RU178014U1 - Система управления движением для скоростных судов - Google Patents

Abstract

Система управления движением для скоростных судов относится к судостроению, в частности к системам управления движением скоростных судов с динамическими принципами поддержания, например к системам управления движением судов на подводных крыльях, воздушной подушке или с воздушной каверной.Сущность полезной модели состоит в том, что в системе управления движением для скоростных судов, содержащей пульт индикации и управления с дублирующими друг друга вычислителями нижнего уровня управления и вычислителем с видеоконтроллером, две дублирующие друг друга группы датчиков динамических перемещений судна и положения органов управления системы и группы носовых и кормовых двухканальных исполнительных приводов рулевых поверхностей судна, каждый из вычислителей управления соединен с соответствующими половинами сдвоенных кнопок управления и подключен автономным сетевым каналом связи к соответствующим датчикам, двухканальным исполнительным приводам и внешним системам через неблокирующий коммутатор транзакций на основе FPGA с радиальными каналами связи, а вычислитель с видеоконтроллером пульта индикации и управления состоит из двух микроконтроллеров, один из которых выполняет функции медиа-контроллера и подключен каналами последовательной связи к вычислителям нижнего уровня управления, а второй выполняет функции автомата безопасности системы на верхнем уровне управления и подключен к вычислителям нижнего уровня управления и к медиа-контроллеру каналами последовательной связи, а также к шине аварийных и предупредительных сигналов.Технический результат состоит в повышении живучести системы за счет разделения функций по управлению и воспроизведению информации, а также в увеличении медиа-возможностей системы за счет повышения производительности ее вычислительной части.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к судостроению, в частности, к системам управления движением скоростных судов с динамическими принципами поддержания, например к системам управления движением судов на подводных крыльях, воздушной подушке или с воздушной каверной.

Известна система автоматического управления судном на подводных крыльях, содержащая один центральный вычислитель, связанный через первую группу переключающих элементов с группой автономных вычислителей, воздействующих на группу исполнительных приводов рулевых поверхностей судна по числу автономных вычислителей через вторую группу переключающих элементов. Информация о состоянии и параметрах движения судна снимается с соответствующих датчиков, общих для всех вычислителей системы [см. патент РФ на изобретение №2081780 от 11.05.1994 г. «Система автоматического управления судном на подводных крыльях»].

В известной системе центральный вычислитель и автономные вычислители подстраховывают друг друга при отказах.

Однако известная система обладает тем недостатком, что в случае отказа какого-либо датчика система перестает выполнять часть своих функций по управлению движением судна.

Известна также система автоматического управления скоростным судном, содержащая пульт индикации и управления, две дублирующих друг друга группы датчиков динамических перемещений судна и положения органов управления системы, группы носовых и кормовых двухканальных исполнительных приводов рулевых поверхностей судна и не менее двух дублирующих друг друга вычислителей управления, связанных между собой двумя сетевыми каналами связи [см. патент РФ на полезную модель №57028 от 19.04.2006 г. «Система автоматического управления скоростным судном»].

Известная система предназначена для управления движением скоростных судов не только в автоматических, но и ручных режимах и обладает повышенной отказоустойчивостью и живучестью за счет дублирования не только каналов связи, но и вычислителей управления.

Однако данная система имеет недостаток, заключающийся в том, что к дублированным сетевым каналам связи подключены все абоненты сетевой структуры, что не исключает возможности блокировки одновременно двух дублирующих друг друга сетевых каналов связи из-за единичного отказа в системе.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенному техническому решению является система управления движением для скоростных судов, содержащая пульт индикации и управления с дублирующими друг друга вычислителями нижнего уровня управления, подключенными к соответствующим микропереключателям сдвоенных кнопок управления и к вычислителю с видеоконтроллером, две дублирующих друг друга группы датчиков динамических перемещений судна и положения органов управления системы и группы носовых и кормовых двухканальных исполнительных приводов рулевых поверхностей судна, связанные между собой двумя сетевыми каналами связи. В предложенной системе каждый из вычислителей нижнего уровня управления подключен к соответствующим датчикам, входам двухканальных исполнительных приводов системы, а также к внешним системам радиальными каналами связи через соответствующий неблокирующий коммутатор транзакций. Вычислитель с видеоконтроллером пульта индикации и управления дополнительно выполняет функции автомата безопасности системы на верхнем уровне управления и подключен к шине аварийных и предупредительных сигналов.

