CC BY
31
УДК 681.5
Вестник СибГАУ Том 17, № 1. С. 131-136
ПЛАТФОРМА АВТОМАТИЗАЦИИ СИСТЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ ВЕСОВОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ДЛЯ КРУПНОГАБАРИТНЫ1Х РЕФЛЕКТОРОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
И. В. Ковалев1, Ю. О. Баданина2
1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнёва Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Сибирский государственный технологический университет Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 82 E-mail: [email protected]
Рассмотрено конструктивное исполнение и логика раскрытия крупногабаритной трансформируемой антенны. Выявлена необходимость компенсации весовой составляющей при сборке и испытаниях конструкции. Учитывая логику движения элементов силовой спицы, сделан вывод о применении следящей системы для компенсации весовой составляющей.
Проведен анализ имеющегося оборудования и систем управления. Выбран производитель автоматизированного оборудования, удовлетворяющего поставленным задачам управления и контроля. Сделан вывод о проектировании системы компенсации весовой составляющей на основе сервоприводов, контроллеров и сенсоров, объединенных платформой автоматизации, управляемой специальным программным обеспечением.
Разработана структура платформы автоматизации, соответствующая принятому технологическому процессу проведения испытаний. Определены принципы взаимодействия подсистем системы компенсации весовой составляющей для приёма, обработки и контроля параметров процесса испытаний. Сделан вывод о том, что предложенная система может быть интегрирована в перспективную систему автоматизации и управления технологическим процессом проведения испытаний раскрытия крупногабаритных антенн космических аппаратов.
Ключевые слова: космический аппарат, крупногабаритный рефлектор, автоматизация, система компенсации весовой составляющей, контроллер.
Vestnik SibGAU Vol. 17, No. 1, P. 131-136
PLATFORM OF AUTOMATION OF COMPONENT WEIGHT COMPENSATION SYSTEM FOR LARGE SPACECRAFT REFLECTOR
I. V. Kovalev1, J. O. Badanina2*
1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Siberian State Technological University 82, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation E-mail: [email protected]
The design and logic of opening large convertible antenna are considered in this article. The necessity of weight component compensation in the assembly and testing of the design is discovered. Taking into the account the logic of the movement elements of power spokes, it has been concluded that the use of the tracking system compensates the weight component.
The analysis of the existing equipment and control systems has been conducted. The selection of the manufacturer of automated equipment that meets the stated objectives of management and control was made. It is concluded that the design component of the weight compensation system based on servo controllers and sensors combined platform automation, controlled by special software.
The structure of the platform automation, consistent workflow testing, has been developed. It defines the principles of interaction between subsystems of the weight compensation component for receiving, processing and monitoring of process parameters testing. It is concluded that the proposed system can be integrated into the automation system and the perspective ofprocess control testing of disclosure of large spacecraft.
Keywords: spacecraft, bulky reflector, automation, system weight component compensation controller.
Введение. В связи с внедрением при производстве космических летательных аппаратов крупногабаритных механических систем возникла необходимость поиска новых, но при этом достаточно простых и эффективных способов обработки данных механических систем на этапе наземной экспериментальной отработки, так как применение традиционных методов либо не удовлетворяет предъявляемым требованиям, либо невозможно использовать их из-за конструктивных особенностей.
На различных космических аппаратах (КА) проведен ряд экспериментов по развертыванию крупногабаритных антенных конструкций. Анализ существующих на мировом рынке трансформируемых крупногабаритных рефлекторов показал, что, несмотря на определенные достижения в этой области, лишь немногие из них способны в невесомости обеспечить точность соответствия заданной формы и необходимую жесткость конструкции. Не всегда удается добиться и их надежного раскрытия. Причина в нарушении технологии на любом из следующих этапов:
- изготовление деталей и узлов с учетом ресурсных характеристик конструкции;
- высокоточная сборка на стендовом комплексе;
- стендовое тестирование антенны.
Для всех существующих на данный момент космических аппаратов на этапе отработки необходимо проводить ряд испытаний, в ходе которых требуется обеспечить ликвидацию весовой составляющей элементов конструкции для устранения ее деформации или разрушения под действием силы тяжести. Для выполнения данного условия применяются системы компенсации весовой составляющей. Данные системы могут найти свое применение при проверки функционирования механических систем, при отработке процессов раскрытия трансформируемых антенн, ферменных рефлекторов разных форм и размеров, солнечных батарей и других многозвенных конструкций [1-4].
