基于雙PLC協(xié)同的機(jī)電設(shè)備維修實(shí)訓(xùn)臺(tái)設(shè)計(jì)

劉宗凱， 趙立強(qiáng)， 楊小強(qiáng)

（1.陸軍工程大學(xué)， 江蘇 南京 210007； 2.93552部隊(duì)氣象臺(tái)， 河北 石家莊 050081）

引言

某型裝備作為一種典型的新型機(jī)電設(shè)備，由底盤車、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和發(fā)射裝填系統(tǒng)等機(jī)電部件組成，全車具有高度的自動(dòng)化、信息化和集成化。該設(shè)備工作原理、組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在訓(xùn)練、演示和維修過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障，如發(fā)射操作裝置失靈、機(jī)械裝置不動(dòng)作、檢測(cè)信息無(wú)顯示或示值異常、定位定向系統(tǒng)工作異常、液壓系統(tǒng)工作異常等，導(dǎo)致這些故障的原因很多且故障現(xiàn)象與故障原理之間的邏輯關(guān)系具有模糊性和非線性。因此，如何判斷該裝備各種總成或系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及在出現(xiàn)故障后進(jìn)行診斷和維修，是使用單位所面臨的一個(gè)難題。本文在分析該裝備工作原理、結(jié)構(gòu)組成和故障機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出維修實(shí)訓(xùn)臺(tái)的研制思路，設(shè)計(jì)了硬件與軟件技術(shù)方案并完成了實(shí)訓(xùn)臺(tái)的研制。

1 某型裝備工作裝置的工作原理分析

某型機(jī)電設(shè)備上裝部分主要由發(fā)射裝置、裝填裝置和控制系統(tǒng)等組成。其中發(fā)射裝置包括定向器、搖架、回轉(zhuǎn)機(jī)、電動(dòng)高低機(jī)、電動(dòng)方向機(jī)、手搖傳動(dòng)裝置和千斤頂?shù)?，裝填裝置包括壓彈裝置、彈架、彈架固定器和升起裝置等，控制系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)、發(fā)火系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等。某型機(jī)電設(shè)備進(jìn)行布雷作業(yè)時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行發(fā)射前準(zhǔn)備工作，使裝備進(jìn)入發(fā)射陣地、操作支撐千斤頂使裝備處于發(fā)射準(zhǔn)備狀態(tài)，然后與指揮車的指控系統(tǒng)建立通信聯(lián)系、完成定位定向設(shè)置、進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)和接收目標(biāo)信息；在完成發(fā)射裝備工作后，通過(guò)控制系統(tǒng)，使得發(fā)射架解脫，啟動(dòng)高低、方向電機(jī)擴(kuò)大機(jī)，通過(guò)調(diào)炮機(jī)構(gòu)完成自動(dòng)或半自動(dòng)調(diào)炮到位；最后裝定發(fā)火操作，主要內(nèi)容是電子引信的裝定與檢測(cè)、地雷自毀時(shí)間裝定與檢測(cè)、發(fā)火設(shè)定、發(fā)射操作以及裝配藥盤引信的布雷彈發(fā)射操作[1]。

該裝備完成上述任務(wù)，需由各個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作方能順利完成。其中起主要作用的控制系統(tǒng)、裝填系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)部件包括主控計(jì)算機(jī)、發(fā)火儀、定位定向裝置、PLC控制箱、高低擴(kuò)大機(jī)和高低電機(jī)、方向擴(kuò)大機(jī)和方向電機(jī)、高低與方位角測(cè)量傳感器等。這些機(jī)構(gòu)在控制系統(tǒng)的管理下，依照既定的邏輯順序，通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成布雷作業(yè)。該裝備上裝主要機(jī)構(gòu)（裝置）的組成如圖1所示。

圖1 上裝主要部件組成框圖

2 某型機(jī)電設(shè)備維修訓(xùn)練平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

2.1 維修實(shí)訓(xùn)臺(tái)功能需求分析

根據(jù)該裝備工作原理與故障特點(diǎn)分析可知，維修實(shí)訓(xùn)臺(tái)應(yīng)具有上裝工作原理演示、工作裝置故障設(shè)置與模擬、仿實(shí)裝操作與虛擬場(chǎng)景同步控制等三大功能[2]。

