基于SimuWorks的船舶動力系統半實物仿真平臺

曹漢卿 趙光超

[摘? ? 要]針對船舶動力系統實時運行仿真及模擬訓練操作，采用SimuWorks仿真軟件構建了船舶動力系統的半實物仿真平臺。為解決復雜仿真模型構建與快速輸出，實現半實物仿真平臺操作反饋實時性，運用模塊化建模方法建立船舶動力系統仿真模型。為了達到半實物仿真平臺的在線協同性，以西門子S7-200系列PLC控制器，建立了仿真服務器與控制盤臺之間的TCP/IP通信，并利用Unity和KingView軟件開發了人機交互界面。測試表明該系統具有良好的實時性和可操作性，可以應用于教學和科研。

[關鍵詞]船舶動力系統;半實物仿真;仿真模型;人機交互

[中圖分類號]TP391.9 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）01–00–03

Semi-physical Simulation Platform of Ship Power System Based on Simuworks

Cao Han-qing，Zhao Guang-chao

[Abstract]Aiming at the real-time operation simulation and simulation training operation of ship power system， SimuWorks simulation software is used to construct a semi-physical simulation platform of ship power system. In order to solve the complex simulation model construction and rapid output， and realize the real-time performance of the semi-physical simulation platform operation feedback， the modular modeling method is used to establish the ship power system simulation model. In order to achieve the online synergy of the semi-physical simulation platform， the Siemens S7-200 series PLC controller was used to establish the TCP/IP communication between the simulation server and the control panel， and the human-computer interaction interface was developed using Unity and KingView software. Tests show that the system has good real-time performance and operability， and can be used in teaching and scientific research.

[Keywords]ship power system; hardware-in-the-loop simulation; simulation model; human-computer interaction

船舶動力系統設備具有復雜、操作管理規范性強、故障和特殊工況的應急處置要求高等特點。國內外輪機專業船員培訓一般分為理論學習、模擬訓練和實裝訓練3個階段。目前，依托實裝開展訓練一方面存在缺少中間銜接環節，因缺乏對裝備操作管理的直觀體會，增加了實裝訓練的安全風險，導致船員誤操作易損壞設備，且柴油機等裝置不允許在短時間內進行反復啟、停等操作，另一方面無法開展設備故障和應急情況處置等實戰化背景下的課目訓練，培訓次數、訓練內容和效果都受到較大的限制。

針對上述問題，以船舶動力系統為研究對象，基于SimuWorks仿真支撐平臺，開發船舶動力系統半實物仿真平臺，突破依賴實船進行船舶機電專業人員訓練的局限性，該系統能夠在逼真的環境氛圍下開展機電專業常規課目和特殊課目的訓練，可作為實戰背景下情景意識和應急處置能力訓練平臺，采用新手段開展船舶機電管理人員專業技能訓練，改善當前船舶機電裝備訓練的現狀，有效規避實裝訓練安全風險，充分發揮裝備效能，讓機電專業人員盡快掌握船舶電機電裝備的操縱性能，彌補實裝訓練內容和規模受限、效率偏低等問題，具有運行使用成本低、易于維護管理、對場地等配套設施要求不高、便于推廣應用等特點，且具有軍事經濟效益突出，對提升船艇機電崗位培訓的質量和效益、船艇機電崗位實戰化訓練水平和部隊戰斗力，具有重要的現實意義。

1 系統總體框架

船舶動力系統半實物仿真平臺由仿真服務器、PLC控制器、控制盤臺、管理主機和示教臺構成，以SimuWorks仿真支撐軟件和監控組態軟件為基礎，利用適當的軟硬件實現對動力平臺系統的操作模擬，并給出準確的反饋，從而達到對操作人員進行訓練的目的。船舶動力系統半實物仿真平臺結構如圖1所示。

管理主機設置訓練的船型后，針對相應的訓練課目，將船舶的航行狀態、船舶動力系統工作參數等信息通過網絡傳輸方式傳送給仿真服務器，仿真服務器通過SimuWorks仿真支持平臺調度仿真模型模擬實裝運行機理及操控響應，接收各控制盤臺的操作信息，并對信息進行解算，同時將仿真計算結果在人機交互界面中顯示。選擇考核模式時，操作過程信息將被記錄到數據庫中，結合考核評估規則與算法，對操作進行評估，船舶動力系統半實物仿真平臺還實現動力系統運行及操作過程中的聲音模擬。

2 構建船舶動力系統仿真模型

仿真系統在SimuWorks仿真支撐平臺中的實現采用模塊化的方法，如柴油機、齒輪箱、發電機、螺旋槳等，根據其數學模型編制仿真模塊。模塊間的數據流動通過與公用變量數據庫的交互實現。模塊化建模方法可降低建模的復雜性，縮短建模時間，增加模型的通用性。采用模塊化建模方法建立船舶主推進裝置模型，通過逐層分解，劃清物理邊界形成樹形結構。理論上，對樹形結構的深度，即系統進行分解的層次是不受限制的，但合理地確定分解的層次有助于模型的建立和維護。船舶動力系統數學模型層次結構如圖2所示。

在仿真模型的開發過程中，以規范化的標準建立基本設備和部件的數學模型，并將它們開發成通用的基本模塊，用其組合成不同類型子系統的模型。船舶主推進系統有控制系統給主機下達指令，柴油機產生扭矩及推力，通過推進軸系傳遞給螺旋槳旋;螺旋槳產生推力，通過推力軸承傳遞給艇體，克服阻力推動船舶運動。船舶主推進系統仿真模塊結構圖如圖3所示。

