История развития автоматизации сээс

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ  СЭЭС

Начальный этап научных исследований в сфере управления КЭЭС связан с  определением новых принципов их построения и началом создания системной  автоматики.

В 1944 г. научно-технический комитет  ВМФ принял решение для обеспечения непрерывности питания при переключениях в ЭЭС обязательную длительную параллельную работу генераторов одной станции и кратковременную – для разных станций. Это дало импульс для создания автоматических устройств, способных обеспечить процессы синхронизации генераторов переменного тока, распределение активных и реактивных нагрузок между параллельно работающими генераторами, включение резерва, защиту генераторов от перегрузки.

До 1954 г. работы по автоматизации  ЭЭС велись на локальном уровне в  части создания средств регулирования частоты и напряжения генераторов. При разработке систем автоматического управления более высокого уровня большое внимание было уделено исследованиям динамики ЭЭС с применением натурного и математического моделирования. При моделировании процессов в электрических машинах использовались уравнения Парка-Горева. Особое внимание уделялось переходным процессам в системах с разными по мощности генераторами, оценке статической и динамической устойчивости.

Первое устройство точной автоматической синхронизации (УСГ) было применено на лесовозе «Вытегралес», позже оно стало применяться на кораблях. Внедрение данного устройства позволило отказаться от грубой синхронизации, Это позволило исключить шкафы с реакторами и привело существенному улучшению массогабаритных показателей.

Внедрение на судах 400 Гц (корабль проекта 705, проектант СПМБП  «Малахит») вызвало полемику в научных  кругах о возможности применения точной синхронизации из-за отсутствия быстродействующих автоматических выключателей. Был проведен вычислительный эксперимент и натурные испытания, которые показали, что способ грубой синхронизации приводит к недопустимым колебаниям напряжения в ЭЭС и предъявляет излишне жесткие требования к точности и быстродействию систем регулирования частоты вращения генераторов. Существующие регуляторы при синхронизации через реактор приводили к провороту роторов СГ. В результате был создан первый автоматический синхронизатор для СЭЭС с частотой 400 Гц – Э1 – 16 – 1.

По мере развития средств  вычислительной техники (СВТ) исследования динамики поведения ЭЭС в процессе управления продолжались. В частности была проведена работа по исследованию колебаний мощности при параллельной работе генераторных агрегатов при отказах регуляторов частоты вращения и напряжения. Создается несколько поколений функциональных устройств автоматики ЭЭС, предназначенных для регулирования частоты и напряжения, распределения активных и реактивных нагрузок, включения генераторов на параллельную работу, программирования загрузки электростанции, защиты, контроля и сигнализации.

Первые СУ ЭЭС начали поставляться флоту 60-х г.г., вначале  в составе СУ ГЭУ, затем – в  самостоятельной поставке. Уже в 1959 г. было установлено, что для ЭЭС  АПЛ из организационных соображений  целесообразна централизованная структура управления, при этом сама ЭЭС, как объект управления топологически носит явно выраженный распределенный характер. Для таких объектов оптимальным была признана организация структуры СУ, повторяющей топологию объекта управления. Для оптимизации информационных потоков между периферийными устройствами было признано целесообразным создание распределенной структуры на принципах телемеханики. Создание такой системы было осуществлено в 1965 г., она имела индекс «Кактус – 661».

С 1964 г. были созданы СУ ЭЭС типа «Ока» и «Кама» для АПЛ I и II поколения. Кроме этого были созданы СУ ЭЭС для больших противолодочных кораблей проектов «Буревестник» и «Беркут-Б» и в 1965 г. для вертолетоносцев ВМФ СУ ЭЭС «Терек – 1123». Логическая часть этих этих систем была выполнена на пневмоэлементах типа УСЭППА.

Первый  этап автоматизации ЭЭС кораблей и подводных лодок был завершен в СССР к концу 60-х, началу 70-х гг.

Второй  этап автоматизации (70-е г.г.) связан с созданием КСУ типа «Сталь» и соответствующих СУ ЭЭС типа «Онега» для АПЛ III поколения. СУ «Онега» впервые была разработана как базовая СУ ЭЭС для целого поколения кораблей определенного класса (АПЛ). При создании этой системы были решены задачи, связанные с реализацией алгоритмов программного управления ЭЭС, обеспечения по аварийным сигналам автоматических систем защиты или по командам с пульта оператора автоматизированного управления ЭЭС с автоматическим перестроением структуры ЭЭС с автоматической точной синхронизацией генераторов.

Для СУ ЭЭС надводных  кораблей (СУ типа «Вишера»), были проведены исследования, позволившие практически и теоретически решить вопросы управления многостанционными ЭЭС больших надводных кораблей (СУ типа «Терек»). В СУ ЭЭС «Вишера – 55», «Вишера – 20» впервые были созданы периферийные приборы ПРР, обеспечивающие разгрузку вычислительного ресурса средств управления, размещенных в пульте и распараллеливание процессов управления. ПРР фактически стали прототипом станций локальных технологических, определяющих структуру современных СУ.

