水下應急維修用吊機仿真模擬器設計與實現

徐寶昌，蔡勝清，何寧強

（1.中國石油大學（北京）自動化系，北京 102200；2.海洋工程股份有限公司，天津 300450）

海洋石油工業是一種技術密集型行業，而深水下放安裝也屬于特殊工種作業。由于海洋石油生產對于海上施工作業環境要求極為苛刻，使得海上石油生產面臨巨大的威脅。吊機作為海洋石油機械的重要設備，其所處的作業環境決定了其操作的特殊性。吊機含有回轉、變幅、收放等操作，對操作人員的時空感以及對操作的精度要求很高。仿真模擬器具有豐富的功能和優良的性能，其環境的仿真可以和實際十分相近，是運行人員提高運行水平的理想現代化培訓裝置，近年來在國內外得到迅速的發展[1]。

目前，吊機訓練仿真器已經在部分領域有所使用。中聯重工科技發展股份有限公司開發的塔式起重機仿真培訓系統，以工地用吊機為仿真對象[2]；交通部水運科學研究所開發的港口起重機操作仿真器，以港口起重機為對象[3]。海洋平臺和船舶使用吊機，其工作的環境復雜和操作方法都比上述仿真器復雜。為此本文設計和開發了虛擬環境下的吊機作業培訓系統，并對其相關的關鍵技術進行了研究。

1 吊機仿真模擬器設計

該仿真器所包含的儀器設備與實際的吊機控制臺具有相同的操作方法和狀態顯示，而且還具有操作過程監控，成績自動評定，模擬故障設定等功能。通過PLC采集操作數據，驅動計算仿真服務器進行模型解算，通過操控仿真服務器顯示和保存操作數據及計算仿真服務器反饋的運動參數，最后通過視景仿真機組進行場景渲染[8-9]。通過模塊化的結構和良好的人機交互接口，使得仿真模擬器具有良好的實用性和可擴展性[4]。吊機仿真模擬器結構圖如圖1所示。

圖1 吊機仿真模擬器結構圖Fig.1 Simulator structure diagram of crane

2 吊機仿真模擬器功能

根據水下應急維修仿真培訓系統的設計要求和水下應急維修訓練的要求，吊機仿真模擬器應具有如下功能：

（1）場景漫游功能：剛剛進入深水領域的員工對現場的作業環境以及作業工機具等都不熟悉。在培訓初期，教練員可以設定場景漫游，供學員了解現場施工的工機具位置以及熟悉施工環境；

（2）操作培訓功能：系統提供了逼真的訓練環境，如吊機模擬操作臺、逼真仿真視景畫面。操作員可以自行選擇操作訓練課題進行訓練；

（3）半監督培訓功能：教練員通過中央控制臺實時監控操作員的訓練情況，并可以實時地給予幫助和指導；

（4）考核評分功能：學員經過上述幾部分的學習之后，在獨立操作的情況下，教練員開啟考核評分功能，系統能夠自主地對學員操作進行考核評分。

3 吊機仿真器實現

由圖1可知，吊機仿真模擬器由吊機仿真操作臺、后臺服務器組、網絡通訊系統、中央控制臺等硬件組成。

3.1 吊機仿真操作臺

以海洋石油286船用吊機為原型，對吊機仿真操作臺進行模擬。在不失原型吊機功能的情況下，對真實的吊機操控室做了一些簡化，依據工業標準進行制造和加工，保證了仿真培訓過程的真實感和沉浸感，達到仿真培訓的效果。吊機仿真操作臺主要由操縱控制面板和PLC邏輯控制器[9]組成。吊機仿真操作臺如圖2所示。

圖2 吊機仿真操作臺外形圖Fig.2 Crane simulator outside drawing

3.1.1 操縱控制面板

操縱控制面板是吊機仿真操作臺人機直接接觸的部分。操縱控制面板主要包括操作椅、左右側控制臺、踏板控制等部分。左右側操控臺上布置有手柄、按鈕、旋鈕、指示燈和蜂鳴器等。所有的模擬量信號都是4～20 mA標準電信號，電信號通過采集模塊轉換為數字信號并通過PLC邏輯控制器進行邏輯預處理進而送至上位機至后臺服務器。

3.1.2 PLC邏輯控制器

仿真模擬器硬件核心是PLC邏輯控制器。它不僅是聯系系統硬件及軟件的橋梁，也是信號采集及仿真器邏輯運算的大腦。對從操縱控制面板發出的信號進行處理，完成聯鎖邏輯運算，確定需要向操控仿真服務器發出的信號。出現違背邏輯關系的誤操作時，將誤操作信號分類后向操控仿真服務器發送，并在仿真操作臺上發出聲光報警。

仿真器共需要24路數字量輸入，2路數字量輸出，7路模擬量輸入。根據系統要求，本仿真器選用西門子 S7-200 CPU226，EM235，EM231 以及 CP243-1等模塊，PLC I/O點的配置如表1所示。通過網絡通訊系統，使仿真操作臺成為網絡的一部分，用此種方式通訊便于今后系統的擴展[5]。吊機仿真模擬器PLC系統配置如圖3所示。

表1 控制系統輸入輸出點Tab.1 Input and output points of control system

圖3 吊機仿真模擬器PLC系統配置Fig.3 PLC system configuration for crane simulator

3.2 后臺服務器組

后臺服務器組包含操控仿真服務器、計算仿真服務器和視景仿真機組，是仿真模擬器的核心，需要完成大量的數據處理、模型計算、數據實時轉發同步等工作。將每一個服務器及其下面所接入的子系統都設定為一個仿真節點，則各個節點都是一個獨立仿真的系統。

