CC BY
79
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЗЕМНЫМИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ
Ефремов
Юрий Вячеславович,
инженер 2-ой категории АО «Российские космические системы», г. Москва, Россия, jorgiy@bk.ru
Круглов
Сергей Анатольевич,
аспирант, начальник сектора АО «Российские космические системы», г. Москва, Россия, kruglov10sergey@mail.ru
Полтавец Юрий Иванович,
к.т.н., заместитель начальника отделения АО «Российские космические системы», г. Москва, Россия, rks0901@yandex.ru
Донцов
Сергей Александрович,
к.т.н., начальник сектора АО «Российские космические системы», г. Москва, Россия, sad rks@mail.ru
Ключевые слова:
автоматизация; радиотехника; комплексы; приборные интерфейсы; линейные алгоритмы.
?
О л л С
Рассматривается разработка комплекса аппаратных и программных средств для автоматизации управления оборудованием земных радиотехнических комплексов. Задача организации эффективной автоматизации процесса управления возникла в связи с усложнением их структуры и оборудования, а также объединение этих комплексов в иерархические распределенные в пространстве системы. Такая система уже не может быть описана в классическом виде описания системы управления, причём для описания этих структур, представленных в виде системы звеньев, объединенных между собой прямыми и обратными связями необходимо вводить новые понятия. Важными понятиями сложных иерархических систем управления становятся объектные представления, модели потоков и хранилищ данных, функциональные сущности. Усложнение систем управления требует изменения методов их описания, исследования и синтеза. При этом предполагается, что сложные системы, объединенные в иерархические структуры, функционируют по большей части автоматически, без вмешательства человека - оператора. Основными требованиями к разрабатываемой системе управления были: реализация средствами операционной системы МСВС и общим программным обеспечением, совместимым с данной операционной системой, а также максимальное уменьшение количества лиц, участвующих в управлении. В основу разработки системы легло управление с помощью систем управления базами данных. Использование систем управления базами данных позволило выстроить чёткую иерархию системы и представить каждое управляющее звено как самостоятельную таблицу, которая может взаимодействовать с другими такими же таблицами посредством непроцедурного языка структурированных запросов. Благодаря такой организации движения команд и данных, число этих звеньев ограничено только лишь настройками сервера системы управления базами данных.
В итоге такая система была реализована и прошла испытания. В данный момент она дополняется и модифицируется, исходя из результатов эксплуатации. На практике показано, что данная система управления оказалось весьма гибкой в плане включения нового оборудования, управляющих и управляемых узлов, а так же весьма легко диагностируемой и обслуживаемой.
Задача научного исследования проистекала из непосредственного требования реализации сложной иерархической системы управления радиотехническими комплексами на практике. Результатом такого исследования должна была стать не просто абстрактная система управления, а действующая, выполняющая требуемый функционал в полном объеме. Такие исследования были проведены, а система управления -построена и внедрена в конкретных изделиях успешно прошедших Государственные испытания.
Базовыми средствами организации иерархических систем управления являются общее программное обеспечение (ОПО), специальное программное обеспечение (СПО), аппаратные средства (антенные системы, приемники, передатчики) и средства связи.
Основными средствами ОПО являются операционные системы (ОС) и системы управления базами данных (СУБД). Рассмотрим их чуть подробнее.
ОС МСВС, основанная на GNU/Linux, является -многопользовательской многозадачной сетевой ОС. Она функционирует на аппаратных платформах Intel, SPARC (Эльбрус-90микро), IBM S390 и MIPS (комплексы серии «Багет» производства компании Корунд-М), поддерживает многопроцессорные конфигурации (SMP). Содержит средства мандатного управления доступом, списки контроля доступа, ролевую модель.
СУБД Линтер-ВС 7.0 - предназначена для создания информационных и управляющих систем для работы с различной информацией, а также создания и поддержки баз данных, основанных на реляционной модели данных. Данная СУБД основана на архитектуре «клиент - сервер». Данная технология даёт реальные
преимущества пользователям и становится преобладающим способом обработки данных [1-3].
