Универсальный пультовой прибор управления на базе технических средств шин cPCI и VME

Введение

Современный подход к созданию судовых автоматизированных радиоэлектронных систем различного функционального назначения (навигация, управление техническими средствами, управление вооружением и др.) требует решения задачи унификации технических решений построения пультовых приборов, обеспечивающих интерфейс «оператор – система».

Унификация технических решений построения пультовых приборов управления (ППУ) базируется на следующих подходах:

• использование единых принципов построения интерфейса «оператор – система», удовлетворяющих требованиям эргономики;

• использование модульного принципа построения цифровых вычислительных средств ППУ как в части аппаратуры и программного обеспечения, так и в части конструкции.

При решении задачи унификации технических решений построения пультовых приборов управления рассматриваются:

• отличие и сходство систем разного функционального назначения в требованиях к средствам отображения и ввода информации;

• требования к производительности вычислительных средств;

• требования эргономики;

• требования по размещению систем на объекте.

Требования по размещению систем на объекте ставят вопрос о возможности перемещения приборов через люки и проёмы ограниченных размеров, возможности комплексной установки ППУ в единый центр (секцию) управления главного командного пункта (ГКП).

С учётом указанных требований была разработана концепция построения универсальных пультовых приборов управ­­ления (УППУ), которая включает в себя:

• модульную конструкцию ППУ, состоящую из трёх функциональных (тумба, вертикальный пульт, консоль) и четырёх вспо­могательных (соединительная рама, основание, задняя бал­ка, поручень) легко сочленяемых и расчленяемых модулей (рис. 1);
  
  

• модульную конструкцию тумбы ППУ (рис. 2);
  
  

• модульную конструкцию вертикального пульта (рис. 3);
  
  

• модульную конструкцию консоли (рис. 4).
  
  

Конструкция

Вертикальный пульт и консоль УППУ являются конструктивами, в которых размещены средства интерфейса взаимодействия между комплексом и оператором. Конструкция вертикального пульта УППУ обеспечивает размещение двух дисплеев с диагональю 51 см с фланцем, выполненным в соответствии со стандартом МЭК 60297 (высота 9U), и верхней лицевой панели. В конструкции консоли УППУ предусмотрена возможность размещения двух дисплеев с диагональю 21 см, оснащённых сенсорными экранами, символьной клавиатуры и трекбола. В зависимости от выполняемых задач вертикальный пульт или консоль УППУ могут содержать различные наборы средств отображения и управления: на местах дисплеев или клавиатуры можно расположить панели управления, содержащие кнопки, световые индикаторы, ключи и т.п. Вертикальный пульт и консоль разработаны с учётом требований эргономики; окраска УППУ, рамок дисплеев, лицевых панелей соответствует ГОСТ РВ 20.39.309-98. Всё это создаёт комфортное рабочее место, позволяя повысить производительность труда и понизить утомляемость при долгой работе оператора.

Вертикальный пульт и консоль УППУ, а также вспомогательные части конструкции представляют собой бескаркасные конструкции из листового алюминиевого сплава. При изготовлении раскрой, гибочно-штамповочные операции и автоматизированная сварка элементов конструкции производятся по технологическим программам, получаемым непосредственно из 3D-моделей элементов конструкции. Благодаря этому имеется возможность быстрой перенастройки оборудования для изготовления конструктива, отвечающего требованиям заказчика. Применение автоматизированного высокотех­но­ло­гич­ного оборудования позволяет обеспечить повторяемость и качество изготовления конструкции независимо от человеческого фактора и навыков исполнителей.

Отличительной особенностью является отсутствие литых и фрезерованных деталей. Для организации мест крепления встраиваемого оборудования в конструктиве широко применяются запрессовываемые детали.

В тумбе УППУ размещается цифровая вычислительная система. В базовой конструкции тумба имеет высоту и глубину, позволяющие разместить с любой стороны (как спереди, так и сзади) крейт с модулями высотой 6U (либо 3U).

Тумба УППУ представляет собой сборно-каркасную конструкцию. Каркас выполнен на основе специализированных профилей сложной конфигурации. Профили имеют пазы и отверстия, в которых размещены подвижные элементы крепления. Элементы обшивки каркаса выполнены из листового алюминиевого сплава. На каркасе крепятся две крышки, имеющие жалюзи для вентиляции размещаемого оборудования и ручки для удобства снятия.

