船舶舵機(jī)構(gòu)模擬訓(xùn)練器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

沈 軍 聶 偉 謝小平

（鎮(zhèn)江船艇學(xué)院動(dòng)力指揮系 鎮(zhèn)江 212001）

船舶舵機(jī)構(gòu)模擬訓(xùn)練器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

沈 軍 聶 偉 謝小平

（鎮(zhèn)江船艇學(xué)院動(dòng)力指揮系 鎮(zhèn)江 212001）

論文闡述了一種船舶舵機(jī)構(gòu)模擬訓(xùn)練器的結(jié)構(gòu)組成與設(shè)計(jì)原理，通過該模擬器可以針對(duì)一些特殊情況展開模擬訓(xùn)練。該模擬器基于SimuEngine仿真平臺(tái)開發(fā)，建立了船舶舵機(jī)構(gòu)運(yùn)行仿真模型。仿真計(jì)算機(jī)通過PLC采集操控盤臺(tái)上的按鈕、開關(guān)等變量的值，并將這些變量的值傳輸?shù)絊imuEngine中進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果存儲(chǔ)到OPC Server中并且利用這些結(jié)果的值來驅(qū)動(dòng)EON Studio中的視景模型，達(dá)到模擬訓(xùn)練的目的。該模擬器在教學(xué)使用中已獲得較好的效果。

舵機(jī)構(gòu)；SimuEngine；EON；OPC

1 引言

船舶舵機(jī)構(gòu)在船舶航行時(shí)起到控制航向、保證船舶安全運(yùn)行的重要作用，掌握好船舶舵機(jī)構(gòu)的使用、操作以及維護(hù)對(duì)于學(xué)員適應(yīng)任職崗位具有較大的幫助。船舶舵機(jī)構(gòu)的操作使用、結(jié)構(gòu)展示、維護(hù)管理等方面的教學(xué)在狹小的舵機(jī)艙內(nèi)難以開展實(shí)施，所以船舶舵機(jī)構(gòu)模擬器的研制，為船舶舵的教學(xué)提供了全新的方法。

該訓(xùn)練模擬器采用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，使受訓(xùn)者既能夠形象生動(dòng)的了解船舶舵的結(jié)構(gòu)、工作原理和拆裝維修，并且可以通過操控盤臺(tái)上的開關(guān)、按鈕等控制EON Studio中的虛擬模型，進(jìn)行船舶舵機(jī)構(gòu)的模擬操作訓(xùn)練。在仿真平臺(tái)SimuEngine中建立船舶舵機(jī)構(gòu)運(yùn)行的數(shù)學(xué)仿真模型，通過PLC采集開關(guān)、按鈕等硬件變量的值，在組態(tài)軟件KingView中建立OPC Server站點(diǎn)，PLC采集到的變量值存儲(chǔ)到OPC Server中，SimuEngine同OPC Server建立連接，直接讀取站點(diǎn)中變量的值并進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果（如舵的角度、舵機(jī)工作電流等變量的值）也存儲(chǔ)在OPCServer中。VC通過OPC控件讀取OPC Server中所需要的變量的值，然后通過EON Studio自帶的EonX控件將值傳入到EON Studio中來驅(qū)動(dòng)視景模型，達(dá)到模擬操作訓(xùn)練的效果。同時(shí)，在虛擬模型中還可以通過拆裝來展示舵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，該系統(tǒng)主要由三大部分組成：第一部分為數(shù)據(jù)采集模塊，主要包括操控盤臺(tái)上的I∕O設(shè)備（燈、開關(guān)、指示儀表燈硬件）、PLC以及仿真計(jì)算機(jī)；第二部分為SimuEngine建模仿真模塊；第三部分為人機(jī)交互系統(tǒng)，包括聲音模擬系統(tǒng)、基于OPC數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)以及EON視景驅(qū)動(dòng)模塊，本文著重介紹其中的EON視景驅(qū)動(dòng)模塊。

