Your SlideShare is downloading. ×
  • Like
  • Save
Koncepti Modernizacije Brodskih Upravljackih Sistema
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

×

Now you can save presentations on your phone or tablet

Available for both IPhone and Android

Text the download link to your phone

Standard text messaging rates apply

Koncepti Modernizacije Brodskih Upravljackih Sistema

  • 605 views
Published

 

Published in Technology
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
    Be the first to like this
No Downloads

Views

Total Views
605
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0

Actions

Shares
Downloads
0
Comments
0
Likes
0

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. KONCEPTI MODERNIZACIJE BRODSKIH UPRAVLJAČKIH SISTEMA mr Zoran or ević dipl.inž. mr Marinko Aleksić dipl.inž. Sr an Mitrović dipl.inž. MTRZ ″Sava Kovačević″ Tivat ABSTRACT Modernization of navy analog systems is presented in this paper. Basic principles are: inserting existing commercial off-the-shelf technology into navy legacy systems; object-oriented system analysis and design; distributed computer system, based on the PC network with the TCP/IP protocol; operation of the system in real time. The main feature of this system lies in the fact that the laws of the servo system automatic control and data acquisition from the sensors are realized locally, on the level of micro-controllers. The example of an position DC servo loop modernization is presented. Setting of the control parameter and reading of the current angle with AD conversion of these parameters are explained. KEY WORDS: modernization, distribution, object-oriented approach, real-time processing, position servo loop. 1
  • 2. APSTRAKT U ovom radu je prikazan primjer modernizacije mornaričkih analognih sistema. Osnovni principi su: korišćenje postojeće komercijalne tehnologije u starim mornaričkim sistemima, objektno orijentisana sistem- analiza i dizajn, distribuirani računarski sistemi bazirani na TCP/IP protokolu i rad sistema u realnom vremenu. Osnovna odlika jeste da se zakoni automatskog upravljanja i akvizicija podataka realizuju lokalno, na nivou mikrokontrolera. Prikazan je primjer modernizacije pozicionog servo sistema. Objašnjeno je zadavanje i čitanje trenutnog ugla sa AD konverzijom. KLJUČNE RIJEČI: modernizacija, distribuiranost, objektno orijentisani pristup, rad u realnom vremenu, pozicioni servo-sistem. Uvod Na brodovima RM VJ postoje raznovrsni borbeni i neborbeni sistemi istočnog i zapadnog porijekla, različitog tehnološkog nivoa i pretežno velike složenosti. Zbog nemogućnosti nabavke savremenih i skupih brodova, nameće se potreba modernizacije postojećih. Njihovo ukupno stanje je takvo da pruža dobre osnove za modernizaciju. Savremeni svjetski trend je odustajanje od centralizovanih brodskih sistema (mahom analogne tehnologije) i okretanje ka distribuiranim multiračunarskim rješenjima. Tako 2
  • 3. koncipiran sistem ima veću žilavost, jer otkaz jednog dijela sistema ne ugrožava rad ostatka sistema. Računari su povezani sa senzorima i sistemima putem lokalnih računarskih mreža ili direktno. Prema (Aleksić, 2000) funkcije savremenih sistema su specijalizovane, pokazivačka oprema raznovrsna i bogata, a postoji sve veća težnja da se skupa vojna tehnologija sve više, gdje god je to moguće, zamjenjuje provjerenom komercijalnom tehnologijom (engl. - commercial off-the-shelf) koja se široko primjenjuje u praksi. Time se smanjuju troškovi razvoja borbenih vojnih sistema, pošto se preskače finansiranje faza ispitivanja i razvoja u životnom ciklusu sistema, tvrdi se u (COSSI, 2001). Softver i hardver opšte dostupne PC tehnologije je veoma napredovao u smislu kvaliteta i jednostavnosti rada, uz korišćenje različitih grafičkih interfejsa. Sistemi su otvoreni za nadogradnju, a sve to veoma