СУ «Вишера 56» поставлялась на все корабли проекта 956 (эсминцы). В 1999 г.в связи с поставкой двух кораблей в Китай была создана новая модификация СУ «Вишера 56» без использования функциональных устройств ЭЭС, встраиваемых в ГРЩ заказа.

Программная реализация алгоритмов управления ЭЭС

Первые НИОКР, непосредственно  посвященные вопросам алгоритмизации, были проведены при создании СУ ЭЭС  для проекта 705. Тогда были созданы  первые описания дискретных алгоритмов управления ЭЭС в виде логических цепочек (секвенциальные описания). Каждая из логических цепочек описывала определенную функцию управления, выполнение функции инициировалось задающей командой, поступающей от оператора или из внешних систем. Такой подход к алгоритмизации задач управления ЭЭС позже получил название функционально-логического подхода. Практически на проекте 705 впервые были созданы элементы программного управления ЭЭС.

С начала 70-х годов функционально-логический подход к решению задач управления ЭЭС стал ведущим при проектировании алгоритмов СУ ЭЭС. При создании СУ ЭЭС в рамках КСУ типа «Сталь» были проведены работы по разработке алгоритмов программного управления ЭЭС с реализацией их релейными схемами. При этом использовался математический аппарат теории графов, позволяющий создавать оптимальные по аппаратным затратам реализации. Для СУ типа «Онега» были созданы алгоритмы автоматизированного ввода и вывода источников ЭЭС с программным перестроением ее структуры, алгоритмы автоматического изменения конфигурации сети ЭЭС по сигналам АЗ. При разработке алгоритмов логики синхронизации впервые на графах были использованы элементы теории искусственного интеллекта. В СУ типа «Онега» реализация таких алгоритмов на реле получила название «модели».

Активно развивался подход к синтезу алгоритмов в виде «моделей» и для СУ ЭЭС надводных кораблей. Этот подход был назван конструктивно-логическим. Он был использован при проектировании СУ ЭЭС для крейсера «Киров» (проект 1144). В 1975 г. был создан и испытан натурный макет СУ ЭЭС «Тобол-44». Дальнейшее развитие этого подхода произошло в рамах работ по СУ ЭЭС для крейсера «Петр Великий» (проект 1144.2), завершившихся в 1996 г.

В процессе работы по заказу 1143.5 – «Адмирал Кузнецов» с 1976 – 1989 г. в рамках НИР «Цунида-МО»  были проведены работы по созданию методов проектирования СУ многостанционными ЭЭС надводных кораблей с использованием ЭВМ.

В конце 70-х г.г. развитие программного управления ЭЭС напрямую связано с широким использованием средств вычислительной техники. В  рамках тем «Функция», «Бриз», «Ресурс-3», «Ресурс-75», «Ресурс-76» были выполнены работы по переводу СУ ЭЭС на цифровую технику.

В рамках темы «Ресурс-3»  был создан полномасштабный макетный образец СУ ЭЭС на базе программно-логического  устройства (ПЛУ) для проведения функциональных испытаний программной реализации алгоритмов управления АПЛ и надводных кораблей. В процессе исследований, комплексной отладки и испытаний алгоритмического программного обеспечения (АПО) впервые была осуществлена программная реализация штатных алгоритмов логического управления на штатной аппаратуре СУ ЭЭС и проведены испытания на функционирование по прямому назначению.

С ОКР «Ресурс-3», начался  новый этап работ по переводу СУ ЭЭС на магистрально-радиальную структуру  с уплотнением линий передачи информации. Были проведены исследования структурных особенностей СУ ЭЭС с точки зрения возможностей мультиплексирования каналов передачи информации. Для создания общих шин обмена данными между приборами в системах с ПЛУ использовался параллельный матричный код.

В 1979 г. начинаются работы по созданию базовой СУ ЭЭС типа «Луга» для АПЛ нового поколения на базе ПЛУ новой версии ПЛУ-16 с расширенными возможностями по объему постоянной и оперативной памяти. Работы закончились в 1986 г. передачей СУ «Луга – 2» заказчику.

В ходе ОКР впервые  на базе математической теории графов были созданы программы САПР для автоматической генерации технологическими СВТ высокопроизводительных программ управления с целью последующей реализации их средствами СУ. Впервые были решены вопросы создания и автономной отладки функционального программного обеспечения (ФПО) СУ ЭЭС на технологических ЭВМ, осуществлена разработка пакетов прикладных программ (ППП) автоматизации синтеза ФПО СУ ЭЭС, включающих логико-динамическую модель (ЛДМ), предназначенную для отладки и верификации (проверка истинности теоретических положений, установление достоверности опытным путем) полученного с помощью ППП программного продукта. Опыт, накопленный в области математического моделирования ЭЭС, позволил, с целью ускорения процессов и максимального приближения к цифровым моделям реального времени, создать всережимные цифровые ЛДМ на оригинальных принципах без использования преобразований Парка-Горева.

