某型艇机电综合模拟器研制

聂 伟，张 锦，任长合，沈 军

(镇江船艇学院 动力指挥系，江苏 镇江 212003)

● 基础科学与技术 Basic Science & Technology

某型艇机电综合模拟器研制

聂 伟，张 锦，任长合，沈 军

(镇江船艇学院 动力指挥系，江苏 镇江 212003)

为解决某型艇机电部门存在的训练难题，以该型艇动力系统为研究对象，提出该型艇机电综合模拟器的总体设计方案，建立一个可开展某型艇主机、电站、辅机、机舱集控、主机遥控、机舱综合管理等课目训练的模拟系统，并对所研制的系统进行软硬件调试和实验研究。机电综合模拟器在培训教学中取得了较好的效果。

动力系统；训练模拟器；监控系统；可编程逻辑控制器(PLC)

实船训练需要大量的准备工作、后勤支持以及人力、物力的消耗，同时受环境因素的影响也较大，无法模拟一些复杂的情景，如复杂报警显示、设备与系统的严重故障等[1-4]。机电综合模拟器是一种利用计算机、自动控制等多项技术，通过数学建模，建立一个虚拟的船舶运行和操作环境，达到使操作人员感觉在实艇中操作所具有的场景[5-6]的效果。在模拟器上，训练人员可反复操练在实船上比较困难甚至不允许随便试验的训练内容，可在较短时间内使受训人员得到实船长期累积才能得到的实际经验，完成在实船航行中根本做不到的识别与故障排除[7-8]。

本文提出一种基于计算机技术和网络技术，利用适当的软硬件实现某型艇机电部门开展模拟训练的机电综合模拟器研制方案，给出一种以某型艇主推进装置为主要仿真对象的实时仿真模型，并开发了主机及其系统的模拟训练装置，可以进行某型艇机电专业人员的技能培训。由于机电综合模拟器的操作不会对设备造成损坏，所以实艇上不允许的操作训练可在机电综合模拟器中实现。

1 机电模拟器总体设计方案

某型艇机电综合模拟器以 PC 机、仿真支撑软件和监控组态软件为基础，利用适当的软硬件实现对动力平台系统的操作模拟，并给出准确的反馈，从而达到对操作人员进行训练的目的。系统包含的操作设备、内部逻辑控制关系以及装置各个参数状态的仿真计算与实际设备工作状态基本相同。仿真训练平台由人机交互系统、建模仿真系统以及网络接口系统组成。某型艇机电综合模拟器总体设计方案如图1所示。

图1 某型艇机电综合模拟器总体设计方案

人机交互系统实现实艇输入输出系统特性的模拟，让操作培训人员体验更大的真实感。如仪器仪表输出量稳态值和动态变化过程的模拟，以使模拟仿真的输出结果和实艇中实际参数的动态趋势相同，给艇员直观准确的感受。建模仿真系统实现所有动力设备建模运算和控制系统的仿真，其仿真的特点是实时性高，如电机的转速、励磁电流等参数的变化，必须在保证良好的实时性的基础上才能给出符合训练要求的效果。网络接口系统实现各硬件系统间的数据传输和软件间通信。

2 主机仿真模型开发

以某型艇柴油机为母型，建立柴油主机、螺旋桨、船体一体化简化数学物理模型，目的是针对大风浪天气及转弯等情况下柴油机对应的推进特性。通过模型计算得到在某一航速下，对应的柴油机转速等参数。得到阻力变化时柴油机转速的变化以及油耗率的变化，这些模型最终都可以在机电综合模拟器的培训教学中得到应用。

采用模块化的建模方法，以一种规范化的标准建立基本设备和部件的数学模型，将它们开发成通用的基本模块，用其组合成不同类型子系统的模型，以降低建模的复杂性，缩短建模时间，增加模型的通用性。基于模块化建模方法，某型艇主机系统的分层模块如图2所示。

图2 某型艇主机系统的分层模块

某型艇机电模拟器仿真支撑环境选用SimuEngine型可视化仿真支撑系统。该艇动力系统设备数量和种类繁多，设备工作原理复杂，其功能各不相同。系统开发可采用多人分布式协同开发和协同仿真方式。利用层次分解的方法，整个动力系统可分为设备模块建模、逻辑控制模块建模和功能模块建模等3个部分。每个模块部分又可以分解为若干独立的物理设备或部件，例如柴油机设备模块可分解为调速器子模块、供油装置子模块、柴油机本体子模块、增压器子模块等，模块之间相互独立，构成系统设备模型库。