Назначение. Система компенсации весовой составляющей предназначена для компенсации моментов сил, действующих относительно корневого шарнирного узла, относительно промежуточного шарнирного узла, относительно шарнирного узла подкоса спицы от веса звеньев и подвижных частей рефлектора, в том числе отдельно от формообразующей структуры, от лент механизма раскрытия, сетеполотна и других существенных конструктивных элементов рефлектора, настройки и проверки функционирования рефлектора [5].
Система компенсации весовой составляющей должна обеспечивать работу с рефлектором, основным элементом несущей конструкции которого являются силовые спицы (рис. 1), которые определяют требуемую стабильность рабочей поверхности под воздействием факторов эксплуатации. Рассмотрим основные принципы работы системы компенсации весовой составляющей на примере одного модуля, необходимого для обеспечения компенсации весовой составляющей элементов силовой спицы антенны.
Для обеспечения требуемых габаритов в транспортировочном положении силовая спица имеет трансформируемую конструкцию и приводится в рабочее положение с помощью механизма выдвижной мачты [6-8]. Для построения траектории движения центров масс во время раскрытия спицы составлена таблица по 20-ти положениям звеньев и подкоса относительно друг друга в процессе раскрытия антенны. Из графика (рис. 2) следует, что траектории движения звеньев и подкоса достаточно сложные, требующие применения следящей системы для компенсации весовой составляющей этих элементов в процессе отработки раскрытия антенны в наземных условиях [9-11].
Задача управления системой. Для реализации компенсации весовой составляющей силовой спицы во время сборки и испытаний необходимо организовать три точки связи, находящиеся в теоретических центрах масс корневого, концевого и откидного звеньев с модулем системы компенсации весовой составляющей. Организация связи звеньев с исполнительными следящими механизмами системы компенсации весовой составляющей будет реализована через гибкую условно нерастяжимую стропу.
Исполнительными механизмами системы компенсации весовой составляющей будут являться три каретки, перемещающиеся по направляющей и обеспечивающие определенное заданное отклонение гибкой стропы от вертикали, а также три привода намотчика гибкой стропы, позволяющие компенсировать изменения длины гибкой стропы при изменении координат центров масс звеньев. Из расположения центров масс звеньев и их траектории складываются допустимые ходы кареток системы компенсации весовой составляющей (см. таблицу).
По данным таблицы построен график движения центров масс (ЦМ) корневой спицы, концевой спицы и подкоса (рис. 2).
Рис. 1. Силовая спица: 1 - корневое звено; 2 - концевое звено; 3 - откидное звено; 4 - промежуточный шарнирный узел; 5 - корневой шарнирный узел
Теоретические параметры кинематики движения спицы и изменения положения центра масс во время раскрытия спицы
Условное положение звеньев спицы Углы раскрытия Спица корневая Спица концевая Подкос
а1 а2 У, мм X, мм У, мм X, мм У, мм X, мм
1 0 0 2,48 2313,37 167,1 2330,16 271,39 1534,75
2 0 10,247 2,48 2313,37 465,55 2371,19 709,66 1607,02
3 9,024 10,247 365,31 2284,35 831,72 2268,82 952,95 1475,81
4 15,143 20 606,71 2232,4 1355,26 2180,68 1526,52 1396,96
5 20,827 30 824,85 2161,32 1856,49 2070,93 2086,24 1302,31
6 26,143 40 1021,52 2075,62 2328,41 1948,97 2620,16 1201,69
7 31,043 50 1195,08 1980,78 2768,04 1827,27 3125,07 1108,88
8 35,301 60 1338,88 1886,56 3167,92 1728,72 3595,02 1049,65
9 38,624 70 1445,95 1805,8 3519,72 1685,15 4022,89 1060,35
10 41 80 1519,57 1744,3 3822,27 1713,52 4403,89 1161
11 42,875 90 1575,84 1693,64 4084,82 1794,79 4738,68 1330,01
12 44,751 100 1630,45 1641,13 4318,52 1894,75 5031,51 1527,03
13 46,902 110 1690,88 1578,8 4529,99 1988,05 5286,52 1721,15
14 49,401 120 1758,12 1503,57 4721,07 2061,81 5505,96 1895,95
15 52,239 130 1830,41 1414,67 4891,15 2110,11 5690,6 2043,4
16 55,518 140 1908,33 1307,66 5043,81 2118,17 5845,57 2145,91
17 59,556 150 1995,67 1170,04 5189,93 2051,64 5886,04 2797,27
18 64,682 160 2092,22 987,06 5336,97 1873,35 5967,21 2675,42
19 71,247 170 2191,29 741,58 5482,94 1543,53 6064,13 2381,61
20 79,906 180 2278 403 5613 991,2 6174,5 1842,6
Примечание. а1 - угол между осью мачты и спицей корневой; а2 - угол между спицей корневой и спицей концевой.