上裝工作原理演示功能主要用于向用戶展示布雷車發(fā)射系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等的工作原理，通過(guò)二維原理圖與三維動(dòng)態(tài)工作過(guò)程的有機(jī)結(jié)合，形象地展示了上裝各個(gè)組成部件（機(jī)構(gòu)）的具體位置、形狀結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)等，講解、演示布雷車的工作原理。

工作裝置的故障設(shè)置與模擬功能用于上裝電控系統(tǒng)、操作機(jī)構(gòu)、發(fā)射裝置和其他部分的故障現(xiàn)象與特點(diǎn)，并提供靈活的故障設(shè)置、故障現(xiàn)象與原因追蹤、故障的仿真與排除等功能。由于某型機(jī)電設(shè)備的操縱機(jī)構(gòu)既有手動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)操作機(jī)構(gòu)又設(shè)置了電控元器件和鍵盤式交互元件，而其工作裝置又包含機(jī)械、液壓、電氣、氣動(dòng)等多種系統(tǒng)的控制元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，故障種類和分布范圍廣，邏輯復(fù)雜難以模擬。因此，采用雙PLC協(xié)同、計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景演示、操控面板輔助等手段，以實(shí)現(xiàn)故障模擬、靈活設(shè)置、指導(dǎo)排除和智能教學(xué)等功能。

仿實(shí)裝操作與虛擬場(chǎng)景同步功能主要用于該裝備仿真實(shí)裝操作機(jī)構(gòu)與布雷過(guò)程的虛擬演示場(chǎng)景之間的同步，通過(guò)主控計(jì)算機(jī)、顯控臺(tái)、操作裝置、三維虛擬場(chǎng)景模擬軟件等共同完成某型機(jī)電設(shè)備全部作業(yè)的仿實(shí)裝操作和全過(guò)程的虛擬演示，為受訓(xùn)人員提供了全套的虛擬仿真操作、維修與故障排除環(huán)境。

2.2 維修訓(xùn)練平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

維修訓(xùn)練平臺(tái)采用雙PLC協(xié)同系統(tǒng)構(gòu)成控制核心，外圍電路包括模擬手動(dòng)部件、顯控臺(tái)、操作面板測(cè)點(diǎn)、電機(jī)控制模塊、模擬液壓閥組箱、主控計(jì)算機(jī)、視景計(jì)算機(jī)、箱體及信息電纜等組成。維修訓(xùn)練平臺(tái)的三維虛擬維修軟件運(yùn)行于視景計(jì)算機(jī)中，通過(guò)串行總線與雙PLC實(shí)現(xiàn)信息交互，以及虛擬場(chǎng)景與實(shí)際操作的動(dòng)作聯(lián)動(dòng)與同步。其總體技術(shù)方案如圖2所示。