В рамках ОКР «Ресурс-75»  проводились работы по созданию базовой  СУ ЭЭС типа «Тиса» для надводного корабля, в которой решались вопросы синтеза систем этого класса на базе ПЛУ. Результаты этой работы в дальнейшем не использовались. На надводных кораблях первой постановочной системой с использованием ПЛУ стала СУ ЭЭС «Тобол-41».

Создание  новых поколений СУ ЭЭС на базе микропроцессорных средств вычислительной техники

К середине 80-х г.г. началось проектирование распределенных микропроцессорных  систем на базе электронных модулей  собственной разработки НПО «Аврора» (ОКР «Булат – М». Опытный образец  первой СУ ЭЭС этого типа («Луга-М») был принят МВК ВМФ в 1995 г. При выполнении этой работы впервые теоретически и практически были решены вопросы создания радиальной трехуровневой структуры. Радиальный характер структуры определялся использованием радиального мультиплексного канала MIL-STD 1553B (ГОСТ 26765.52-87) с резервированием всех радиальных связей. В отличие от СУ на базе ПЛУ проблема измерения аналоговых параметров была решена на общем вычислительном ресурсе СВТ СУ. Нормализованные аналоговые сигналы поступали на АЦП центрального прибора, минуя нижний уровень СУ, представленный периферийными приборами управления, содержащими модули сбора и обработки дискретной информации ЭЭС, а также выдачи команд, и логики синхронизации, содержащими функциональные устройства (ФУ) ЭЭС.

Для новых поколений  микропроцессорных СУ ЭЭС были начаты работы по разработке развитых систем технической диагностики. В 1995 г. была открыта ОКР – 1057 (по заказу «Ясень») по синтезу и аппаратно-программной  реализации в СУ ЭЭС алгоритмов диагностирования режимных переходов ЭЭС в процессе управления. Это было началом новых перспективных работ по интеграции СУ с локальными системами управления (ЛСУ), являющимися принадлежностью корабельного электрооборудования, локальными системами защиты (ЛСЗ) в ЭЭС и локальными системами технической диагностики (ЛСТД). Обеспечивалось создание суммарного информационного пространства, позволяющего реализовать алгоритмы режимного управления ЭЭС, осуществляющие выбор режима функционирования в соответствии с режимом использования корабля. Совокупными средствами СУ и ЛСТД ЭЭС обеспечивалась диагностика режимных переходов ЭЭС в процессе управления. Работы по ОКР – 1057 были завершены созданием макета, демонстрирующего реализацию такой ЛСТД в составе СУ ЭЭС типа «Луга» для заказа «Ясень».

ЛСТД обеспечили реализацию принципа «прозрачности», благодаря  которому оператор непосредственно  с пульта может получить укрупненную  или детальную информацию о техническом  состоянии оборудования ЭЭС и  аппаратуры СУ, а также информацию о прохождении сигналов управления и об их реализации в ЭЭС. СУ ЭЭС приняла на себя функции по ведению электронных вахтенных и аккумуляторных журналов, а также функции по организации действий личного состава по преодолению аварийных ситуаций, предупреждению, выявлению и локализации КЗ и перегрузок в ЭЭС. ОКР-1057 был принят МВК в 1996 г.

Начало 90-х г.г. было связано  с бурным развитием средств ПЭВМ и для использования в качестве перспективной элементной базы СУ наиболее предпочтительными выглядели средства РС-104. Технические решения СУ ЭЭС на этих средствах были разработаны в ОКР «Баксан-44». В данной ОКР в научном и практическом плане решались вопросы организации и структуры СУ ЭЭС новых поколений. Впервые в структуре СУ ЭЭС на аппаратном и функциональном уровне произошло четкое разделение вычислительных средств СУ на станции операторские и локальные технологические, впервые было принято решение о полной программной реализации синхронизации генераторов на общем ресурсе СВТ СУ.

Современные конструктивные и аппаратно-программные решения и работы, проводимые в отрасли по созданию магистрально-модульных ЭВМ открытых для пользователя, т.е. допускающих свободное наращивание базовой конфигурации установкой дополнительных модулей в системный блок, на базе системной шины VME, конструктива Евромеханика в формате 6U (размер печатной платы 160*233 мм), обеспечивающего выпуск ЭВМ в виде каркаса с установленными электронными модулями, который легко встраивается в конструкции корабельных приборов СУ, привели к необходимости проведения работ по совершенствованию структуры и алгоритмов СУ ЭЭС.