Автоматизированные системы управления техническими средствами

Автоматизированные системы управления техническими средствами

И.Г. Захаров,  доктор технических наук, профессор, контр-адмирал; Я.Д. Арефьев, доктор технических наук, профессор, контр-адмирал; Н.А. Воронович, кандидат технических наук, капитан 1 ранга; О.Ю. Лейкин, кандидат технических наук, капитан 1 ранга

Десятки лет на кораблях ВМФ существуют устройства, автоматически обеспечивающие работу технических средств в различных режимах эксплуатации. В 30-х годах к ним можно было отнести различного рода и назначения клапаны, автоматически поддерживающие заданное давление в паровых магистралях, селективные автоматы в электросистемах, автоматы питания паровых котлов, регуляторы частоты вращения турбогенераторов, защитные устройства по предельной частоте вращения некоторых механизмов.

Управление кораблем в целом и корабельными техническими средствами (КТС) в частности осуществлялось непосредственно человеком, для чего использовались как местные органы управления, так и управление с дистанционным приводом различного рода.

В середине 30-х годов впервые была поставлена задача повышения точности удержания корабля на курсе и снижения качки корабля для возможности применения оружия во время волнения. В связи с этим начали разрабатываться авторулевые и успокоители качки. В 1936-1943гг. был разработан стабилизатор глубины погружения ПЛ без хода “Спрут”, предназначенный для улучшения условий ручного дистанционного управления этой операцией.

Потребовалась автоматизация управления рядом технологических процессов в энергетических установках кораблей. Автоматизация технологических процессов на кораблях, в свою очередь, выявила необходимость коренного изменения в конструкции и принципе действия средств контроля и сигнализации. Имевшиеся в тот период времени приборы были механического типа (манометры с трубкой Бурдона, центробежные тахометры, жидкостные - ртутные и спиртовые - и биметаллические термометры) и обеспечивали только местный контроль за работой механизмов и агрегатов КТС. Кроме того, приборы имели малую точность (±2-4%) и большую инерционность. Приборы этих типов принципиально не могли обеспечить контроль за работой главной энергетической установки (ГЭУ), состоящей из изолированных помещений, которые вводились на кораблях для защиты личного состава от поражающих факторов атомного и химического оружия. Применение новых типов ГЭУ также потребовало введения дистанционного контроля за их работой.

В период с 1944 по 1956год отечественной промышленностью было создано немало различных систем автоматического и дистанционного управления КТС. Так, системы автоматического управления котельными установками РГ-56, РГ-50 и РГ-1134 и дистанционного управления главными турбинами и их вспомогательными механизмами обеспечили возможность управления котлотурбинной установкой одного эшелона силами только четырех операторов из изолированного поста дистанционного управления.

В первой половине 50-х годов была разработана и испытана на одном из кораблей электромеханическая система автоматического регулирования горением (САРГ) конструкции ЦКТИ им. И.И.Ползунова. В тот же период были разработаны и регуляторы конденсатно-питательной системы, действующие на струйных принципах. Они позволили автоматизировать ряд рабочих операций при эксплуатации технических средств целого поколения кораблей и судов с паросиловыми энергетическими установками. Были созданы системы дистанционного управления дизельными установками “Лот” и “Линия”, а затем более совершенные - “Пассат” и “Орион”. Эти системы использовались на кораблях, имевших винты регулируемого шага. Проблема повышения скрытности ПЛ выдвинула требование создания энергетики, работающей по замкнутому циклу. В этой связи необходимо отметить создание систем автоматического регулирования (САР) для энергетических установок ПЛ с единым двигателем: дизелем, работающим по замкнутому циклу, и парогазовой турбинной установки. Была разработана принципиально новая система автоматического дозирования АРД-617, в которой точность поддержания заданных расходов жидкостей и их соотношений обеспечивалась за счет поддержания постоянных перепадов давления на синхронно перемещаемых клапанах, имеющих линейные расходные характеристики. Но в связи с появлением атомных энергетических установок (АЭУ) парогазотурбинные установки (ПГТУ) дальнейшего развития не получили, однако примененный в АДГ-617 принцип дозирования расхода лег в основу создания системы регулирования расхода питательной воды в АЭУ АЛЛ первого-третьего поколений. В системе АРД-617 был применен электрогидравлический регулятор температуры газа, который послужил прообразом электрогидравлических САР АЭУ. Большой вклад в работы по созданию системы внесли специалисты 1-го ЦНИИ МО А.Н.Жижин и В.К.Востоков.

