船舶舵機(jī)液壓維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

， ， ， (1. 廣東海洋大學(xué) 航海學(xué)院， 廣東 湛江 54088；. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

舵機(jī)是控制船舶運(yùn)行方向的重要設(shè)備，主要由舵葉、舵柄、轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)、舵機(jī)液壓系統(tǒng)及其控制設(shè)備組成。船員通過控制相應(yīng)操舵裝置，啟動液壓舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)舵葉的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等工況[1]。

隨著世界航運(yùn)業(yè)的飛速發(fā)展，船舶數(shù)量不斷增多，船舶日趨大型化、專業(yè)化、自動化、高速化，船舶舵機(jī)系統(tǒng)也越來越精密，對船員的操作與維修技能要求也越來越高。因此國際海事組織(IMO)及船員培訓(xùn)機(jī)構(gòu)在船員職業(yè)資格考核的相關(guān)規(guī)定(如《STCW78 公約》、《海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國際公約》等)中，都強(qiáng)調(diào)了對船員實(shí)際操舵技能的培養(yǎng)和評估，并規(guī)定船員必須接受系統(tǒng)的航海專業(yè)教育和培訓(xùn)后才能上崗。隨著我國航運(yùn)業(yè)的飛速發(fā)展，急需大量高素質(zhì)的船員。舵機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要船員具備一定的液壓知識和維修技能，而這些知識和技能船員較難掌握。老式的培訓(xùn)方法是通過實(shí)際舵機(jī)裝備進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)， 但培訓(xùn)周期長，教學(xué)效率低， 不能模擬舵機(jī)故障工況，效果不夠理想。20世紀(jì)70年代興起的計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)為這個(gè)問題的解決帶來契機(jī)，出現(xiàn)了專門用于船員培訓(xùn)的船舶輪機(jī)仿真訓(xùn)練模擬器(Marine Engine Simulator)，它是一種在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬船舶機(jī)艙設(shè)備的操作與控制、聲光報(bào)警、參數(shù)與狀態(tài)顯示等功能的裝置。受訓(xùn)人員可以通過輪機(jī)模擬器來進(jìn)行船舶機(jī)艙設(shè)備(含舵機(jī)液壓系統(tǒng))的操作技能訓(xùn)練和熟練程度評估。它具有經(jīng)濟(jì)、安全、高效等諸多優(yōu)點(diǎn)。世界航海大國都投入了大量精力進(jìn)行研發(fā)，比較有名的有挪威NORCONTROL公司的AUTOCHIEF系列、英國Transas 公司的ERS系列、德國STN At las Elektronik 公司的SES 系列等。其軟件系統(tǒng)主要基于真實(shí)的船舶機(jī)艙類型，采用虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,簡稱VR)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒅悄軐＜蚁到y(tǒng)等技術(shù)，最大限度地復(fù)現(xiàn)船舶的實(shí)際操作和工作狀態(tài)，提高培訓(xùn)的臨場感和真實(shí)感。

我國輪機(jī)模擬器的研制工作開始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過引進(jìn)、消化、創(chuàng)新，目前已達(dá)到國際先進(jìn)水平。國內(nèi)具有代表性的研制單位有大連海事大學(xué)的DMS 系列、武漢理工大學(xué)WMS 系列和上海海事大學(xué)的SMSC系列。其中武漢理工大學(xué)1994 年研制WMS型輪機(jī)模擬器是我國第一臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的輪機(jī)模擬器，目前已開發(fā)出多種型號。大連海事大學(xué)的DMS 系列模擬器功能齊全, 船型多樣，應(yīng)用廣泛[2-4]。

通過對全國航海類院校輪機(jī)專業(yè)的培訓(xùn)教學(xué)情況調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，船舶舵機(jī)在培訓(xùn)教學(xué)中存在如下問題：

