水下應(yīng)急維修用吊機(jī)仿真模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐寶昌，蔡勝清，何寧強(qiáng)

（1.中國石油大學(xué)（北京）自動(dòng)化系，北京 102200；2.海洋工程股份有限公司，天津 300450）

海洋石油工業(yè)是一種技術(shù)密集型行業(yè)，而深水下放安裝也屬于特殊工種作業(yè)。由于海洋石油生產(chǎn)對(duì)于海上施工作業(yè)環(huán)境要求極為苛刻，使得海上石油生產(chǎn)面臨巨大的威脅。吊機(jī)作為海洋石油機(jī)械的重要設(shè)備，其所處的作業(yè)環(huán)境決定了其操作的特殊性。吊機(jī)含有回轉(zhuǎn)、變幅、收放等操作，對(duì)操作人員的時(shí)空感以及對(duì)操作的精度要求很高。仿真模擬器具有豐富的功能和優(yōu)良的性能，其環(huán)境的仿真可以和實(shí)際十分相近，是運(yùn)行人員提高運(yùn)行水平的理想現(xiàn)代化培訓(xùn)裝置，近年來在國內(nèi)外得到迅速的發(fā)展[1]。

目前，吊機(jī)訓(xùn)練仿真器已經(jīng)在部分領(lǐng)域有所使用。中聯(lián)重工科技發(fā)展股份有限公司開發(fā)的塔式起重機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，以工地用吊機(jī)為仿真對(duì)象[2]；交通部水運(yùn)科學(xué)研究所開發(fā)的港口起重機(jī)操作仿真器，以港口起重機(jī)為對(duì)象[3]。海洋平臺(tái)和船舶使用吊機(jī)，其工作的環(huán)境復(fù)雜和操作方法都比上述仿真器復(fù)雜。為此本文設(shè)計(jì)和開發(fā)了虛擬環(huán)境下的吊機(jī)作業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)，并對(duì)其相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 吊機(jī)仿真模擬器設(shè)計(jì)

該仿真器所包含的儀器設(shè)備與實(shí)際的吊機(jī)控制臺(tái)具有相同的操作方法和狀態(tài)顯示，而且還具有操作過程監(jiān)控，成績自動(dòng)評(píng)定，模擬故障設(shè)定等功能。通過PLC采集操作數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)計(jì)算仿真服務(wù)器進(jìn)行模型解算，通過操控仿真服務(wù)器顯示和保存操作數(shù)據(jù)及計(jì)算仿真服務(wù)器反饋的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，最后通過視景仿真機(jī)組進(jìn)行場景渲染[8-9]。通過模塊化的結(jié)構(gòu)和良好的人機(jī)交互接口，使得仿真模擬器具有良好的實(shí)用性和可擴(kuò)展性[4]。吊機(jī)仿真模擬器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 吊機(jī)仿真模擬器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Simulator structure diagram of crane

2 吊機(jī)仿真模擬器功能

根據(jù)水下應(yīng)急維修仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和水下應(yīng)急維修訓(xùn)練的要求，吊機(jī)仿真模擬器應(yīng)具有如下功能：

（1）場景漫游功能：剛剛進(jìn)入深水領(lǐng)域的員工對(duì)現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境以及作業(yè)工機(jī)具等都不熟悉。在培訓(xùn)初期，教練員可以設(shè)定場景漫游，供學(xué)員了解現(xiàn)場施工的工機(jī)具位置以及熟悉施工環(huán)境；

（2）操作培訓(xùn)功能：系統(tǒng)提供了逼真的訓(xùn)練環(huán)境，如吊機(jī)模擬操作臺(tái)、逼真仿真視景畫面。操作員可以自行選擇操作訓(xùn)練課題進(jìn)行訓(xùn)練；

（3）半監(jiān)督培訓(xùn)功能：教練員通過中央控制臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控操作員的訓(xùn)練情況，并可以實(shí)時(shí)地給予幫助和指導(dǎo)；

（4）考核評(píng)分功能：學(xué)員經(jīng)過上述幾部分的學(xué)習(xí)之后，在獨(dú)立操作的情況下，教練員開啟考核評(píng)分功能，系統(tǒng)能夠自主地對(duì)學(xué)員操作進(jìn)行考核評(píng)分。

3 吊機(jī)仿真器實(shí)現(xiàn)

由圖1可知，吊機(jī)仿真模擬器由吊機(jī)仿真操作臺(tái)、后臺(tái)服務(wù)器組、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、中央控制臺(tái)等硬件組成。

3.1 吊機(jī)仿真操作臺(tái)

以海洋石油286船用吊機(jī)為原型，對(duì)吊機(jī)仿真操作臺(tái)進(jìn)行模擬。在不失原型吊機(jī)功能的情況下，對(duì)真實(shí)的吊機(jī)操控室做了一些簡化，依據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造和加工，保證了仿真培訓(xùn)過程的真實(shí)感和沉浸感，達(dá)到仿真培訓(xùn)的效果。吊機(jī)仿真操作臺(tái)主要由操縱控制面板和PLC邏輯控制器[9]組成。吊機(jī)仿真操作臺(tái)如圖2所示。

