基于VME 與PLC 的動力裝置訓練系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)*

肖劍波 聶 偉 張喬斌 胡大斌

（1.海軍工程大學艦船與海洋學院 武漢 430033）

（2.陸軍軍事交通學院鎮(zhèn)江校區(qū) 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

動力裝置是艦船的核心，其功能的發(fā)揮不僅影響艦船機動性能，對軍艦而言，更會進一步影響其作戰(zhàn)效能?，F(xiàn)代艦船動力系統(tǒng)自動化程度高、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，如何實現(xiàn)動力裝置操作管理人員的高效培訓，成為當今各海事培訓機構(gòu)和海軍等面臨的難題。隨著虛擬建模、計算機仿真等技術(shù)的成熟及推廣應(yīng)用，船舶動力裝置模擬訓練系統(tǒng)逐步成為主流，在船舶操作人員崗前培訓方面發(fā)揮了重要作用。

針對不同的研究目的，船舶動力系統(tǒng)仿真研究主要分為設(shè)計仿真和訓練仿真。設(shè)計仿真主要研究動力系統(tǒng)及其部件的動穩(wěn)態(tài)特性，以及系統(tǒng)在不同控制策略下的性能；而訓練仿真以研制訓練模擬系統(tǒng)為主要內(nèi)容，主要是訓練設(shè)備及其控制系統(tǒng)的操作者，這種訓練系統(tǒng)包括計算機輔助訓練系統(tǒng)（Computer Based Training System，CBT）、岸基訓練系統(tǒng)（Shore Based Training System，SBT）以及迅速發(fā)展的實船訓練系統(tǒng)（On Board Training System，OBT）［1～2］。

本文以某型艦船動力裝置為仿真對象，開展模擬仿真系統(tǒng)總體設(shè)計，并基于PLC 和VME 總線實現(xiàn)了實裝控制系統(tǒng)與仿真訓練設(shè)備之間的信息交互。通過模塊化設(shè)計思想，構(gòu)建了該型艦船動力裝置數(shù)學仿真模型，并通過與實際運行工況對比分析，驗證了仿真的準確性。

2 動力裝置仿真對象分析

該型船動力裝置組成主要包括柴發(fā)機組、推進電機、軸系、螺旋槳、泵、空壓機、液壓機械以及全船集中控制系統(tǒng)、柴油機控制系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)等輔助控制系統(tǒng)等［3］。動力裝置系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是其全船集中控制系統(tǒng)，大量采用了非標電子元器件，并主要采用機械式繼電器來實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制功能，基于分布式計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主控計算機為基于VME 總線的嵌入式單板機，控制軟件基于QNX 實時操作系統(tǒng)設(shè)計。為保證其維修性，在硬件設(shè)計上采用模塊化方式。實際修理過程中，為實現(xiàn)系統(tǒng)模塊的功能檢測、維修，僅能依靠實船開展試驗，且只能對該系統(tǒng)的正常功能進行測試，很難或不能對至關(guān)重要的故障報警和安全保護功能進行測試。大量的實船試驗需頻繁啟動柴油機，這不僅對裝備有較大的損耗，而且還有可能由于維修不當或因備件存在缺陷而損壞控制系統(tǒng)中其它正常工作的電路模塊，甚至造成重大的裝備事故。為了檢驗相關(guān)控制模塊的性能優(yōu)劣以及功能是否完善，保證使用過程中整個動力系統(tǒng)的可靠性與安全性，有必要對電路模塊進行全面的功能測試。另外，對經(jīng)過功能測試后的故障模塊進行科學、合理的分析，快速、準確地實施故障定位，從而實現(xiàn)裝備技術(shù)保障功能，也是值得研究的內(nèi)容。

動力裝置模擬訓練系統(tǒng)中按照各類型設(shè)備的要求進行布置，分為模擬操作臺盤、實裝設(shè)備及計算機仿真系統(tǒng)等，整個仿真平臺的設(shè)計既要滿足對所有動力裝置組成設(shè)備的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)仿真的需要，又要滿足裝備技術(shù)保障功能的需要，使得仿真平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對實裝電路模塊的功能測試和故障分析。