圖1 模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

2 數(shù)據(jù)采集模塊

該模擬器采用盤臺(tái)式結(jié)構(gòu)，在操控盤臺(tái)上布置有開關(guān)、按鈕、工作電表等硬件，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用TCP∕IP協(xié)議，將仿真計(jì)算機(jī)、操控盤臺(tái)和PLC接口連接在同一級(jí)以太網(wǎng)內(nèi)，PLC的I∕O接口模塊連接至操控盤臺(tái)I∕O設(shè)備。仿真計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行kingview6.5和SimuEngine仿真支撐平臺(tái)。kingview6.5可設(shè)置I∕O變量，并將其映射到PLC相應(yīng)內(nèi)存地址以實(shí)現(xiàn)與控制臺(tái)開關(guān)、儀表、指示燈等硬件設(shè)備的通信，同時(shí)通過OPC實(shí)現(xiàn)與SimuEngine仿真支撐平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。由于PLC從硬件到軟件，從設(shè)計(jì)到制造都考慮到了抗干擾的問題，采用各種措施切斷或阻塞了干擾源，大大提高了整個(gè)訓(xùn)練系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。在確定每個(gè)PLC將要負(fù)責(zé)的變量類型和數(shù)量后，根據(jù)需要來組裝PLC。PLC的I∕O單元是連接CPU與現(xiàn)場(chǎng)I∕O設(shè)備的橋梁。I∕O模塊包括：開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出。每個(gè)I∕O模塊在機(jī)架上的位置確定好之后其單元號(hào)也隨之確定。PLC會(huì)根據(jù)單元號(hào)為其在工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的核心I∕O區(qū)分配相應(yīng)的地址用于保存數(shù)據(jù)［1～2］。

3 SimuEngine建模仿真模塊

SimuEngine是為大型科學(xué)計(jì)算、復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性建模研究、過程仿真培訓(xùn)、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與調(diào)試、故障診斷與專家系統(tǒng)等，提供通用的、一體化的、全過程支撐的，基于微機(jī)環(huán)境的開發(fā)與運(yùn)行支撐平臺(tái)。軟件采用了動(dòng)態(tài)內(nèi)存機(jī)器碼生成技術(shù)、分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)和面向?qū)ο蟮膱D形化建模方法，在仿真領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

該模擬器仿真的舵機(jī)具有兩種控制方式，機(jī)旁控制和駕駛臺(tái)控制。通過操作控制機(jī)構(gòu)來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓油泵工作，采用液壓油泵來驅(qū)動(dòng)舵的控制，舵機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力和舵角、船速、舵葉型式、舵葉吃水、轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的型式、正倒航以及轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的排量等因素有關(guān)。該模擬器應(yīng)用于教學(xué)訓(xùn)練，能夠真實(shí)的模擬實(shí)際舵機(jī)構(gòu)的操作、控制與運(yùn)動(dòng)，所以采用SimuEngine仿真平臺(tái)，利用Fortran語言進(jìn)行舵機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算［3～4］。此外，SimuEngine仿真支撐平臺(tái)具有故障設(shè)置和管理功能，通過添加故障變量，實(shí)現(xiàn)典型故障模擬，可開展故障分析及處置訓(xùn)練［3，6］。模塊間的數(shù)據(jù)流動(dòng)通過與公用變量數(shù)據(jù)庫的交互實(shí)現(xiàn)。模塊化建模方法可降低建模的復(fù)雜性，縮短建模時(shí)間，增加模型的通用性［7～8］。