Рис. 2. Движение ЦМ корневой спицы, концевой спицы и подкоса
Модуль системы компенсации весовой составляющей должен удовлетворять следующим основным условиям: обеспечение поддержания заданного усилия в гибких стропах и его контроль, отслеживание отклонения гибкой стропы от вертикали и контроль угла отклонения на всей траектории движения центров масс звеньев. Реакция исполнительных меха-
низмов системы должна обеспечивать необходимую динамику в процессе раскрытия антенны [4; 9].
Предлагаемая платформа автоматизации. Анализ отечественного и зарубежного рынка автоматизированного оборудования показал, что у отечественного производителя отсутствует необходимая номенклатура.
Оборудование, удовлетворяющее необходимым условиям, производится только фирмами Siemens, Rockwell Automation и Mitsubishi Electric.
Анализ оборудования фирмы Siemens показывает, что оно не удовлетворяет массогабаритными параметрами и методам построения SCADA-системы.
Рассмотрено оборудование фирмы Rockwell Automation. Дистрибьюторы этого оборудования готовы его поставить, но не занимаются технической поддержкой и сопровождением проектов.
Анализ оборудования японской фирмы Mitsubishi Electric показал, что оно соответствует необходимым требованиям по габаритным параметрам, техническим характеристикам и программным продуктам, способным реализовать соответствующую систему управления и программную оболочку оператора для системы компенсации весовой составляющей [12].
Для реализации компенсации весовой составляющей предлагается автоматизированная система на основе платформы автоматизации MELSEC System Q Mitsubishi Electric. Платформа Mitsubishi System Q основана на прогрессивной многопроцессорной технологии: одна система будет иметь несколько процессоров: процессор программируемого контроллера, процессор управления движением, процессор управляющей программы на основе SCADA-системы с возможностью полной интеграции запросов по управлению и обмену данными на единой платформе. Кроме того, обеспечивается высокая степень готовности системы за счет использования резервирования ведущих устройств в коммуникационных сетях, а также распознавания обрыва линий и способности к «горячей замене», что позволяет производить замену модулей прямо во время работы системы.
Процессорный модуль управления движением управляет и синхронизирует подключенные к нему сервоусилители, серводвигатели и набор необходимых сенсоров, интегрированных в систему управления для функции непрерывной визуализации и слежения за позициями центров масс звеньев спиц.
Структурная схема автоматизации представлена на рис. 3.
Каждый модуль включает в себя отдельный блок управления, состоящий из ПЛК, модуля управления движением, модуля аналоговых входов, модуля цифровых входов, модуля выходов, источника питания и сервоусилителей, расположенных на базовом шасси. Все модули соединены с базовой управляющей станцией средствами Ethernet. Базовая управляющая станция состоит из ПЛК, модуля MES-интерфейса, коммутационного модуля Ethernet и персонального компьютера с операционной системой для контроллеров позиционирования и SCADA-системы.
SCADA-система реализована на МХ4 SCADA -полнофункциональной системе контроля и сбора данных, основанной на интерфейсе Windows, что значительно сокращает скорость обучения, давая возможность пользователю быстро приспосабливаться и реагировать на изменения в процессе. В SCADA-системе запрограммированы основные функции, включая блокировку, сигнализацию, архив данных и отчеты, обеспечиваются простые, но важные готовые решения [12; 13].