Внедрение газотурбинных установок (ГТУ) для быстроходных кораблей поставило перед разработчиками достаточно сложную проблему их автоматизации, так как тепловая напряженность, быстротечность протекающих процессов не допускали возможности ручного управления. В середине 50-х годов начались работы по созданию систем управления газотурбинными двигателями. В первое время как сами газотурбинные двигатели (ГТД), так и их САР создавались на базе решений, применяемых в авиационной технике. Однако они не полностью удовлетворяли корабельным условиям по ресурсу, стойкости к механическим и климатическим воздействиям. Оригинальные корабельные САР ГТД были созданы к 1960г. От ВМФ в этих работах активное участие принимал В.Г.Владимиров.

Усложнение задач, решаемых ПЛ, потребовало дальнейшего совершенствования стабилизаторов глубины погружения ПЛ без хода “Скат”, “Медуза”, а затем и разработки системы автоматического управления глубиной погружения и курсом - типа “Мрамор” и “Гранит”.

После войны прежде всего решался комплекс вопросов, связанных с разработкой авторулевых и успокоителей качки надводных кораблей (НК). В 1-м ЦНИИМО были разработаны теоретические и практические вопросы стабилизации корабля на волнении с помощью успокоителей качки, проведены их модельные и натурные испытания.

Разработка авторулевых для кораблей и катеров с использованием элементной базы нового поколения (“Альбатрос”) и систем управления успокоителями качки больших НК, а затем внедрение указанных выше систем позволили обеспечить высокую мореходность кораблей.

В области создания средств измерения начался переход от приборов механического типа к электронным, обеспечивающим дистанционный контроль за работой технических средств (ТС). Первым таким прибором был многоточечный самопишущий потенциометр ЭПК-090, успешно испытанный в 1950г. Наибольшее количество задач по автоматизации технических средств возникло в связи со строительством атомных подводных лодок. Их энергетические установки по своей физической сущности не могли обойтись без ряда специальных автоматических устройств, выполняющих функции управления, контроля и сигнализации, регулирования, блокировки и защиты.

Увеличение объема и степени автоматизации КТС (в частности АЭУ) привело к возрастанию значимости систем управления техническими средствами на корабле и увеличению влияния на тактико-технические элементы АПЛ и ее технико-экономические характеристики. Это обусловлено тем, что системы управления являются одним из средств, которые обеспечивают реализацию таких характеристик АПЛ, как время набора максимальной и малошумной скорости, дальность и длительность автономного похода, живучесть корабля, количество обслуживающего личного состава, точность стабилизации на курсе при использовании оружия и др. В целом следует подчеркнуть, насколько полно используются технические возможности КТС с помощью их систем управления, в значительной степени зависит боеспособность, скрытность и безопасность плавания корабля.

На АПЛ первого поколения управление АЭУ велось с помощью 5 систем автоматики и контроля, причем большинство механизмов управлялось личным составом с местных постов или дистанционно с пульта управления (ПУ). В число СУАЭУ входили: система управления и защиты ядерного реактора СУЗ-627 (впоследствии СУЗ “Генератор”), разработчик ОКБ-12 МАП, руководитель А.С. Абрамов, главный конструктор С.А.Франкштейн; система регулирования АТ-627, разработчик ЦНИИ-45, руководитель работ Б.И.Козловский; система управления, сигнализации, блокировки и защиты отдельных механизмов и арматуры АЭУ УСБЗ-627, разработчик первоначально ПКБ-12, затем завод “Красная заря”, главный конструктор А.Ф. Пименов; управление маневровым устройством и защита главного турбозубчатого агрегата (ГТЗА) разрабатывались Ленинградским Кировским заводом (ЛКЗ). Данные системы, по разным причинам, не смогли в полной мере обеспечить управление АЭУ. Для управления ЛЭУ с пультов использовалось большое количество органов управления. Кроме того, электрические системы были выполнены на базе контактных элементов (электромагнитные реле, ползунковые потенциометры, радиолапмы и т.п.). Эти и ряд других недочетов привели к тому, что системы были недостаточно надежны, а повысить их ресурс свыше 10000ч оказалось невозможным.

