CC BY
16
Ракетно-космическая промышленность
УДК 629.764:004.94
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ «ИСПЫТАНИЕ»
COMPUTER-AIDED DESIGN SYSTEM "TESTING"
DOI: 10.24412/CL-35807-2023-1-32-36
Журавлев А. В., начальник группы АО «Научно-производственное объединение автоматики им. академика Н. А. Семихатова», г. Екатеринбург, е-mail: a.zhuravlev.npoa@mail.ru
Zhuravlev A. V., group chief JSC "Scientific & Production Association of Automatics named after Academician N. A. Semikhatov", Yekaterinburg, е-mail: a.zhuravlev.npoa@mail.ru
Аннотация. В работе рассматривается система автоматизированного проектирования «Испытание», предназначенная для создания испытательного стенда систем управления изделиями ракетно-космической техники с оптимальным для заданных параметров составом технологического оборудования. Приведена структура системы и ее основные функциональные возможности. Показан вариант интеграции системы в процесс разработки на предприятии, отражены результаты и опыт внедрения системы.
Annotation. The article involves the computer-aided design system "Testing", designed to create a test bench for control systems for products of rocket and space technology with the optimal for the given composition of the parameters of technological equipment. The structure of the system and its main functional properties are given. The high efficiency of the system in the development process at the enterprise is shown, the results of the experience and use of the system are reflected.
Ключевые слова: программное обеспечение, аппаратура, ракетно-космическая техника, система управления, отработка, комплекс отработки аппаратуры и программ, имитационное моделирование, системы реального времени, тестирование ПО и аппаратуры, стендовые испытания, автоматизация процесса отработки.
Keywords: software support, equipment, space-rocket hardware, control system, tryout, equipment and program tryout complex, simulation modelling, real-time systems, software and equipment testing, bench tests, tryout process automation.
Введение
Отработка аппаратуры и программного обеспечения систем управления изделиями ракетно-космической техники (СУ РКТ) имеет большую значимость, являясь заключительным этапом проектирования. Качеством и полнотой испытаний в значительной степени определяется работоспособность любого программного обеспечения и аппаратуры, поэтому уделяется большое внимание данному этапу, особенно когда речь идет о программном обеспечении комплексов космического назначения.
С увеличением сложности программно-математического обеспечения систем управления, ростом числа команд, усложнением алгоритмов работы и применением различных межсистемных и внутрисистемных интерфейсов сложность задачи контроля корректности программного обеспечения непропорционально возрастает и появляется необходимость увеличивать число испытаний, что в условиях ограниченных временных ресурсов требует автоматизации данного этапа проектирования.
В современном мире с быстрым развитием вычислительной техники появилось большое количество технологий, позволяющих оптимизировать процесс отработки, что в свою очередь порождает задачу выбора эффективных средств разработки отработочных позиций в условиях сжатых сроков. Возникает задача создания унифицированных средств автоматизации проектирования на этапе отработки. Активное развитие ракетно-космической техники и увеличение числа новых разработок делает актуальным вопросом создание унифицированных методов, средств и технологий автоматизации проектирования в части проведения испытаний [1, с. 128].
Основной задачей автоматизации проектирования на этапе проведения испытаний является минимизация времени проведения одного испытания и унификация структуры от-
работочной позиции и технологических средств, с сохранением максимальной полноты проверки достигаемой на существующих отработочных позициях. Для решения данной задачи необходима разработка универсальной архитектуры отработочной позиции и унифицированного технологического оборудования. Для оценки целесообразности применения тех или иных технологий при создании оптимальной отработочной позиции необходимо определить параметры отработочной позиции, сформулировать критерии оптимизации и создать методику оценки эффективности создаваемой (модернизируемой) отработочной позиции.
Объектом исследования является автоматизированное проектирования аппаратуры и программного обеспечения СУ РКТ на этапе проведения испытаний.
Предметом исследования являются модели и алгоритмы моделирования процесса отработки и автоматизации проектирования аппаратуры и программного обеспечения СУ РКТ при проведении испытаний.
