В мировом судостроении методам и средствам автоматизации уделяется большое внимание, так как они позволяют существенно улучшить характеристики судов, повысить их технико-экономические показатели, снизить численность экипажей. Социально-экономический эффект, уже достигнутый сегодня при автоматизации судостроения и судов, можно сопоставить с последствиями наступления „железа и пара" на парусный флот в первой половине прошлого века. Современное океанское судно оснащено множеством сложных и мощных машин, механизмов и устройств. К ним относятся котлотурбинные агрегаты, дизели, газовые турбины, электростанции, системы пожаротушения, удаления и обезвреживания отходов и пр. Всю эту технику можно эффективно и надежно использовать только при наличии автоматических и автоматизированных систем управления, контроля, диагностирования. Ранее изолированные системы сейчас объединяются в комплексы централизованного управления, основой которых служат кибернетические модели и представления. Еще совсем недавно единственной гарантией надежного, безаварийного мореплавания был многочисленный экипаж судна, составленный из высококвалифицированных, выносливых, физически и психически здоровых людей. Их тяжелый труд заключался в непрерывном, круглосуточном выполнении вручную всех операций управления машинами, механизмами и самим судном, независимо от погоды и других обстоятельств. В те годы внедрение на судах даже отдельных автоматических устройств и регуляторов воспринималось зачастую с недоверием: а вдруг откажет, сломается в трудную минуту? Человек казался (да зачастую и был) надежнее. Сегодня необходимость автоматизации судов перестала быть предметом бурных дискуссий. Отечественная промышленность достигла значительных успехов в деле автоматизации судов. Автоматизация приблизилась к уровню комплексного управления судном как единой кибернетической системой. Наибольшая эффективность от внедрения автоматов, несущих вахту, может быть достигнута только при системотехническом подходе к назначению, свойствам и характеристикам конкретного судна в тесной взаимосвязи с организацией его эксплуатации и подготовкой квалифицированных специалистов судовой автоматики. Для эксплуатации судовой автоматики, надо знать физику, математику, электронику и другие дисциплины. Знать на современном научно-техническом уровне основные принципы построения автоматических устройств и систем на судах. …
Есть такая интересная наука — эвристика. Она изучает, какими путями движется человеческая мысль к познанию самого человека и, окружающего его мира, как делаются открытия, изобретения и что же такое, наконец всем известные, но такие таинственные понятия - вдохновение, озарение и т. п. Когда Архимед, найдя после долгих поисков решение сложной задачи, воскликнул: „Эврика!", он не мог предположить, что через две тысячи лет это слово даст название целому научному направлению. В переводе с греческого языка „эврика" означает - „нашел". В принципе, все наши знания, все наше умение устремлены к нахождению, открытию новых истин. Наука неуклонно движется к открытию тайн человеческого мышления. Психологи выясняют, как протекает процесс мышления, математики создают модели „искусственного интеллекта", разрабатывают „эвристические" программы для электронных вычислительных машин (ЭВМ), инженеры-электроники в содружестве с представителями других отраслей техники трудятся над созданием .думающих" машин. Откуда же берет начало автоматика? Ее история уходит в глубокую древность. Как это ни странно, но, по-видимому, первыми, кто использовал автоматы, были служители религиозных культов — жрецы. Герон Александрийский - древнегреческий ученый, живший в I в. н. э., — в своей книге описал первые автоматы, которые могли отпускать «святую воду», открывать двери храма, издавать во время совершения обрядов громкие звуки. Около двухсот лет назад швейцарцы Пьер-Жак Дро и его сын Анри демонстрировали „человекоподобные" автоматы, сами названия которых говорили о выполняемых ими операциях: „Художник", „Писец", „Клавесинистка". Это были простейшие автоматы, предназначенные для увеселения зрителей. Однако уже здесь мы сталкиваемся с результатами решения славными механиками важнейшей задачи о сложном программировании. Ведь упомянутые «железные человечки» совершали последовательно десятки операций. В их механизмы были включены устройства, используёмыё сейчас во всех автоматах и регуляторax, — программные датчики команд. Один из пёрвых автоматов промышленного назначения был разработан в 50-х годах XVII столетия X. Гюйгенсом — это был маятниковый регулятор хода часов. Изобретение вызвало к жизни новое поколение автоматов, которые называются автоматическими рёгуляторами. Эти автоматы предназначены для поддержания в заданных пределах характеристик двигателя (например, частоты вращения вала или расхода топлива). Началом эпохи автоматического рeryлирования считают изобретение И.