Однако известная система имеет недостаток, заключающийся в том, что отказ вычислителя с видеоконтроллером приводит к отказу верхнего уровня управления системы, а также в том, что ограничивается производительность вычислителя при отображении сложной графики.

Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача повышения живучести системы управления движением и увеличения ее медиа-возможностей.

Поставленная задача решается тем, что предложена система управления движением для скоростных судов, содержащая пульт индикации и управления с дублирующими друг друга вычислителями нижнего уровня управления, подключенными к соответствующим микропереключателям сдвоенных кнопок управления пульта индикации и управления и к вычислителю с видеоконтроллером, две дублирующие друг друга группы датчиков динамических перемещений судна и положения органов управления системы и группы носовых и кормовых двухканальных исполнительных приводов рулевых поверхностей судна, связанные между собой двумя сетевыми каналами связи. В предложенной системе каждый из вычислителей нижнего уровня управления подключен к соответствующим датчикам, двухканальным исполнительным приводам системы и к внешним системам радиальными каналами связи через соответствующий неблокирующий коммутатор транзакций.

Новым в предложенной системе является то, что вычислитель с видеоконтроллером пульта индикации и управления состоит из двух микроконтроллеров, один из которых выполняет функции медиа-контроллера и подключен к вычислителям нижнего уровня управления каналами последовательной связи, а второй выполняет функции автомата безопасности системы на верхнем уровне управления и подключен к вычислителям нижнего уровня управления и к медиа-контроллеру каналами последовательной связи, а также к шине аварийных и предупредительных сигналов.

Технический результат состоит в повышении живучести системы за счет разделения функций по управлению и воспроизведению информации, а также в увеличении медиа-возможностей системы за счет повышения производительности ее вычислительной части.

На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленной системы.

Заявленная система (см. Фиг.) содержит пульт индикации и управления 1, группы 2 и 3 дублирующих друг друга датчиков 4 динамических перемещений судна и положения органов управления системы (например, БИНС, датчик положения штурвала), носовая 5 и кормовая 6 группы двухканальных исполнительных приводов 7 (например, рулей и закрылков судна на подводных крыльях), дублирующие друг друга вычислители нижнего уровня управления 8, сетевые каналы связи 9 (CAN или Ethernet), вычислитель с видеоконтроллером 10 пульта индикации и управления 1, радиальные каналы связи 11 (CAN или RS422), неблокирующий коммутатор транзакций 12, шина разовых команд 13 от сдвоенных кнопок управления пульта индикации и управления 1 (на чертеже не показаны), шина аварийных и предупредительных сигналов 14 (стопорения закрылков, включения и отключения рулевых агрегатов, экстренного сброса оборотов двигателей, сигналов контроля дееспособности вахтенного помощника капитана и т.д.), подключенная к автомату безопасности 15. Автомат безопасности 15 подключен к вычислителям управления 8 и медиа-контроллеру 16 с помощью каналов последовательной связи 17 (UART). Медиа-контроллер 16 подключен к вычислителям управления 8 с помощью каналов последовательной связи 17 (UART), связывающих также между собой вычислители управления 8. Каждый из вычислителей управления 8 подключен к неблокирующему коммутатору транзакций 12 с помощью сетевого канала связи 9. Группы 2 и 3 датчиков 4 системы, двухканальные исполнительные приводы 7 носовой и кормовой групп 5 и 6, внешние системы (например, интегрированный мостик или регистратор данных рейса на чертеже не показаны) подключены радиальными каналами связи 11 (CAN или RS422) к неблокирующим коммутаторам транзакций 12.

Система работает следующим образом.