Визуализация работы с управляющей программой выполнена на панели оператора Mitsubishi Electrical GOT2000, которая обеспечивает человеко-машинный интерфейс, предоставляет доступ к технологическим данным, позволяет отслеживать, управлять и по мере необходимости изменять параметры процесса компенсации весовой составляющей.|Автоматическое управление процессом компенсации весовой составляющей построено таким образом, что на экране компьютера отображается главное меню системы, содержащее функциональные зоны:
- режим сборки;
- режим испытаний;
- статистика;
- настройка и диагностика;
- активные аварии;
- архив.
Рис. 3. Структура платформы автоматизации
Автоматическое управление компенсацией весовой составляющей заключается в контроле и поддержании требуемых значений параметров процесса путем управления системой, работой исполнительных механизмов и, при необходимости, в принятии дополнительных мер по управлению процессом.
При штатных испытаниях спроектированная система работает по сформированному алгоритму, поддерживая величину определенного усилия и вертикальное положение гибкой связи по всей траектории раскрытия спиц антенны, а также учитывает влияние динамических рывков и прописанные аварийные ситуации.
Работа системы управления построена таким образом, что в управляющей программе задаются основные параметры процесса компенсации весовой составляющей:
- величины требуемого натяжения гибких строп;
- необходимые скорости (или законы изменения скорости) серводвигателей, отслеживающих вертикальное положение гибкой стропы.
Серводвигатели позволяют установить любой из известных законов регулирования и задать любые параметры разгона-торможения, необходимые для плавного трогания-останова, отработки сигналов с датчиков измерения угла и весоизмерительных ячеек.
Заключение. По результатом данной статьи сделан вывод о том, что предложенная система сможет быть интегрирована в перспективную систему автоматизации и управления технологическим процессом проведения испытаний раскрытия крупногабаритных антенн космических аппаратов.
Разработана структура платформы автоматизации системы компенсации весовой составляющей, соответствующая принятому процессу проведения испытаний. Разработан интуитивно понятный человеко-машинный интерфейс с возможностью дистанционного управления и контроля заданных параметров.
Использование выбранной платформы автоматизации позволит решить поставленную задачу управления системой компенсации весовой составляющей, которая повысит её надёжность, расширит функциональные возможности, будет удобна в использовании, увеличит производительность расчётов и сократит число ошибок операторов, достигнет требуемого уровня оперативности работы системы в целом. Такая оценка позволяет с уверенностью утверждать о качественном улучшении системы компенсации весовой составляющей, которая будет обладать большей гибкостью, надежностью и безотказностью.
Библиографические ссылки
1. Гуляев В. И., Гайдачук В. В., Чернявский А. Г., Шалино Л. О динамике крупногабаритного разворачивающегося рефлектора // Прикладная механика. 2003. № 39 (9). С. 109-115.
2. Хеджепет М. Д. Конструкции для точных дистанционно раскрываемых антенн. Заключительный отчет / Национальный аэрокосмический и исследовательский центр Ьа^1еу. Контракт № КЛБЛ-18567. 1989.
3. Ковалев И. В., Кикоть Ю. О. Мобильная система имитации невесомости для крупногабаритных космических аппаратов // Вестник СибГАУ. 2014. Вып. 4(56). С. 173-178.
4. Пат. 233970 RU С 2 G 61 М 19/00 В 64 П 7/00. Устройство имитации невесомости механизмов с гибкой конструкцией элементов / Дроздов А. А., Агаш-кин С. В., Михнев М. М., Ушаков А. Р. 27.09.2008.
5. Голдобин Н. Н. Методика оценки формы радиоотражающей поверхности крупногабаритного трансформируемого рефлектора космического аппарата // Вестник СибГАУ. 2013. Вып. 1(47). С. 106-111.
6. Дебда Д. Е., Пятибратов Г. Я. Проблемы создания комбинированных систем компенсации силы тяжести объектов обезвешивания. Новочеркасск : ЮРГТУ, 2000. 32 с. Деп. в ВИНИТИ 16.02.2000, № 396-В00.
7. Подураев Ю. В. Мехатроника: основы, методы, применение. М. : Машиностроение, 2007. 256 с.
8. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления / пер. с англ. Б. И. Копылова. М. : Лаборатория базовых знаний, 2002. 832 с.
9. Романов А. В., Тестоедов Н. А. Основы проектирования информационно-управляющих и механических систем космических аппаратов / под ред. д-ра техн. наук, профессора В. Д. Атамасова. СПб. : АНО ЛА «Профессионал», 2015. С. 240.