系統(tǒng)研制過程，基于半物理仿真的方法，各操控臺等用戶界面，保持和實際裝備基本一致；基于計算機仿真方式模擬柴油機、發(fā)電機組等各被控對象；全船集中控制系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)等實裝技術(shù)保障裝備，基于實裝實現(xiàn)，外部設(shè)計專用電路和仿真軟件模擬實船執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、顯示儀表以及運動狀態(tài)，從而構(gòu)建半物理仿真系統(tǒng)來實現(xiàn)對模塊的測試功能和仿真訓練功能［4］。

3 基于PLC同源數(shù)據(jù)的接口設(shè)計

動力裝置模擬訓練系統(tǒng)各模擬操作臺盤，需要通過接口系統(tǒng)實現(xiàn)模擬開關(guān)、儀表、指示燈等輸入輸出元件的信息與仿真計算機之間的交互。

傳統(tǒng)的接口系統(tǒng)常采用微處理器、單片機或者工控機以及配套的硬件接口電路板，但這些硬件設(shè)備不易使接口系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、模塊化，且實現(xiàn)難度大、造價高。為此，本系統(tǒng)在設(shè)計之初，選擇工業(yè)用PLC 作為接口模塊，并結(jié)合組態(tài)軟件實現(xiàn)仿真計算機、模擬操作控制臺、教練員計算機之間的連接。

PLC 與計算機可以通過串口通信、Controller Link 網(wǎng)絡(luò)通信以及以太網(wǎng)通信等多種方式［5］。通常情況下串口通信存在數(shù)據(jù)量小、傳輸距離較短、實時性差等缺陷，而Controller Link 網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)難度大，實現(xiàn)比較困難。為此，本系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)通信方式，將PLC以星形連接的方式接入以交換機為中心的以太網(wǎng)上，各種I/O模塊與操作臺、實裝電路模塊相連。接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 基于VME總線的硬件在環(huán)技術(shù)

本文所研究的全船集中控制系統(tǒng)，主要用于對柴油機進排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、輔冷系統(tǒng)、疏水和噴淋系統(tǒng)、化學滅火系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等進行自動控制、狀態(tài)監(jiān)測和安全保護，是保障平臺安全運行的核心系統(tǒng)。系統(tǒng)主控計算機為嵌入式VME 總線單板機，采用MIL-STD1553B 通訊網(wǎng)絡(luò)，控制軟件基于QNX 實時操作系統(tǒng)設(shè)計。全系統(tǒng)由一個中央控制站和多個控制分站組成，分布在全船各個艙室，是該型艦船規(guī)模最大的數(shù)字控制系統(tǒng)。硬件上，系統(tǒng)基于VME 總線單板機和底板，并配置VME 總線接口板、通信板、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動板、檢測模塊、電源模塊等功能模塊。

如何實現(xiàn)VME 總線下的硬件在環(huán)仿真是需要重點考慮的問題。在設(shè)計過程中，對全船集中控制系統(tǒng)本身不做改動，各控制臺及電路模塊、操作顯示面板以及各電路模塊之間的接口設(shè)計與實裝一致，系統(tǒng)中央控制站和控制分站之間采用MILSTD1553B通訊網(wǎng)絡(luò)。通過設(shè)計仿真軟件和專用電路模擬實船執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、顯示儀表以及運動狀態(tài)，從而構(gòu)建一個典型的半物理仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)全船集中控制系統(tǒng)與外部仿真訓練設(shè)備（包括教控臺、其他訓練操作臺）之間的信息交互，實現(xiàn)集中控制系統(tǒng)參與訓練，采用以太網(wǎng)通訊方式與外部進行信息交互。

全船集中控制系統(tǒng)實船執(zhí)行機構(gòu)為電液執(zhí)行器，執(zhí)行器動作時間約需3s，訓練系統(tǒng)模擬執(zhí)行機構(gòu)的動作采用繼電器進行模擬，同時借助其觸點模擬該執(zhí)行機構(gòu)的傳感器，在傳感器模擬信號回路中加設(shè)RC延遲環(huán)節(jié)進行動作時間模擬。

