Разработка комплекса управления поворотом антенно-фидерного устройства (АФУ) по веб-интерфейсу весом более 3,5 тонн для радиоспорта – ключевой шаг к победе на соревнованиях. Решение должно обеспечивать плавный поворот антенны на необходимый угол и остановку в требуемом положении, управляясь по принципу «нажал и забыл» с любого устройства с доступом в интернет. В кейсе рассмотрим логику, этапы и результат разработки.

Предметная область

Антенно-фидерное устройство (Антенна) заказчика высотой 61 метр используется для любительской радиосвязи на коротких волнах (далее — КВ) одновременно несколькими операторами. Антенна имеет выраженную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и требует управления по азимуту. Требовалось предоставить возможность операторам управлять поворотом по азимуту и наблюдать текущее значение азимута. Поскольку в соревнованиях на КВ результат определяют секунды и доли секунд, управление антенной не должно отвлекать операторов от эфира, быть простым и наглядным.

Запрос заказчика

Необходимо предоставить каждому оператору возможность назначать азимут основного лепестка диаграммы направленности данного АФУ со своего рабочего места через веб-интерфейс. Управление должно работать по принципу «нажал и забыл». После подачи команды, АФУ должно повернуться и встать на нужный угол. Учитывая массу устройства, превышающую 3,5 тонны и управление с помощью мотор-редуктора с планетарным механизмом, необходимо предусмотреть возможность настройки скорости вращения для осуществления бесперебойного и плавного поворота АФУ.

Успех в соревнованиях по радиосвязи на КВ зависит не только от мастерства спортсмена, но и от качества используемого оборудования, которое формируется спортсменом самостоятельно.

В качестве прототипа решаемой задачи заказчик предложил использовать компьютерную программу, с помощью которой один оператор мог со своего компьютера управлять Антенной, подключенной к данному компьютеру по протоколу ModBus двумя линиями RS485. Одна линия возвращала в компьютер состояние текущего угла, а по второй линии управлялся частотный преобразователь электропривода.

При таком подходе не представлялось возможным управлять данной антенной с другого компьютера другому оператору. В предыдущем решении не был реализован веб-интерфейс, и управление происходило только с одного фиксированного рабочего места, на которое сигналы обратной связи поступали по проводам.

Потребовалось новое решение с возможностью удаленного управления и получения данных о состоянии антенны по локальной сети.

Цель и задачи проекта

Цель: обеспечить удаленное управление поворотом механического антенно-фидерного устройства с возможностью настройки угла поворота азимута через веб-приложение с интерфейсом, интуитивно понятным для заказчика.

Задачи:

• разработка веб-страницы для управления углом поворота антенны;

• установка пользовательских настроек: регулирование скорости, настройка IP-адреса;

• обработка ошибок и логирование изменений;

• подбор аппаратуры для прототипирования ПАКа.

Дата старта и завершения проекта

Январь — Май 2024

Реализация

Для того, чтобы перейти к этапам реализации, рассмотрим механизм, находящийся у основания антенны (фото 2).

В поворотном механизме есть перфорированный диск с нанесенным на него «Кодом Грея» (фото 3), который считывается элементами датчика угла.

Управление и настройка механизма поворота осуществляется через подключение к двигателю (фото 4) преобразователя частот IDS-Drive (фото 6), команды которому передает микропроцессор ESP-32 (фото 5), исполняющий разработанную программу.

Возможность удаленного управления обеспечивается подключением микропроцессора к сети через Ethernet-кабель. Это позволяет администратору с ПК, подключенного к той же сети, управлять частотой запуска двигателя и регулировать скорость вращения антенны. 

Аппаратура для управления собирается в корпус (фото 7) и вместе с датчиком угла поворота устанавливается на перфорированный диск с «Кодом Грея».

Удаленное управление поворотным механизмом осуществляется через веб-интерфейс (рисунок 1).

Описание компонентов страницы (рисунок 1):

1. название;

2. поле для ввода целевого угла;

3. кнопка для управления вращением и отображения состояния системы;

4. текущее значение угла;

5. циферблат.