圖2 維修實(shí)訓(xùn)臺(tái)總體技術(shù)方案

模擬手動(dòng)部件主要包括高低手輪與方向手輪，采用與原車相同的原理設(shè)計(jì)，能夠準(zhǔn)確模擬原車操作動(dòng)作，其內(nèi)部的傳感器將手輪操作信號(hào)通過(guò)信號(hào)電纜傳入實(shí)裝PLC中，進(jìn)行工作原理演示、故障設(shè)置與排除等。顯控臺(tái)承擔(dān)與原車顯控臺(tái)相同的功能，主要由控制開關(guān)、數(shù)字式電壓表、陣列式到位顯示指示燈、控制指標(biāo)燈等組成，模擬實(shí)裝的控制流程，用于控制虛擬視景中的定向管、推彈架、千斤頂作業(yè)過(guò)程，仿真顯示該裝備的液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、整車電源狀態(tài)，而陣列式顯示燈用于指示虛擬場(chǎng)景中定向管內(nèi)火箭布雷彈的裝填情況。操作面板測(cè)點(diǎn)（測(cè)量模塊）主要為用戶提供布雷車電氣與火控系統(tǒng)故障判斷與排除過(guò)程中的測(cè)點(diǎn)設(shè)置，該模塊同時(shí)接收雙PLC控制系統(tǒng)中的主控PLC和實(shí)裝PLC的控制信號(hào)[3]。分析可知，實(shí)裝PLC主要負(fù)責(zé)采集模擬手動(dòng)部件輸入的高低角和方位角信號(hào)、顯控臺(tái)輸入的定位管狀態(tài)信號(hào)、推彈架狀態(tài)信號(hào)、千斤頂位置信號(hào)及布雷彈中的地雷控制信號(hào)、操作面板測(cè)點(diǎn)的故障信號(hào)設(shè)置與狀態(tài)識(shí)別等，這些信號(hào)既有模擬量，又有開關(guān)量且通道數(shù)較多，因此單獨(dú)設(shè)置實(shí)裝PLC完成上述功能，實(shí)裝PLC對(duì)這些信息進(jìn)行處理后，再通過(guò)I/O口線將必要的信號(hào)傳輸給主控PLC并接收其下達(dá)的指令信號(hào)，這樣既減少了主控PLC的資源負(fù)擔(dān)，又將系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)與處理，提高了實(shí)訓(xùn)臺(tái)的執(zhí)行效率。

而主控PLC主要處理與視景計(jì)算機(jī)中的虛擬維修軟件的動(dòng)作協(xié)同與控制、接收主控計(jì)算機(jī)（火控計(jì)算機(jī)）發(fā)來(lái)的地雷裝定、自毀、退電等控制信號(hào)和模擬液壓閥組的輸入信號(hào)，并向操作面板測(cè)點(diǎn)下達(dá)故障設(shè)置信號(hào)以及與實(shí)裝PLC進(jìn)行協(xié)同工作。這種雙PLC協(xié)同設(shè)計(jì)策略，既滿足了實(shí)訓(xùn)臺(tái)工作原理演示、故障設(shè)置判斷與排除、仿實(shí)裝操作訓(xùn)練與虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)同步等功能，又實(shí)現(xiàn)了功能、結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)與處理，降低了整體成本，提高了設(shè)備執(zhí)行效率。維修實(shí)訓(xùn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。

圖3 維修實(shí)訓(xùn)臺(tái)結(jié)構(gòu)布局圖

2.3 維修實(shí)訓(xùn)臺(tái)PLC控制系統(tǒng)開發(fā)

雙PLC協(xié)同控制系統(tǒng)是整個(gè)維修實(shí)訓(xùn)臺(tái)的核心，其主要功能如下頁(yè)圖4所示。

2.3.1 主控PLC設(shè)計(jì)

以故障設(shè)置模塊工作原理為例，介紹主控PLC的設(shè)計(jì)與原理[4]。

如下頁(yè)圖5所示為故障設(shè)置工作原理簡(jiǎn)圖，從圖中可以清楚的看到兩個(gè)PLC的工作關(guān)系。執(zhí)行元件采用指示燈模擬，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，主控PLC將電路斷開，執(zhí)行元件指示燈熄滅，檢測(cè)測(cè)點(diǎn)2，若測(cè)點(diǎn)2有電，則可斷定為執(zhí)行元件故障；若測(cè)點(diǎn)2無(wú)電壓信號(hào)，根據(jù)電路系統(tǒng)工作原理，繼續(xù)向前一級(jí)進(jìn)行排查，檢測(cè)測(cè)點(diǎn)1電壓值，測(cè)點(diǎn)1若無(wú)信號(hào)則為前一級(jí)故障，須再往前一級(jí)排查，直至故障準(zhǔn)確定位。某型機(jī)電設(shè)備液壓系統(tǒng)及電傳動(dòng)系統(tǒng)部分故障設(shè)置均采用此原理進(jìn)行設(shè)置。