根據(jù)該技術(shù)思路進行電路設(shè)計，訓練系統(tǒng)中構(gòu)建了執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊所驅(qū)動的雙線圈執(zhí)行機構(gòu)及狀態(tài)傳感器模擬電路、單線圈執(zhí)行機構(gòu)及狀態(tài)傳感器模擬電路，對于訓練系統(tǒng)中無執(zhí)行機構(gòu)而直接采集的大量傳感器信號，則直接采用開關(guān)進行設(shè)置。執(zhí)行機構(gòu)、傳感器以及被控對象的控制響應(yīng)（如船體狀態(tài)、各閥門的開啟狀態(tài)）等采用電路仿真模擬和軟件仿真模擬。

5 裝置仿真模型建立

隨著技術(shù)的進度，研究者在對仿真系統(tǒng)進行建模時提出了“通用、及時、方便”等需求，傳統(tǒng)的建模方式為過程化建模，但其存在模型結(jié)構(gòu)固化，靈活性差、難度大且難以重用等缺點［6］。通過從計算機硬件發(fā)展受啟發(fā)，人們提出了模塊化的建模思想，即通過一定的規(guī)范建立基本設(shè)備或部件的標準化模塊，并通過模塊的組合實現(xiàn)不同類型子系統(tǒng)建模，該方式可有效降低模型開發(fā)的復(fù)雜度，增加模型通用性［7～9］。它也克服了由于保密因素的限制，艦船動力系統(tǒng)部分技術(shù)參數(shù)不公開，模型參數(shù)難于確定的難題。

艦船動力裝置仿真系統(tǒng)在研制過程中，對動力裝置的建模采用模塊化建模方法，根據(jù)各設(shè)備、部件數(shù)學模型編制仿真模塊，如調(diào)速器、增壓器等，再通過各仿真模塊的組合實現(xiàn)子系統(tǒng)、系統(tǒng)級仿真。

仿真模型源程序采用Fortran 語言編寫，選用SimuEngine型仿真可視化仿真支撐系統(tǒng)，在完成系統(tǒng)模型源程序編寫后，SimuEngine可生成可執(zhí)行程序，并通過實時變量數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)變量的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享，并可實現(xiàn)在線修改調(diào)試仿真模型。具體的實現(xiàn)過程按照如下四步實現(xiàn)。

1）變量數(shù)據(jù)庫設(shè)計

SimuEngine 中的公共（全局）變量都保存在其變量數(shù)據(jù)庫中。模塊間的數(shù)據(jù)流動主要通過與公用變量數(shù)據(jù)庫的交互實現(xiàn)。仿真任務(wù)運行時，根據(jù)需要從變量數(shù)據(jù)庫中讀取和改寫變量。同時，該數(shù)據(jù)庫的變量可通過OPC Client 程序與組態(tài)軟件中的變量進行雙向或單向同步更新，從而實現(xiàn)計算結(jié)果輸出和硬件動作輸入。

2）編制各部件仿真子模塊

結(jié)合動力裝置數(shù)學模型，以Fortran 語言中的子過程的形式實現(xiàn)動力系統(tǒng)各部件仿真子模塊。在程序中可定義僅限本模塊內(nèi)使用的局部變量，也可以直接向變量數(shù)據(jù)庫輸入和輸出變量，從而實現(xiàn)與其它模塊的數(shù)據(jù)交互。仿真過程中，仿真模塊被SimuEngine 仿真引擎以一定步長（可自定義）反復(fù)調(diào)用，實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的更新。仿真過程中，一些中間變量（如積分過程的中間變量）同樣也在變量數(shù)據(jù)庫內(nèi)定義相應(yīng)變量，用于保存每個步長之間的臨時狀態(tài)。

3）生成任務(wù)文件

各個仿真子模塊必須在相應(yīng)的任務(wù)文件內(nèi)被調(diào)用才能運行。任務(wù)文件經(jīng)過編譯后形成可運行的exe 文件。根據(jù)不同的仿真科目需求，可采用不同子模塊的組合生成不同的任務(wù)文件。