Принцип передачи данных в процессе удаленного управления АФУ описан ниже и отображен на рисунке 2.

1. Пользователь задает все необходимые параметры для поворота антенны на веб-странице управления (рисунок 1).

2. Данные передаются по локальной сети на микропроцессор ESP-32 (фото 5).

3. Микропроцессор ESP-32 отдает команды частотному преобразователю IDS Drive (фото 6), который подключён к двигателю АФУ. Передача данных между микропроцессором и частотным преобразователем осуществляется в формате UART, а частотный преобразователь принимает данные в формате RS-485. Для преобразования этих форматов используется адаптер HW-097.

4. Частотный преобразователь IDS-Drive подключен к двигателю с помощью кабеля (фото 4). Это позволяет запустить двигатель с заданной скоростью, и поворотный механизм поворачивает антенну в нужную сторону на заданный угол.

Разработка и настройка ПАКа проводилась в четыре этапа.

1. Построение логики взаимодействия микропроцессора ESP-32 с частотным преобразователем IDS-Drive.

Важным элементом реализации логики взаимодействия микропроцессора с частотным преобразователем стала организация канала связи между ними. Поскольку микропроцессор передает команды в формате UART, а частотный преобразователь принимает данные в формате RS-485, был использован преобразователь HW-097, который позволяет преобразовать один формат в другой. После этого была реализована логика передачи команд от микропроцессора к частотному преобразователю для выполнения нужных операций.

2. Получение текущего угла поворота антенны. Как было описано ранее, угол поворота антенны считывается с перфорированного диска в формате «кода Грея», который установлен на самой антенне (фото 3). После считывания этот код преобразуется в двоичный формат, а затем конвертируется в угловую величину, что позволяет получить точное значение угла поворота.

3. Реализация логики управления поворотом антенны, подбор и сохранение оптимальных настроек.

В ходе разработки и тестирования ПАКа были учтены особенности работы механизма АФУ:

• снижение скорости поворота механизма для обеспечения плавного хода и точного достижения целевого угла;

• досрочная остановка механизма АФУ при возникновении ошибок для предотвращения повреждений или аварийных ситуаций. Это позволяет оперативно изменить настройки и запустить процесс заново по другому сценарию;

• определение оптимального направления поворота, что сокращает время достижения целевого угла.

В настройки ПАКа были добавлены ряд параметров: максимально разрешенная частота для достижения необходимой скорости поворота, сетевые параметры (например, настройка IP-адреса), и другие настройки. Все параметры сохраняются в памяти ПАКа, и при необходимости можно сбросить настройки до исходного состояния с помощью кнопки на микропроцессоре ESP-32.

4. Создание веб-страниц для управления поворотным механизмом.

По запросу заказчика разработаны две веб-страницы:

• основная страница для выполнения главной функции системы — управления процессом поворота антенны и отслеживания ее текущего состояния (рисунок 1);

• панель администратора, которая позволяет настраивать параметры ПАКа, а также просматривать журнал событий и сообщений, возникающих в процессе работы системы.

Результат

Одним из главных преимуществ созданного ПАКа является возможность удаленного управления и мониторинга состояния механизма через локальную сеть с высокой скоростью передачи данных и сохранением информации о максимальной частоте.

Интеграция веб-страницы с устройством обеспечивает бесперебойную передачу данных в режиме real-time: пользователь может в реальном времени отслеживать текущий угол поворота антенны, а также задавать необходимые параметры для изменения направления.

Кроме того, ПАК способен обрабатывать состояние поворотного механизма и отображать до 10 различных типов ошибок на экране. Например, могут быть выявлены такие ошибки, как перегрев, перенапряжение или перегрузка двигателя. Устранение этих ошибок осуществляется в соответствии с документацией по частотному преобразователю IDS-Drive, что позволяет оперативно реагировать на возникающие неисправности и предотвращать их развитие.

Таким образом, был создан программно-аппаратный комплекс, который полностью соответствует поставленным задачам.