機(jī)電設(shè)備維修模擬訓(xùn)練通用平臺設(shè)計

朱保國， 劉法恒， 胡曉光， 楊小強(qiáng)

（1.陸軍工程兵軍代局， 北京 100093； 2.陸軍工程大學(xué)， 江蘇 南京 210007）

引言

隨著計算機(jī)技術(shù)、裝備仿真模擬技術(shù)的發(fā)展，大量的機(jī)電設(shè)備維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于建筑工程機(jī)械、航空航天、軍事裝備等各個領(lǐng)域，對提高裝備的使用效率和維修保障能力起到了非常顯著的作用。但現(xiàn)有的這些維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，在研發(fā)時需要對每一型號裝備獨(dú)立研發(fā)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，存在諸多缺陷，如占用場地面積大、研制配套經(jīng)費(fèi)高、設(shè)備利用率低、通信模式不一致的問題已經(jīng)十分凸顯。因此，本文提出采用通用總線技術(shù)、模塊化技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)進(jìn)行機(jī)電裝備維修模擬訓(xùn)練通用平臺的開發(fā)，對各類裝備維修模擬訓(xùn)練平臺的硬件、軟件和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化分解和設(shè)計，將“型號裝備專用操控臺”拓展細(xì)化為“機(jī)電裝備維修模擬訓(xùn)練通用平臺”與“裝備專用操控模塊”，通過在“機(jī)電裝備維修模擬訓(xùn)練通用平臺”上更換“裝備專用操控模塊”來實現(xiàn)不同裝備的維修模擬訓(xùn)練功能[1]。

1 通用模擬維修訓(xùn)練平臺總體方案設(shè)計

由于通用平臺需實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整，故將平臺整體劃分為操控面板和柜體兩大部分，操控面板可相對柜體進(jìn)行位置調(diào)整，平臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為滿足維修模擬訓(xùn)練要求，操控面板和控制柜中分別安裝集成各功能模塊，而這些模塊又分別是CAN總線上的通信節(jié)點(diǎn)。平臺選用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用PLC的數(shù)字運(yùn)算與邏輯運(yùn)算等功能配合其他功能模塊實現(xiàn)裝備的維修模擬訓(xùn)練。該訓(xùn)練系統(tǒng)功能主要包括以下六部分。

圖1 系統(tǒng)總體組成框圖

1）通用化功能。機(jī)電裝備維修模擬訓(xùn)練通用平臺采用“n+1”模式實現(xiàn)使用的通用性，“n”表示不同裝備訓(xùn)練操控模塊，“1”表示通用平臺，即可在通用平臺上開展不同裝備的維修模擬訓(xùn)練。為滿足平臺通用性功能需求，通用平臺在開發(fā)設(shè)計時需給出裝備訓(xùn)練操控模塊的通信協(xié)議規(guī)范，使不同裝備操控模塊的通信協(xié)議都具備一個通用平臺識別身份的PDU屬性。在安裝裝備操控模塊后，啟動通用平臺時，操控模塊與通用平臺成功建立通信，通用平臺控制模塊根據(jù)操控模塊的PDU屬性自動識別該裝備，同時調(diào)用該裝備的虛擬儀表和模擬訓(xùn)練軟件[2]。

2）虛擬儀表顯示功能。在實際的裝備維修訓(xùn)練過程中，為便于判定故障，常需要配合裝備儀表和其他測量儀表判定故障所在，而現(xiàn)階段的裝備維修模擬訓(xùn)練器材由于技術(shù)瓶頸、研發(fā)經(jīng)費(fèi)及時間等因素的限制，不具備與裝備相配套的參數(shù)顯示儀表，大大降低了維修模擬的訓(xùn)練效果。針對這一問題，通用平臺設(shè)計有虛擬儀表顯示功能。

3）裝備原理演示功能。在常規(guī)裝備教學(xué)中主要結(jié)合課本知識、視頻、PPT等方式達(dá)到裝備原理教學(xué)的目的，使學(xué)員在學(xué)習(xí)的過程中只注重理論知識的學(xué)習(xí)，與實踐脫節(jié)。機(jī)電裝備維修模擬訓(xùn)練通用平臺建立了與實際相似的三維模擬環(huán)境，三維模型效果與實裝基本一致，各個油路、氣路、電路完整，通過操控部件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與三維視景的交互提高學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性和訓(xùn)練效果[3]。

4）故障設(shè)置與排除功能。為滿足不同人員、不同場合的維修訓(xùn)練需要，設(shè)計平臺中的故障設(shè)置與排除具有通過自動設(shè)置故障功能，學(xué)員利用虛擬測試儀表測量相關(guān)回路檢查參數(shù)是否準(zhǔn)確，來判斷故障問題并排除故障，同時開發(fā)的考核模式還可以讓學(xué)員進(jìn)行自我考核。