Стоит отметить, что для решения задач автоматизации технологических процессов, которым в том числе и является процесс управления иерархически построенной группой радиотехнических устройств, существуют пакеты диспетчерского управления и сбора данных, представляющие собой, как правило, дистрибутивы различных ОС с встроенными библиотеками различных интерфейсов, СУБД, сред разработки приложений и графического интерфейса к ним и самой средой разработки системы в целом. Наиболее подходящими пакетами под данную задачу являются: Ignition (США), ICSCADA (Канада), Stantor (Франция), Lintouch (Германия) и OpenSCADA (Германия), который основан на открытом исходном коде. Разрабатываемый с помощью этих пакетов комплекс программных средств является подходящим для повторной сборки, или запуска на средствах ОС МСВС. Однако, разрабатываемая система была выстроена так, что для её разработки хватило средств самой ОС МСВС, а так же совместимой с ней СУБД [4].
Общая схема организации взаимодействия аппаратных средств для обеспечения управления работой радиотехнического поста представлена (РТП) на рис. 1.
Главным узлом в управлении оборудованием является сервер локальной базы данных или локальный сервер управления оборудованием. Там, в таблицах БД содержатся высокоуровневые команды управления оборудованием, такие как перевод оборудования в определённые режимы работы в заданное время. Команды представляют собой записи в БД, где содержатся
Рис. 1. Общая схема организации управления радиотехническим постом
столбцы с номером режима работы, временем его выполнения (время выхода на режим и время выхода из режима) и переменными данными (точные значения частотных параметров, данных об азимуте, угле места и т.д.). Так же на этом сервере находятся таблицы данных, принятых с каждого оборудования (включая телеметрию, оцифрованные сигналы с приёмников, точках положения антенного зеркала и т. д).
Примерная таблица высокоуровневых команд приведена на табл. 1, а ответные данные представлены в табл. 2, то есть команды управления и слова состояния оборудования, а также получаемые или отправляемые данные представляются в виде таблиц локальной СУБД.
Иерархические связи выстраиваются путем получения заданий из БД высшего уровня иерархии и отправления результатов выполнения заданий в ту же БД.
Выдача указаний на режим работы в определённое время регламентируется управляющей программой, установленной на сервере удалённой базы данных, которая, следуя своему алгоритму, выдаёт на локальный сервер управления оборудованием конкретные строки с заданиями.
Однако, сервер удалённой базы данных связан с локальным сервером управления оборудованием не на прямую. Между ними присутствует сервер связи реального времени, и автономного управления оборудованием, который может представлять собой технологическую ПЭВМ (АРМ). Предназначение этого сервера состоит в синхронизации по времени работы оборудования и выдачи указаний ему в виде команд управления. В результате чего через этот сервер (АРМ) возможно автономное управление оборудованием, в случае отказа оборудования удалённого управления. Таким образом, порождается две управляющие сущности: удалённый
сервер управления и автономный сервер управления.
Организация доступа к локальному серверу управления оборудованием устроена так, что для него (сервера) нет разницы в командах, записанных с автономного, или удалённого сервера управления.
На самом локальном сервере управления оборудованием имеются множества сущностей - программ, представляющих собой конечные автоматы, которые выдают команды контроллерам оборудования, тем самым реализуя заключительную часть алгоритма управления.
На локальном сервере управления оборудованием так же есть БД, в которую при необходимости дублируются значения таблицы высокоуровневых команд. Эти значения разбираются программой - конечным автоматом для определения выполнения самого режима и времени, в которое его надо выполнять.
Команды контроллерам содержатся в таблицах -«словарях» базы данных, которая находится на той же ПЭВМ (на локальном сервере управления оборудованием), которая и осуществляет управление. В таблице, содержащей команды контроллерам (низкоуровневые команды), содержатся так же столбцы с числами, последовательность которых (от 1 до п) представляет линейный алгоритм выполнения этих низкоуровневых команд контроллеру. Конечный автомат соотносит столбцы с номерами режимов с соответствующими строками из таблицы высокоуровневых команд. Установку переменных значений выполняет сама программа, изменяя по заданному алгоритму команды из таблиц низкоуровневых команд. Пример низкоуровневых команд «словаря» некого контроллера приведены в табл. 3.
