機電設備維修模擬訓練通用平臺設計

朱保國， 劉法恒， 胡曉光， 楊小強

（1.陸軍工程兵軍代局， 北京 100093； 2.陸軍工程大學， 江蘇 南京 210007）

引言

隨著計算機技術、裝備仿真模擬技術的發展，大量的機電設備維修模擬訓練系統廣泛應用于建筑工程機械、航空航天、軍事裝備等各個領域，對提高裝備的使用效率和維修保障能力起到了非常顯著的作用。但現有的這些維修模擬訓練系統，在研發時需要對每一型號裝備獨立研發維修模擬訓練系統，存在諸多缺陷，如占用場地面積大、研制配套經費高、設備利用率低、通信模式不一致的問題已經十分凸顯。因此，本文提出采用通用總線技術、模塊化技術、虛擬儀器技術和系統集成技術進行機電裝備維修模擬訓練通用平臺的開發，對各類裝備維修模擬訓練平臺的硬件、軟件和整體結構進行模塊化分解和設計，將“型號裝備專用操控臺”拓展細化為“機電裝備維修模擬訓練通用平臺”與“裝備專用操控模塊”，通過在“機電裝備維修模擬訓練通用平臺”上更換“裝備專用操控模塊”來實現不同裝備的維修模擬訓練功能[1]。

1 通用模擬維修訓練平臺總體方案設計

由于通用平臺需實現姿態調整，故將平臺整體劃分為操控面板和柜體兩大部分，操控面板可相對柜體進行位置調整，平臺總體結構如圖1所示。為滿足維修模擬訓練要求，操控面板和控制柜中分別安裝集成各功能模塊，而這些模塊又分別是CAN總線上的通信節點。平臺選用PLC進行數據處理，利用PLC的數字運算與邏輯運算等功能配合其他功能模塊實現裝備的維修模擬訓練。該訓練系統功能主要包括以下六部分。

圖1 系統總體組成框圖

1）通用化功能。機電裝備維修模擬訓練通用平臺采用“n+1”模式實現使用的通用性，“n”表示不同裝備訓練操控模塊，“1”表示通用平臺，即可在通用平臺上開展不同裝備的維修模擬訓練。為滿足平臺通用性功能需求，通用平臺在開發設計時需給出裝備訓練操控模塊的通信協議規范，使不同裝備操控模塊的通信協議都具備一個通用平臺識別身份的PDU屬性。在安裝裝備操控模塊后，啟動通用平臺時，操控模塊與通用平臺成功建立通信，通用平臺控制模塊根據操控模塊的PDU屬性自動識別該裝備，同時調用該裝備的虛擬儀表和模擬訓練軟件[2]。

2）虛擬儀表顯示功能。在實際的裝備維修訓練過程中，為便于判定故障，常需要配合裝備儀表和其他測量儀表判定故障所在，而現階段的裝備維修模擬訓練器材由于技術瓶頸、研發經費及時間等因素的限制，不具備與裝備相配套的參數顯示儀表，大大降低了維修模擬的訓練效果。針對這一問題，通用平臺設計有虛擬儀表顯示功能。

3）裝備原理演示功能。在常規裝備教學中主要結合課本知識、視頻、PPT等方式達到裝備原理教學的目的，使學員在學習的過程中只注重理論知識的學習，與實踐脫節。機電裝備維修模擬訓練通用平臺建立了與實際相似的三維模擬環境，三維模型效果與實裝基本一致，各個油路、氣路、電路完整，通過操控部件、執行機構與三維視景的交互提高學員學習的積極性和訓練效果[3]。

4）故障設置與排除功能。為滿足不同人員、不同場合的維修訓練需要，設計平臺中的故障設置與排除具有通過自動設置故障功能，學員利用虛擬測試儀表測量相關回路檢查參數是否準確，來判斷故障問題并排除故障，同時開發的考核模式還可以讓學員進行自我考核。

5）運行指示功能。平臺操控面板升降或翻轉時，面板上的運行指示燈會亮起，運動至極限位置時限位指示燈的狀態也會發生改變，當平臺出現故障時，故障指示燈會亮起以提示用戶。同時平臺中設有繼電器、帶漏電保護的空氣開關等多種安全保護功能，可以防止因誤操作導致安全問題的發生。

6）具有與功能模塊通信的功能。基于CAN總線技術，搭建通用平臺通信協議主體，型號裝備以及其他功能模塊的通信協議只要與通用平臺通信主體相符合，就可進行維修模擬訓練。通用平臺中的數據通信節點包括虛擬儀表模塊、PLC模塊、原理演示模塊以及裝備維修操控模塊。因此平臺基于CAN總線系統為此四個模塊構建通信系統，通過數據處理之后實現維修模擬訓練功能。