И. Ползунова в 1765 году поплавкового регулятора уровня воды в паровом котле. В 1784 году англичанин Дж. Уатт изобрел центробежный регулятор частоты вращения вала паровой машины. В обоих регуляторах использован принцип работы по отклонению управляемой величины от заданного значения, который так и называют „принцип Ползунова — Уатта". В 1854 году русский механик К. И.Константинов предложил электромагнитный автоматический регулятор частоты вращения вала, а уже в 1886 году изобретатель А. И. Шпаковский создал регулятор подачи топлива в топку котла в зависимости от давления в нем пара. Вопросам проектирования, создания и эксплуатации регуляторов в это время посвящается немало работ. В 1868 году вышла в свет книга К. Максвелла „О регуляторах", а в 1876 — книга И. А. Вышне-градского „О регуляторах прямого действия". Заслугой обоих авторов явилось исследование регулятора и „объект регулирования как единой динамической системы. Конец XIX — начало XX века отмечены бурным развитием всех отраслей знания и промышленности, в том числе и автоматики. Новые двигатели, машины и механизмы оснащаются сложными регуляторами, следящими и управляющими системами. В судостроении эти события выглядят так: в 1886 году на минном крейсере „Лейтенант Ильин", крейсерах „Адмирал Корнилов" и „Адмирал Нахимов" были установлены электровентиляторы с пускорегулирующей аппаратурой, а уже в 1892 году броненосец „Двенадцать апостолов" имел рулевой электропривод. С 1898 года на кораблях русского флота осуществляется широкая программа электрификации рулевых и шпилевых приводов, а также управления артиллерийскими орудиями. В частности, разрабатывается и успешно испытывается первая электромашинная система управления электроприводом по схеме генератор — двигатель. Так создавались основы автоматики. Сейчас автоматика — уже целая отрасль науки и техники, включающая теорию автоматического управления, принципы и технологию построения автоматических систем и входящих в их состав технических средств. В свою очередь, автоматика является отраслью кибернетики (от греч. „кибернос" — искусство управления) — науки, изучающей различные системы и процессы управления. Все автоматы прошлого, настоящего и будущего создавались и создаются для управления какими-либо устройствами, процессами, событиями. Управление — это совокупность действий (команд, операций) по достижению поставленной цели. Оно может быть ручным, автоматическим и автоматизированным. При ручном управлении осуществляющий его человек (назовем его оператором) сам, с помощью органов чувств, получав сведения об управляемом объекте, и сам управляет им, т. е. принимает решения о том, что необходимо сделать в конкретной сложившейся ситуации. Автоматические системы работают (управляют собой и другими объектами) без участия человека. Но программу их работы создает человек. Автоматизированные системы работают с участием человека-оператора, он исполняет в них функции контроля и принятия решения — остальное делают машины. Современные автоматы способны производить логические операции, рассчитывать, планировать, контролировать (в том числе и себя!), иногда даже предсказывать ожидаемый результат, т. е. они умеют делать многое из того, что еще недавно мог делать только человек. Однако какими бы совершенными ни были сегодня автоматы, в большинстве реальных ситуаций заменить человека они не могут. Автоматы были и остаются помощниками оператора. Все более „знающими", „умеющими" и надежными помощниками. Сегодняшние успехи теории и практики автоматического управления позволяют перейти от автоматизации управления отдельными механизмами, службами и процессами к комплексной автоматизации морских судов. К этому судовая автоматика шла долгим и трудным путем, начав с локального (изолированного) применения отдельных автоматов и поднявшись до системотехнического уровня. Вначале это были устройства регулирования параметров отдельных устройств и механизмов, например уровня воды в котлах, частоты вращения вала дизеля и турбокомпрессора, напряжения и частоты переменного тока в общесудовой сети и т. п. На следующем этапе разрабатываются автоматические системы регулирования и дистанционного управления функционально связанными установками: котельной, паротурбинной, дизель-энергетической, электроэнергетической. Такие системы были внедрены на отечественных судах постройки 50 … 60-х годов: сухогрузных судах „Ленинский комсомол", танкерах „Прага", „София", первом в мире атомном ледоколе .