4）定義仿真工況

訓練過程中，不同的工況系統(tǒng)具有不同的初始狀態(tài)，如蓄電池充電訓練時應(yīng)事先將蓄電池的電量設(shè)置為較小值。為滿足教練員下達不同訓練科目時設(shè)置不同系統(tǒng)初始狀態(tài)，必須對變量數(shù)據(jù)庫內(nèi)的變量賦相應(yīng)的初值。變量數(shù)據(jù)庫內(nèi)變量數(shù)目很多，如果通過編程來設(shè)置這些初值相對復(fù)雜。通過文件形式保存工況并在相應(yīng)變量設(shè)定好初值后，將整個變量數(shù)據(jù)庫保存為某個工況文件，當教練員下達訓練科目后，只需通過選擇工況文件或者編程調(diào)入相應(yīng)的工況文件即可。

系統(tǒng)模型開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 SimuEngine模型開發(fā)流程圖

6 主柴油機系統(tǒng)仿真實例分析

采用準穩(wěn)態(tài)模型的建模方法，結(jié)合柴油機原始參數(shù)和大量的實船記錄數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了柴油機系統(tǒng)的數(shù)學建模［10～13］。柴油機主要組成如圖3所示。

圖3 動力系統(tǒng)柴油機的主要組成

在整個航行過程，蓄電池的狀態(tài)變化導(dǎo)致動力裝置系統(tǒng)中各指標參數(shù)逐漸發(fā)生變化，在仿真中，可將動力裝置工作簡化為準穩(wěn)態(tài)方式。

為研制動力裝置數(shù)學模型的準確性，并分析模擬仿真的精度及速度，我們選擇兩種典型工況下仿真模型計算結(jié)果數(shù)據(jù)與實船運行參數(shù)進行比對。

1）柴油機啟動過程

實際運行過程中，在充電工況下，啟動柴發(fā)機組并置于2 檔工況，運行給蓄電池充電。在模擬訓練系統(tǒng)中，通過操作啟動柴油機并置于2 檔工況，保存仿真數(shù)據(jù)。如圖4 所示為仿真系統(tǒng)柴油機啟動過程仿真曲線。

圖4 啟動工況曲線

2）柴油機增加負載

柴油機轉(zhuǎn)速增加并穩(wěn)定于工作轉(zhuǎn)速，通過接通勵磁開關(guān)與電樞開關(guān)，發(fā)電機工作。圖5 為柴油機增加負載后仿真運行曲線。

圖5 增加負載后仿真曲線

選擇左、右柴油機充電工況下柴油機轉(zhuǎn)速、各氣缸排氣溫度、增壓器前排氣溫度、總管溫度、廢氣壓力等柴油機相關(guān)的重要參數(shù)作為參考依據(jù)，分析模型仿真結(jié)果與實裝測試數(shù)據(jù)后得出各技術(shù)參數(shù)仿真數(shù)據(jù)相對誤差均不超過3%，柴油機仿真模型的仿真數(shù)據(jù)準確可靠，能夠?qū)嶋H模擬柴油機的工作情況，滿足仿真要求。

7 結(jié)語

為提升操作人員訓練水平，開展了某型船舶動力裝置模擬訓練系統(tǒng)研制工作。為同步實現(xiàn)該控制系統(tǒng)的裝備技術(shù)保障功能，開展了基于VME 總線的硬件在環(huán)技術(shù)、基于PLC的數(shù)據(jù)接口技術(shù)設(shè)計等研究，通過設(shè)計仿真軟件和專用電路模擬實船執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、顯示儀表以及運動狀態(tài)，從而構(gòu)建一個典型的半物理仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)全船集中控制系統(tǒng)與外部仿真訓練設(shè)備（包括教控臺、其他訓練操作臺）之間的信息交互。針對該型船動力系統(tǒng)設(shè)備多、功能復(fù)雜的特點，采用模塊化建模思想，建立了動力裝置數(shù)學模型?；赟imuEngine 仿真支撐環(huán)境，建立了動力裝置的仿真模型，實現(xiàn)了動力系統(tǒng)各工況仿真，并結(jié)合動力裝置實例進行了分析。通過動力裝置仿真結(jié)果驗證，系統(tǒng)可模擬實船動力裝置相關(guān)工況，滿足仿真要求。