(1) 采用實(shí)裝進(jìn)行訓(xùn)練，投入成本很高，占地面積大，一套舵機(jī)系統(tǒng)一次只能培訓(xùn)幾名學(xué)員，教學(xué)效率低，而且實(shí)際舵機(jī)形式多種多樣，工作原理也不盡相同。院校配套的舵機(jī)教學(xué)裝備往往是老式裝備，跟不上當(dāng)前發(fā)展需要，而且實(shí)裝僅僅限于現(xiàn)場演示，難以進(jìn)行故障維修培訓(xùn)，既使勉強(qiáng)進(jìn)行維修方面訓(xùn)練，系統(tǒng)也難以有效檢測實(shí)做效果。系統(tǒng)的可擴(kuò)展性差；

(2) 目前的舵機(jī)虛擬仿真模擬訓(xùn)練一般集成于輪機(jī)仿真訓(xùn)練器(Marine Engine Simulator)中。功能豐富，一般包含舵機(jī)的工作原理、虛擬操作、相關(guān)零部件虛擬拆裝等多種功能，而且軟件接口豐富，利于后續(xù)升級。在模擬培訓(xùn)教學(xué)中確實(shí)具有一定的優(yōu)勢，但由于不是真實(shí)的設(shè)備，在實(shí)踐與感觀上還是無法代替實(shí)裝訓(xùn)練，不能培養(yǎng)船員的實(shí)際動手能力。

因此，如何將虛擬仿真模擬訓(xùn)練的經(jīng)濟(jì)、靈活、安全、高效與實(shí)裝訓(xùn)練的實(shí)感、實(shí)踐、動手技能培養(yǎng)有效結(jié)合起來是船舶舵機(jī)液壓系統(tǒng)培訓(xùn)的一個(gè)重要問題。針對這種情況，采用虛擬仿真和接口技術(shù)，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一套新型船舶舵機(jī)液壓維修訓(xùn)練系統(tǒng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)培訓(xùn)的不足。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

通過對《STCW78/95公約》、《中華人民共和國海船船員適任考試大綱》、《船用往復(fù)式液壓舵機(jī)修理技術(shù)要求》、《船用轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)修理技術(shù)要求》等[5-7]相關(guān)船員操作及修理標(biāo)準(zhǔn)的研究，分析出船舶舵機(jī)液壓維修訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)具備以下幾部分功能：

(1) 操舵原理培訓(xùn) 系統(tǒng)應(yīng)能幫助受訓(xùn)船員了解各型液壓舵機(jī)工作原理，熟悉自動操舵、隨動操舵、機(jī)旁手操、應(yīng)急操舵的操作步驟，并理解各狀態(tài)下，液壓油路的運(yùn)行機(jī)理。了解各油泵、控制閥件、油缸、管路輔件等零部件結(jié)構(gòu)原理；

(2) 故障分析培訓(xùn) 系統(tǒng)應(yīng)能模擬舵機(jī)的多種故障狀態(tài)，如舵不動、沖舵、舵卡滯、跑舵等，并提供一定故障信息和故障分析方法，指導(dǎo)受訓(xùn)船員進(jìn)行故障分析訓(xùn)練，同時(shí)提供虛擬拆裝、虛擬維修功能；

(3) 故障實(shí)際排除 系統(tǒng)應(yīng)能夠?yàn)槭苡?xùn)船員提供實(shí)際動手維修的平臺，船員通過使用專用工具，對典型故障元件進(jìn)行修理，如更換密封圈、清洗閥芯、更換過濾器等，通過親身實(shí)做，確實(shí)提高實(shí)際動手能力；

(4) 維修水平檢測評估 系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)ε嘤?xùn)船員的維修效果進(jìn)行性能檢測與評估，并給出相應(yīng)成績存檔。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)舵機(jī)液壓維修訓(xùn)練系統(tǒng)的功能要求，結(jié)合半實(shí)物仿真技術(shù)[8]，采用虛擬仿真(VR)和模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一套軟硬結(jié)合的維修系統(tǒng)(圖1所示)。