Помимо описанных особенностей конструкция обеспечивает возможность размещения большого количества выходных соединителей, оптимизации внутриприборного монтажа, разделения низко- и высокочастотных входов, линий питания и сигналов и пр., а также позволяет обеспечить доступ к монтажу внешних соединителей при снятых передней и задней крышках и реализовать внутриприборный монтаж любого уровня сложности.

Симметричная конструкция корпуса тумбы позволяет устанавливать крейты с модулями с любой стороны (спереди и при необходимости сзади) на разных уровнях или на одном, что создаёт условия для оптимизации монтажа прибора.

Если для охлаждения модулей крейта недостаточно естественной конвекции, в тумбе под крейтом можно установить вентиляционную панель.

При необходимости высоту тумбы можно увеличить, что позволит разместить в ней несколько крейтов и тем самым сосредоточить всю цифровую вычислительную систему (ЦВС) в одном корпусе. В таком случае тумба будет размещаться отдельно от пультовой части.

Благодаря применению технологии модульного построения универсальный пультовой прибор управления может легко и с минимальными производственными затратами быть модифицирован для применения в разных комплексах.

В конструкции предусмотрена возможность агрегатирования корпусов в секции вплотную без зазоров либо с произвольным шагом.

Конструкция УППУ обеспечивает загрузку прибора в люк с условным диаметром 594 мм (шаблон НФ6.119.004), а также в люк с размерами 600´600 мм и радиусами закругления 100 мм в минимально разобранном на составные части состоянии (без демонтажа ЦВС).

В результате внедрения такой конструкции достигается высокая унификация пультовых приборов, расширяется область применения УППУ. Пультовой прибор может быть как морского (надводного или подводного), так и берегового базирования.

Структура ЦВС и её реализация

При разработке структуры ЦВС пультового прибора использовался принцип модульного построения.

При выборе модулей для построения ЦВС УППУ учитывались:

• производительность технических средств;

• номенклатура производимых технических средств;

• наличие сертификатов для применения в жёстких условиях эксплуатации;

• возможность наращивания и конструктивная совместимость;

• совместимость с ОС QNX v.4.x.

В результате произведённого анализа для построения ЦВС УППУ было определено использование системных шин cPCI и VME и конструктивов стандарта Евромеханика.

Кроме того, при выборе электронных модулей оценивались следующие параметры:

• наличие стандартных последовательных интерфейсов RS-232/422/485, USB, MIL-STD-1553B;

• возможность работы в составе ЛВС

Ethernet 10/100/1000Base-T/TX;

• возможность реализации каналов цифрового ввода/вывода с гальванической развязкой для обеспечения обмена релейными сигналами с сопрягаемой аппаратурой;

• возможность использования всей необходимой номенклатуры модулей одного производителя.

В результате были выбраны следующие изделия:

• процессорные модули СРС501 (cPCI 6U), CPC502 (cPCI 3U), CPC600 (VME 6U) НПФ «Доломант»;

• модули-носители мезонинов УСО C12 (cPCI), M12 (VME) и модули УСО (М14, М16, М17) фирмы ОСАТЕК;

• интерфейсные модули (коммутаторы Ethernet, модули интерфейса MIL-STD-1553B) фирмы ЭЛКУС.

Электронные модули ЦВС УППУ размещаются в крейте, который отвечает требованиям стандарта Евромеханика. Формат модулей может быть 3U или 6U, что позволяет создавать ЦВС разнообразной архитектуры. Крейт может содержать однопроцессорную или многопроцессорную систему на одной объединительной плате, несколько однопроцессорных или многопроцессорных систем с собственными объединительными платами. В крейте можно разместить несколько объединительных плат для электронных модулей различной высоты (формата). Применение модульного принципа построения вычислительной системы позволяет повысить унификацию и взаимозаменяемость её элементов.

