基于SimuWorks的船舶動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)

曹漢卿 趙光超

[摘? ? 要]針對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行仿真及模擬訓(xùn)練操作，采用SimuWorks仿真軟件構(gòu)建了船舶動(dòng)力系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái)。為解決復(fù)雜仿真模型構(gòu)建與快速輸出，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真平臺(tái)操作反饋實(shí)時(shí)性，運(yùn)用模塊化建模方法建立船舶動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型。為了達(dá)到半實(shí)物仿真平臺(tái)的在線協(xié)同性，以西門子S7-200系列PLC控制器，建立了仿真服務(wù)器與控制盤臺(tái)之間的TCP/IP通信，并利用Unity和KingView軟件開發(fā)了人機(jī)交互界面。測試表明該系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性和可操作性，可以應(yīng)用于教學(xué)和科研。

[關(guān)鍵詞]船舶動(dòng)力系統(tǒng);半實(shí)物仿真;仿真模型;人機(jī)交互

[中圖分類號(hào)]TP391.9 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）01–00–03

Semi-physical Simulation Platform of Ship Power System Based on Simuworks

Cao Han-qing，Zhao Guang-chao

[Abstract]Aiming at the real-time operation simulation and simulation training operation of ship power system， SimuWorks simulation software is used to construct a semi-physical simulation platform of ship power system. In order to solve the complex simulation model construction and rapid output， and realize the real-time performance of the semi-physical simulation platform operation feedback， the modular modeling method is used to establish the ship power system simulation model. In order to achieve the online synergy of the semi-physical simulation platform， the Siemens S7-200 series PLC controller was used to establish the TCP/IP communication between the simulation server and the control panel， and the human-computer interaction interface was developed using Unity and KingView software. Tests show that the system has good real-time performance and operability， and can be used in teaching and scientific research.

[Keywords]ship power system; hardware-in-the-loop simulation; simulation model; human-computer interaction

船舶動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備具有復(fù)雜、操作管理規(guī)范性強(qiáng)、故障和特殊工況的應(yīng)急處置要求高等特點(diǎn)。國內(nèi)外輪機(jī)專業(yè)船員培訓(xùn)一般分為理論學(xué)習(xí)、模擬訓(xùn)練和實(shí)裝訓(xùn)練3個(gè)階段。目前，依托實(shí)裝開展訓(xùn)練一方面存在缺少中間銜接環(huán)節(jié)，因缺乏對(duì)裝備操作管理的直觀體會(huì)，增加了實(shí)裝訓(xùn)練的安全風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致船員誤操作易損壞設(shè)備，且柴油機(jī)等裝置不允許在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行反復(fù)啟、停等操作，另一方面無法開展設(shè)備故障和應(yīng)急情況處置等實(shí)戰(zhàn)化背景下的課目訓(xùn)練，培訓(xùn)次數(shù)、訓(xùn)練內(nèi)容和效果都受到較大的限制。

針對(duì)上述問題，以船舶動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于SimuWorks仿真支撐平臺(tái)，開發(fā)船舶動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，突破依賴實(shí)船進(jìn)行船舶機(jī)電專業(yè)人員訓(xùn)練的局限性，該系統(tǒng)能夠在逼真的環(huán)境氛圍下開展機(jī)電專業(yè)常規(guī)課目和特殊課目的訓(xùn)練，可作為實(shí)戰(zhàn)背景下情景意識(shí)和應(yīng)急處置能力訓(xùn)練平臺(tái)，采用新手段開展船舶機(jī)電管理人員專業(yè)技能訓(xùn)練，改善當(dāng)前船舶機(jī)電裝備訓(xùn)練的現(xiàn)狀，有效規(guī)避實(shí)裝訓(xùn)練安全風(fēng)險(xiǎn)，充分發(fā)揮裝備效能，讓機(jī)電專業(yè)人員盡快掌握船舶電機(jī)電裝備的操縱性能，彌補(bǔ)實(shí)裝訓(xùn)練內(nèi)容和規(guī)模受限、效率偏低等問題，具有運(yùn)行使用成本低、易于維護(hù)管理、對(duì)場地等配套設(shè)施要求不高、便于推廣應(yīng)用等特點(diǎn)，且具有軍事經(jīng)濟(jì)效益突出，對(duì)提升船艇機(jī)電崗位培訓(xùn)的質(zhì)量和效益、船艇機(jī)電崗位實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練水平和部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體框架

船舶動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)由仿真服務(wù)器、PLC控制器、控制盤臺(tái)、管理主機(jī)和示教臺(tái)構(gòu)成，以SimuWorks仿真支撐軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件為基礎(chǔ)，利用適當(dāng)?shù)能浻布?shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力平臺(tái)系統(tǒng)的操作模擬，并給出準(zhǔn)確的反饋，從而達(dá)到對(duì)操作人員進(jìn)行訓(xùn)練的目的。船舶動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