圖1 船舶舵機(jī)液壓維修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

該系統(tǒng)包含三部分：

(1) 由計(jì)算機(jī)為主的虛擬維修訓(xùn)練子系統(tǒng)；

(2) 由液壓舵機(jī)維修實(shí)訓(xùn)臺組成的維修實(shí)訓(xùn)子系統(tǒng)；

(3) 由PLC及驅(qū)動設(shè)備組成的接口控制。

虛擬維修訓(xùn)練子系統(tǒng)可以軟件模擬各種類型液壓舵機(jī)(如川崎的RA型柱塞式泵控舵機(jī)，波士貢的S型閥控轉(zhuǎn)葉舵機(jī))的操作與故障情況，完成操舵原理培訓(xùn)和故障分析培訓(xùn)。維修實(shí)訓(xùn)臺可以模擬舵機(jī)相關(guān)零部件的故障狀態(tài)，完成對船員的故障實(shí)際排除能力訓(xùn)練。接口控制用以兩個(gè)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換及同步協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對維修后的狀態(tài)進(jìn)行檢測評估考核。

圖2為船舶舵機(jī)液壓維修訓(xùn)練系統(tǒng)的工作流程圖，其中虛線框組成的Ⅰ部分流程，主要由虛擬維修訓(xùn)練子系統(tǒng)完成，而Ⅱ部分流程則由維修實(shí)訓(xùn)臺完成。培訓(xùn)船員首先登陸虛擬維修訓(xùn)練子系統(tǒng)，通過選擇舵機(jī)類型、操舵訓(xùn)練、維修考核等步驟，完成操舵原理、舵機(jī)故障分析等方面的培訓(xùn)，在故障分析正確以后，通過維修實(shí)訓(xùn)臺完成舵機(jī)故障維修實(shí)做和維修效果測試，最后維修訓(xùn)練的參數(shù)由PLC及相應(yīng)通信接口傳送到虛擬訓(xùn)練子系統(tǒng)，從而完成培訓(xùn)效果的評估。

圖2 船舶舵機(jī)液壓維修系統(tǒng)的工作流程圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 虛擬維修訓(xùn)練子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3為虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法功能如下。

1) 操舵原理訓(xùn)練模塊

該模塊主要完成操舵原理訓(xùn)練，包含虛擬操作和監(jiān)控面板、舵機(jī)液壓油路兩部分。該模塊為基礎(chǔ)模塊，采用組態(tài)軟件[9](如Intouch、MCGS、組態(tài)王等)為開發(fā)平臺設(shè)計(jì)。

圖3 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

舵機(jī)的操作及監(jiān)控面板以實(shí)際船舶操舵面板為藍(lán)本制作。主要為儀表、按鈕及指示燈等組件，這些組件按使用方式可分為兩類：指示類和操作類，采用軟件自帶的相關(guān)控件和虛擬儀表可以很方便搭建。面板各組件的功能通過編寫腳本程序來執(zhí)行特定的命令和邏輯運(yùn)算，例如鍵被按下、窗口被打開，值發(fā)生變化等。通過組態(tài)軟件的I/O server功能，可以設(shè)置按鈕、開關(guān)等組件與PLC的輸入輸出點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)虛擬系統(tǒng)與維修實(shí)訓(xùn)臺的同步動作。

舵機(jī)的液壓油路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，對于泵、閥、轉(zhuǎn)舵油缸等特殊元件，可以通過采用自制Active X控件的方式，與軟件中現(xiàn)有的流體元件控件組成舵機(jī)液壓系統(tǒng)油路，并根據(jù)操舵規(guī)程，設(shè)置控制組件(如舵啟、停按鈕，轉(zhuǎn)舵手柄，舵角指示器等)與舵機(jī)液壓各組件的邏輯控制關(guān)系，編寫相應(yīng)的腳本控制程序，實(shí)時(shí)顯示液壓舵機(jī)在不同控制狀態(tài)(如左舵、右舵、滿舵、舵回零等)下，各控制閥件、油泵、轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的內(nèi)部動作(如油泵的啟動、停止，電磁換向閥的換向)和油液在液壓系統(tǒng)中的流動狀態(tài)。