机电综合模拟器仿真服务器可以在系统下同时执行多个数学模型程序，并使之自动保持同步。SimuEngine软件最小仿真步长为10 ms，数据刷新时间步为50 ms，可满足某型艇机电模拟器仿真的要求。仿真系统提供了应用程序开发接口，利用这些接口，可以完成对系统状态的访问、网络实时数据库的访问与修改以及工况文件的读取与保存等。

3 机电综合模拟器的实现

某型艇机电综合模拟器总体结构设计如图3所示，其主要包括模拟盘台、接口系统、网络系统、教练员计算机和投影显示系统等。每个盘台内置一台仿真计算机和一套PLC模块。PLC模块主要包括电源模块、CPU、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块等。根据盘台输入输出数据的类型及数量不同，各盘台的PLC模块略有不同。所有PLC模块、仿真计算机、示教投影计算机、教练员计算机通过网络交换机集成为一个网络。

图3 某型艇机电综合模拟器结构示意

其运行流程：利用PLC数据采集模块采集模拟盘台操控数据信息，经仿真计算机处理，通过系统网络传输给教练员计算机，教练员计算机经后台处理，通过网络系统由输出模块反馈至模拟盘台，通过盘台仪器仪表和软件界面显示设备运行状态，也可经调用输出至投影显示系统。教练员计算机运行实时管理仿真平台，通过网络交换机实时监控所有的操控仿真盘台和仿真计算机，处理各设备运行数据信息，调度各设备运行程序，实现各仿真设备协同实时运行、系统工作状态设置等功能。示教投影计算机用于操控机舱各设备(系统)，结合通过网络交换机接收的设备运行信息，将机舱运行状态通过投影系统显示，并将操控信息传输给网络交换机。

3.1 图形监控软件

图形监控软件实现机电综合模拟器各种交互界面设计和硬件设备系统的监控。通过采集训练模拟器各分系统控制台的开关量和模拟量信号，经过计算机运算，将产生的控制信号经网络接口系统送至输出设备显示，实现硬件设备系统的监控功能。机电综合模拟器交互界面设计如图4所示。

图4 机电综合模拟器交互界面设计

机电综合模拟器图形监控系统设备布置和外观设计是以实船为基础，操作人员获得的感受与实船相同。设计过程中，将监控软件的基本功能进行分解并模块化，同时进行界面显示、数据的采集存储、内部逻辑程序的执行和其他程序的协作通信等，以提高设计开发效率和软件的可维护性。同时，系统开发了基于计算机的虚拟操作盘台，加入了多种辅助教学功能，能使操作人员更好地了解装置原理、明确操作流程，达到更好的培训效果。

3.2 基于PLC的计算机接口系统

计算机接口系统将各物理操控台的操作和控制信号转换为计算机能接受的标准信号，并通过网络将这些信号传递到仿真计算机，同时将计算机发出的控制信号和仿真参数转换为操控台的声光、仪表指示等外部信号。系统采用西门子公司的S7-200系列PLC作为接口系统。

基于PLC网络的接口系统，大大提高了整个训练系统的抗干扰能力。PLC从硬件到软件，从设计到制造都考虑到抗干扰问题，采用各种措施切断或阻塞干扰源。PLC还增强了系统的可靠性和可扩展性。某些控制部位的输入信号经PLC采集后，需马上直观地显示操作结果(如试灯功能)，利用PLC优异的逻辑控制能力，还可将这一部分控制程序写在PLC的存储器中，既充分利用了PLC灵活方便的编程功能，还可以减轻整个网络的数据交互量，提高监控计算机处理数据的效率。PLC实现逻辑控制主要包括系统灯试、系统巡检等功能。以电机控制板的交流绝缘检测箱为例，交流绝缘检测的PLC程序流程如图5所示。