管理主機(jī)設(shè)置訓(xùn)練的船型后，針對(duì)相應(yīng)的訓(xùn)練課目，將船舶的航行狀態(tài)、船舶動(dòng)力系統(tǒng)工作參數(shù)等信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸方式傳送給仿真服務(wù)器，仿真服務(wù)器通過SimuWorks仿真支持平臺(tái)調(diào)度仿真模型模擬實(shí)裝運(yùn)行機(jī)理及操控響應(yīng)，接收各控制盤臺(tái)的操作信息，并對(duì)信息進(jìn)行解算，同時(shí)將仿真計(jì)算結(jié)果在人機(jī)交互界面中顯示。選擇考核模式時(shí)，操作過程信息將被記錄到數(shù)據(jù)庫中，結(jié)合考核評(píng)估規(guī)則與算法，對(duì)操作進(jìn)行評(píng)估，船舶動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)還實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行及操作過程中的聲音模擬。

2 構(gòu)建船舶動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

仿真系統(tǒng)在SimuWorks仿真支撐平臺(tái)中的實(shí)現(xiàn)采用模塊化的方法，如柴油機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、螺旋槳等，根據(jù)其數(shù)學(xué)模型編制仿真模塊。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。采用模塊化建模方法建立船舶主推進(jìn)裝置模型，通過逐層分解，劃清物理邊界形成樹形結(jié)構(gòu)。理論上，對(duì)樹形結(jié)構(gòu)的深度，即系統(tǒng)進(jìn)行分解的層次是不受限制的，但合理地確定分解的層次有助于模型的建立和維護(hù)。船舶動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在仿真模型的開發(fā)過程中，以規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)建立基本設(shè)備和部件的數(shù)學(xué)模型，并將它們開發(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。船舶主推進(jìn)系統(tǒng)有控制系統(tǒng)給主機(jī)下達(dá)指令，柴油機(jī)產(chǎn)生扭矩及推力，通過推進(jìn)軸系傳遞給螺旋槳旋;螺旋槳產(chǎn)生推力，通過推力軸承傳遞給艇體，克服阻力推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)。船舶主推進(jìn)系統(tǒng)仿真模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

SimuWorks基于C/S結(jié)構(gòu)，具有多流程支持功能，可以在一套硬件系統(tǒng)上同時(shí)開發(fā)或運(yùn)行不同的仿真系統(tǒng)。船舶動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量和種類繁多，設(shè)備工作原理復(fù)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(gè)動(dòng)力系統(tǒng)可分為設(shè)備模塊建模、邏輯控制模塊建模和功能模塊建模3個(gè)部分。每個(gè)模塊部分又可以分解為若干獨(dú)立的物理設(shè)備或部件，例如柴油機(jī)設(shè)備模塊可分解為調(diào)速器子模塊、供油裝置子模塊、柴油機(jī)本體子模塊、增壓器子模塊等，模塊之間相互獨(dú)立，構(gòu)成系統(tǒng)設(shè)備模型庫。

通過仿真平臺(tái)軟件可以在系統(tǒng)下同時(shí)執(zhí)行多個(gè)數(shù)學(xué)模型程序，并使之自動(dòng)保持同步。SimuWorks軟件最小仿真步長為10ms，數(shù)據(jù)刷新時(shí)間步為50ns，可滿足動(dòng)力系統(tǒng)仿真的要求。仿真軟件提供了應(yīng)用程序開發(fā)接口，利用這些接口，可以完成對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的訪問、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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 人機(jī)交互系統(tǒng)

利用Unity和KingView軟件，實(shí)現(xiàn)各種交互界面設(shè)計(jì)和硬件設(shè)備系統(tǒng)的監(jiān)控。船舶動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)人機(jī)交互界面包括機(jī)旁操控界面和管系附屬操控界面，分別用于模擬主推進(jìn)裝置的操控及響應(yīng)，主要包括操縱手柄、按鈕、開關(guān)、指示燈、顯示儀表等交互元素，操控界面外觀及其布局與實(shí)裝一致。人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

船舶動(dòng)力系統(tǒng)訓(xùn)練模各設(shè)備控制臺(tái)上開關(guān)、按鈕、指示燈、儀表和報(bào)警面板等設(shè)備布置和外觀設(shè)計(jì)，以實(shí)船為基礎(chǔ)，使操作人員感受與實(shí)船相同。設(shè)計(jì)過程中，將監(jiān)控軟件的基本功能進(jìn)行分解并模塊化，同時(shí)進(jìn)行界面的顯示、數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)、內(nèi)部邏輯程序的執(zhí)行和其他程序的協(xié)作通訊等，提高設(shè)計(jì)開發(fā)效率和軟件的可維護(hù)性。