Система автоматизированного проектирования «Испытание»
Система автоматизированного проектирования «Испытание» предназначена для создания испытательного стенда систем управления изделиями ракетно-космической техники с оптимальным для заданных параметров составом технологического оборудования. Испытательные стенды, реализованные с применением САПР «Испытание», обеспечивают проведение полного объема наземной экспериментальной отработки, обладают высокой степенью унификации, имеют большой объем автоматизации ручных операций, поддерживают возможность интеграции в единую информационную систему предприятия [2, с. 60].
В основе созданной системы лежат научно обоснованные методы и модели, программное обеспечение системы является российской разработкой. С применением САПР «Испытание» реализованы испытательные стенды для ряда систем управления разработки АО «НПО автоматики».
Система автоматизированного проектирования «Испытание» построена на базе универсальной архитектуры отработочной позиции. Система состоит из методики определения оптимальной конфигурации позиции (включающей в себя математические модели типовой и автоматизированной позиции, метод оценки эффективности отработочной позиции), технологий и способов автоматизации (программное обеспечение, позволяющее автоматизировать работу позиции: программный комплекс централизованного управле-
ния, система планирования и обработки результатов испытаний, система анализа результатов испытаний). Методика позволяет определить оптимальную конфигурацию испытательного стенда по техническому заданию на систему управления, а технологии автоматизации конфигурируются и применяются в качестве компонентов проектируемого испытательного стенда, обеспечивая высокую степень его унификации, сокращение сроков разработки испытательного стенда и повышение его эксплуатационных характеристик: автоматизация ручных операций и сокращение времени проведения заданного объема испытаний.
САПР «Испытание» обладает следующими преимуществами и выгодно отличается от платформ конкурентов (LabView (National Instruments), MasterSCADA):
— автоматизированное создание структуры испытательного стенда по ТЗ на СУ;
— широкий спектр применения:
• испытательные стенды СУ и их подсистем различного назначения;
• аппаратура автономных проверок приборов и блоков;
• контрольно-проверочная аппаратура систем управления;
— модульный принцип построения;
— набор готовых технологий автоматизации для применения в стенде;
— поддержка модельно-ориентированного проектирования СУ;
— обеспечение унифицированного подхода к созданию испытательных стендов;
— возможность применения как на этапе создания стенда, так и при модернизации;
— интеграция в единое информационное пространство предприятия;
— программное обеспечение российской разработки.
Аппаратная платформа базируется на промышленных ПЭВМ (х86) с установленными платами расширения, обеспечивающими взаимодействие с объектом контроля по требуемому интерфейсу.
В настоящий момент поддерживаются (данный перечень может быть расширен):
✓ ГОСТ 52070 (MIL-STD 1553);
S Ethernet;
S Arinc;
✓ CAN 2.0;
S RS 232/422/485, в т. ч. с гальванической развязкой;
S аналоговый ввод/вывод, в т. ч. с гальванической развязкой;
S цифровой (дискретный) ввод/вывод, в т. ч. с гальванической развязкой.
Количество каналов определяется количеством слотов расширения PCI/PCIe в ПЭВМ и может доходить до нескольких десятков для кодовых интерфейсов и нескольких сотен для ре-лейно-аналоговых линий связи. Кроме того, количество каналов может быть увеличено за счет масштабируемости и применения системы синхронизации, позволяющей объединить несколько ПЭВМ в единый комплекс. Параметры аналоговых и цифровых/дискретных сигналов определяются типом применяемой платы расширения.
Интеграция САПР «Испытание»
САПР «Испытание» позволяет автоматизировать стадию отработки КД и ПО на отработочных позициях, в части проведения испытаний с моделированием различных ситуаций (как штатных, так и внештатных) и оценки полученных результатов. Кроме того, предложенный САПР интегрируется в общую структуру проектирования СУ предприятием за счет публикации всей информации о результатах отработки (результаты моделирования и его анализа, перечень выявленных замечаний) в едином информационном пространстве (локальной сети предприятия). Результаты проведенных испытаний учитываются при доработке КД ( САПР AltiumDesigner, AutoCAD, Компас, P-CAD) и ПО (среды разработки ПО VS Code, Eclipse, Lasarus и др., САПР ПО Sparx Enterprise Architect — автоматизация проектирования ПО).
Дополнительным преимуществом предложенной системы является автоматизация создания отработочной позиции за счет применения уни-
фицированных программных компонентов, входящих в ее состав, а также программно-математического обеспечения, позволяющего определять оптимальную структуру отработочной позиции на этапе ее создания.