2 通用模擬維修訓練平臺關鍵技術分析

2.1 PLC控制技術

PLC模塊是本通用平臺的核心元件，安裝在平臺控制柜中，用于平臺的邏輯處理、順序控制、狀態掃描以及確定各模塊之間的通信機制。PLC模塊實現了CAN網絡的通信數據處理、裝備虛擬樣機的故障模擬與實裝的工作邏輯模擬等功能。同時PLC通過裝備操控模塊的PDU屬性自動識別該裝備，調用該裝備的虛擬儀表和維修訓練軟件，滿足裝備維修模擬訓練需求；并且PLC模塊對通用平臺姿態進行調整控制，實現了操控面板的高度及翻轉角度調節[4]。

2.2 CAN總線技術

通用平臺的通信系統包含了原理演示計算機擴展CAN通信模塊、工控機擴展CAN通信模塊、PLC擴展CAN通信模塊與裝備模擬訓練操控擴展CAN通信模塊，要實現任意兩CAN通信網絡消息幀的類型有標準形式和擴展形式兩種方式。

通用平臺采用擴展消息幀格式進行通信協議制定，實現各模塊的通信以及一發多收的通信功能。在通用平臺的CAN通信網絡中，PLC模塊作為核心控制節點具有最高的控制優先級，各通信節點數據的發送、接收受控于核心控制節點。依據CAN總線系統的通信原理，在CAN總線上分配4個節點，對CAN總線各節點的輸入與輸出參數進行設計，分析設備的通信與控制機制，確保各通信節點控制方與受控方均在PLC的邏輯判斷下進行動作與顯示[5]。同時提出了面向各型號裝備操控模塊通信協議的制定方法，便于各專業根據自身裝備特點與通用平臺通信協議主體制訂通信協議，完成相關型號裝備維修模擬訓練系統的開發。

2.3 三維建模技術

本文采用SolidWorks軟件進行通用平臺的虛擬樣機設計。SolidWorks是由美國SolidWorks公司開發的一款功能強大的三維建模設計軟件，自該軟件應用以來，以其功能全、易學、操作簡便等優點，大大提高了設計過程中的工作效率，是當前應用最廣泛的三維CAD設計軟件之一，本文運用SolidWorks軟件對機電裝備維修模擬訓練通用平臺進行了虛擬樣機設計。

SolidWorks軟件具備大量設計功能插件[6]：Motion功能用于運動仿真，確定虛擬樣機某一點的運動軌跡、運動速度及加速度等；Simulation用于虛擬樣機的材料力學分析，確定材料處于載荷作用下的變形量等參數；Composer是SolidWorks中一款用于技術交流的插件，可實現虛擬樣機的再渲染、動畫視圖以及工作動畫等；Routing用于設計管型線路及電氣布線；Electrical用于設計電氣原理圖，并可根據原理圖直接生成PCB圖。

2.4 系統集成技術

系統集成技術是一門新興技術，常用于復雜的系統或設備中，用于實現系統或設備中的各子系統、子模塊的統一協調工作。本文設計的機電裝備維修模擬訓練通用平臺是一臺機電集成設備，包含機械裝置、電氣系統和軟件系統。為保證平臺協調工作，本文基于CAN總線通信網絡，利用系統集成技術設計了平臺機械裝置、電氣系統以及軟件系統的集成方案，以實現通用平臺的預期功能。

3 通用模擬維修訓練平臺模塊設計與集成

通用模擬維修訓練平臺是一臺復雜的機電設備，是一體化計算機、開關與指示裝置套件、鍵盤套件、可更換工程裝備模擬操控模塊、電源系統、通信系統及安裝框架等系統的綜合集成，是集機械、電氣、總線等于一體的復雜的系統工程[7]。整個系統包括多達400余機械零部件、100余電器部件、連接電纜及其他附件等。因此，系統的裝配、安裝與集成是一項十分重要的任務。

3.1 通用平臺模塊構成與系統集成

通用平臺裝配集成主要包括機械執行機構、電氣控制裝置、一體化計算機、通信接口及網絡等部分，如圖2所示，其中通用平臺的整機安裝與集成包括以下三個方面：

圖2 通用平臺系統集成結構

1）機械集成，主要是通用平臺的虛擬儀表系統固件、機械執行機構、電氣控制裝置等的結構集成與安裝；關鍵環節為安裝框架的設計，以及執行機構、電氣裝置、虛擬儀表工控機、原理演示計算機和其他附件的安裝和整機集成。

2）電氣集成，是指通用平臺的各種電源信號、PLC控制信號、電動推桿控制信號、鍵盤組件信號、虛擬儀表模擬信號、時鐘信號、數字信號、傳感器的輸出信號、串口信號、CAN總線信號、USB信號等電氣信號及其他控制信號的集成，電氣集成考慮的主要因素有電路抗干擾、電路損耗、電路可靠性等因素。

3）軟件（信息）集成，主要是LabVIEW開發的虛擬儀表軟件、Unity3D開發的虛擬維修訓練軟件、數據庫等軟件系統的鏈接與集成，軟件集成與電氣集成緊密相關，需要考慮軟件的無縫集成、軟件的控制邏輯與數據流、控制流的協同等問題。

