某型艇機電綜合模擬器研制

聶 偉，張 錦，任長合，沈 軍

(鎮(zhèn)江船艇學院 動力指揮系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

● 基礎科學與技術 Basic Science & Technology

某型艇機電綜合模擬器研制

聶 偉，張 錦，任長合，沈 軍

(鎮(zhèn)江船艇學院 動力指揮系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

為解決某型艇機電部門存在的訓練難題，以該型艇動力系統(tǒng)為研究對象，提出該型艇機電綜合模擬器的總體設計方案，建立一個可開展某型艇主機、電站、輔機、機艙集控、主機遙控、機艙綜合管理等課目訓練的模擬系統(tǒng)，并對所研制的系統(tǒng)進行軟硬件調(diào)試和實驗研究。機電綜合模擬器在培訓教學中取得了較好的效果。

動力系統(tǒng)；訓練模擬器；監(jiān)控系統(tǒng)；可編程邏輯控制器(PLC)

實船訓練需要大量的準備工作、后勤支持以及人力、物力的消耗，同時受環(huán)境因素的影響也較大，無法模擬一些復雜的情景，如復雜報警顯示、設備與系統(tǒng)的嚴重故障等[1-4]。機電綜合模擬器是一種利用計算機、自動控制等多項技術，通過數(shù)學建模，建立一個虛擬的船舶運行和操作環(huán)境，達到使操作人員感覺在實艇中操作所具有的場景[5-6]的效果。在模擬器上，訓練人員可反復操練在實船上比較困難甚至不允許隨便試驗的訓練內(nèi)容，可在較短時間內(nèi)使受訓人員得到實船長期累積才能得到的實際經(jīng)驗，完成在實船航行中根本做不到的識別與故障排除[7-8]。

本文提出一種基于計算機技術和網(wǎng)絡技術，利用適當?shù)能浻布崿F(xiàn)某型艇機電部門開展模擬訓練的機電綜合模擬器研制方案，給出一種以某型艇主推進裝置為主要仿真對象的實時仿真模型，并開發(fā)了主機及其系統(tǒng)的模擬訓練裝置，可以進行某型艇機電專業(yè)人員的技能培訓。由于機電綜合模擬器的操作不會對設備造成損壞，所以實艇上不允許的操作訓練可在機電綜合模擬器中實現(xiàn)。

1 機電模擬器總體設計方案

某型艇機電綜合模擬器以 PC 機、仿真支撐軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件為基礎，利用適當?shù)能浻布崿F(xiàn)對動力平臺系統(tǒng)的操作模擬，并給出準確的反饋，從而達到對操作人員進行訓練的目的。系統(tǒng)包含的操作設備、內(nèi)部邏輯控制關系以及裝置各個參數(shù)狀態(tài)的仿真計算與實際設備工作狀態(tài)基本相同。仿真訓練平臺由人機交互系統(tǒng)、建模仿真系統(tǒng)以及網(wǎng)絡接口系統(tǒng)組成。某型艇機電綜合模擬器總體設計方案如圖1所示。

圖1 某型艇機電綜合模擬器總體設計方案

人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)實艇輸入輸出系統(tǒng)特性的模擬，讓操作培訓人員體驗更大的真實感。如儀器儀表輸出量穩(wěn)態(tài)值和動態(tài)變化過程的模擬，以使模擬仿真的輸出結(jié)果和實艇中實際參數(shù)的動態(tài)趨勢相同，給艇員直觀準確的感受。建模仿真系統(tǒng)實現(xiàn)所有動力設備建模運算和控制系統(tǒng)的仿真，其仿真的特點是實時性高，如電機的轉(zhuǎn)速、勵磁電流等參數(shù)的變化，必須在保證良好的實時性的基礎上才能給出符合訓練要求的效果。網(wǎng)絡接口系統(tǒng)實現(xiàn)各硬件系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸和軟件間通信。

2 主機仿真模型開發(fā)

以某型艇柴油機為母型，建立柴油主機、螺旋槳、船體一體化簡化數(shù)學物理模型，目的是針對大風浪天氣及轉(zhuǎn)彎等情況下柴油機對應的推進特性。通過模型計算得到在某一航速下，對應的柴油機轉(zhuǎn)速等參數(shù)。得到阻力變化時柴油機轉(zhuǎn)速的變化以及油耗率的變化，這些模型最終都可以在機電綜合模擬器的培訓教學中得到應用。

采用模塊化的建模方法，以一種規(guī)范化的標準建立基本設備和部件的數(shù)學模型，將它們開發(fā)成通用的基本模塊，用其組合成不同類型子系統(tǒng)的模型，以降低建模的復雜性，縮短建模時間，增加模型的通用性。基于模塊化建模方法，某型艇主機系統(tǒng)的分層模塊如圖2所示。