САПР «Испытание» построен на основе универсальной архитектуры отработочной позиции и состоит из следующих основных компонентов:
— ПО определения оптимальной конфигурации отработочной позиции;
— программный комплекс централизованного управления;
— система планирования и обработки результатов испытаний;
— система анализа результатов испытаний;
— универсальный имитирующий комплекс;
— универсальный редактор конфигурационных файлов.
ПО определения оптимальной конфигурации отработочной позиции основывается на уникальной методике собственной разработки, позволяющей определять количественные характеристики различных вариантов построения отработочной позиции.
Программный комплекс централизованного управления (ПКЦУ) предназначен для реализации управления имитаторами и регистраторами в части автоматизации предпускового конфигурирования, запуска, останова и получения диагностической информации.
Система планирования и обработки результатов испытаний (СПОРИ) предназначена для ускорения процесса и повышения качества отработки за счет автоматизации ведения журнала
Рис. 1. Универсальная архитектура отработочной позиции
Рис. 2. Интеграция САПР «Испытание» в процесс проектирования СУ (для одной подсистемы)
работ, журнала замечаний, журнала ТЗ и создания программ-методик испытаний для КОАП [3, с. 130]. СПОРИ обеспечивает интеграцию предложенного САПР в цикл разработки СУ.
Система анализа результатов испытаний предназначена для повышения качества контроля штатного программно-математического обеспечения (ПМО) СУ на соответствие требованиям исходных данных (ИД) и технического задания (ТЗ) за счет автоматизации анализа диагностической информации, полученной с регистраторов и имитаторов, по результатам проведенного испытания.
Универсальный редактор конфигурационных файлов предназначен для создания и редактирования конфигурационных файлов, содержащих циклограмму положительного режима, данные имитаций для проведения режима по отрицательным веткам, информацию об аппаратной части, формат диагностической информации.
Универсальный имитирующий комплекс (УИК) является основой для создания имитатора любой внешней системы на отработочной позиции за счет конфигурирования функционального ПО, а также может быть настроен как регистратор любого интерфейса за счет конфигурирования аппаратной части (при этом конфигурационный файл режима не указывается) [4, с. 73].
Интеграция предложенной САПР в процесс проектирования СУ (для одной подсистемы) представлена на рисунке 2.
При разработке ИД на ПО применяется компонент САПР — универсальный редактор конфигурационных файлов (ИД). Для создания ТЗ на отработочную позицию подсистемы СУ ис-
пользуется ПО определения оптимальной конфигурации отработочной позиции.
Разработка ПО отработочной позиции минимизируется и сводится к конфигурированию компонентов САПР.
Проектирование КД и ПО на стадии отработки производится на отработочной позиции в САПР «Испытание», которую по целевому назначению можно классифицировать как САЕ-систему (средства автоматизации анализа и симуляции физических процессов осуществляют динамическое моделирование, проверку и оптимизацию изделий).
Разработанный САПР за счет публикации результатов испытаний в единое информационное пространство позволяет интегрировать отработку всех подсистем СУ в единое целое. Кроме того, в компоненты САПР (УИК) заложена возможность обеспечения единой шкалы времени, что делает возможным приведение результатов, полученных на разных отработочных позициях, например, КОАП бортовой и наземной аппаратуры, к единой шкале времени, при отработке на совмещенной позиции.
Опыт внедрения
Большие возможности по унификации имитационного и регистрационного программного обеспечения за счет применения универсального имитирующего комплекса позволяют использовать одни и те же модули на разных заказах, что дает возможность хорошо их отработать и повышает качество имитационного и регистрационного ПО в целом.
Высокая скорость разворачивания средств автоматизации отработочных позиций. ПКЦУ и СПОРИ под новые отработочные позиции открывает возможность их настройки за один день.
Уникальная методика моделирования отработочной позиции и определения ее оптимальной структуры позволяет создавать оптимальные позиции и знать ее характеристики уже на этапе выдачи ТЗ на СУ.
Особым преимуществом внедрения универсального имитирующего/регистрирующего комплекса является легкость настройки нового оборудования. В рамках настройки на целевую машину «разворачивается» образ клонированной ранее системы со всеми необходимыми драйверами и библиотеками для работы ПО технологического оборудования.