通過將數(shù)學(xué)模型適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和設(shè)置假設(shè)條件，用數(shù)學(xué)形式表示船舶舵操作裝置的控制、特性和狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，構(gòu)建符合其運(yùn)行機(jī)理和控制邏輯的數(shù)學(xué)模型［9］。為了方便數(shù)學(xué)模型的建立，將數(shù)學(xué)模型分為以下4個(gè)子模塊：能量消耗計(jì)算模塊、舵及轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊、操作控制模塊、液壓系統(tǒng)壓力仿真及監(jiān)控模塊（見圖1），其中，能量消耗計(jì)算模塊用于模擬舵系統(tǒng)工作時(shí)電能的消耗，液壓系統(tǒng)壓力仿真能夠較為真實(shí)的模擬液壓系統(tǒng)壓力與各個(gè)影響因素之間的關(guān)系。

4 EON虛擬模型驅(qū)動(dòng)模塊

船舶舵機(jī)構(gòu)是用于維持或改變航向和保障船舶操縱的機(jī)動(dòng)性的重要裝置，主要由舵桿、舵葉舵、轉(zhuǎn)葉式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)、操縱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)組成，轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)子和定子，舵桿通過鍵與轉(zhuǎn)子連接固定，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)舵葉偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵。建立的數(shù)學(xué)模型能夠真實(shí)的模擬舵機(jī)構(gòu)的操作、控制及運(yùn)動(dòng)，為了讓舵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)在顯示器上更逼真的呈現(xiàn)出來，需要建立船舶舵機(jī)構(gòu)的虛擬視景模型。

使用3DSMAX建模軟件，建立舵系統(tǒng)三維模型，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。在保證模型視覺效果的前提下盡量減少模型的面片數(shù)，使模型的網(wǎng)格分布更加合理。進(jìn)行優(yōu)化處理后能夠很好的提高渲染速度以及在EON Studio中的處理速度。然后在3DSMAX中完成材質(zhì)和貼圖的設(shè)置，最后將模型生成3ds文件，導(dǎo)入到EON Studio中進(jìn)行交互設(shè)置［10～11］。

將模型導(dǎo)入到EON Studio中之后，要實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬模型的驅(qū)動(dòng)，步驟如下：

1）從OPC Server中獲取所需變量的值。

（1）在仿真計(jì)算機(jī)上安裝OPC控件。

文中系統(tǒng)安裝的是支持OPC的ActiveX工控儀表控件Iocomp，安裝完成后要對(duì)控件進(jìn)行注冊(cè)。

（2）設(shè)置iEditX控件。

加入iEditX控件后，對(duì)iEditX控件的屬性進(jìn)行設(shè)置，使其與要獲取的變量相對(duì)應(yīng)。以舵角為例，要驅(qū)動(dòng)舵角指示器指針的運(yùn)轉(zhuǎn)，就必須先獲取舵角的數(shù)值。打開iEditX控件屬性欄，對(duì)其進(jìn)行如下設(shè)置，如圖2所示：選擇其中的OPC選項(xiàng)，選擇添加value選項(xiàng)，然后選擇對(duì)應(yīng)的OPC Server中的字段Item，這樣就可以獲取到舵角的值。

圖2 OPC控件屬性設(shè)置圖

2）利用獲取的變量的值驅(qū)動(dòng)虛擬模型的運(yùn)動(dòng)。

（1）注冊(cè)EonX控件。要驅(qū)動(dòng)EON Studio中的虛擬模型，必須調(diào)用EON Studio中自帶的ActiveX控件EonX，使用前先調(diào)用regsvr32命令對(duì)控件進(jìn)行注冊(cè)［12～13］。

（2）添加與該控件相關(guān)聯(lián)的變量m_EonX1。

（3）調(diào)用如下代碼將舵機(jī)的視景文件載入到程序中（其中DuoJi.eoz為EON Studio編輯產(chǎn)生的舵機(jī)視景仿真文件）。

m_EonX1.SetSimulationFile(quot;DuoJi.eozquot;);

m_EonX1.Start();

（4）在Eon Studio中設(shè)置相對(duì)應(yīng)的變量輸入輸出節(jié)點(diǎn)。在舵腳指針節(jié)點(diǎn)下放置一個(gè)Place節(jié)點(diǎn)來設(shè)置指針的運(yùn)動(dòng)，放入如圖3所示的節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行連線設(shè)置。