Режим управления движением судна задается судоводителем кнопками с пульта индикации и управления 1 соответствующей командой, содержащей заданные значения параметров управления, одновременно обоим подключенным шинами 13 к кнопкам пульта индикации и управления 1 вычислителям управления 8. Вычислители управления 8 принимают от датчиков 4 и исполнительных приводов 7 системы через неблокирующие коммутаторы транзакций 12 по каналам связи 11 и 9 информацию о параметрах движения судна, положении рулевых поверхностей судна и состоянии системы управления. При этом каждый из вычислителей 8 по информации с датчиков 4 системы формирует законы управления для всех двухканальных исполнительных приводов 7 как носовой 5, так и кормовой 6 групп рулевых поверхностей судна. Результаты расчетов заданного положения управляющих поверхностей судна от каждого из вычислителей 8 передаются через неблокирующие коммутаторы транзакций 12 по каналам связи 9 и 11 в соответствующие исполнительные приводы 7.

При отсутствии отказов управление приводами 7 носовой и кормовой групп 5 и 6 рулевых поверхностей судна ведется по двухканальной схеме через оба входа каждого привода 7. Контроллеры исполнительных приводов 7 (на чертеже не показаны) осуществляют сравнение результатов расчетов вычислителей 8 между собой и при длительном их несовпадении делают вывод об отказе вычислителей 8, а информация с них перестает использоваться для управления приводами 7 с выдачей соответствующей информации о состоянии системы по каналам последовательной связи 17 (UART) на медиа-контроллер 16 пульта индикации и управления 1. Указанная длительность несовпадения расчетов задается для каждого конкретного судна в зависимости от его динамических характеристик. При отказе дублирующих элементов сетевой структуры системы: вычислителей 8, датчиков 4, сетевых каналов связи 9 или неблокирующих коммутаторов транзакций 12 система переходит на одноканальное управление приводами 7 рулей с выдачей соответствующей информации о состоянии системы на медиа-контроллер 16 пульта индикации и управления 1, закрылки при этом стопорятся по сигналам на шине 14 вычислителя с видеоконтроллером 10 из автомата безопасности 15 системы.

Суть работы неблокирующего коммутатора транзакций 12 сводится к передаче и приему транзакций (сообщений) от соответствующего вычислителя управления 8 к исполнительным устройствам (приводам 7, датчикам 4) и обратно посредством обмена информацией с вычислителем управления 8 по унифицированному транспортному протоколу. Микроконтроллер на базе ядра ARM (на чертеже не показан) принимает и передает транзакции от исполнительных устройств внешних систем (на чертеже не показаны) в соответствии с их транспортными протоколами, преобразует в унифицированные пакеты и принимает / передает соответствующему вычислителю управления 8. Вычислитель управления 8 может «видеть» все исполнительные устройства одновременно, но устройства «видят» только управляющий микроконтроллер ARM. Благодаря подключению исполнительных устройств по топологии «звезда» в сравнении с топологией «общая шина» повышается скорость обмена информацией, увеличивается отказоустойчивость при выходе из строя любого исполнительного устройства.

Унифицированный транспортный протокол сокращает время разработки программного обеспечения верхнего уровня, так как не требуется разработка планировщика обработки множества асинхронных транзакций. Использование FPGA с необходимым количеством IP-ядер интерфейсов позволяет избежать разработки многопроцессорных вычислительных модулей, что также положительно сказывается на отказоустойчивости системы в целом.

Claims (1)

1. Система управления движением для скоростных судов, содержащая пульт индикации и управления с дублирующими друг друга вычислителями нижнего уровня управления, подключенными к соответствующим микропереключателям сдвоенных кнопок управления пульта индикации и управления и к вычислителю с видеоконтроллером, две дублирующие друг друга группы датчиков динамических перемещений судна и положения органов управления системы и группы носовых и кормовых двухканальных исполнительных приводов рулевых поверхностей судна, связанные между собой двумя сетевыми каналами связи, в которой каждый из вычислителей нижнего уровня управления подключен к соответствующим датчикам, двухканальным исполнительным приводам системы и к внешним системам радиальными каналами связи через соответствующий неблокирующий коммутатор транзакций, отличающаяся тем, что вычислитель с видеоконтроллером пульта индикации и управления состоит из двух микроконтроллеров, один из которых выполняет функции медиа-контроллера (видео и аудио) и подключен к вычислителям нижнего уровня управления каналами последовательной связи, а второй выполняет функции автомата безопасности системы на верхнем уровне управления и подключен к вычислителям нижнего уровня управления и к медиа-контроллеру каналами последовательной связи, а также к шине аварийных и предупредительных сигналов.

Images