圖4 雙PLC控制系統(tǒng)工作原理圖

圖5 故障設(shè)置原理簡(jiǎn)圖

維修實(shí)訓(xùn)臺(tái)中，主控PLC共有131個(gè)輸入輸出點(diǎn)，部分I/O地址分配如表1所示。

表1 主控PLC部分輸入輸出地址分配表

2.3.2 實(shí)裝PLC設(shè)計(jì)

實(shí)裝PLC是某型機(jī)電設(shè)備控制的核心，具有邏輯判斷、順序控制、計(jì)數(shù)等功能。按照其功能可以將PLC劃分為自動(dòng)控制模塊、半自動(dòng)控制模塊和到位信號(hào)處理模塊。實(shí)裝PLC與原車PLC不同的是增加了PLCA-O-S1、PLCA-O-S1兩路信號(hào)，用于區(qū)分正常信號(hào)和減速信號(hào)。實(shí)裝PLC根據(jù)某型機(jī)電設(shè)備實(shí)際控制原理進(jìn)行開發(fā)，主要分為自動(dòng)控制模塊、半自動(dòng)控制模塊和到位信號(hào)處理模塊。每個(gè)功能模塊的輸入輸出信號(hào)分散于不同的PLC擴(kuò)展模塊中。下面以自動(dòng)控制模塊為例予以說(shuō)明。

實(shí)裝中，PLC中自動(dòng)控制模塊主要接收主控計(jì)算機(jī)的輸入信號(hào)。在平臺(tái)設(shè)計(jì)中，主控PLC輸出模擬信號(hào)作為實(shí)裝PLC的輸入端，代替主控計(jì)算機(jī)的RDC板，這一部分設(shè)計(jì)與實(shí)裝工作原理相同。

如圖6所示，上方輸入信號(hào)為主控計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)，在平臺(tái)設(shè)計(jì)中為主控PLC的輸出信號(hào)，主控PLC在一定程度上取代了原車中主控計(jì)算機(jī)的RDC板的作用。下方為手動(dòng)電阻控制器輸入信號(hào)，直接與模擬手動(dòng)操縱部件相連，輸入電壓為0～±5 V；下方左側(cè)為經(jīng)過(guò)判斷后輸出的正常信號(hào)或減速信號(hào)。“啟動(dòng)高低、方向擴(kuò)大機(jī)”為開關(guān)量輸入信號(hào)，直接與顯控臺(tái)中擴(kuò)大電機(jī)開關(guān)連接，控制擴(kuò)大電機(jī)的啟動(dòng)與停止。

圖6 自動(dòng)控制模塊

西門子PLC的符號(hào)表和硬件物理地址均可以在STEP7中進(jìn)行分配和定義，在STEP7中分配I/O地址可以在程序設(shè)計(jì)之前進(jìn)行，也可以在應(yīng)用程序完成后在進(jìn)行分配。I/O地址的分配原則與主控PLC相同。主控PLC與實(shí)裝PLC的信號(hào)通道較多，由于篇幅所限，具體的I/O地址分配和符號(hào)表在此不一一列出。

3 維修訓(xùn)練平臺(tái)軟件系統(tǒng)開發(fā)

維修訓(xùn)練系統(tǒng)軟件分為結(jié)構(gòu)組成、工作原理、維護(hù)保養(yǎng)、故障排除及系統(tǒng)幫助五大模塊，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖7所示。在軟件系統(tǒng)開發(fā)中工作原理演示與故障設(shè)置與排除模塊是軟件系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

工作原理模塊功能主要是配合某型機(jī)電設(shè)備動(dòng)作和語(yǔ)音講解，在半透明化的三維模型中，演示某型機(jī)電設(shè)備作業(yè)時(shí)內(nèi)部的工作原理。進(jìn)入工作原理演示界面后，操作平臺(tái)的操縱部件完成布雷作業(yè)，軟件系統(tǒng)可以根據(jù)受訓(xùn)者的操作，配合模擬某型機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)演示某型機(jī)電設(shè)備的工作原理[5]。對(duì)于軟件設(shè)計(jì)而言，工作原理演示模塊與故障設(shè)置模塊一致，機(jī)械運(yùn)動(dòng)模擬是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖7 軟件功能結(jié)構(gòu)