Денин" и др. Всё это — автоматика первого поколения. Она позволила в своё время решить главные задачи: сократить численность экипажа, повысить маневренность, стабильность работы и экономичность судовых машин и систем, освободить людей от утомительной обязанности ручной регулировки и управления. Однако создатели автоматических систем уже тогда мечтали о большем — добиться полной автоматизации судна, чтобы можно было управлять им без экипажа! Направлением второго поколения судовой автоматики стала комплексная автоматизация процессов управления, по возможности, всеми техническими средствами на судне. На этом этапе четко определились функции и роль человека-оператора, были выработаны правила обслуживания, эксплуатации и ремонта средств автоматизации. Автоматы второго поколения позволили автоматизировать управление энергетическими и общесудовыми системами (централизованное управление из ЦПУ и ходовой рубки), управление движением, маневрами и успокоением качки, грузовыми операциями (на танкерах), операциями по обработке продукции (на рыболовных и перерабатывающих улов судах. В нашей стране за короткое время были созданы комплексы „Залив", „Пролив", „Тропик", „Север", групповые системы „Шторм", „Ижма", „Балхаш", „Ильмень", „Нарочь", „Шипка" и др. Успехи автоматизации были столь очевидными, что Регистр СССР, ныне Регистр Морского Судоходства, (государственный орган надзора за проектированием, строительством и эксплуатацией судов в соответствии с выработанными правилами, нормами и стандартами) ввел для классификации автоматизированных судов специальные знаки: А1 — для автоматизированных судов с безвахтенным обслуживанием машинных отделений и ЦПУ; А2 — для автоматизированных судов с дистанционным обслуживанием машинных отделений из ЦПУ. На большинстве отечественных современных судов уровень автоматизации соответствует знаку А2. Автоматы второго поколения позволили решить многие задачи по управлению судном, но, к сожалению, добиться полной автоматизации и на этом уровне не удалось. Сейчас ученые, инженеры трудятся над созданием автоматов следующего, третьего поколения. Перед ними встают нерешенные старые и диктуемые временем новые вопросы. Как распределить лучшим образом „управленческие заботы" между человеком-оператором и машиной? За счет чего сократить до минимума число типов элементов, из которых, как из детских кубиков, „набирается" автоматика? Как наиболее эффективно контролировать работу агрегатов судна, его систем и в том числе самих автоматов? Нерешенных вопросов много. Все эти трудности — от движения, роста, развития дела автоматизации судов. Как было сказано, структура автоматов и систем основывается на элементарных приборах (типовых функциональных модулях), каждый из которых выполняет какую-либо конкретную операцию управления.
Самыми важными элементами являются электронные цифровые устройства. На их основе создаются системы управления, близкие по структуре и возможностям к быстродействующим ЭВМ. Такие системы автоматики можно отнести уже к третьему поколению. Вычислительная техника на судах вначале применялась для управления и контроля за работой энергетической установки, наблюдения за состоянием здоровья членов экипажа и пассажиров, продажи билетов и т. п. Опыт использования ЭВМ для решения таких, в сущности ограниченных (частных), задач не дал заметного технико-экономического эффекта. Однако он позволил оценить перспективы и сделать вывод о том, что значительный выигрыш (в том числе экономический) будет получен при использовании ЭВМ для управления судном в целом. Впервые ЭВМ для управления главными двигателями были использованы на японском сухогрузе „Кинкасау Мару" и двух французских танкерах: паротурбинном „Ситала" и дизельном „Сириус". Это было в 1961 году. А уже в 1968 году около 1000 судов имели на борту такие ЭВМ. Сейчас структура систем управления судном включает как большие, так и малые ЭВМ (мини-ЭВМ). Первые используются в центре управления — на ходовом мостике, вторые — в постах управления отдельными системами и устройствами. Такой подход позволяет сочетать общий принцип централизованного руководства с автономным управлением отдельными системами, что в конечном итоге повышает надежность управления судном и его живучесть. Используя возможности ЭВМ (они в состоянии проделать в течение 1 секунды сто, двести, пятьсот и более тысяч операций), можно очень подробно и точно запрограммировать процесс управления, предусмотреть