных станций управления (Local Operator Station – LOS);

- станций дистанционного управления (Remote Operator Station - ROS);

- блоков сигнализации и вызова вахтенного, расположенных в каютах и местах пребывания экипажа (Watch Cabin Unit – WCU) и на ходовом мостике (Watch Bridge Unit – WBU).

Все эти блоки технически реализованы в виде компьютеров, объединенных в локальную вычислительную сеть через шину типа CAN – "Controller Area Network".

Станция дистанционного управления (ROS) является основным постом управления СЭУ. Для обеспечения надежности используются две станции ROS, объединенные линией связи в отдельную ЛВС (LAN).

В состав ROS входят:

- основной компьютерный блок MCU (Main Computer Unit);

- цветной монитор;

- панель управления OCP 8810 (Operator Control Panel);

- принтер;

- источник бесперебойного питания UPS (Uninterruptible Power Source).

Рис. 1. Схема МПСУ "Data chief-С20"

Блок MCU по комплектации аналогичен персональному компьютеру (РС).

Панель управления OCP содержит клавиатуру, трекбол и элементы сигнализации. Этот блок аналогичен блоку OCP, используемому в МПСУ "Data chief-7/2000". Блок питания UPS обеспечивает переменным питающим напряжением 220 В (220 VAC) блоки ROS. При исчезновении входного питающего напряжения переменного тока 220 В, он преобразует постоянное напряжение встроенного в него аккумулятора в переменное 220 VAC, обеспечивая, тем самым, бесперебойное питание.

Для обеспечения безвахтенного обслуживания СЭУ система DC-С20 укомплектована блоками сигнализации и вызова вахтенного (WCU), расположенными в каютах механиков и местах нахождения членов машинной команды. Блок WCU выполнен на основе жидкокристаллического цифрового дисплея). Эти блоки, а также блок аналогичного назначения, расположенный на ходовом мостике (WВU) объединены в отдельную локальную CAN –сеть, подключенную к ROS №2, образуя систему вызова вахтенного – "Watch Calling System". Эта часть оборудования обеспечивает функции СЦК.

Блоки DPU являются наиболее многочисленным компонентом системы DC-С20. Они являются управляющими ЭВМ, непосредственно воспринимающими сигналы датчиков, обрабатывающие их в соответствии с заложенным в их программу алгоритмом работы и формирующими выходные управляющие воздействия. Имеется более 10 типов блоков DPU, каждый их которых специализирован под конкретные типы входных и выходных сигналов.

В отличие от управляющих ЭВМ, использованных в системах "Data chief-7/2000", блоки DPU не имеют собственной панели управления и поэтому автономно функционировать не могут, только в составе системы. Общими отличительными особенностями блоков DPU являются:

- отсутствие органов настройки, обслуживаемых в эксплуатации и сменных компонентов (в эксплуатационных условиях блоки DPU не ремонтируются);

- все настроечные параметры изначально записаны в модуль и могут быть изменены только программным путем, через локальную сеть;

- каждый модуль DPU имеет два порта для подключения к двум независимым CAN-сетям, а также дополнительный последовательный интерфейс RS422 или RS485;

- состояние модуля, входные и выходные сигналы, режимы его работы индицируются светодиодами (LED);

- обеспечивается самодиагностика.

Блоки DPU объединены в систему и связаны с ROS через CAN-сеть. Для обеспечения надежности это подключение реализовано в виде двух независимых сетей (рис. 1) – GLOBAL CAN A, замыкающейся на ROS №1, и GLOBAL CAN B, замыкающейся на ROS №2. Каждый блок DPU в своем программном обеспечении содержит адрес и другую информацию, необходимую для его идентификации. Когда блок DPU физически подключается к сети, например, взамен отказавшего, программа, работающая в ROS, по этой информации автоматически его распознает. таким образом, от обслуживающего персонала не требуется никаких специальных действий по вводу блока в действие, достаточно лишь указать его номер. Данный принцип в компьютерной технике именуется "plug and play" – подключай и работай. Питание блоков DPU, а также WCU и WВU осуществляется напряжением 24 В постоянного тока (24 VDC) от блока бесперебойного питания UPS (рис. 1).

Через CAN-сеть станции ROS получают информацию от блоков DPU, передают в них команды управления оборудованием, осуществляют изменение их настроечных параметров, калибровку и т.д. Программное обеспечение станции ROS контролирует связь через сеть с каждым DPU и при ее потере формирует сообщение о неисправности.

Каждый блок DPU также имеет средства самоконтроля – контролируется температура внутри блока, работоспособность его запоминающего устройства, состояние CAN-сети. Кроме этого, каждый блок DPU имеет так называемый "сторожевой таймер" - "Watch Dog Timer (WDT)". Это отдельное устройство в составе DPU, контролирующее его общую работоспособность. Пока управляющая программа в блоке DPU работает правильно, она периодически подает импульсы в WDT, удерживающие его в исходном состоянии. Если в управляющей программе DPU произошел сбой, эти импульсы прекращают поступать в WDT и по прошествии определенного времени WDT срабатывает. При этом он формирует сигнал сброса (reset), останавливающий микроЭВМ блока DPU. Это предотвращает появление и развитие опасных ситуаций в системе управления, где используется блок DPU. Срабатывание WDT сигнализируется светодиодом.