Конструктивные погрешности систем автоматического регулирования (АР) и СУЗ, особенно принципиальные недостатки принятой схемы регулирования, привели к усиленным поискам по их преодолению. В этих работах активное участие принимали сотрудники 1-го ЦНИИМО: Б.И.Меламед, Ю.С.Карпенко, Н.В.Колесников, В.А.Кондрашов, Н.А.Ступин, К.В.Белавин, В.К.Востоков, Г.А.Блинов.

Предложения 1-го ЦНИИМО были реализованы ЦНИИ-45 в системе АТ-627, в устройстве автоматической коррекции мощности по средней температуре (АКМСТ). Разработанное ОКБ-12, оно вошло в систему управления и защиты (СУЗ) “Генератор”. Одновременно с созданием АКМСТ Морской научно-исследовательский институт (МНИИ-1) судостроительной промышленности (впоследствии НПО “Агат”) начал разработку бесконтактной СУЗ “Экран” (главный конструктор Е.К.Беляков) с минимально контролируемого уровня мощности. Ряд новых идей был реализован позднее в СУЗ “Бега” ОКБ-12 и РУЗ-АМ ЦНИИ-45.

Необходимость повышения маневренности АЭУ, введение новых режимов ее использования, разгрузка операторов по управлению КТС определили требование о создании единой САР АПЛ второго поколения. Головным разработчиком САР АЭУ АПЛ проекта 671 стал ЦНИИ-45. В систему регулирования, управления и защиты АЭУ РУЗ-671 входили СУЗ-671 (Сясь) и системы управления частотой вращения ГТЗА (гидравлическая часть САР ГТЗА была разработана ЛКЗ и вошла в состав ГТЗА). Система УСБЗ, как и прежде, проектировалась отдельно. Такая кооперация была принята и для остальных АПЛ второго поколения.

Система регулирования управления и защиты (РУЗ) обеспечивала как совместное взаимосвязанное управление паропроизводящей установки (ППУ) и главным турбозубчатым агрегатом, так и раздельное управление ими. При этом работа АЭУ обеспечивалась как на номинальных, так и на пониженных параметрах, а также перекрестных режимах. Основным функциональным достоинством системы следует считать появление возможности одному оператору управлять частотой вращения ГТЗА и производительностью ППУ с помощью минимального количества органов управления.

Для разгрузки оператора от постоянного контроля за поддержанием заданной частоты вращения в систему был введен регулятор частоты вращения (РЧВ) ГТЗА, а также регулятор давления пара перед маневровым устройством ГТЗА.

В ходе проектирования и испытаний система РУЗ-671 была модернизирована с целью унификации (РУЗ-671 У) и увеличения ресурса до 25000 часов работы (РУЗ-671М).

Функции унифицированных СУЗ “Сясь”, “Бриг”, “Селигер” по сравнению с СУЗ “Экран” дополнены автоматическим управлением разогревом теплоносителя первого контура и экстренным снижением мощности реактора. СУАЭУ выполнена в двухканальном варианте. С целью повышения ядерной безопасности установок в 1984-1985гг. были разработаны и внедрены безламповая пусковая аппаратура и импульсная пусковая аппаратура (ИПУ) в СУЗ ППУ КН-З “Альбатрос” на НК с АЭУ.

Большой объем работы был выполнен по автоматизации электроэнергосистем кораблей. Поставленные вопросы их автоматизации были рассмотрены в 1-м ЦНИИ МО в 1956г., тогда же был определен комплексный подход к автоматизации средств генерирования, преобразования и распределения электроэнергии. Впервые в практике дистанционно-автоматизированное управление электроэнергетических систем (ЭЭС) корабля было предусмотрено с помощью системы подобного назначения. “Терек” и “Орион” были приняты на противолодочном крейсере проекта 1123 и на большом противолодочном корабле проекта 1134 (главный конструктор Л.С.Майзель).

Для АПЛ этого периода характерно внедрение на них переменного тока. Одновременно внедрялись и системы дистанционно-автоматизированного управления ЭЭС. Таких систем было создано несколько: “Байкал” для ПЛ проекта 671, “Ока” для ПЛ проекта 670, “Кама” для ПЛ проекта 667.