5）運(yùn)行指示功能。平臺操控面板升降或翻轉(zhuǎn)時，面板上的運(yùn)行指示燈會亮起，運(yùn)動至極限位置時限位指示燈的狀態(tài)也會發(fā)生改變，當(dāng)平臺出現(xiàn)故障時，故障指示燈會亮起以提示用戶。同時平臺中設(shè)有繼電器、帶漏電保護(hù)的空氣開關(guān)等多種安全保護(hù)功能，可以防止因誤操作導(dǎo)致安全問題的發(fā)生。

6）具有與功能模塊通信的功能?；贑AN總線技術(shù)，搭建通用平臺通信協(xié)議主體，型號裝備以及其他功能模塊的通信協(xié)議只要與通用平臺通信主體相符合，就可進(jìn)行維修模擬訓(xùn)練。通用平臺中的數(shù)據(jù)通信節(jié)點(diǎn)包括虛擬儀表模塊、PLC模塊、原理演示模塊以及裝備維修操控模塊。因此平臺基于CAN總線系統(tǒng)為此四個模塊構(gòu)建通信系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理之后實現(xiàn)維修模擬訓(xùn)練功能。

2 通用模擬維修訓(xùn)練平臺關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 PLC控制技術(shù)

PLC模塊是本通用平臺的核心元件，安裝在平臺控制柜中，用于平臺的邏輯處理、順序控制、狀態(tài)掃描以及確定各模塊之間的通信機(jī)制。PLC模塊實現(xiàn)了CAN網(wǎng)絡(luò)的通信數(shù)據(jù)處理、裝備虛擬樣機(jī)的故障模擬與實裝的工作邏輯模擬等功能。同時PLC通過裝備操控模塊的PDU屬性自動識別該裝備，調(diào)用該裝備的虛擬儀表和維修訓(xùn)練軟件，滿足裝備維修模擬訓(xùn)練需求；并且PLC模塊對通用平臺姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整控制，實現(xiàn)了操控面板的高度及翻轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)[4]。

2.2 CAN總線技術(shù)

通用平臺的通信系統(tǒng)包含了原理演示計算機(jī)擴(kuò)展CAN通信模塊、工控機(jī)擴(kuò)展CAN通信模塊、PLC擴(kuò)展CAN通信模塊與裝備模擬訓(xùn)練操控擴(kuò)展CAN通信模塊，要實現(xiàn)任意兩CAN通信網(wǎng)絡(luò)消息幀的類型有標(biāo)準(zhǔn)形式和擴(kuò)展形式兩種方式。

通用平臺采用擴(kuò)展消息幀格式進(jìn)行通信協(xié)議制定，實現(xiàn)各模塊的通信以及一發(fā)多收的通信功能。在通用平臺的CAN通信網(wǎng)絡(luò)中，PLC模塊作為核心控制節(jié)點(diǎn)具有最高的控制優(yōu)先級，各通信節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收受控于核心控制節(jié)點(diǎn)。依據(jù)CAN總線系統(tǒng)的通信原理，在CAN總線上分配4個節(jié)點(diǎn)，對CAN總線各節(jié)點(diǎn)的輸入與輸出參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，分析設(shè)備的通信與控制機(jī)制，確保各通信節(jié)點(diǎn)控制方與受控方均在PLC的邏輯判斷下進(jìn)行動作與顯示[5]。同時提出了面向各型號裝備操控模塊通信協(xié)議的制定方法，便于各專業(yè)根據(jù)自身裝備特點(diǎn)與通用平臺通信協(xié)議主體制訂通信協(xié)議，完成相關(guān)型號裝備維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)。

2.3 三維建模技術(shù)

本文采用SolidWorks軟件進(jìn)行通用平臺的虛擬樣機(jī)設(shè)計。SolidWorks是由美國SolidWorks公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的三維建模設(shè)計軟件，自該軟件應(yīng)用以來，以其功能全、易學(xué)、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了設(shè)計過程中的工作效率，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的三維CAD設(shè)計軟件之一，本文運(yùn)用SolidWorks軟件對機(jī)電裝備維修模擬訓(xùn)練通用平臺進(jìn)行了虛擬樣機(jī)設(shè)計。

SolidWorks軟件具備大量設(shè)計功能插件[6]：Motion功能用于運(yùn)動仿真，確定虛擬樣機(jī)某一點(diǎn)的運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及加速度等；Simulation用于虛擬樣機(jī)的材料力學(xué)分析，確定材料處于載荷作用下的變形量等參數(shù)；Composer是SolidWorks中一款用于技術(shù)交流的插件，可實現(xiàn)虛擬樣機(jī)的再渲染、動畫視圖以及工作動畫等；Routing用于設(shè)計管型線路及電氣布線；Electrical用于設(shè)計電氣原理圖，并可根據(jù)原理圖直接生成PCB圖。