10. Пат. 1828261 RU А1 SU G 01 М 19/00. Устройство обезвешивания элементов / Ануприенко Г. Е., Карпачев Ю. А., Кухоцкий Л. М., Мишнеев А. А., Павлюк В. Н., Рудых Ю. Н., Савенко Ю. Н. 20.09.96.
11. Пат. 5848899А. US. Method and device for simulating weightlessness / Ian P. Howard. 15.12.98.
12. Платформа Mitsubishi Electric MELSEC System Q и её компоненты [Электронный ресурс]. URL: http//mitsubishielecric.ru (дата обращения: 03.02.2016).
13. Программное обеспечение GX IEC Developer и МХ OPC Server [Электронный ресурс]. URL: http// mitsubishielecric.com (дата обращения: 03.02.2016).
References
1. Gulyaev V. I., Gaydaychuk V. V., Cherniavsky A. G., Lenin L. [On the dynamics of the unfolding of large-sized reflector]. Prikladnaya mekhanika [Applied Mechanics]. Kiev, 2003, 39.9, P. 109-115.
2. Hedzhepet М. J. Konstruktsii dlya tochnykh distantsionno raskryvaemykh antenn. Zaklyuchitel'nyy otchet. Podgotovleno Natsional'nym aerokosmicheskim i issledovatel'skim tsentrom Langley po kontraktu № NASA-18567. [Design for precise remote antennas disclosed. Final Report. Prepared by the National Aerospace Research Center and Langley contract № NASA-18567]. 1989.
3. Kovalev I. V., Kikot J. O. [Mobile system simulate weightlessness for large spacecraft]. Vestnik SibGAU, 2014, No. 4 (56), P. 173-178 (In Russ.).
4. Drozdov A. A., Agashkin S. V., Mikhnev M. M., Ushakov A. R. Ustroystvo imitatsii nevesomosti mekhanizmov s gibkoy konstruktsiey elementov [The device simulating weightlessness with Flexible design
elements]. Patent RF, No. 233970 G61M19 C2/00 V64P7/00, 2008.
5. Goldobin N. N. [Methodology to evaluate the shape of the reflecting surface of bulky radio convertible reflector spacecraft]. Vestnik SibGAU, 2013, Vol. 1 (47), P. 106-111 (In Russ.).
6. Debda D. E., Pyatibratov G. Y. Problemy sozdaniya kombinirovannykh sistem kompensatsii sily tyazhesti ob''ektov obezveshivaniya [Problems of creation of the combined compensation systems gravity of weightlessness objects]. Novocherkassk, SRSTU Publ., 2000, 32 p.
7. Poduraev Y. V. Mekhatronika: osnovy, metody, primenenie [Mechatronics: fundamentals, methods, applications]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2007, 256 p.
8. Dorf R., Bishop R. Sovremennye sistemy upravleniya [Modern control systems]. Trans. from English B. I. Kopylov. Moscow, Laboratoriya bazovykh znaniy Publ., 2002, 832 p.
9. Romanov A. V., Testoedov N. A. Osnovy proektirovaniya informatsionno-upravlyayushchikh i mekha-nicheskikh sistem kosmicheskikh apparatov [Basics of designing information control and mechanical systems
of spacecraft]. Ed. by Doctor of Techn. Sci., Professor V. D. Atamasova. St. Petersburg, LA ANO "Professional", 2015, 240 p.
10. Anuprienko G. E., Karpachev Y. A., Kuhots-ky L. M., Mishneev A. A., Pavlyuk V. N., Rudykh Yu. N., Savenko Y. N. Ustroystvo obezveshivaniya elementov [The device of elements weightlessness]. Patent RF, No. 1828261 A1 G01M19 SU / 00, 1996.
11. Ian P. Howard. Method and device for simulating weightlessness. Patent RF, No. 5848899A, 1998.
12. Platforma Mitsubishi Electric MELSEC System Q i ee komponenty [Platform Mitsubishi Electric MELSEC System Q and its components]. Available at: http // mitsubishielecric.ru (accessed 03.02.2016).
13. Programmnoe obespechenie GXIEC Developer i MKh OPC Server [Software GX IEC Developer and MX OPC Server]. Available at: http // mitsubishielecric.com (accessed 03.02.2016).
© KoBaneB H. B., Ba^aHHHa M. O., 2016