SimuWorks基于C/S結構，具有多流程支持功能，可以在一套硬件系統上同時開發或運行不同的仿真系統。船舶動力系統設備數量和種類繁多，設備工作原理復雜，其功能各不相同。系統開發可采用多人分布式協同開發和協同仿真方式。利用層次分解的方法，整個動力系統可分為設備模塊建模、邏輯控制模塊建模和功能模塊建模3個部分。每個模塊部分又可以分解為若干獨立的物理設備或部件，例如柴油機設備模塊可分解為調速器子模塊、供油裝置子模塊、柴油機本體子模塊、增壓器子模塊等，模塊之間相互獨立，構成系統設備模型庫。

通過仿真平臺軟件可以在系統下同時執行多個數學模型程序，并使之自動保持同步。SimuWorks軟件最小仿真步長為10ms，數據刷新時間步為50ns，可滿足動力系統仿真的要求。仿真軟件提供了應用程序開發接口，利用這些接口，可以完成對系統狀態的訪問、網絡實時數據庫的訪問與修改以及工況文件的讀取與保存等。

3 人機交互系統

利用Unity和KingView軟件，實現各種交互界面設計和硬件設備系統的監控。船舶動力系統半實物仿真平臺人機交互界面包括機旁操控界面和管系附屬操控界面，分別用于模擬主推進裝置的操控及響應，主要包括操縱手柄、按鈕、開關、指示燈、顯示儀表等交互元素，操控界面外觀及其布局與實裝一致。人機交互界面設計如圖4所示。

船舶動力系統訓練模各設備控制臺上開關、按鈕、指示燈、儀表和報警面板等設備布置和外觀設計，以實船為基礎，使操作人員感受與實船相同。設計過程中，將監控軟件的基本功能進行分解并模塊化，同時進行界面的顯示、數據的采集存儲、內部邏輯程序的執行和其他程序的協作通訊等，提高設計開發效率和軟件的可維護性。

在界面設計時，可以使用圖庫中原有的組態元素也可以自行導入點位圖實現更加真實的界面。對一些邏輯時序的控制及簡單的運算就可以直接用其內嵌的腳本命令來實現。利用組態軟件提供的種類豐富的繪圖組件和多種輔助功能模塊，可實現變量實時曲線繪制、歷史曲線顯示和越線報警等功能。動力管系人機交互界面如圖5所示。

4 基于PLC的協同控制

利用KingView實現船舶動力系統半實物仿真平臺硬件設備系統的監控，可減少功能的細節實現和監控程序的架構關心，開發人員只要將組態功能予以組合并且賦予特殊的邏輯就能實現想要的功能。

平臺開發過程中，首先需要的人機交互界面，其次定義所需的外部設備，然后定義內存變量和I/O變量。內存變量用于服務于程序本身的運行，I/O變量則負責與外部設備進行數據交互。PLC控制器從盤臺中采集數據，存于實時數據庫中，并將數據的變化發送給人機交互界面用動畫的方式形象地表示出來;對控制設備輸入信號，經仿真軟件進行邏輯判斷及仿真計算，通過PLC發送給控制臺輸出設備顯示相應的穩態及瞬態的運行數值，模擬實船的運行數據。PLC信息交互機制如圖6所示。

KingView可以實時訪問控制臺PLC，獲得操作人員的操作信息。設置PLC參數并將每套PLC系統的I/O表、IP地址、子網掩碼等信息由上位機傳送至PLC的CPU單元中，并將模擬量I/O模塊的單元號旋鈕旋至相應位置。組態王中需進行PLC設備定義、I/O變量定義及內存變量定義，然后采用Bit（）和BitSet（）函數完成I/O離散變量的讀寫。I/O模擬變量選用相應的PLC模擬量輸入輸出模塊，采集電位器信息，經上位機處理運算后輸出給儀表。

SimuWorks與KingView之間的通訊以OPC規范為基礎。其本質是跨進程的DCOM調用，因此通訊前必須作相應的DCOM配置確保雙方獲得足夠的調用權限。通過完成相應的電腦配置，就可以實現在OPC服務器和OPC客戶端之間進行通信，只要符合OPC服務器的規范，OPC客戶都可與之進行數據交互。

KingView軟件SQL訪問功能將監控數據以一定的方式保存到操作過程數據庫中。它由SQL訪問管理器來實現與數據庫的通信。監控數據通過KingView訪問管理器實現和數據庫之間建立數據交互通道，然后創建數據訪問方式，也就是表格模板，和數據庫中表相對應，包含相同的數據變量，這樣數據的讀取和存儲就建立完成。KingView首先在系統ODBC數據源中添加數據庫，然后通過SQL訪問管理器和SQL函數實現各種操作。SQL函數可以在KingView的任意一種命令語言中調用，實現數據訪問的各項操作。

5 結論

本文根據船舶動力系統在教學和科研中的實際需求，采用SimuWorks仿真軟件、PLC控制器等構建了一個船舶動力系統半實物仿真平臺，實現了船舶動力系統實時仿真與模擬操作，運用模塊化建模方法提高了船舶動力系統仿真速度，并通過TCP/IP通信在線協同控制各盤臺動作，實現操作人員模擬訓練功能，該系統在實踐教學和培訓中得到較好的應用，達到了設計的需求。

參考文獻

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