某大型训练模拟器的设计与实现

王桂芹，刘海光，张 永

(海军潜艇学院 导弹兵器系，山东 青岛 266042)

某型设备由于价格昂贵，院校未配备专用的检测设备，长期以来，无法满足教学中实作训练的需要;另外，即便装备了检测设备，由于该装备使用、维修成本很高，也无法长期满足教学训练使用。大型设备训练模拟器的研制，正是为满足设备使用人员经常性的训练操作而设计和实现的，模拟器解决了新装备训练所面临的难题，可满足院校教学训练及部队日常训练的需要。

1 主要功能

1.1 原理教学

模拟器可完成技术准备过程中主要检测设备包括操练台、检查台、线导组件检测台、场传感器、电源组件、信号模拟器等专用检测设备及毫伏表、相位计、示波器、液压机等通用设备的结构组成、工作原理、界面显示教学。

1.2 操作使用训练

实现设备对三种工况，五种状态的功能联调模拟。能够完成设备各个检测台的初始设定与电缆的连接与通讯实现、设备故障分析与应急处理的操作使用训练。

1.3 脱离系统单独训练

可以完成检测设备的日常保养、开关机、主要功能和操作技巧的训练，设备模拟器及各个操作台可以进行脱离系统单独训练，可以实现设备的原理教学，设备基本操作训练等。

2 系统组成

训练模拟系统主要由教控机、设备模拟器、操练台模拟器、检查台模拟器、线导检测台模拟器、电源组件、信号模拟器等专用检测设备及毫伏表、相位计、示波器、液压机等通用设备组成。系统组成框图如图1 所示。

图1 系统组成框图

系统由教控机通过以太网与操练台连接，实现操作过程的集中监控，教控机实现整个操作训练逻辑及状态的集中处理，并向教控台传递状态及操作信息，操练台设计为PROFIBUS DP 总站，各个分系统检测台设计为PROFIBUS 从站，它们间通过PROFIBUS 总线连接，各个检测台通过模拟实装的输入输出接口与鱼雷模拟器实现通讯连接［1］。

3 硬件设计方案

系统采用全模拟方案实现系统的主要功能，模拟设备外壳采用1∶1 实物仿真，结构、主要功能、操作方式、显示面板和数据与真实设备相同。系统硬件组成框图如图2 所示。

系统设计采用分层次结构体系，遵循自顶向下的设计思想，设备硬件和软件均采用模块化、通用化和标准化的设计思想，确保本系统研制工作中的一致性、协调性和可扩展性。

图2 某设备训练模拟器硬件组成框图

技术保障训练模拟系统拟采用PLC 可编程控制器以及工控机的混合控制方案。系统分为两层:管理层和测控层。管理层由教控机完成，前端测控层由设备模拟器及各检测设备模拟器组成［2］。

教控台是训练模拟系统的管理层，系统的运行由教控机集中监控，实现对设备训练模拟系统训练模拟设备的控制、管理及操作训练过程中的信息采集及在线显示等功能。

系统的操作逻辑由操练台模拟器的PLC 控制，在内部PLC 的控制下，实现流程的选择和进程信息的发送;通过各个检测设备相连的PROFIBUS 总线控制各检测台模拟器及鱼雷模拟器的信息传送及状态显示。

4 软件设计方案

系统软件主要由设备训练模拟器教控台软件、设备模拟器软件、操练台模拟器软件3 部分组成。软件组成框图如图3 所示。

4.1 教控台软件

软件基于Windows XP 系统平台，采用西门子PLC 专用上位机编程软件Wincc 进行编程。

教控台软件包括管理模块、设备检测监控模块组成。

4.2 设备模拟器软件

软件基于Windows XP 系统平台，采用西门子PLC 专用上位机编程软件Wincc 进行编程。设备模拟器软件用来模拟某设备的各种信号，配合该设备检测装置完成设备各种工况下的功能检测。

4.3 操练台模拟器软件

采用西门子PLC 专用下位机编程软件Step7 来编程，考虑到代码的可读性、扩展性，编成时注意采用模块化的编程方法。

图3 系统软件框图

5 接口设计

5.1 外部接口

与将来计划建设的“某设备技术保障实验室”的网络接口形式为以太网接口;接口信息为操练台通过以太网与服务器(教控台)相连。操练台对各检测台进行控制，并向设备模拟器及各检测台发测试信号，并将测试结果传递给教控台。

5.2 内部接口

5.2.1 教控台与操练台间的接口

教控台与操练台间通过以太网连接，通信采用TCP/IP协议，教控台作为服务器，操练台作为客户端，采用标准的IP地址分配方法。功过这种方法可以方便地实现多套系统共同挂接同一教控台，今后系统扩充的实验终端可以按照此规则分配IP 地址。操练台在教控台的管理下完成对设备电缆连接，测试台初始状态设定、向鱼雷写入数据、鱼雷各种工况下的功能检测等控制。

5.2. 2 操练台与各个分系统检测台及设备模拟器间的接口［3］

操练台与各个分系统检测台及设备模拟器间通过PROFIBUS 总线连接，操练台作为PROFIBUS 总站对各个检测台起到总体控制的作用，各个分系统检测台及设备模拟器作为从站接受主站的集中控制、实现各个系统地检测逻辑并将状态信息和检测结果向PROFIBUS 总站发送。

5.2.3 各个分系统检测台与设备模拟器间的接口

各个分系统检测台与设备模拟间的连接通过各检测台的输入输出接口实现，输入输出接口模拟通用设备技术准备时检测设备与该设备的实际接口，通过此接口实现电缆连接情况检测。

6 结束语

该设备训练模拟器是集模拟仿真技术、多媒体技术及网络通信技术于一体的新装备综合模拟训练器，具有设计思想先进、性能稳定、可靠性高、仿真效果好和自动化程度高等优点，不仅满足了院校该装备的教学训练需要，还可以满足部队日常训练的需要，而且对提高装备的维修技能、延长装备寿命，保障新装备快速形成战斗力具有重大的军事意义。

［1］雄桂喜.计算机网络［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［2］杨劲松. 计算机工业控制［M］. 北京:中国电力出版社，2003.

［3］何立民.单片机应用技术选编［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1999.

［4］赵继革，安幼林.某模拟训练器信号采集和通信接口设计与实现［J］.微计算机信息，2005，21(4):86-87.

［5］姜俊辉.基于ARM 的嵌入式系统硬件设计［J］.微计算机信息，2005，21(7):120-122.