Кроме использования на отработочных позициях, компоненты САПР «Испытание» (УРКФ, УИК) применялись для создания штатного заказа (экспериментальной СУ), где они положительно себя зарекомендовали. Дополнительным преимуществом при использовании САПР стало то, что при автоматизации деятельности снижается количество неоднозначностей и несогласованнос-тей в ИД, вызванных их большим объемом и разработкой разными людьми. Снижаются риски архитектурных и комплексных ошибок.
В процессе внедрения проявился ряд внутренних вопросов, которые особенно актуальны при большом количестве отработочных позиций, в частности, необходима единая конфигурация технологического оборудования. Необходимо создание унифицированной структуры каталогов, разработка порядка установки, хранения и учета.
Отдельным вопросом является оперативное восстановление работоспособности позиции в случае поломки одного из имитаторов. Это обеспечивается за счет хранения всех собственных программ в репозитории подразделения и применением одной ОС.
Одним из важнейших вопросов является создание ФПО (конфигурационных файлов имитаторов) в удобном виде (в редакторе ИД) постановщиками задач, хранение и учет разработанных ФПО. По предварительным оценкам, данная задача может быть решена применением системы контроля версий git.
Еще один важный вопрос, выявленный в ходе внедрения, — наличие современной методической базы (описание САПР «Испытание»). Существующего описания д остаточно для изучения, но недостаточно для наглядного представления и быстрого понимания. Вопросу подготовки обучающих материалов на сегодняшний день уделяется большое внимание [5, с. 50]. Одним из способов решения данной проблемы является проведение обучения и мастер-классов, способствующих улучшению понимания основных принципов работы. В частности, САПР «Испытание» изучается в магистратуре УрФУ в рамках дисциплины «Проверочно-пусковая аппаратура систем управления ракетных комплексов».
При использовании САПР «Испытание» в ходе отработки стало возможным проведение за один рабочий день 75 испытаний, выполненных в соответствии с программой-методикой (зачтенных).
Заключение
Система внедрена в процесс экспериментальной отработки на испытательных стендах систем управления в АО «НПО автоматики» с экономическим эффектом более 5 млн рублей в год при реализации одного проекта. Предложенные методы и модели оптимизации процесса экспериментальной отработки в настоящее время являются основой для создания комплексов отработки аппаратуры и программ (КОАП) наземной, бортовой и контрольно-испытательной аппаратуры системы управления РКТ по темам «Союз-2», «Союз-1в», «Союз-СТ» и «СК-Восток-С» в АО «НПО автоматики».
Список литературы
1. Тюгашев А. А. Система интеллектуальной поддержки проектирования и верификации бортового программного обеспечения // Сборник трудов III Всероссийской научно-технической конференции «Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами». — М.: ФГУП «МОКБ «Марс», 2015. — С. 128—129.
2. Журавлев А. В., Шашмурин И. В. Метод применения модельно-ориентированного проектирования при создании компонентов систем управления // Сборник материалов 16-й молодежной конференции «Новые материалы и технологии в ракетно-космической, авиационной и других высокотехнологичных отраслях промышленности». — М.: ООО «12 апреля», 2020. — С. 60—66.
3. Тарасьев А. А., Аксенов К. А. Разработка метода и программного средства проектирования интернет-приложений // Сборник статей участников XXII Областного конкурса научно-исследовательских работ «Научный олимп» по направлению «Технический науки». — Екатеринбург: ФГАУ ВО Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, 2020. — С. 130—136.
4. Журавлев А. В., Шашмурин И. В. Подсистема функционального тестирования модулей универсального имитирующего комплекса // Отраслевая научно-практическая конференция «Космонавтика XXI века»: Материалы конференции. — Королев: АО «ЦНИИмаш», 2021. — С. 73—75.
5. Рамазанов Р. Ф., Чуркин А. Р., Корнев А. В., Останко Д. А. Цифровые испытания безопасности отделения грузов от ЛА // Сборник материалов 16-й молодежной конференции «Новые материалы и технологии в ракетно-космической, авиационной и других высокотехнологичных отраслях промышленности». — М.: ООО «12 апреля», 2020. — С. 50—59.