图5 PLC绝缘检测程序流程

交流绝缘检测主要功能，是测量或者检测频率为50 Hz和400 Hz的24路非耦合交流线圈的绝缘电阻，利用PLC实现系统自动检测电器组件绝缘电阻。系统在工作时，电器线路的绝缘电阻低于设定值，则发出灯光和声音报警信号，监控台上相应的指示灯自动接通。系统进行下一次信号自动检测，输出信号保留，直到该系统绝缘电阻不低于设定值为止。系统一般会设定一个上限值和一个下限值。当被检测线路绝缘电阻低于给定上限设定值时，监控台上该线路检测发光二极管绿色灯亮；如果低于下限设定值，监控台上线路检测发光二极管红色灯亮。

3.3 数据通信机制

某型艇机电综合模拟器采用TCP/IP协议，将教练台仿真计算机、教练台计算机和PLC接口系统连接在同一级以太网上，各PLC的I/O接口模块连接至相应的控制台，形成一个以交换机为中心的星形拓扑结构。图形监控软件通过OPC程序与仿真系统之间实现数据的通信，并能够利用SimuEngine提供的API接口函数实现考核工况、运行状态和各种故障的设置。机电综合模拟器系统中，PLC控制器与控制台上的硬件设备相连，并通过监控软件与仿真软件之间进行通信。同时，PLC的AI/DI模块将控制台上开关和按钮的状态实时地传递给图形监控软件，仿真软件将运算后的数据赋值给PLC的AO/DO模块，控制控制台上指示灯和仪表的变化。某型艇机电综合模拟器数据处理和传输流程如图6所示。

图6 数据处理和传输流程

AI/DI模块变量通过 PLC控制器与控制台上的硬件设备相连，并通过管理平台与仿真服务器之间进行通信，管理平台系统主要由组态软件开发实现，通过OPC程序与仿真系统之间实现数据通信，能够利用SimuEngine提供的API接口函数实现数据接收、存储，然后调用仿真模型模块进行数据处理。机电综合模拟器数据的接收、运算、发送，形成一个闭式的数据流，其数据通信机制如图7所示。

图7 机电综合模拟器通信机制

4 结 语

本文以某型艇动力系统为研究对象，研究与开发了该型艇机电综合模拟器。采用以太网技术，以PLC为计算机接口系统，构成了机电综合模拟器硬件系统的核心。软件系统以仿真建模和监控软件开发为重点，构建接近实船的设备响应特性和系统操作界面。某型艇机电综合模拟器已在院校学员学习训练及轮机管理人员的培训中发挥了重要作用，具有较高的推广价值和应用前景。

[1] 吴杰长，庞之洋，梁述海．基于仿真支撑系统和组态软件平台的舰船轮机仿真训练模拟器研究[J]．系统仿真学报，2004，16(3)：605-607．

[2] 郑华耀．基于网络化技术的大型集装箱船舶轮机模拟器[J]．系统仿真学报，2001，13(6)：723-725．

[3] 陈兆良，胡大斌．舰船机舱自动化[M]．武汉：海军工程大学出版社，2006：53-71．

[4] 胡锦晖，胡大斌，安玉昌．基于PLC网络的舰船动力系统仿真训练模拟器研究[J]．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2009，33(3)：503-506．

[5] 曾凡明，陈于涛，胡锦晖．潜艇动力平台训练仿真系统总体设计与实践[J]．中国舰船研究，2012，7(6)：78-85．

[6] 安卫，梁述海，安玉昌，等．舰船动力装置训练模拟器的研制[J]．海军工程大学学报，2000(4)：60-62．

[7] 曹辉，张均东．现代船舶轮机模拟器的应用与发展[J]．航海教育研究， 2012，29(1)：33-36．

[8] 王海燕，刘晓晨，武晓英．一种分布式船舶轮机模拟器[J]．系统仿真学报，2009，27(5)：116-119．

(编辑：史海英)

Development of Electromechanical Simulator of Some Watercraft

NIE Wei, ZHANG Jin, REN Changhe, SHEN Jun

(Power Command Department, Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang 212003, China)

To solve the training problems in electromechanical department of some watercraft, the paper presents the overall design program of the electromechanical simulator with its power system as the study object, and establishes a simulation system which can carry out many courses, such as main engine, power station, auxiliary engine, machinery control, main engine remote control, machinery integrated management. It also debugs the hardware of the system. The electromechanical simulator has achieved good effect in training and teaching.

power system; training simulator; monitoring system; PLC (programmable logic controller)

2016-04-23；

2016-10-26．

聂 伟(1987—)，男，博士，讲师．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.01.021

TP391.9

A

1674-2192(2017)01- 0091- 05