圖2 某型艇主機系統(tǒng)的分層模塊

某型艇機電模擬器仿真支撐環(huán)境選用SimuEngine型可視化仿真支撐系統(tǒng)。該艇動力系統(tǒng)設備數(shù)量和種類繁多，設備工作原理復雜，其功能各不相同。系統(tǒng)開發(fā)可采用多人分布式協(xié)同開發(fā)和協(xié)同仿真方式。利用層次分解的方法，整個動力系統(tǒng)可分為設備模塊建模、邏輯控制模塊建模和功能模塊建模等3個部分。每個模塊部分又可以分解為若干獨立的物理設備或部件，例如柴油機設備模塊可分解為調(diào)速器子模塊、供油裝置子模塊、柴油機本體子模塊、增壓器子模塊等，模塊之間相互獨立，構(gòu)成系統(tǒng)設備模型庫。

機電綜合模擬器仿真服務器可以在系統(tǒng)下同時執(zhí)行多個數(shù)學模型程序，并使之自動保持同步。SimuEngine軟件最小仿真步長為10 ms，數(shù)據(jù)刷新時間步為50 ms，可滿足某型艇機電模擬器仿真的要求。仿真系統(tǒng)提供了應用程序開發(fā)接口，利用這些接口，可以完成對系統(tǒng)狀態(tài)的訪問、網(wǎng)絡實時數(shù)據(jù)庫的訪問與修改以及工況文件的讀取與保存等。

3 機電綜合模擬器的實現(xiàn)

某型艇機電綜合模擬器總體結(jié)構(gòu)設計如圖3所示，其主要包括模擬盤臺、接口系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、教練員計算機和投影顯示系統(tǒng)等。每個盤臺內(nèi)置一臺仿真計算機和一套PLC模塊。PLC模塊主要包括電源模塊、CPU、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊等。根據(jù)盤臺輸入輸出數(shù)據(jù)的類型及數(shù)量不同，各盤臺的PLC模塊略有不同。所有PLC模塊、仿真計算機、示教投影計算機、教練員計算機通過網(wǎng)絡交換機集成為一個網(wǎng)絡。

圖3 某型艇機電綜合模擬器結(jié)構(gòu)示意

其運行流程：利用PLC數(shù)據(jù)采集模塊采集模擬盤臺操控數(shù)據(jù)信息，經(jīng)仿真計算機處理，通過系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸給教練員計算機，教練員計算機經(jīng)后臺處理，通過網(wǎng)絡系統(tǒng)由輸出模塊反饋至模擬盤臺，通過盤臺儀器儀表和軟件界面顯示設備運行狀態(tài)，也可經(jīng)調(diào)用輸出至投影顯示系統(tǒng)。教練員計算機運行實時管理仿真平臺，通過網(wǎng)絡交換機實時監(jiān)控所有的操控仿真盤臺和仿真計算機，處理各設備運行數(shù)據(jù)信息，調(diào)度各設備運行程序，實現(xiàn)各仿真設備協(xié)同實時運行、系統(tǒng)工作狀態(tài)設置等功能。示教投影計算機用于操控機艙各設備(系統(tǒng))，結(jié)合通過網(wǎng)絡交換機接收的設備運行信息，將機艙運行狀態(tài)通過投影系統(tǒng)顯示，并將操控信息傳輸給網(wǎng)絡交換機。

3.1 圖形監(jiān)控軟件

圖形監(jiān)控軟件實現(xiàn)機電綜合模擬器各種交互界面設計和硬件設備系統(tǒng)的監(jiān)控。通過采集訓練模擬器各分系統(tǒng)控制臺的開關量和模擬量信號，經(jīng)過計算機運算，將產(chǎn)生的控制信號經(jīng)網(wǎng)絡接口系統(tǒng)送至輸出設備顯示，實現(xiàn)硬件設備系統(tǒng)的監(jiān)控功能。機電綜合模擬器交互界面設計如圖4所示。

圖4 機電綜合模擬器交互界面設計

機電綜合模擬器圖形監(jiān)控系統(tǒng)設備布置和外觀設計是以實船為基礎，操作人員獲得的感受與實船相同。設計過程中，將監(jiān)控軟件的基本功能進行分解并模塊化，同時進行界面顯示、數(shù)據(jù)的采集存儲、內(nèi)部邏輯程序的執(zhí)行和其他程序的協(xié)作通信等，以提高設計開發(fā)效率和軟件的可維護性。同時，系統(tǒng)開發(fā)了基于計算機的虛擬操作盤臺，加入了多種輔助教學功能，能使操作人員更好地了解裝置原理、明確操作流程，達到更好的培訓效果。

3.2 基于PLC的計算機接口系統(tǒng)

計算機接口系統(tǒng)將各物理操控臺的操作和控制信號轉(zhuǎn)換為計算機能接受的標準信號，并通過網(wǎng)絡將這些信號傳遞到仿真計算機，同時將計算機發(fā)出的控制信號和仿真參數(shù)轉(zhuǎn)換為操控臺的聲光、儀表指示等外部信號。系統(tǒng)采用西門子公司的S7-200系列PLC作為接口系統(tǒng)。