圖2 吊機(jī)仿真操作臺(tái)外形圖Fig.2 Crane simulator outside drawing

3.1.1 操縱控制面板

操縱控制面板是吊機(jī)仿真操作臺(tái)人機(jī)直接接觸的部分。操縱控制面板主要包括操作椅、左右側(cè)控制臺(tái)、踏板控制等部分。左右側(cè)操控臺(tái)上布置有手柄、按鈕、旋鈕、指示燈和蜂鳴器等。所有的模擬量信號(hào)都是4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，電信號(hào)通過采集模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并通過PLC邏輯控制器進(jìn)行邏輯預(yù)處理進(jìn)而送至上位機(jī)至后臺(tái)服務(wù)器。

3.1.2 PLC邏輯控制器

仿真模擬器硬件核心是PLC邏輯控制器。它不僅是聯(lián)系系統(tǒng)硬件及軟件的橋梁，也是信號(hào)采集及仿真器邏輯運(yùn)算的大腦。對(duì)從操縱控制面板發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行處理，完成聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，確定需要向操控仿真服務(wù)器發(fā)出的信號(hào)。出現(xiàn)違背邏輯關(guān)系的誤操作時(shí)，將誤操作信號(hào)分類后向操控仿真服務(wù)器發(fā)送，并在仿真操作臺(tái)上發(fā)出聲光報(bào)警。

仿真器共需要24路數(shù)字量輸入，2路數(shù)字量輸出，7路模擬量輸入。根據(jù)系統(tǒng)要求，本仿真器選用西門子 S7-200 CPU226，EM235，EM231 以及 CP243-1等模塊，PLC I/O點(diǎn)的配置如表1所示。通過網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，使仿真操作臺(tái)成為網(wǎng)絡(luò)的一部分，用此種方式通訊便于今后系統(tǒng)的擴(kuò)展[5]。吊機(jī)仿真模擬器PLC系統(tǒng)配置如圖3所示。

表1 控制系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)Tab.1 Input and output points of control system

圖3 吊機(jī)仿真模擬器PLC系統(tǒng)配置Fig.3 PLC system configuration for crane simulator

3.2 后臺(tái)服務(wù)器組

后臺(tái)服務(wù)器組包含操控仿真服務(wù)器、計(jì)算仿真服務(wù)器和視景仿真機(jī)組，是仿真模擬器的核心，需要完成大量的數(shù)據(jù)處理、模型計(jì)算、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)同步等工作。將每一個(gè)服務(wù)器及其下面所接入的子系統(tǒng)都設(shè)定為一個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)，則各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)獨(dú)立仿真的系統(tǒng)。

3.2.1 操控仿真服務(wù)器

操控仿真服務(wù)器的作用有2個(gè)：一是負(fù)責(zé)對(duì)學(xué)員操作過程中的動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。記錄操作臺(tái)輸出的操作參數(shù)以及計(jì)算仿真服務(wù)器輸出的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過這些數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)員操作真實(shí)回放，為考評(píng)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，并幫助學(xué)員糾正操作錯(cuò)誤；二是使操作人員更清楚地了解“虛擬設(shè)備”當(dāng)前運(yùn)行狀況，了解當(dāng)前操作引起設(shè)備的回饋或者動(dòng)作。通過參數(shù)以及曲線的變化，操作員可以對(duì)當(dāng)前設(shè)備的控制做出實(shí)時(shí)調(diào)整，以滿足水下應(yīng)急維修實(shí)時(shí)仿真的要求。

本仿真系統(tǒng)中不使用傳統(tǒng)的儀器儀表，傳統(tǒng)機(jī)械儀表在長時(shí)間使用后對(duì)于數(shù)據(jù)的輸出存在一定的誤差，且維修更換較為麻煩。監(jiān)控參數(shù)較多時(shí)，采用傳統(tǒng)儀表會(huì)造成很大的投入。用虛擬儀表代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀器儀表，不但可以增加設(shè)備的可靠性，還可以以較低的代價(jià)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，減少設(shè)備的投入以節(jié)約成本[10]。本系統(tǒng)采用西門子WinCC組態(tài)軟件來顯示操作臺(tái)發(fā)出的控制指令和計(jì)算仿真工作站回饋的吊機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)歸檔。

3.2.2 計(jì)算仿真服務(wù)器

計(jì)算仿真服務(wù)器主要是構(gòu)建仿真模擬器吊機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)外部的數(shù)據(jù)執(zhí)行響應(yīng)，實(shí)時(shí)進(jìn)行吊機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，對(duì)相關(guān)物體的狀態(tài)、位置、動(dòng)作、干涉等進(jìn)行計(jì)算和判斷，并將計(jì)算出的結(jié)果傳送給視景仿真機(jī)組和操控仿真服務(wù)器顯示。根據(jù)教練員站和操作臺(tái)的指令，完成指定的模型解算，以驅(qū)動(dòng)場景運(yùn)行和對(duì)學(xué)員提供觀測(cè)數(shù)據(jù)。計(jì)算仿真服務(wù)器采用Vortex多體動(dòng)力學(xué)軟件建立物理模型并解算[7]。吊機(jī)模型解算流程如圖4所示。