2.4 系統(tǒng)集成技術(shù)

系統(tǒng)集成技術(shù)是一門新興技術(shù)，常用于復(fù)雜的系統(tǒng)或設(shè)備中，用于實現(xiàn)系統(tǒng)或設(shè)備中的各子系統(tǒng)、子模塊的統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。本文設(shè)計的機(jī)電裝備維修模擬訓(xùn)練通用平臺是一臺機(jī)電集成設(shè)備，包含機(jī)械裝置、電氣系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。為保證平臺協(xié)調(diào)工作，本文基于CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，利用系統(tǒng)集成技術(shù)設(shè)計了平臺機(jī)械裝置、電氣系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)的集成方案，以實現(xiàn)通用平臺的預(yù)期功能。

3 通用模擬維修訓(xùn)練平臺模塊設(shè)計與集成

通用模擬維修訓(xùn)練平臺是一臺復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，是一體化計算機(jī)、開關(guān)與指示裝置套件、鍵盤套件、可更換工程裝備模擬操控模塊、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及安裝框架等系統(tǒng)的綜合集成，是集機(jī)械、電氣、總線等于一體的復(fù)雜的系統(tǒng)工程[7]。整個系統(tǒng)包括多達(dá)400余機(jī)械零部件、100余電器部件、連接電纜及其他附件等。因此，系統(tǒng)的裝配、安裝與集成是一項十分重要的任務(wù)。

3.1 通用平臺模塊構(gòu)成與系統(tǒng)集成

通用平臺裝配集成主要包括機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣控制裝置、一體化計算機(jī)、通信接口及網(wǎng)絡(luò)等部分，如圖2所示，其中通用平臺的整機(jī)安裝與集成包括以下三個方面：

圖2 通用平臺系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)

1）機(jī)械集成，主要是通用平臺的虛擬儀表系統(tǒng)固件、機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣控制裝置等的結(jié)構(gòu)集成與安裝；關(guān)鍵環(huán)節(jié)為安裝框架的設(shè)計，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣裝置、虛擬儀表工控機(jī)、原理演示計算機(jī)和其他附件的安裝和整機(jī)集成。

2）電氣集成，是指通用平臺的各種電源信號、PLC控制信號、電動推桿控制信號、鍵盤組件信號、虛擬儀表模擬信號、時鐘信號、數(shù)字信號、傳感器的輸出信號、串口信號、CAN總線信號、USB信號等電氣信號及其他控制信號的集成，電氣集成考慮的主要因素有電路抗干擾、電路損耗、電路可靠性等因素。

3）軟件（信息）集成，主要是LabVIEW開發(fā)的虛擬儀表軟件、Unity3D開發(fā)的虛擬維修訓(xùn)練軟件、數(shù)據(jù)庫等軟件系統(tǒng)的鏈接與集成，軟件集成與電氣集成緊密相關(guān)，需要考慮軟件的無縫集成、軟件的控制邏輯與數(shù)據(jù)流、控制流的協(xié)同等問題。

3.2 機(jī)械機(jī)構(gòu)的安裝集成

通用平臺的安裝框架主要由底座、主支撐架、安裝墊板、安裝承重板、安裝導(dǎo)軌、導(dǎo)線槽與機(jī)柜外殼等部分組成。通用平臺安裝框架的尺寸主要是由操控面板的重量及控制柜中各設(shè)備模塊決定的。主支撐板被直接焊接在底座上，兩側(cè)有鋼條固定，采用三角支撐設(shè)計，能夠承受較大的壓力。安裝墊板在安裝承重板和主支撐架之間，起密封作用，將控制柜和外部隔離，防止安裝件外露和外部雜物進(jìn)入而對安裝柜造成損壞達(dá)到保護(hù)控制柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。安裝承重板連接在滑塊上。采用鏤空設(shè)計減少了材料的用量和操控面板的重量。安裝構(gòu)件可以直接安裝在鏤空位置，方便安裝。同時鏤空的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了承重安裝板的承重能力。導(dǎo)軌安裝在安裝承重板上用于安裝PLC和其他部件。導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)整體安裝在主支撐架上。兩根導(dǎo)軌直接安裝在主支持架上，每根導(dǎo)軌上有兩塊滑塊，安裝板安裝在滑塊上以實現(xiàn)操控面板和運(yùn)動模塊的整體運(yùn)動。平臺控制柜中的導(dǎo)線槽采用履帶式外殼中空走線設(shè)計，履帶式外殼為多級變形，變形能力強(qiáng)，內(nèi)部空間較大，方便布線。機(jī)柜外殼后具有開門設(shè)計，方便柜中設(shè)備的安裝、檢查、維修、保養(yǎng)?？刂乒竦淖笥覂蓚?cè)分別安裝有兩個拉手，由螺釘組固定在柜體上，為保證平臺搬運(yùn)的安全性，將每個拉手可承重的最大拉力設(shè)計為100 kg左右。另外，為方便平臺的搬運(yùn)和運(yùn)輸，控制柜底座下部設(shè)計有4個萬向輪，萬向輪起導(dǎo)向作用，在實訓(xùn)平臺位置固定時可以鎖死，防止實訓(xùn)平臺工作中出現(xiàn)滑移。