Особо следует отметить систему автоматического управления “Кактус”, созданную для АПЛ проекта 661, с применением принципа централизованного телеуправления и телеизмерения с широким использованием бесконтактной элементной базы и самоконтроля исправности.

Следует отметить, что на АПЛ второго поколения впервые автоматизировано управление общекорабельными системами (ОКС) и системами обеспечения обитаемости “Ключ”, “Вольфрам”, “Аргон”. В период 1957-1966гг. решалась проблема повышения автономности плавания. С этой целью разрабатывались автоматизированные электрохимические системы генерации воздуха АПЛ.

Первый опыт эксплуатации АПЛ и исследования в области пространственного маневрирования показали необходимость разработки таких систем управления движением (СУД), которые обеспечивали бы не только стабилизацию заданных глубин и курса, для чего были предназначены установленные на первых АПЛ системы “Гранит” и “Мрамор”, но и маневрирование по глубине и курсу, при взаимосвязанном управлении этими параметрами. Эту задачу решала установленная на АПЛ второго поколения система “Шпат”. В исследованиях 1-го ЦНИИ МО была обоснована необходимость создания систем, обеспечивающих управление ПЛ в аварийных ситуациях (заклинивание горизонтальных рулей, поступление воды в отсеки прочного корпуса, ошибки управляющего оператора). Для этого на АПЛ второго поколения была установлена система “Турмалин” и введена автоматическая связь этой системы с СУ АЭУ.

С начала 60-х годов начались работы по созданию СУД для кораблей с динамическими принципами поддержания (КДПП). Это была совершенно новая, не имеющая прецедентов в мировой практике сложная задача. Большая скорость кораблей требовала большей точности поддержания параметров движения, а их малое водоизмещение предъявило жесткие требования к массогабаритным характеристикам аппаратуры СУД. В связи с этим была поставлена задача комплексной автоматизации КДПП и создание СУД нового класса.

Аналогичные задачи решались и при создании СУД кораблей-экранопланов. В середине 80-х годов были разработаны и поставлены на корабли-экранопланы два образца систем - “Смена-3”, “Смена-4” (главный конструктор В.Д.Диамидов). В создании СУД больших НК и КДПП участвовали Д.С.Старинкевич, Н.С.Кованцев, Д.А.Скороходов и другие.

Революционным шагом в развитии и применении автоматических принципов управления кораблем, его техническими средствами явилось создание комплексной системы управления (КСУ) движением “Боксит” и “Тон” малой опытной АПЛ. Эти системы надежно обеспечивали управление всеми техническими средствами из центрального поста управления минимальным числом операторов при отсутствии местных постов управления. В этих КСУ ТС по-новому были решены вопросы надежности и ремонта за счет применения сменных модулей и диагностирования состояния аппаратуры с точностью до модуля, обеспечение ресурса с использованием ждущих режимов и т.п. В системе типа “Ритм” впервые в практике отечественного судостроения применена система централизованного контроля за работой технических средств - “Мелодия”.

Работы по созданию систем “Ритм”, “Боксит”, “Тон” начались в 60-х годах. Научное руководство осуществляли академик В.А.Трапезников от Института проблем управления (ИПУ) АН СССР, главным конструктором являлся О.П.Демченко, от промышленности принимали участие Л.В.Зиненко, К.А.Ландграф, В.В.Щеголев, В.Н.Соловьев, Г.А.Лукашенко и другие ученые, от 1-го ЦНИИМО - Б.И.Меламед, В.К.Востоков, Б.П.Жуков, О.С.Данилевский, Г.А.Блинов.

Развитие комплексной автоматизации КТС послужило толчком к развертыванию в начале 60-х годов работ по созданию широкой номенклатуры датчиков параметров. Первый большой комплекс датчиков с унифицированными выходными сигналами для работы с системой “Ритм” создан в 1960-1965гг. Этот комплекс включал в себя датчики теплотехнических параметров: давления и разности давлений, уровня, расхода, температуры; датчики параметров электрических сетей и приборы газового состава. Комплекс успешно прошел эксплуатацию на флоте и послужил базисом, на основе которого в последние 30лет синхронно, с ужесточением эксплуатационных требований, осуществлялось совершенствование датчиков и создание принципиально новых и надежных приборов по опытно-конструкторским работам (ОКР): “Плавник” (1970-1975гг.), “Информация” (1971-1978гг.), “Ресурс-44” (1979-1984гг.).