基于PLC網(wǎng)絡的接口系統(tǒng)，大大提高了整個訓練系統(tǒng)的抗干擾能力。PLC從硬件到軟件，從設計到制造都考慮到抗干擾問題，采用各種措施切斷或阻塞干擾源。PLC還增強了系統(tǒng)的可靠性和可擴展性。某些控制部位的輸入信號經(jīng)PLC采集后，需馬上直觀地顯示操作結(jié)果(如試燈功能)，利用PLC優(yōu)異的邏輯控制能力，還可將這一部分控制程序?qū)懺赑LC的存儲器中，既充分利用了PLC靈活方便的編程功能，還可以減輕整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交互量，提高監(jiān)控計算機處理數(shù)據(jù)的效率。PLC實現(xiàn)邏輯控制主要包括系統(tǒng)燈試、系統(tǒng)巡檢等功能。以電機控制板的交流絕緣檢測箱為例，交流絕緣檢測的PLC程序流程如圖5所示。

圖5 PLC絕緣檢測程序流程

交流絕緣檢測主要功能，是測量或者檢測頻率為50 Hz和400 Hz的24路非耦合交流線圈的絕緣電阻，利用PLC實現(xiàn)系統(tǒng)自動檢測電器組件絕緣電阻。系統(tǒng)在工作時，電器線路的絕緣電阻低于設定值，則發(fā)出燈光和聲音報警信號，監(jiān)控臺上相應的指示燈自動接通。系統(tǒng)進行下一次信號自動檢測，輸出信號保留，直到該系統(tǒng)絕緣電阻不低于設定值為止。系統(tǒng)一般會設定一個上限值和一個下限值。當被檢測線路絕緣電阻低于給定上限設定值時，監(jiān)控臺上該線路檢測發(fā)光二極管綠色燈亮；如果低于下限設定值，監(jiān)控臺上線路檢測發(fā)光二極管紅色燈亮。

3.3 數(shù)據(jù)通信機制

某型艇機電綜合模擬器采用TCP/IP協(xié)議，將教練臺仿真計算機、教練臺計算機和PLC接口系統(tǒng)連接在同一級以太網(wǎng)上，各PLC的I/O接口模塊連接至相應的控制臺，形成一個以交換機為中心的星形拓撲結(jié)構(gòu)。圖形監(jiān)控軟件通過OPC程序與仿真系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，并能夠利用SimuEngine提供的API接口函數(shù)實現(xiàn)考核工況、運行狀態(tài)和各種故障的設置。機電綜合模擬器系統(tǒng)中，PLC控制器與控制臺上的硬件設備相連，并通過監(jiān)控軟件與仿真軟件之間進行通信。同時，PLC的AI/DI模塊將控制臺上開關和按鈕的狀態(tài)實時地傳遞給圖形監(jiān)控軟件，仿真軟件將運算后的數(shù)據(jù)賦值給PLC的AO/DO模塊，控制控制臺上指示燈和儀表的變化。某型艇機電綜合模擬器數(shù)據(jù)處理和傳輸流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理和傳輸流程

AI/DI模塊變量通過 PLC控制器與控制臺上的硬件設備相連，并通過管理平臺與仿真服務器之間進行通信，管理平臺系統(tǒng)主要由組態(tài)軟件開發(fā)實現(xiàn)，通過OPC程序與仿真系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，能夠利用SimuEngine提供的API接口函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、存儲，然后調(diào)用仿真模型模塊進行數(shù)據(jù)處理。機電綜合模擬器數(shù)據(jù)的接收、運算、發(fā)送，形成一個閉式的數(shù)據(jù)流，其數(shù)據(jù)通信機制如圖7所示。

圖7 機電綜合模擬器通信機制

4 結(jié) 語

本文以某型艇動力系統(tǒng)為研究對象，研究與開發(fā)了該型艇機電綜合模擬器。采用以太網(wǎng)技術，以PLC為計算機接口系統(tǒng)，構(gòu)成了機電綜合模擬器硬件系統(tǒng)的核心。軟件系統(tǒng)以仿真建模和監(jiān)控軟件開發(fā)為重點，構(gòu)建接近實船的設備響應特性和系統(tǒng)操作界面。某型艇機電綜合模擬器已在院校學員學習訓練及輪機管理人員的培訓中發(fā)揮了重要作用，具有較高的推廣價值和應用前景。

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(編輯：史海英)

Development of Electromechanical Simulator of Some Watercraft

NIE Wei, ZHANG Jin, REN Changhe, SHEN Jun

(Power Command Department, Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang 212003, China)

To solve the training problems in electromechanical department of some watercraft, the paper presents the overall design program of the electromechanical simulator with its power system as the study object, and establishes a simulation system which can carry out many courses, such as main engine, power station, auxiliary engine, machinery control, main engine remote control, machinery integrated management. It also debugs the hardware of the system. The electromechanical simulator has achieved good effect in training and teaching.

power system; training simulator; monitoring system; PLC (programmable logic controller)

2016-04-23；

2016-10-26．

聶 偉(1987—)，男，博士，講師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.01.021

TP391.9

A

1674-2192(2017)01- 0091- 05