3.3 電氣系統(tǒng)的安裝與集成

通用平臺電氣系統(tǒng)的組成也較為復(fù)雜，其安裝與集成的主要工作包括PLC系統(tǒng)各個模塊的安裝集成、背光燈與控制電路的連接與集成、工控機(jī)及外設(shè)的連線與集成、整機(jī)控制電路的設(shè)計與優(yōu)化、各種總線的連接與選擇、電源模塊的選擇與連接等[8]。通用平臺的電氣系統(tǒng)總體集成如下頁圖3所示。

3.4 軟件系統(tǒng)的集成

通用維修平臺的軟件由數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)、虛擬儀表軟件、維修模擬訓(xùn)練軟件、CAN總線通訊軟件和通用平臺控制軟件等構(gòu)成。軟件系統(tǒng)的集成框架如下頁圖4所示。其中數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫、故障數(shù)據(jù)庫、維修指導(dǎo)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)備份接口和實時轉(zhuǎn)儲接口等組成，是軟件系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和橋梁。數(shù)據(jù)源端由數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生器和原始數(shù)據(jù)庫等組成，當(dāng)通用平臺與工程裝備車載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)機(jī)時，可通過數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)獲取相關(guān)的實測數(shù)據(jù)。而當(dāng)通用平臺單獨(dú)運(yùn)行時，可由模擬數(shù)據(jù)采集器軟件產(chǎn)生各種故障的模擬信號并存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。軟件的應(yīng)用端主要是虛擬儀表軟件，用來模擬布雷車等工程裝備上的各種火控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)的虛擬儀表，以及維修模擬軟件，用來進(jìn)行工程裝備的原理演示、故障排除、維護(hù)保養(yǎng)等虛擬維修訓(xùn)練教學(xué)[9]。CAN通訊進(jìn)程軟件在此有重要作用，由于通用維修平臺操控端信號要求與虛擬儀表軟件和維修模擬訓(xùn)練軟件同步動作，而且后二者之間也要求能互相協(xié)同運(yùn)行，為達(dá)此目的，在軟件開發(fā)時，兩個軟件分別通過其運(yùn)行計算機(jī)的CAN端口與CAN通訊進(jìn)行交互，經(jīng)CAN進(jìn)程傳遞兩個軟件之間的交互信息，從而實現(xiàn)二者的互聯(lián)互通。

圖3 電氣系統(tǒng)集成示意圖

圖4 軟件系統(tǒng)的集成框架

軟件系統(tǒng)的集成框架中各模塊通過上述功能架構(gòu)方式實現(xiàn)協(xié)同，既能相互配合，顯示模擬維修訓(xùn)練進(jìn)程，又能單獨(dú)運(yùn)行，實現(xiàn)虛擬儀表的單獨(dú)顯示或維修訓(xùn)練過程的獨(dú)立運(yùn)行，同時還能與工程裝備實車進(jìn)行聯(lián)機(jī)檢測與故障排除維修學(xué)習(xí)。這種軟件集成模式實現(xiàn)了各軟件模塊間的松散耦合，使通用平臺軟件的各個功能模塊易于替換、擴(kuò)展和重構(gòu)，保證了系統(tǒng)的開放性和靈活性。

4 結(jié)論

該通用平臺依托《機(jī)電裝備維修模擬訓(xùn)練通用平臺的研制》科研項目，綜合運(yùn)用PLC控制技術(shù)、CAN總線技術(shù)、三維建模技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)，將機(jī)電裝備的訓(xùn)練和維修集成于一個平臺，解決了原平臺占用場地面積大、研制配套經(jīng)費(fèi)高、設(shè)備利用率低、通信模式不一致等問題，優(yōu)化了訓(xùn)練方法，創(chuàng)新了裝備平戰(zhàn)維修訓(xùn)練模式和訓(xùn)練手段，對裝備的維修保障能力快速形成具有重大現(xiàn)實意義。