На рис. 5 представлен внешний вид крейта ЦВС с электронно-вычислительными средствами на базе шины cPCI 6U. Крейт содержит коммутатор Ethernet и две объединительные платы с шиной cPCI, образующие два независимых узла ЦВС. В состав каждого узла входят процессорная плата СРС501 с установленным мезонинным модулем РМС с последовательными каналами RS-422/485, модуль С12 с установленными модулями М14, М16, М17 и модуль интерфейса MIL-STD-1553B.

Программное обеспечение

Для обеспечения надёжной работы УППУ используется операционная система реального времени QNX v.4.25 (изделие КПДА.00002-01, сертификат № 906), сертифицированная для применения в изделиях военного и двойного назначения. Помимо надёжности выбор этой операционной системы обусловлен следующим:

• возможность установки операционной системы на носители с ограниченным объёмом памяти без потери производительности;

• расширяемость операционной системы (возможность исключать или подключать дополнительные программные модули и протоколы);

• переносимость операционной системы (возможность работы операционной системы на различных вычислительных платформах, в том числе и на выбранной современной аппаратной базе);

• наличие высокопроизводительной встраиваемой графической оболочки Photon microGUI, позволяющей со­здавать удобный графический интерфейс «оператор – система».

На основе многолетнего опыта работы с операционной системой QNX v.4.25 разработан комплекс программ, реализованный с использованием пакета

Watcom C/C++ и решающий задачи применения модулей распространённых аппаратных интерфейсов:

• сбор и обработка информации с использованием модулей ввода/вывода, установленных в носители мезонинов C12 с шиной cPCI или M12 с шиной VME;

• приём и передача данных из портов последовательных каналов RS-422/485;

• приём и передача информации с использованием модуля мультиплексного канала MIL-STD-1553B для шин cPCI или VME.

Примеры реализации пультовых приборов управления

На рис. 6 представлен пример реализации УППУ для судовой радиолокационной системы. 

Вертикальный пульт УППУ содержит два информационных дисплея ВМЦ-51 ЖКМ для отображения обработанной радиолокационной информации от двух каналов РЛС и верхнюю лицевую панель с клавишей управления питанием комплекса. На консоли размещены два управляющих дисплея ВМЦ-21 ЖКМ с сенсорными экранами, обеспечивающими управление режимами работы первого и второго каналов РЛС. ЦВС этого УППУ представляет собой крейт с многопроцессорной системой из четырёх вычислительных узлов. Первый и второй вычислительные узлы реализованы на базе процессорных модулей СРС501 и размещены на объединительной плате шины cPCI 6U, третий и четвёртый вычислительные узлы реализованы на базе процессорных модулей СРС502 и размещены на объединительной плате шины cPCI 3U.

На рис. 7 представлен пример реализации УППУ для корабельной АСУ (КАСУ). 

В вертикальном пульте УППУ установлены один информационный дисплей ВМЦ-51 ЖКМ и верхняя лицевая панель управления увеличенных размеров с органами управления питанием комплекса. На консоли размещены специализированная панель управления с органами управления объектами, символьная клавиатура и трекбол. При этом верхняя лицевая панель, специализированная панель управления и панель для размещения клавиатуры и трекбола имеют одинаковые размеры, что позволяет унифицировать технологический процесс изготовления. ЦВС УППУ содержит два вычислительных узла, размещённых в крейте с двумя независимыми объединительными платами шины cPCI 6U. Коммутатор Ethernet, расположенный в крейте, объединяет в общую сеть Ethernet вычислительные узлы ЦВС УППУ и вычислительные узлы периферийных приборов, образующие ЦВС комплекса КАСУ.

Заключение

Разработка конструктива пультового прибора управления велась с учётом:

• технологичности производства;

• многофункциональности использо­вания;

• модульного принципа построения;

• особенностей современной аппаратной базы;

• эргономичности.

В результате создан простой и недорогой в производстве универсальный пультовой прибор управления. Унификация конструктива УППУ и соответствие требованиям эргономики позволяют создавать ГКП на его базе в едином стиле и делать помещение ГКП удобным и красивым. Использование современных электронных модулей на базе шин cPCI и VME повышает надёжность и быстродействие ЦВС прибора, обеспечивая возможность применять УППУ при создании простых и сложных автоматизированных систем различного функционального назначения. ●

E-mail: ruslankozachuk@gmail.com