Выполненные работы позволили ресурс 10-12 тыс. ч для первого комплекса датчиков довести до 15 лет без каких-либо ограничений в течение этого срока. Наибольший вклад в создание корабельных датчиков внесли: Г.Г.Иордан, Н.М.Курносов, В.М.Булатов, И.А.Костромин, Б.И.Никитин, В.И.Сердюков, В.А.Скулябин, К.Е.Егоров и другие специалисты, от ВМФ - Н.В.Колесников, Е.С.Илларионов, В.И.Сивой, А.А.Орлов, Г.К.Чертов, В.Н.Мистрис, Ю.Е.Крылов, В.А.Кремлев.

70-е и начало 80-х годов характеризуются дальнейшим совершенствованием АЭУ, усложнением конструктивных и технологических особенностей, повышением маневренных характеристик, ужесточением требований к снижению виброакустических характеристик (ВАХ), расширением диапазона режимов эксплуатации. Слабоувязанные между собой по характеру технологических процессов СУ второго поколения оказались неспособными к управлению современными АЭУ.

Исследованию динамики СУАЭУ было посвящено значительное количество работ, выполненных как в организациях промышленности, так и в 1-м ЦНИИМО. Основным результатом этих исследований, в частности 1-го ЦНИИМО, явилось: создание методологии построения принципиально новых СУАЭУ, дальнейшее развитие теоретических и прикладных вопросов построения данных систем, направленных на решение важной для АПЛ проблемы - повышение качества управления корабельной АЭУ в интересах обеспечения постоянно возрастающих требований к эффективности боевого использования АПЛ.

Была развита концепция управления корабельной АЭУ в нормальных и аварийных режимах и при решении АПЛ тактических и противоаварийных задач, использования гибридных моделей в ядре, управления АЭУ, работы ЭУ и ее системы аварийной защиты в двух режимах (нормальном и форсированном), учитывая при этом предельные возможности установки, в том числе и за счет расширения предельно допустимых зон отклонения ее параметров, использования методов и принципов построения системы поддержки оператора, включенной в структуру СУАЭУ. Результаты всех исследований нашли свое отражение в создании СУ ТС нового поколения и особенно в последующих перспективных СУ. В связи с этим промышленность и 1-й ЦНИИ МО приступили к созданию базовой СУТС третьего поколения. Впервые проектирование и разработку СУТС осуществлял единый головной разработчик - НПО “Аврора” (базовая организация в МСП по автоматизации корабельных технических средств). В СУАЭУ были изменены структура и алгоритмы управления, в первую очередь за счет более полного использования свойств саморегулирования реактора, удалось добиться нулевого травления пара путем взаимосвязанной работы СУ “Муссон” и САРГТЗА “Альмак”, реализована переменная структура в зависимости от режимов работы АЭУ.

КСУ ТС третьего поколения разрабатывались под руководством главных конструкторов В.В.Войтецкого, Н.Н.Попкова, В.В.Астрова, А.К.Петрова, А.А.Локтева, А.Д.Абельсона, В.П.Никитина, В.М.Корчанова, Г.И.Никитина, Л.М.Фишмана, от 1-го ЦНИИМО участвовали Б.П.Жуков, А.А.Кривуля, Ю.С.Улямаев, С.Б.Энтин и другие специалисты.

На надводных кораблях также была успешно решена задача комплексной автоматизации газотурбинных и дизельных ЭУ, обеспечивающей управление скоростью корабля и ходовой рубки. Созданы системы управления техническими средствами “Сияние-540” для НК проекта 11540, а также КСУТС “Фиорд” для НК с АЭУ проекта 1144 и “Фиорд-41” для БРЗК с АЭУ проекта 1941. Системы строятся на бесконтактной элементной базе с применением микросхем малой и средней интеграции. Значительно возрос технический уровень средств автоматизации: их безопасность, ремонтопригодность, долговечность, степень стандартизации и унификации, стойкость к климатическим и боевым воздействиям, диагностирование неисправностей.