В условиях судна блоки DPU сгруппированы в шкафах по функциональному признаку, обеспечивая в составе DC-C20 функции ряда локальных систем автоматизации (см. рис. 1):

- система автоматизации вспомогательного оборудования (Auxiliary Control System) – насосы, компрессоры и др.;

- система автоматизации судовой электростанции (Power Management System) – дизель-генераторы, валогенератор;

- система централизованного контроля (Alarm and Monitoring System) и др.

Для реализации функций этих систем используются соответствующие типы блоков DPU. Ряд таких подсистем могут функционировать и самостоятельно, без связи со станцией ROS. В этом случае они дополнительно комплектуются местными станциями управления (LOS) (рис. 1).

С помощью станций LOS, которые при наличии ROS рассматриваются как дополнительные, резервные панели управления, могут выполняться операции по управлению оборудованием, наблюдению за процессами, настройке параметров блоков DPU, имитации их входных и выходных сигналов, проверке диагностических сообщений и др.

Блоки DPU, сгруппированные по видам подсистем автоматизации, подключаются к общей CAN-сети (глобальной – Global) не напрямую, а через блоки расширения типа dpsc (см. рис. 1). Тем самым в пределах подсистемы, шкафа образуется местная, локальная CAN-сеть (Local CAN), являющаяся сегментом общей сети. Необходимо отметить, что на рис. 1 представлены лишь типы блоков DPU, которыми комплектуются подсистемы. Конкретное же их количество определяется объемом автоматизации конкретного судна и значительно превышает представленное на рис. 1.

Ниже дана краткая характеристика некоторых типов блоков DPU:

- RAI-16 (Remote Analogue Input) – блок ввода 16 аналоговых сигналов;

- RDI-32 (Remote Digital Input) – блок ввода 32 дискретных входных сигналов от контактных датчиков;

- RDI-32A (Remote Digital Input) – блок ввода 32 дискретных сигналов переменного тока или постоянного тока 24 В;

- RAI-10tc (Remote Analogue Input) – блок ввода 10 сигналов от термопар;

- RDO-16 (Remote Digital Output) – блок вывода 16 дискретных, формируемых с помощью реле сигналов, имеется выход импульсного сигнала;

- RAO-8 (Remote Analogue Output) – блок вывода 8 аналоговых сигналов в диапазоне ±10 В или 0…20 мА;

- RIO-C1 (Remote Input/Output) – многоцелевой комбинированный блок ввода/вывода входных/выходных сигналов, в том числе: 6 выходных дискретных сигналов; 2 входных импульсных сигнала; 2 входных сигнала 0…30 VAC и один входной сигнал 0…1 А переменного тока; 4 аналоговых или дискретных входных сигнала и др.;

- RIO-C2 (Remote Input/Output) – комбинированный блок ввода 8 дискретных и вывода 8 дискретных сигналов.

Блоки типов RAI и RDI используются в основном для реализации функций СЦК (рис. 1).

Для управления вспомогательными механизмами и дизель-генераторами используются блоки типов RIO-C2 и RIO-C1 (рис. 1). В частности, блок RIO-C2 применяется для управления насосами, клапанами, пуска, остановки и защиты дизель-генератора и т.д. Через блок RIO-C1 обеспечивается управление автоматическими выключателями генераторов, синхронизация подключаемого генератора, он способен выполнять функции ПИД-регулятора и т.д.

Алгоритмы обработки сигналов в блоках DPU реализованы в виде программ, работающих в этих блоках, и определяются их функциональным назначением. Так, например, обработка поступающих от датчиков аналоговых сигналов в блоке RAI-16 предусматривает выполнение следующих операций:

- преобразование в АЦП аналогового сигнала в 16-разрядный цифровой код;

- фильтрацию этого сигнала в фильтре нижних частот второго порядка (Баттерворта), фильтр реализован в виде расчетной формулы;

- преобразование цифрового сигнала к диапазону входного параметра, выраженному в физических единицах или в процентах;

- расчет скорости изменения параметра;

- сравнение измеренного значения с четырьмя заданными значениями уставок на сигнализацию: LL (Low Low) – предельно низкое, L (Low) – низкое, H (High) – высокое, HH (High High) – предельно высокое и формирование временных задержек сигнализации;

- формирование и ведение хронологической записи сигналов тревоги;

- проверка достоверности входного сигнала с формированием сообщения об ошибке, если он более чем на 5 % вышел за верхний или нижний предел диапазона, в котором должен находиться;

- и др.

Фирмой Kongsberg разработана также МПСУ "Auto chief–C20", по сравнению с МПСУ "Auto chief–4" являющаяся новым поколением системы дистанционного автоматизированного управления (ДАУ) главным судовым двигателем (МОД). В ней реализованы те же основные принципы построения, что и в системе DC-C20 – блоки DPU, CAN-сеть и др.

Лекция 11. Микропроцессорная система управления двигателей серии МЕ фирмы MAN B&W