圖4 吊機(jī)模型解算流程Fig.4 Crane model solution process

3.2.3 視景仿真機(jī)組

視景仿真機(jī)組將計(jì)算仿真服務(wù)器傳來的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行場景繪制，并發(fā)布到各子場景中，如吊機(jī)仿真操作臺(tái)、中央控制臺(tái)。視景的渲染和驅(qū)動(dòng)在Vega Prime平臺(tái)下完成，采用Vega Prime分布式渲染模塊實(shí)現(xiàn)多通道顯示。

3.3 中央控制臺(tái)

中央控制臺(tái)包括教練員視景顯示、教練員控制顯示器、教練員工作站、音響系統(tǒng)及通訊設(shè)備等。其中教練員工作站為中央控制臺(tái)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)仿真流程的控制、系統(tǒng)的初始化等工作。教練員工作站主要有系統(tǒng)管理、自然環(huán)境配置、科目的設(shè)定、仿真系統(tǒng)考核評(píng)分等功能。仿真系統(tǒng)管理包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理、學(xué)員信息錄入、教練員信息錄入；仿真系統(tǒng)自然環(huán)境的配置包括對(duì)海流、天氣、風(fēng)速、風(fēng)向等配置；仿真系統(tǒng)科目設(shè)定包括培訓(xùn)科目和考核科目的設(shè)定，如水下采油樹密封圈更換、水下采油樹不停產(chǎn)維修等；仿真系統(tǒng)考核評(píng)分功能包括專家知識(shí)庫設(shè)定、操作過程監(jiān)視、成績?cè)u(píng)定、成績管理、教練員主觀評(píng)價(jià)等。

4 仿真模擬器數(shù)據(jù)通訊

通訊功能是仿真系統(tǒng)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是聯(lián)系仿真模擬器各個(gè)部分的紐帶，是仿真系統(tǒng)的血脈。良好的通訊系統(tǒng)會(huì)加快仿真的數(shù)據(jù)傳輸速率，增強(qiáng)仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。OPC（OLE for process control）技術(shù)是基于微軟的OLE、COM和DCOM技術(shù)，由一系列用于過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)接口、屬性以及方法組成。ActiveX/COM技術(shù)定義了工業(yè)軟件組件如何才能交互作用和共享數(shù)據(jù)，由于得到了微軟Windows技術(shù)的支持，OPC為多種多樣的程控設(shè)備提供了一個(gè)公共的接口，而與過程中的控制軟件或設(shè)備無關(guān)[6]。OPC服務(wù)器及所有的硬設(shè)備均通過以太網(wǎng)連接組成局域網(wǎng)，仿真系統(tǒng)的其它設(shè)備通過訪問OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了吊機(jī)仿真器數(shù)據(jù)的交互，從而了解吊機(jī)的工作狀態(tài)及操作人員的操作信息。這樣就構(gòu)成了一個(gè)資源共享、任務(wù)分擔(dān)的分布式系統(tǒng)。采用OPC通訊協(xié)議方便吊機(jī)仿真模擬器以后的擴(kuò)展，可以直接連接其它仿真設(shè)備，從而組成協(xié)同仿真系統(tǒng)。仿真模擬器OPC通訊原理圖如圖5所示。

圖5 仿真模擬器OPC通訊原理圖Fig.5 OPC principle diagram for simulator

在本仿真模擬器中，與硬件相配套的使用西門子S7-200專用PC Access OPC服務(wù)器。

5 典型案例的仿真培訓(xùn)過程

水下應(yīng)急維修進(jìn)行仿真培訓(xùn)的操作臺(tái)，不但可以使學(xué)員熟悉吊機(jī)的操作、船舶或平臺(tái)上的工機(jī)具位置以及作業(yè)環(huán)境，還可以使學(xué)員對(duì)水下應(yīng)急維修的整體流程更加熟悉。以水下采油樹密封圈更換過程中連接器下放安裝過程為例，描述吊機(jī)操作流程如圖6所示。其中，CI指連接器安裝工具，AHC指升沉補(bǔ)償裝置，ROV指水下機(jī)器人。

圖6 連接器下放安裝的吊機(jī)操作流程Fig.6 Crane operation process for lowering and installation of CI

6 結(jié)語

本系統(tǒng)可以完全仿真海上平臺(tái)中吊機(jī)操作的所有動(dòng)作，進(jìn)行吊機(jī)的操作訓(xùn)練，環(huán)境適應(yīng)性訓(xùn)練。對(duì)操作員深水水下應(yīng)急維修的過程進(jìn)行培訓(xùn)，對(duì)危險(xiǎn)工況的操作進(jìn)行預(yù)演。當(dāng)突發(fā)情況來臨時(shí)操作人員能夠從容應(yīng)對(duì)。利用仿真培訓(xùn)裝置加強(qiáng)新上崗員工培訓(xùn)或者在職員工再培訓(xùn)，是安全生產(chǎn)的保證，增強(qiáng)員工對(duì)危機(jī)意識(shí)的判斷力，同時(shí)也降低了培訓(xùn)的成本，提高了效率和質(zhì)量。

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