в нем согласованные и оптимальные режимы работы отдельных механизмов, машин, агрегатов и сложных (больших) систем, т. е. создать человеко-машинную систему управления судном как единым целым. Условия мореплавания все более усложняются. Растет число судов, одновременно находящихся в море, причем распределены они неравномерно: есть такие районы, где с борта одного судна можно наблюдать сотни других в радиусе 10 … 20 миль. И все они движутся. И как движутся! Сейчас совсем не редкость контейнеровоз, мчащийся со скоростью 20 узлов и более. А если еще ночь, снежные заряды, гигантские волны? ... Как тут управлять судном? Объем навигационной информации, которую надо получить, собрать воедино и проанализировать вахтенному штурману, бывает настолько велик, что судоводителю просто не хватит времени для принятия правильного решения (а ведь иногда такое решение — единственное, а все остальные — ошибочны). И здесь на помощь судоводителю приходит автоматика. ЭВМ быстро внедряются в судовождение. Английский пассажирский суперлайнер „Куин Элизабет 2" и французский рефрижератор „Аквилон" стали первыми судами, на которых ЭВМ использовалась для счисления пути, определения места судна по данным астрономических обсерваций, расчета маневра расхождения со встречными судами, прокладки курса. В последние годы отечественный морской и речной флот также получил комплексные системы автоматизации судовождения, которые могут очень многое: непрерывно и с высокой точностью вести счисление пути, периодически исправлять данные о положении судна по сигналам астронавигационных, радионавигационных и спутниковых систем, выполнять прокладку пути судна на карте, анализировать надводную обстановку по данным радиолокационных станций (РЛС), вычислять траектории движения встречных судов и оценивать степень опасности столкновения с ними, решать задачи расхождения, документировать все события и решения. В состав таких систем входят информационно-управляющие вычислительные комплексы, высоконадежные двухдиапазонные РЛС с большой разрешающей способностью, приемоиндикаторы навигационных систем, двухрежимные гирокомпасы, электронные и гидроакустические лаги, определяющие скорость судна относительно поверхности дна моря (т. е. дающие „абсолютное" значение скорости судна). Комплексные системы судовождения работают совместно с береговыми центрами сбора и обработки навигационно-метеорологической информации, которые полностью возьмут на себя управление судном в особо сложных и аварийных ситуациях. Таким образом, еще более сокращается численность экипажи, повышается безопасность мореплавания, улучшаются экономические показатели. Однако расширение функций систем управления связано с усложнением самих управляющих приборов. Ведь даже в мини-ЭВМ число элементарных электронных приборов (транзисторов, индуктивностей, емкостей и т. п.) может достичь десятков тысяч, и если произойдет сбой хотя бы в одном из них, машина выйдет из строя. Как быть в этом случае? Ведь в автоматике первого, да и второго поколений надежность зачастую обеспечивалась человеком-оператором. Он был рядом, все знал, все видел и мог вовремя вмешаться, помочь, заменить неисправный элемент, предупредить аварийную ситуацию. В современной комплексной системе это просто невозможно. Операций и событий в ней самой ежесекундно происходит столько, что оператор не сможет, не успеет вмешаться! ... У него свои задачи: общее наблюдение, оценка событий, принятие решений, ввод в машину исходных данных. Видимо, надо совершенствовать контроль за состоянием и ЭВМ, и оператора. Следует разгрузить ЦПУ от поступления на его пульт мелких, незначительных сообщений. Пусть на его пульте будет отображаться только итоговая информация, например такая: „энергосистема исправна", „груз в норме". Система управления должна приспосабливаться к обстановке, быть чувствительной — адаптивной. Сложность комплексных систем повышает стоимость их изготовления, эксплуатации и ремонта. Надежность и еще раз надежность! С усложнением систем управления возникает еще одна проблема — типизация и унификация элементов (блоков, модулей, из которых они состоят). Как можно больше разных систем из возможно меньшего числа разных „кирпичиков". Современная электронная технология позволяет это сделать. Интегральные схемы (ИС), большие интегральные схемы (БИС), наконец, сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), печатный монтаж на гибких платах, заливка компаундом, устойчивые к вибрациям соединения, использование микропроцессоров — и все это для достижения одной цели — комплексной автоматизации управления судном.
60 lvl