В результате выполнения каждой высокоуровневой команды каждая сущность будет выдавать свою ответную информацию в виде таблицы БД (телеметрию,
Таблица 1
Примерная таблица высокоуровневых команд
Номер [PK] Исправность Статус Выполнение задания Возвращаемые данные 1 Возвращаемые данные 2
1 true Standby N0 рЬ 60 67
Таблица 2
Примерная таблица ответных данных
Номер режима [PK] Начало исполнения Окончание исполнения Группа устройств Устройство Переменные данные 1 Переменные данные 2 Переменные данные 3
1 00:00 01:00 Ат 1 45 60 NULL
2 08:45 09:45 ьыв 3 3 1818 1900
Таблица 3
Таблица низкоуровневых команд
Номер команды [PK] Запрос Ответ Номер режима Порядковый номер в алгоритме Комментарий
1 300048EFF0001 043000EFF 1 1 Включение
2 300048АС4ХХХХ 043000АС4 1 2 Выставить параметр 1
3 3000040С220000 0430000С22015 1 3 Узнать параметр 2
4 300048ААА0002 043000ААА 2 1 Выставить параметр 3
5 300040ААА Q43000AAA00CC 2 2 Узнать параметр 3
...
оцифрованные сигналы с приёмников, признак выполнения/не выполнения и т. д). Эти результаты могут сразу же передаваться в БД удалённого сервера.
На рис.2 представлен элемент действующей системы управления (РТП) - стойка локального сервера управления. На лицевой стороне стойки видна выдвижная консоль, используемая для настройки ОПО и СПО локального сервера управления.
Само же оконечное управление осуществляется управляющей машиной (сервером управления оборудованием) через интерфейсы RS-485 в полудуплексном режиме, или через интерфейс Ethernet с использованием протокола TCP/IP [5]. Наборы приборных интерфейсов присутствуют в конфигурации локально-
Рис. 2. Стойка локального управляющего сервера РТП
го сервера управления. Их можно увидеть на тыльной стороне стойки (рис.3).
Достоинства данного способа управления оборудованием:
1. Предложенная архитектура позволяет унифицировать управление различным оборудованием через различные интерфейсы. Это достигается представлением оборудования «сущностями» средствами СУБД Линтер ВС. Так же использование СУБД упрощает перенастройку оборудования.
2. При разрушении иерархических связей отдельные участки системы управления могут продолжать самостоятельное функционирование и таким образом обеспечивать живучесть системы.
3. Решение проблемы несанкционированного управления данными, как и на конкретной машине, так и на комплексе в целом, за счёт организации мандатного доступа средствами ОС МСВС. Этот момент является ключевым для специальных радиотехнических комплексов, так как при заведомо неправильном управлении аппаратурой, возможна вероятность её отказа.
4. Объектно-ориентированное представление системы управления. А конкретно: представление каждого элемента системы, в виде набора средств и методологии работы с ними (например, структуры таблиц баз данных и управляющих программ, которые с ними работают), которые в зависимости от его иерархии (управляющий, или управляемый) подчиняются одному и тому же набору правил, так называемой «абстракции». В итоге каждый элемент получается не просто разрозненным набором технологических устройств и программных средств, а «сущностью», или в другой терминологии -экземпляром класса. Такое представление системы делает её достаточно понятной со стороны, что упрощает её доработку и расширение лицам, которые не принимали участие в разработке, а также выстраивает её в связи с современным подходом к проектированию и анализу.
Рис. 3. Входы и выходы приборных интерфейсов для связи с оборудованием РТП (тыльная сторона стойки локального сервера управления, задняя крышка снята)
Недостатки:
1. Путь прохождения каждой команды представляет собой 4 звена: Оборудование - Локальный сервер управления оборудованием - Сервер автономного управления оборудованием - Сервер удалённой базы данных.
Вполне вероятно, что такое количество звеньев снижает надёжность системы от сбоев. Однако проблема не является столь существенной, так как сами способы и алгоритмы управления мало загружают современные средства вычислительной техники, на которой строится система автоматизированного управления.
2. Выполненная конструкция локального сервера управления несколько громоздка и тяжеловесна, поскольку есть необходимость дублирования аппаратуры и обеспечения бесперебойного питания для корректного сохранения содержимого таблиц базы данных. Однако, с учетом новых аппаратных решений (например, применения одноплатных технологических компьютеров) в будущем она может быть существенно переработана в сторону уменьшения массогабаритных параметров.
Заключение
Данная архитектура автоматизированных систем управления радиотехническим оборудованием (а также сложной иерархией радиотехнических комплексов) является универсальной, так как не имеет жёсткой привязки к определённым типам оборудования и разнообразием стоящих перед комплексом задач. Она является практически бесконечно расширяемой как в ширину, так и в глубину. Объектно-ориентированное представление и реализация системы являются современным подходом к разработке, а также правильно организует объектно-субъектный подход к ней для дальнейшего её изучения, использования и продолжения разработки. По сути, система является системой конечных автоматов, определенных на связном графе дендритного типа.