2) 故障維修訓(xùn)練模塊

該模塊主要完成液壓舵機(jī)的故障設(shè)置，和軟件模擬故障狀態(tài)，如轉(zhuǎn)舵速度慢、系統(tǒng)不能調(diào)壓、壓力表無指示等故障。培訓(xùn)船員在軟件的輔助下，根據(jù)界面提供的故障狀態(tài)，如系統(tǒng)壓力低、油溫過高、過濾器報(bào)警等，對故障類型進(jìn)行判斷，通過對液壓系統(tǒng)的逐步分析，根據(jù)現(xiàn)象找原因，溯本求源，最終找出故障點(diǎn)和故障元件。該部分的編程除了應(yīng)用組態(tài)軟件外，還采用DDE技術(shù)，加入了相關(guān)多媒體資源，通過圖片、聲音、視頻的形式對故障進(jìn)行了演示，彌補(bǔ)了實(shí)裝教學(xué)不能故障重現(xiàn)的問題。

3) 虛擬拆裝和幫助模塊

該模塊采用SolidWorks、UG等三維造型軟件對舵機(jī)的零部件，如液壓泵、閥件、轉(zhuǎn)舵油缸等進(jìn)行了三維造型，并實(shí)現(xiàn)了虛擬拆裝，同時(shí)模塊還包含各零部件的使用及操作說明，培訓(xùn)船員可以更深刻地了解部件的結(jié)構(gòu)和維修方法。

4) 實(shí)做效果評估模塊

該模塊采用串行通信方式(RS232協(xié)議)與PLC通信，目前市場上的組態(tài)軟件均提供PLC型號和上位機(jī)鏈接方式的配置菜單和IO驅(qū)動程序，通過設(shè)置相應(yīng)的控制字，實(shí)現(xiàn)對維修實(shí)訓(xùn)臺的啟停、轉(zhuǎn)舵、換向等控制，并采集舵角、系統(tǒng)壓力等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對維修后的零部件測試，從而評價(jià)維修效果，并保存數(shù)據(jù)。

2.2 維修實(shí)訓(xùn)臺設(shè)計(jì)

維修實(shí)訓(xùn)臺是為培訓(xùn)船員提供實(shí)際動手維修的平臺。由于實(shí)際船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)多種多樣，按照轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)可分為往復(fù)柱塞式和轉(zhuǎn)葉式，按照液壓系統(tǒng)控制形式又可以分為閥控式和泵控式，而且每種型式的舵機(jī)，大小、規(guī)格、元件也不盡相同，如果想讓實(shí)訓(xùn)臺囊括所有的舵機(jī)系統(tǒng)，不僅不現(xiàn)實(shí)，而且從培訓(xùn)的角度看，也不必要。按照船員在船舶舵機(jī)液壓系統(tǒng)維修能力培養(yǎng)需求的角度考慮，雖然船用舵機(jī)千差萬別，但具體落實(shí)到日常保養(yǎng)和維修，卻集中于過濾器和密封圈更換，以及電磁閥、溢流閥、平衡閥等元件的調(diào)整，管路、泵的修理等一些簡單問題上。為此，在保留舵機(jī)液壓系統(tǒng)基本功能的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種并行結(jié)構(gòu)的維修實(shí)訓(xùn)臺(圖4所示)。