smanjuje kompletnu cijenu informatičke tehnologije i ovisnost o odre enom isporučiocu. Principi modernizacije Stari sistemi se karakterišu korišćenjem analognih računara, koji rješavaju strogo namjenske zadatke, sa ograničenom tačnošću, ali u realnom vremenu. Digitalni računari su starije generacije sa zastarjelim hardverom i specifičnim softverskim rješenjima teškim za održavanje, a naročito za osavremenjivanje. Karakteristika starih sistema jeste: veća potrošnja energije, veliki gabariti, zastarjelost sklopova i komponenti što predstavlja problem za njihovo održavanje i nabavku rezervnih dijelova, kao i teško ostvarljiva mogućnost integracije funkcija. Uopšte, može se konstatovati da je upravljačka i računarska komponenta zastarjela, dok je komponenta pojedinih senzora i aktuatora još zadovoljavajućeg stanja i kvaliteta. To omogućava modernizaciju sa upotrebom ograničenih tehnoloških potencijala 3
  • 4. u pogledu potreba za izmjenom mehaničkih komponenti i podsistema, a sa naglaskom na elektronske i računarske upravljačke sisteme. Modernizaciji se pristupa sistemski na nivou broda, a sistem se projektuje modularno sa vizijom postepenog rješavanja pojedinih problema propulzije, manevra, navigacije, komunikacije, energetike i borbenih sistema. Cilj je integracija funkcija, jeftinije održavanje, povećanje otpornosti i žilavosti broda, kao i mogućnost prikupljanja svih potrebnih informacija nužnih za podršku odlučivanju komandanta broda. Osnovne karakteristike modernizovanog sistema prema ( or ević, 1997) su: objektno orijentisan pristup, distribuiranost sistema, mreža računara i rad sistema u realnom vremenu. Objektno orijentisani pristup omogućio je dekompoziciju sistema na manje cjeline; razmatranje i rješavanje ključnih problema, te implementaciju sistema po istim. Ovim je omogućen kvalitetan razvoj softvera. Softverski sistem se posmatra kao realan sistem. Na taj način se izdvajaju cjeline. Svaka cjelina ima svoje podcjeline koje nasle uju osobine. Tako se sistem razvija po cjelinama, čime su otvorena vrata budućim nadogradnjama i lakom održavanju, kao i povećanju fleksibilnosti sistema. Upravo objektni pristup je omogućio upotrebu raznolikog hardvera i komunikaciju sa analognim davačima i senzorima. Pri modifikaciji analognog sistema zadržavaju se neke komponente: dio elektromehanike uvo enja parametara, davači - SKVT i selsini, senzori – sonari, log i žiro.... Osnova jedinstvenog pristupa svim ovim ure ajima, bez obzira na njihovu različitost, omogućena je objektno orijentisanim pristupom. Sistem predstavlja distribuirani računarski sistem, baziran na mreži računara sa TCP/IP protokolom. Protok informacija je projektovan tako da se u potpunosti iskoriste mogućnosti koje pruža ovakav sistem. Mreža je 4
  • 5. fizički bazirana na Ethernet mreži računara sa CSMA/CD protokolom (engl. - Carrier sense Multiple Access with Collision detection). Elementi u mreži su povezani upredenim provodnicima-STP (engl. – Shielded Twisted Pairs), kojima se prevazilaze problemi koje nosi sa sobom upotreba koaksijalnog kabla. UTP provodnici su omogućili dijeljenje mreže na segmente, čime je mnogo lakše locirati i izolovati izvore smetnji, tako da ostatak mreže ne trpi prekid, niti pad performansi. Za usmjeravanje mrežnog saobraćaja koriste se aktivni dijelovi mrežne opreme - Switch ure aji. Oni izbjegavaju CSMA/CD protokol i datagrame proslije uju ka pravom odredištu direktno ili preko drugog Switch –a, čime se poveća propusna moć Ethernet mreže. Kada se umreže, sistemom me usobne izmjene poruka svaki Switch stvara sliku cjelokupne mreže i rutira datagrame po optimalnim rutama. Brzina je postignuta paralelnom razmjenom podataka i full-duplex komunikacijom – mrežna kartica može u isto vreme da šalje i prima podatke. Tako brzina razmjene podataka dostiže 100 MBps izme u krajnjih