在界面設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用圖庫中原有的組態(tài)元素也可以自行導(dǎo)入點(diǎn)位圖實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的界面。對(duì)一些邏輯時(shí)序的控制及簡單的運(yùn)算就可以直接用其內(nèi)嵌的腳本命令來實(shí)現(xiàn)。利用組態(tài)軟件提供的種類豐富的繪圖組件和多種輔助功能模塊，可實(shí)現(xiàn)變量實(shí)時(shí)曲線繪制、歷史曲線顯示和越線報(bào)警等功能。動(dòng)力管系人機(jī)交互界面如圖5所示。

4 基于PLC的協(xié)同控制

利用KingView實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)硬件設(shè)備系統(tǒng)的監(jiān)控，可減少功能的細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)和監(jiān)控程序的架構(gòu)關(guān)心，開發(fā)人員只要將組態(tài)功能予以組合并且賦予特殊的邏輯就能實(shí)現(xiàn)想要的功能。

平臺(tái)開發(fā)過程中，首先需要的人機(jī)交互界面，其次定義所需的外部設(shè)備，然后定義內(nèi)存變量和I/O變量。內(nèi)存變量用于服務(wù)于程序本身的運(yùn)行，I/O變量則負(fù)責(zé)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。PLC控制器從盤臺(tái)中采集數(shù)據(jù)，存于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，并將數(shù)據(jù)的變化發(fā)送給人機(jī)交互界面用動(dòng)畫的方式形象地表示出來;對(duì)控制設(shè)備輸入信號(hào)，經(jīng)仿真軟件進(jìn)行邏輯判斷及仿真計(jì)算，通過PLC發(fā)送給控制臺(tái)輸出設(shè)備顯示相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的運(yùn)行數(shù)值，模擬實(shí)船的運(yùn)行數(shù)據(jù)。PLC信息交互機(jī)制如圖6所示。

KingView可以實(shí)時(shí)訪問控制臺(tái)PLC，獲得操作人員的操作信息。設(shè)置PLC參數(shù)并將每套PLC系統(tǒng)的I/O表、IP地址、子網(wǎng)掩碼等信息由上位機(jī)傳送至PLC的CPU單元中，并將模擬量I/O模塊的單元號(hào)旋鈕旋至相應(yīng)位置。組態(tài)王中需進(jìn)行PLC設(shè)備定義、I/O變量定義及內(nèi)存變量定義，然后采用Bit（）和BitSet（）函數(shù)完成I/O離散變量的讀寫。I/O模擬變量選用相應(yīng)的PLC模擬量輸入輸出模塊，采集電位器信息，經(jīng)上位機(jī)處理運(yùn)算后輸出給儀表。

SimuWorks與KingView之間的通訊以O(shè)PC規(guī)范為基礎(chǔ)。其本質(zhì)是跨進(jìn)程的DCOM調(diào)用，因此通訊前必須作相應(yīng)的DCOM配置確保雙方獲得足夠的調(diào)用權(quán)限。通過完成相應(yīng)的電腦配置，就可以實(shí)現(xiàn)在OPC服務(wù)器和OPC客戶端之間進(jìn)行通信，只要符合OPC服務(wù)器的規(guī)范，OPC客戶都可與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

KingView軟件SQL訪問功能將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以一定的方式保存到操作過程數(shù)據(jù)庫中。它由SQL訪問管理器來實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的通信。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過KingView訪問管理器實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫之間建立數(shù)據(jù)交互通道，然后創(chuàng)建數(shù)據(jù)訪問方式，也就是表格模板，和數(shù)據(jù)庫中表相對(duì)應(yīng)，包含相同的數(shù)據(jù)變量，這樣數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ)就建立完成。KingView首先在系統(tǒng)ODBC數(shù)據(jù)源中添加數(shù)據(jù)庫，然后通過SQL訪問管理器和SQL函數(shù)實(shí)現(xiàn)各種操作。SQL函數(shù)可以在KingView的任意一種命令語言中調(diào)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問的各項(xiàng)操作。

5 結(jié)論

本文根據(jù)船舶動(dòng)力系統(tǒng)在教學(xué)和科研中的實(shí)際需求，采用SimuWorks仿真軟件、PLC控制器等構(gòu)建了一個(gè)船舶動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了船舶動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真與模擬操作，運(yùn)用模塊化建模方法提高了船舶動(dòng)力系統(tǒng)仿真速度，并通過TCP/IP通信在線協(xié)同控制各盤臺(tái)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)操作人員模擬訓(xùn)練功能，該系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)和培訓(xùn)中得到較好的應(yīng)用，達(dá)到了設(shè)計(jì)的需求。

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