3.2 機械機構的安裝集成

通用平臺的安裝框架主要由底座、主支撐架、安裝墊板、安裝承重板、安裝導軌、導線槽與機柜外殼等部分組成。通用平臺安裝框架的尺寸主要是由操控面板的重量及控制柜中各設備模塊決定的。主支撐板被直接焊接在底座上，兩側有鋼條固定，采用三角支撐設計，能夠承受較大的壓力。安裝墊板在安裝承重板和主支撐架之間，起密封作用，將控制柜和外部隔離，防止安裝件外露和外部雜物進入而對安裝柜造成損壞達到保護控制柜內部結構的作用。安裝承重板連接在滑塊上。采用鏤空設計減少了材料的用量和操控面板的重量。安裝構件可以直接安裝在鏤空位置，方便安裝。同時鏤空的結構增強了承重安裝板的承重能力。導軌安裝在安裝承重板上用于安裝PLC和其他部件。導軌滑塊機構整體安裝在主支撐架上。兩根導軌直接安裝在主支持架上，每根導軌上有兩塊滑塊，安裝板安裝在滑塊上以實現操控面板和運動模塊的整體運動。平臺控制柜中的導線槽采用履帶式外殼中空走線設計，履帶式外殼為多級變形，變形能力強，內部空間較大，方便布線。機柜外殼后具有開門設計，方便柜中設備的安裝、檢查、維修、保養。控制柜的左右兩側分別安裝有兩個拉手，由螺釘組固定在柜體上，為保證平臺搬運的安全性，將每個拉手可承重的最大拉力設計為100 kg左右。另外，為方便平臺的搬運和運輸，控制柜底座下部設計有4個萬向輪，萬向輪起導向作用，在實訓平臺位置固定時可以鎖死，防止實訓平臺工作中出現滑移。

3.3 電氣系統的安裝與集成

通用平臺電氣系統的組成也較為復雜，其安裝與集成的主要工作包括PLC系統各個模塊的安裝集成、背光燈與控制電路的連接與集成、工控機及外設的連線與集成、整機控制電路的設計與優化、各種總線的連接與選擇、電源模塊的選擇與連接等[8]。通用平臺的電氣系統總體集成如下頁圖3所示。

3.4 軟件系統的集成

通用維修平臺的軟件由數據庫及管理系統、虛擬儀表軟件、維修模擬訓練軟件、CAN總線通訊軟件和通用平臺控制軟件等構成。軟件系統的集成框架如下頁圖4所示。其中數據庫管理系統由標準數據庫、故障數據庫、維修指導數據庫、數據備份接口和實時轉儲接口等組成，是軟件系統集成的數據基礎和橋梁。數據源端由數據采集控制系統和模擬數據產生器和原始數據庫等組成，當通用平臺與工程裝備車載狀態監控系統聯機時，可通過數據采集與控制系統獲取相關的實測數據。而當通用平臺單獨運行時，可由模擬數據采集器軟件產生各種故障的模擬信號并存儲到相應的數據庫中。軟件的應用端主要是虛擬儀表軟件，用來模擬布雷車等工程裝備上的各種火控系統、電控系統的虛擬儀表，以及維修模擬軟件，用來進行工程裝備的原理演示、故障排除、維護保養等虛擬維修訓練教學[9]。CAN通訊進程軟件在此有重要作用，由于通用維修平臺操控端信號要求與虛擬儀表軟件和維修模擬訓練軟件同步動作，而且后二者之間也要求能互相協同運行，為達此目的，在軟件開發時，兩個軟件分別通過其運行計算機的CAN端口與CAN通訊進行交互，經CAN進程傳遞兩個軟件之間的交互信息，從而實現二者的互聯互通。

圖3 電氣系統集成示意圖

圖4 軟件系統的集成框架

軟件系統的集成框架中各模塊通過上述功能架構方式實現協同，既能相互配合，顯示模擬維修訓練進程，又能單獨運行，實現虛擬儀表的單獨顯示或維修訓練過程的獨立運行，同時還能與工程裝備實車進行聯機檢測與故障排除維修學習。這種軟件集成模式實現了各軟件模塊間的松散耦合，使通用平臺軟件的各個功能模塊易于替換、擴展和重構，保證了系統的開放性和靈活性。

4 結論

該通用平臺依托《機電裝備維修模擬訓練通用平臺的研制》科研項目，綜合運用PLC控制技術、CAN總線技術、三維建模技術、系統集成技術，將機電裝備的訓練和維修集成于一個平臺，解決了原平臺占用場地面積大、研制配套經費高、設備利用率低、通信模式不一致等問題，優化了訓練方法，創新了裝備平戰維修訓練模式和訓練手段，對裝備的維修保障能力快速形成具有重大現實意義。