故障設(shè)置模塊的開發(fā)要求進(jìn)入故障設(shè)置模塊后，選擇相應(yīng)的故障現(xiàn)象，軟件系統(tǒng)將故障信號(hào)發(fā)送至實(shí)訓(xùn)臺(tái)，在實(shí)訓(xùn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)故障的模擬。故障邏輯關(guān)系梳理是故障設(shè)置模塊開發(fā)的基礎(chǔ)，軟件系統(tǒng)故障模式設(shè)計(jì)與信號(hào)發(fā)送是該模塊開發(fā)的關(guān)鍵。

結(jié)構(gòu)組成模塊主要針對(duì)某型機(jī)電設(shè)備上裝部分的總成部件進(jìn)行學(xué)習(xí)和考核，學(xué)習(xí)模式下，學(xué)習(xí)的內(nèi)容包括某型機(jī)電設(shè)備各系統(tǒng)中每個(gè)組成部件的位置、作用、部件模型細(xì)節(jié)、相關(guān)理論知識(shí)等；考核模式下，系統(tǒng)從題庫(kù)中隨機(jī)抽取100道判斷題組成臨時(shí)考卷，對(duì)學(xué)員的理論學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核，加強(qiáng)學(xué)員對(duì)組成結(jié)構(gòu)理論知識(shí)的記憶程度。

3.1 視景軟件的動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)構(gòu)建

該裝備裝填彈過(guò)程包含升架、推架、退架、落架4個(gè)動(dòng)作，在動(dòng)畫設(shè)計(jì)時(shí)用升落架動(dòng)畫、推退架動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)。實(shí)際裝備上，升架、推架、退架、落架4個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行需要滿足某些前置條件，如：只有彈架退回之后才能執(zhí)行落架和升架操作；只有彈架升到頂之后才能執(zhí)行推架和退架操作。

在軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)升架、推架、退架、落架的動(dòng)畫都需要有前置條件，前置條件滿足時(shí)才能進(jìn)行相應(yīng)操作，每個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行被若干個(gè)狀態(tài)量所控制，這些狀態(tài)量是各種到位信號(hào)，控制裝填彈動(dòng)作的到位信號(hào)主要包括4個(gè)，即：落架到位、升架到位、推架到位、退架到位。落架到位、升架到位是升落架動(dòng)畫的狀態(tài)量，推架到位、退架到位是推退架動(dòng)畫的狀態(tài)量，每一個(gè)動(dòng)畫在任意一個(gè)時(shí)刻只能處于一種狀態(tài)。動(dòng)畫狀態(tài)關(guān)系如圖8所示。

3.2 軟件模塊的實(shí)現(xiàn)

圖8 動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)

以工作原理軟件運(yùn)行界面為例說(shuō)明。整個(gè)程序在Unity3D三維虛擬場(chǎng)景開發(fā)軟件中構(gòu)建，采用C#語(yǔ)言并結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)和三維模型生成等開發(fā)。工作原理軟件運(yùn)行界面布局包含UI菜單、透明模型、動(dòng)畫模型等元素，其中動(dòng)畫模型位于右下角的小窗口中，如圖9所示。

圖9 工作原理運(yùn)行界面布局

4 結(jié)論

基于模塊化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和故障檢測(cè)技術(shù)，硬件上采用雙PLC協(xié)同技術(shù)，軟件上采用Unity3d三維虛擬現(xiàn)實(shí)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和C#語(yǔ)言等，開發(fā)了某型機(jī)電設(shè)備維修訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)臺(tái)。該平臺(tái)能有效地解決部隊(duì)維修保障訓(xùn)練難以開展的難題。其推廣應(yīng)用可以大幅降低訓(xùn)練成本，提高訓(xùn)練效率，對(duì)促進(jìn)部隊(duì)保障力生成具有重要意義。