3.2.1 操控仿真服務器

操控仿真服務器的作用有2個：一是負責對學員操作過程中的動靜態數據進行管理。記錄操作臺輸出的操作參數以及計算仿真服務器輸出的運動參數。通過這些數據可以實現對學員操作真實回放，為考評系統提供數據依據，并幫助學員糾正操作錯誤；二是使操作人員更清楚地了解“虛擬設備”當前運行狀況，了解當前操作引起設備的回饋或者動作。通過參數以及曲線的變化，操作員可以對當前設備的控制做出實時調整，以滿足水下應急維修實時仿真的要求。

本仿真系統中不使用傳統的儀器儀表，傳統機械儀表在長時間使用后對于數據的輸出存在一定的誤差，且維修更換較為麻煩。監控參數較多時，采用傳統儀表會造成很大的投入。用虛擬儀表代替傳統的儀器儀表，不但可以增加設備的可靠性，還可以以較低的代價對系統進行改造升級，減少設備的投入以節約成本[10]。本系統采用西門子WinCC組態軟件來顯示操作臺發出的控制指令和計算仿真工作站回饋的吊機運動參數并將實時數據歸檔。

3.2.2 計算仿真服務器

計算仿真服務器主要是構建仿真模擬器吊機動力學模型，對外部的數據執行響應，實時進行吊機動力學仿真計算，對相關物體的狀態、位置、動作、干涉等進行計算和判斷，并將計算出的結果傳送給視景仿真機組和操控仿真服務器顯示。根據教練員站和操作臺的指令，完成指定的模型解算，以驅動場景運行和對學員提供觀測數據。計算仿真服務器采用Vortex多體動力學軟件建立物理模型并解算[7]。吊機模型解算流程如圖4所示。

圖4 吊機模型解算流程Fig.4 Crane model solution process

3.2.3 視景仿真機組

視景仿真機組將計算仿真服務器傳來的位置姿態數據進行場景繪制，并發布到各子場景中，如吊機仿真操作臺、中央控制臺。視景的渲染和驅動在Vega Prime平臺下完成，采用Vega Prime分布式渲染模塊實現多通道顯示。

3.3 中央控制臺

中央控制臺包括教練員視景顯示、教練員控制顯示器、教練員工作站、音響系統及通訊設備等。其中教練員工作站為中央控制臺的核心，負責整個系統仿真流程的控制、系統的初始化等工作。教練員工作站主要有系統管理、自然環境配置、科目的設定、仿真系統考核評分等功能。仿真系統管理包括系統網絡管理、學員信息錄入、教練員信息錄入；仿真系統自然環境的配置包括對海流、天氣、風速、風向等配置；仿真系統科目設定包括培訓科目和考核科目的設定，如水下采油樹密封圈更換、水下采油樹不停產維修等；仿真系統考核評分功能包括專家知識庫設定、操作過程監視、成績評定、成績管理、教練員主觀評價等。

4 仿真模擬器數據通訊

通訊功能是仿真系統中重要的一個環節，是聯系仿真模擬器各個部分的紐帶，是仿真系統的血脈。良好的通訊系統會加快仿真的數據傳輸速率，增強仿真系統的實時性。OPC（OLE for process control）技術是基于微軟的OLE、COM和DCOM技術，由一系列用于過程控制和制造業自動化應用領域的標準接口、屬性以及方法組成。ActiveX/COM技術定義了工業軟件組件如何才能交互作用和共享數據，由于得到了微軟Windows技術的支持，OPC為多種多樣的程控設備提供了一個公共的接口，而與過程中的控制軟件或設備無關[6]。OPC服務器及所有的硬設備均通過以太網連接組成局域網，仿真系統的其它設備通過訪問OPC服務器實現了吊機仿真器數據的交互，從而了解吊機的工作狀態及操作人員的操作信息。這樣就構成了一個資源共享、任務分擔的分布式系統。采用OPC通訊協議方便吊機仿真模擬器以后的擴展，可以直接連接其它仿真設備，從而組成協同仿真系統。仿真模擬器OPC通訊原理圖如圖5所示。

圖5 仿真模擬器OPC通訊原理圖Fig.5 OPC principle diagram for simulator

在本仿真模擬器中，與硬件相配套的使用西門子S7-200專用PC Access OPC服務器。

5 典型案例的仿真培訓過程

水下應急維修進行仿真培訓的操作臺，不但可以使學員熟悉吊機的操作、船舶或平臺上的工機具位置以及作業環境，還可以使學員對水下應急維修的整體流程更加熟悉。以水下采油樹密封圈更換過程中連接器下放安裝過程為例，描述吊機操作流程如圖6所示。其中，CI指連接器安裝工具，AHC指升沉補償裝置，ROV指水下機器人。

圖6 連接器下放安裝的吊機操作流程Fig.6 Crane operation process for lowering and installation of CI

6 結語

本系統可以完全仿真海上平臺中吊機操作的所有動作，進行吊機的操作訓練，環境適應性訓練。對操作員深水水下應急維修的過程進行培訓，對危險工況的操作進行預演。當突發情況來臨時操作人員能夠從容應對。利用仿真培訓裝置加強新上崗員工培訓或者在職員工再培訓，是安全生產的保證，增強員工對危機意識的判斷力，同時也降低了培訓的成本，提高了效率和質量。

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