Автоматизация НК проводилась под руководством конструкторов: В.А.Андрезена, В.В.Судакова, Е.П.Проскурина, Ю.К.Шилова, Р.А.Клебанова, Б.Д.Ремизова, М.Г.Шперлинга, Н.В.Проскурякова, от ВМФ принимали участие: А.В.Филатов, В.В.Антипов, В.К.Востоков, Б.Ф.Пашкин и другие специалисты.

В 1981г. в 1-м ЦНИИМО была создана лаборатория электронных тренажеров под руководством О.А.Спиридонова. Сотрудниками лаборатории с различными промышленными организациями (НПО“Аврора”, НИТИ) были созданы и приняты в эксплуатацию ВМФ полномасштабные пультовые электронные тренажеры типа “Сула-41” в составе берегового тренировочного комплекса “Ольха-41”, “Сула-Э”, “Карамелька”, “Свежесть”, “Валонея” и др., обеспечившие подготовку личного состава ВМФ по управлению техническими средствами кораблей различных проектов. В настоящее время ряд тренажеров находится в стадии разработки и изготовления: комплексный тренажер “Каллао” для подготовки личного состава АПЛ четвертого поколения; специализированный тренажер “Альпинист” по управлению ГТУ НК проекта 1155; специализированный тренажер “Мажара” по управлению электроэнергетическими системами ДПЛ и НК.

В последнее время, с учетом достижений в области компьютерной техники и ограниченного финансирования новых разработок, приоритет в создании электронных тренажеров от традиционных операторских, включающих в свой состав реальные пульты управления КТС или их имитаторов, смещается на понятийные или интеллектуальные, построенные на основе локальных сетей ПЭВМ со стандартной периферией. Такие тренажеры разрабатываются НИИ “Центрпрограммсистем” в рамках работ “Межречье” и “Интегратор”; Российским научным центром (РНЦ) “Курчатовский институт” в рамках работы “Латкар”; ОКБМ в рамках работы “Поддержка” и другими организациями.

Достигнутый к началу 80-х годов уровень развития средств автоматизации позволил решить задачу проектирования и создания корабельных цифровых систем управления. В 1990г. была разработана и поставлена на стенд первая цифровая система управления ГЭУ “Андромеда-2” в составе КСУ ТС “Ковар-2”. Кроме микропроцессоров-компонентов, в системе применены микро-ЭВМ “Луч”, “Лада” разработки НПО “Агат”. Кроме того, в СУ АЭУ “Ураган-БСМ-З”, поставленной на АПЛ проекта 971 в 1994г., программно-логическое управление реализовано на базе микропроцессорных комплексов.

Первой отечественной цифровой КСУ ТС следует считать систему типа “Булат”, разработанную для АПЛ четвертого поколения. В 1995г. был создан опытный образец такой системы. Руководитель работ - В.М.Корчанов, главный конструктор - А.К.Петров, затем Л.К.Гнедин, от ВМФ - Б.П.Жуков, А.А.Кривуля, Б.Ф.Пашкин, В.Н.Круглов, Л.Н.Добродицкий, С.В.Калач, С.Б.Энтин и другие.

В начале 90-х годов при создании СУ ТС активно внедряется концепция АСУ. В 1993г. разработан технический проект (ТП) микропроцессорной КСУ ТС “Утес” с элементами АСУ. Более полно функции АСУ реализованы в разработанной ТП системе “Невод” для АПЛ “Нельма”.

В 1994г. НПК “Система” разработал ТП новой системы четвертого поколения корабельной автоматизированной системы “Литий” для ПЛ “Лада” (главный конструктор Л.Е.Федоров). Подход, выбранный для проектирования системы, основывается на идее формирования интегрированной автоматизированной системы управления кораблем (АСУ ПЛ) на основе общекорабельной системы обмена данными (ОКС ОД).

В конце 80-х - начале 90-х годов в корабельные системы управления начали внедряться новые информационные технологии на базе методов моделирования, теории экспертных систем и искусственного интеллекта. В 1-м ЦНИИ МО проведены глубокие исследования по автоматизации борьбы за живучесть кораблей ВМФ на базе указанных методов (В.А.Береснев). Такие технологии реализуются в новом классе информационно-управляющих систем - системах интеллектуальной (информационной) поддержки (СИП) операторов при управлении ТС и командного состава при ведении борьбы за живучесть.