učesnika u mreži. Rad učesnika u mreži nije ugrožen dok postoji makar i jedna ispravna linija, koja vodi od jednog računara do bilo kog ispravnog Switch–a. U procesnom nivou sistema nalaze se mikroprocesori koji moraju komunicirati s računarima u konzolama. Rješavanje problema računanja pozicije u svakom trenutku i izvo enja većine brodskih funkcija spada u domen problema koji se rješavaju u realnom vremenu. Da se ne bi bez potrebe opterećivao mrežni saobraćaj izabrana je adekvatna perioda (ne previše kratka) čitanja informacija sa npr. žiro kompasa. Tako e, ni zatvaranje petlje automatskog upravljanja pozicionim servo sistemom, nije izvedeno preko mreže. Umjesto toga upravljanje servosistemom je prepušteno mikrokontroleru, a iz sistema 5
  • 6. se zadaje nare eni ulaz i provjerava njegovo odra ivanje sa puno dužom i ne tako fiksnom periodom. Servo-sistemi Na slici 1. je prikazana blok šema distribuiranog sistema, na dva nivoa, koji se koristi za upravljanje različitim brodskim funkcijama. Na višem hijerarhijskom nivou modernizovanog sistema su konzole, na kojim operater ima mogućnost vizuelizacije odvijanja različitih procesa Konzola U1 AC UTP UTP SKVT A U2 AC POWER B RN SUPPLY VCC -VCC UTP Alfa SCI Ver1 SCI Ver2 2 IC M U1 AC U1'' AC DCM Beta M V1 DC Giro, Gama Log, ... ANALOG DIGITAL M U1 AC U2 AC V1 DC U1 AC Glavno napajanje Slika1. Blok šema sistema ili korišćenje GIS-a za navigaciju. Operater prati pokazivanje različitih senzora (žiro, brzinomjer, GPS, radar...) ili alarmnih stanja na grafičkom interfejsu, prema ORCA (2000). Tako e, operater ima mogućnost zadavanja komandi, odn. referentnih veličina izvršnim sistemima. Me utim, njihova 6
  • 7. obrada se vrši na donjem, procesnom nivou. To znači da se u ovom sistemu zakoni automatskog upravljanja servo-sistemima, akvizicija podataka sa davača, kalibrisanje, filtriranje i početna obrada realizuju lokalno na nivou mikrokontrolera. Ovdje će se opisati izvedba modernizovanog pozicionog servo- sistema sa DC motorom. Na slici 1. se vide osnovni elementi regulacionog kruga DC motora: • Izvršni element, DC motor sa nezavisnom pobudom (ugao Alfa), • Digitalni regulator, u kartici DCM, blok B, • Davač trenutnog ugla - SKVT, • AD konvertor trenutnog ugla, u kartici SCI, blok B, Iz starog sistema su zadržani originalni davači i izvršni elementi. Razlozi za takvu odluku su bili višestruki: komplikovanost ugradnje nove mehanike, dobar kvalitet izvedbe postojećih mehaničkih interfejsa, velika otpornost na smetnje starih davača i velika cijena uvo enja novih davača i mehaničkih interfejsa. Napajanje analognih i digitalnih dijelova sistema je razdvojeno. Računar konzole, preko UTP kabla, proslije uje zahtjev RN kartice bloka A, koja aktivira sklopke Analog i Digital, čime se obezbje uju svi potrebni naponi za rad sistema. Vrijednost ugla Alfa se zadaje iz programske aplikacije sa konzole. Računar konzole zadati ugao proslije uje TCP/IP protokolom, preko UTP kabla, do kartice DCM u bloku B (Slika 2), u obliku digitalnog podatka. U DC servo-sistemu taj ugao predstavlja nare enu veličinu. SKVT, koji je mehanički spregnut preko reduktora na izlaznu osovinu DC motora, daje električnu informaciju o trenutnom uglu. Ona se proslije uje do SCI kartice 7
  • 8. u bloku B. SCI kartica digitalizuje tu veličinu i proslije uje je preko I2C protokola, opisan u (PIC, 1995), do DCM kartice u istom bloku. Digitalni regulator, realizovan u PIC-u DCM kartice, na osnovu signala greške generiše digitalnu upravljačku veličinu, koja u drajveru za DC motor služi za impulsno-širinsku modulaciju napona za napajanje armaturnih namotaja motora. Ovaj upravljački signal pokreće motor u smislu dovo enja signala greške na nulu. Servo-sistemi za pozicioniranje uglova beta i gama realizovani su na isti način, pošto su izvršni elementi tako e DC motori istog tipa. Komunikacija u mreži je paketna, preko TCP/IP protokola, a mikroprocesori PIC sa okolinom komuniciraju, osim po navedenom I2C protokolu i serijski posredstvom RS-232C protokola. Da bi se ostvarila 2 IC DCM PIC RS232C RS232 to 16C Interfejs Ethernet Drajver DC motora Power Slika 2. DCM kartica komunikacija PIC-a sa ostatkom mreže koriste se posebni "RS232 to Ethernet" translatori. 8