整個(gè)實(shí)訓(xùn)臺臺可分為泵站模塊、轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)模塊、故障修理模塊三大部分。各部分都留有快插接頭，用于快速搭建不同的液壓舵機(jī)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的泵站模塊提供了用于開式回路的定量泵+電磁溢流閥油源和用于閉式回路的伺服變量泵+補(bǔ)油泵油源。轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)有柱塞往復(fù)式和轉(zhuǎn)葉式兩種，通過故障修理模塊和快接管路，可以迅速搭建需要培訓(xùn)的舵機(jī)液壓系統(tǒng)。故障修理模塊是本系統(tǒng)的核心，它一方面起到了連接泵站模塊和轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)模塊的作用，另一方面也是培訓(xùn)船員需要修理的對象。故障維修模塊采用并行結(jié)構(gòu)，根據(jù)維修訓(xùn)練的需要，可以設(shè)置各種故障模式，如液壓過濾器堵塞、電磁換向閥卡滯、管路接頭腐蝕、平衡閥彈簧斷裂、油缸密封圈損壞、傳感器失效等多種類型故障。各故障模塊采用快插接頭接入主油路，每個(gè)故障模塊支路的通斷由二位二通電磁閥控制，互不影響，系統(tǒng)流量由調(diào)速閥進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)船員在上位機(jī)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行了故障分析，判斷出故障類型后，即可對維修實(shí)訓(xùn)臺上的對應(yīng)故障模塊進(jìn)行維修實(shí)做。實(shí)訓(xùn)臺的故障修理模塊一次可以并行修理四種故障，考核人員可以根據(jù)需要自行連接更換。

2.3 接口控制設(shè)計(jì)

接口控制模塊是用于連接虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和維修實(shí)訓(xùn)臺的樞紐，它不僅要實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)中虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的通信，還要向維修實(shí)訓(xùn)臺發(fā)出控制信號，完成系統(tǒng)的同步動作?？紤]到系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性，用PLC結(jié)合繼電器開關(guān)電路完成上述功能[10]。

圖5是接口控制電路的原理圖。上位機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)通過串口與PLC通信，PLC獲取上位機(jī)指令(如舵機(jī)運(yùn)行演示、 故障設(shè)置等)后， 對控制信息進(jìn)行判斷，完成控制信號的輸出，從而實(shí)現(xiàn)維修實(shí)訓(xùn)臺液壓系統(tǒng)中泵的啟停、故障修理模塊中電磁閥的通斷等功能，由于PLC直接驅(qū)動負(fù)載的能力有限，采用PLC驅(qū)動中間繼電器，然后由繼電器控制電磁閥的方式實(shí)現(xiàn)方式。此外，系統(tǒng)還增加了PLC模擬量輸入輸出模塊，用于將實(shí)訓(xùn)臺的工作狀態(tài)(如壓力、溫度、流量等參數(shù))反饋給上位機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，用于同步顯示和維修效果評估。本系統(tǒng)采用FX系列PLC開發(fā)，編程使用配套的GX-DEVELOPER軟件，梯形圖方式編寫。

圖4 船舶舵機(jī)液壓維修實(shí)訓(xùn)臺

圖5 接口控制電路

3 結(jié)論

船舶舵機(jī)液壓維修訓(xùn)練系統(tǒng)自2012年開發(fā)調(diào)試成功以來，經(jīng)過了多批次船員培訓(xùn)試用，反應(yīng)良好，該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1) 系統(tǒng)可靠性高，使用操作方便；

(2) 軟件可擴(kuò)展性強(qiáng)，可根據(jù)用戶需求，開發(fā)不同型號舵機(jī)的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，升級方便；

(3) 維修實(shí)訓(xùn)臺的故障修理模塊為開放式，用戶可根據(jù)需要自主設(shè)計(jì)，通過快插接口方便接入系統(tǒng)；

(4) 該系統(tǒng)采用的軟硬結(jié)合，模塊化設(shè)計(jì)思想，也能為其他虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)提供借鑒與技術(shù)指導(dǎo)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

該系統(tǒng)以后還將增加虛擬漫游、智能維修決策、交互式電子手冊(IETM)等多項(xiàng)功能，使我國的船員培訓(xùn)的水平提高到一個(gè)新的層次。

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