Литература
1. Уорсли Д., Дрейк Д. PostgreSQL. Для профессионалов: пер. с англ. СПб.: Питер, 2003. 496 с.
2. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления: пер. с англ. М.: Бином, Лаборатория базовых знаний, 2004. 832 с.
3. Лав Р. Ядро Linux: описание процесса разработки (Linux Kernel Development): пер. с англ. Изд.3-е. М.: Ви-льямс, 2012. 496 с.
4. Синенко О., Куцевич Н., Андреев Е. SCADA-системы. Взгляд изнутри. М.: РТСофт, 2004. 176 с.
5. Магда Ю. Программирование последовательных интерфейсов. СПб.: БХВ-Петербург, 2009. 304 с.
Для цитирования:
Ефремов Ю.В., Круглов С.А., Полтавец Ю.И., Донцов С.А. Разработка системы автоматического управления земными радиотехническими комплексами // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № 1. С.6-11.
DEVELOPMENT OF AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF TERRESTRIAL RADIO COMPLEXES
Efremov Uriy Vyacheslavovich,
Moscow, Russia, jorgiy@bk.ru
Kruglov Sergey Anatolyevich,
Moscow, Russia, kruglov10sergey@mail.ru
Poltavets Uriy Ivanovich,
Moscow, Russia, rks0901@yandex.ru
Dontsov Sergey Alexandrovich,
Moscow, Russia, sad_rks@mail.ru
Abstrae
Discusses the development of a set of hardware and software for the automation control equipment of terrestrial radio systems. The task of organizing an effective automation process control arose from the complexity of their structures and equipment, as well as the integration of these systems into hierarchical distributed in space systems. Such a system can not be described as a classic description of the control systems, with to describe these structures represented in the form of links connected together and direct feedback is necessary to introduce new concepts. Important concepts of complex hierarchical control systems are object representations, models of flows and storage, functional entity. The increasing complexity of systems management requires changes in the way they describe, study and synthesis. It is assumed that the complex systems integrated in a hierarchical structure, function largely automatically, without human intervention - operator. The main requirements for the developed control system were: the implementation of tools operating system MSVS and common software that is compatible with the operating system, and also the maximum reduction in the number of persons involved in controlling of the system. The basis of the development of the system laid down by a management
database. Using the database will help to build a clear hierarchy of the system and to each control unit as a separate table, which may interact with other such tables through non-procedural Structured Query Language. Through such organization of the movement commands and data the number of these units is limited only to settings of database. As a result, such a system has been implemented and has been tested. Currently it is supplemented and modified based on the results of operation. In practice, it is shown that the system of management has been very flexible in the integration of new equipment, control and managed nodes, and easily diagnosed and serviced.
Keywords: automation; radio engineering; complexes; device interfaces; linear algorithms.
References
1. Worsley J., Drake J. Practical PostgreSQL. O'Reilly & Associates, 2002. 640 p.
2. Dorf R., Bishop R. Modern Control Systems (Eighth Edition). Addison-Wesley, 1998. 855 p.
3. Lav R. Linux-Kernel Development. Addison-Wesley Peofessional, 2010. 440 p.
4. Sinenko O., Kutsevitch N., Andreev E. SCADA-sistemy. Vzglyad iznutri [SCADA-systems. Look from within]. Moscow, RTSoft, 2004. 176 p. (In Russian).
5. Magda U. Programmirovanie posledovatel'nykh inter-feysov [Serial interface programming]. Saint Petersburg, BHV-Peterburg, 2009. 304 p. (In Russian).
Information about autors:
Efremov U.V., engineer JSC "Russian Space Systems"; Kruglov S.A., graduated student, chief of sector JSC "Russian Space Systems";
Poltavets U.I., Ph.D., deputy chief of office JSC "Russian Space Systems";
Dontsov S.A., Ph.D., chief of sector JSC "Russian Space Systems".
For citation:
Efremov U.V., Kruglov S.A., Poltavets U.I., Dontsov S.A. Development of automatic control system of terrestrial radio complexes. H&ES Research. 2016. Vol. 8. No. 1. Pp. 6-11. (In Russian).