（5）在VC程序的定時(shí)器中添加如下代碼來驅(qū)動(dòng)指針的轉(zhuǎn)動(dòng)：

float JiaoDu=atof(m_editx10.GetValue());

COleVariant varH;

varH.vt=VT_R4;∕確定 var的類型

varH.fltVal=JiaoDu*3.28∕1000.0;∕∕

m_EonX1.SendEvent(quot;DuoJHquot;,amp;varH);∕將 舵 角值轉(zhuǎn) 換 成轉(zhuǎn)

動(dòng)角度付給H軸

m_EonX1.SendEvent(quot;DuoJPquot;,amp;varF);∕P軸方向不轉(zhuǎn)動(dòng)

m_EonX1.SendEvent(quot;DuoJRquot;,amp;varF);∕R軸方向不轉(zhuǎn)動(dòng)

m_EonX1.SendEvent(quot;DuoStartquot;,amp;varM);∕觸發(fā)指針轉(zhuǎn)動(dòng)

這樣就可以通過舵角指針的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)時(shí)顯示舵轉(zhuǎn)動(dòng)的角度［14］。

圖3 Eon Studio中舵角指針運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)連線圖

要實(shí)現(xiàn)對(duì)指示燈的模擬顯示，跟上述舵角指針的生成方式相同，區(qū)別只是在Eon Studio中節(jié)點(diǎn)的設(shè)置方式以及VC中的代碼有所不同。在指示燈對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)下添加一個(gè)Colors節(jié)點(diǎn)和一個(gè)material節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系如圖4所示［15］，此處不再贅述。舵機(jī)構(gòu)模擬器在EON Studio中的視景顯示如圖5所示。

圖4 Eon Studio指示燈節(jié)點(diǎn)連線圖

圖5 舵機(jī)視景顯示圖

5 結(jié)語

通過對(duì)該模擬器研制，嘗試了一種新的方法，即將兩種仿真平臺(tái)結(jié)合起來使用，充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)。在SimuEngine中完成舵機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型的建立，在Eon Studio完成舵機(jī)視景的仿真，通過OPC接口實(shí)現(xiàn)兩個(gè)仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換，在SimuEngine中計(jì)算完成的結(jié)果可以傳輸?shù)紼on Studio中來實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬模型的驅(qū)動(dòng)，再結(jié)合PLC采集的硬件變量，達(dá)到既能實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的操作進(jìn)行模擬訓(xùn)練、又能通過三維模型更直觀地了解舵機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理的教學(xué)目的，對(duì)于學(xué)員全面掌握舵機(jī)構(gòu)的使用和維護(hù)具有較大的意義。

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Design and Realization of the Marine Rudder System Simulator

SHEN Jun NIE WeiXIE Xiaoping
（Power Command Department，Zhenjiang Watercraft College，Zhenjiang 212001）

The structure and design principle of a marine rudder system simulator has been described in this paper，training for special cases could be realized by this simulator.The simulation model of the marine rudder system has been established based on the simulation platform SimuEngine.Simulation computer collected the values of switch variables and button variables by the PLC，the collected values was transferred to the SimuEngine for simulation calculation.The result of simulation calculation was stored in the OPC Server and drived the viusl model in the EON Studio，the simulation training would be realised by this way.This simulator has

a good results in the teaching.

rudder mechanism，simuengine，EON，OPC

TP391.9；U664

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.025

Class Number TP391.9；U664

2017年5月8日，

2017年6月11日

沈軍，男，碩士，研究方向：船艇動(dòng)力工程和虛擬仿真。聶偉，男，博士，研究方向：船艇柴油機(jī)維修和虛擬仿真。謝小平，男，碩士，研究方向：船艇柴油機(jī)維修、故障診斷。