  • 9. Akvizicija podataka Osnovni problem koji je proizašao iz odluke da se zadrže stari davači je konverzija analognih izlaza sa davača u odgovarajuće digitalne veličine. U tu svrhu konstruisana je paleta integrisanih kartica koje pokrivaju različite davače. Osnovni tipovi analognih davača u sistemu su: • selsini • SKVT (sinusno kosinusni zakretni transformatori - rezolveri) • LVT (linearni zakretni transformatori) Njihove izlazne veličine su analogne informacije o uglu. Ove analogne informacije dovode se na ulaz SCI kartice, slika 3. Signali se SCI SCI Ver1 SYR PIC RS232C RS232 to 16C Out Interfejs Ethernet Signal In FOI Driver 2 SCT IC SCI Ver2 Slika 3. SCI kartica proslije uju preko odgovarajućih kola na blok SYR i blok SCT. Blok SYR diskretizuje referentni, a blok SCT sinusne i kosinusne naponske oblike. Nakon obrade signala u ovim blokovima, signali se uvode u blok FOI, koji je u stvari fazno-osjetljivi ispravljač. Na signal drajveru se vrši 9
  • 10. prilago avanje analognih signala. Nakon toga se na mikrokontroleru PIC 16C-serije vrši konverzija analognih u digitalne veličine. Osim AD konverzije u PIC-u se vrši i digitalno filtriranje digitalizovanih signala, u svrhu smanjenja uticaja termičkog šuma. Da bi se zadržala zadata dinamika čitanja i izbjeglo veliko grupno kašnjenje korišćeni su filtri niskog reda. Postojeća nelinearnost davača je kompenzovana LOOKUP-tabelom u mikrokontroleru. Očitane vrijednosti konverzije se mogu proslijediti do izlaza po TCP/IP ili I2C protokolu, zavisno od verzije kartice (Ver1 i Ver2) u sistemu. Preko RS232C interfejsa i "RS232 to Ethernet" translatora podaci preko mreže odlaze u konzole (SCI Ver1), a po I2C protokolu kartica SCI (Ver2) komunicira lokalno sa DCM karticom. Ovo rješenje u potpunosti zadovoljava zahtjeve tačnosti i dinamike očitavanja analognih veličina. Za potrebe programske aplikacije u konzoli omogućeno je očitavanje trenutnih vrijednosti pozicije davača ili pokazivanja senzora (žiro, brzinomjer, GPS, radar). Pozicije davača (Alfa, Beta, Gama) očitavaju u realnom vremenu kartice SCI (Ver2) u bloku B, a do računara konzole ih po TCP/IP protokolu šalju DCM kartice iz istog bloka. Pokazivanje analognih senzora očitavaju kartice SCI (Ver1) u bloku A, i po istom protokolu ih šalju preko mreže do računara konzole. 10
  • 11. Zaključak Modernizovani analogni sistemi, od kojih je prikazan primjer digitalizovanog pozicionog servo-sistema, testirani su u realnim uslovima kroz duži vremenski period. Pokazalo se da je izabrana koncepcija dobra i da se na toj osnovi može pristupiti modernizaciji različitih upravljačkih sistema na brodu. Proširenje sistema je jednostavno, a omogućena je vizuelizacija i nadgledanje procesa na odgovarajućim konzolama. LITERATURA: 1. Aleksić, M. (2000). Modernizacija krstarica tipa Ticonderoga, Novi glasnik 3 - 4 , NIU Vojska, Beograd. 2. COSSI (2001). Commercial Operational and Support Savings Initiative, Office of the Under secretary of Defense for Acquisition, Technology and Logistics, Washington DC, USA. 3. or ević, Z. (1997). Objektno orjentisani pristup projektovanju informacionog sistema podmornice, magistarski rad, ETF, Beograd. 4. PIC (1995). PIC 16/17 Microcontroller data book, Microchip Technology Inc., Chandler, USA. 5. ORCA 2000 (2000). Navigational and Torpedo system, Technical Manual, MTRZ Sava Kovačević, Tivat. NOTE: PIC is a registered trademark of Microchip Technology Inc. in the USA 11