基于VME 與PLC 的動力裝置訓練系統設計及實現*

肖劍波 聶 偉 張喬斌 胡大斌

（1.海軍工程大學艦船與海洋學院 武漢 430033）

（2.陸軍軍事交通學院鎮江校區 鎮江 212003）

1 引言

動力裝置是艦船的核心，其功能的發揮不僅影響艦船機動性能，對軍艦而言，更會進一步影響其作戰效能?，F代艦船動力系統自動化程度高、結構日趨復雜，如何實現動力裝置操作管理人員的高效培訓，成為當今各海事培訓機構和海軍等面臨的難題。隨著虛擬建模、計算機仿真等技術的成熟及推廣應用，船舶動力裝置模擬訓練系統逐步成為主流，在船舶操作人員崗前培訓方面發揮了重要作用。

針對不同的研究目的，船舶動力系統仿真研究主要分為設計仿真和訓練仿真。設計仿真主要研究動力系統及其部件的動穩態特性，以及系統在不同控制策略下的性能；而訓練仿真以研制訓練模擬系統為主要內容，主要是訓練設備及其控制系統的操作者，這種訓練系統包括計算機輔助訓練系統（Computer Based Training System，CBT）、岸基訓練系統（Shore Based Training System，SBT）以及迅速發展的實船訓練系統（On Board Training System，OBT）［1～2］。

本文以某型艦船動力裝置為仿真對象，開展模擬仿真系統總體設計，并基于PLC 和VME 總線實現了實裝控制系統與仿真訓練設備之間的信息交互。通過模塊化設計思想，構建了該型艦船動力裝置數學仿真模型，并通過與實際運行工況對比分析，驗證了仿真的準確性。

2 動力裝置仿真對象分析

該型船動力裝置組成主要包括柴發機組、推進電機、軸系、螺旋槳、泵、空壓機、液壓機械以及全船集中控制系統、柴油機控制系統、操縱控制系統等輔助控制系統等［3］。動力裝置系統組成結構復雜，特別是其全船集中控制系統，大量采用了非標電子元器件，并主要采用機械式繼電器來實現復雜的邏輯控制功能，基于分布式計算機控制系統結構，主控計算機為基于VME 總線的嵌入式單板機，控制軟件基于QNX 實時操作系統設計。為保證其維修性，在硬件設計上采用模塊化方式。實際修理過程中，為實現系統模塊的功能檢測、維修，僅能依靠實船開展試驗，且只能對該系統的正常功能進行測試，很難或不能對至關重要的故障報警和安全保護功能進行測試。大量的實船試驗需頻繁啟動柴油機，這不僅對裝備有較大的損耗，而且還有可能由于維修不當或因備件存在缺陷而損壞控制系統中其它正常工作的電路模塊，甚至造成重大的裝備事故。為了檢驗相關控制模塊的性能優劣以及功能是否完善，保證使用過程中整個動力系統的可靠性與安全性，有必要對電路模塊進行全面的功能測試。另外，對經過功能測試后的故障模塊進行科學、合理的分析，快速、準確地實施故障定位，從而實現裝備技術保障功能，也是值得研究的內容。

動力裝置模擬訓練系統中按照各類型設備的要求進行布置，分為模擬操作臺盤、實裝設備及計算機仿真系統等，整個仿真平臺的設計既要滿足對所有動力裝置組成設備的動態、穩態仿真的需要，又要滿足裝備技術保障功能的需要，使得仿真平臺能夠實現對實裝電路模塊的功能測試和故障分析。

系統研制過程，基于半物理仿真的方法，各操控臺等用戶界面，保持和實際裝備基本一致；基于計算機仿真方式模擬柴油機、發電機組等各被控對象；全船集中控制系統、操縱控制系統等實裝技術保障裝備，基于實裝實現，外部設計專用電路和仿真軟件模擬實船執行機構、傳感器、顯示儀表以及運動狀態，從而構建半物理仿真系統來實現對模塊的測試功能和仿真訓練功能［4］。

3 基于PLC同源數據的接口設計

動力裝置模擬訓練系統各模擬操作臺盤，需要通過接口系統實現模擬開關、儀表、指示燈等輸入輸出元件的信息與仿真計算機之間的交互。

傳統的接口系統常采用微處理器、單片機或者工控機以及配套的硬件接口電路板，但這些硬件設備不易使接口系統網絡化、模塊化，且實現難度大、造價高。為此，本系統在設計之初，選擇工業用PLC 作為接口模塊，并結合組態軟件實現仿真計算機、模擬操作控制臺、教練員計算機之間的連接。

PLC 與計算機可以通過串口通信、Controller Link 網絡通信以及以太網通信等多種方式［5］。通常情況下串口通信存在數據量小、傳輸距離較短、實時性差等缺陷，而Controller Link 網絡通信開發難度大，實現比較困難。為此，本系統選擇以太網通信方式，將PLC以星形連接的方式接入以交換機為中心的以太網上，各種I/O模塊與操作臺、實裝電路模塊相連。接口系統結構如圖1所示。

圖1 接口系統結構圖

4 基于VME總線的硬件在環技術

本文所研究的全船集中控制系統，主要用于對柴油機進排氣系統、燃油系統、輔冷系統、疏水和噴淋系統、化學滅火系統、液壓系統等進行自動控制、狀態監測和安全保護，是保障平臺安全運行的核心系統。系統主控計算機為嵌入式VME 總線單板機，采用MIL-STD1553B 通訊網絡，控制軟件基于QNX 實時操作系統設計。全系統由一個中央控制站和多個控制分站組成，分布在全船各個艙室，是該型艦船規模最大的數字控制系統。硬件上，系統基于VME 總線單板機和底板，并配置VME 總線接口板、通信板、執行機構驅動板、檢測模塊、電源模塊等功能模塊。

如何實現VME 總線下的硬件在環仿真是需要重點考慮的問題。在設計過程中，對全船集中控制系統本身不做改動，各控制臺及電路模塊、操作顯示面板以及各電路模塊之間的接口設計與實裝一致，系統中央控制站和控制分站之間采用MILSTD1553B通訊網絡。通過設計仿真軟件和專用電路模擬實船執行機構、傳感器、顯示儀表以及運動狀態，從而構建一個典型的半物理仿真系統，實現全船集中控制系統與外部仿真訓練設備（包括教控臺、其他訓練操作臺）之間的信息交互，實現集中控制系統參與訓練，采用以太網通訊方式與外部進行信息交互。

全船集中控制系統實船執行機構為電液執行器，執行器動作時間約需3s，訓練系統模擬執行機構的動作采用繼電器進行模擬，同時借助其觸點模擬該執行機構的傳感器，在傳感器模擬信號回路中加設RC延遲環節進行動作時間模擬。

根據該技術思路進行電路設計，訓練系統中構建了執行機構驅動模塊所驅動的雙線圈執行機構及狀態傳感器模擬電路、單線圈執行機構及狀態傳感器模擬電路，對于訓練系統中無執行機構而直接采集的大量傳感器信號，則直接采用開關進行設置。執行機構、傳感器以及被控對象的控制響應（如船體狀態、各閥門的開啟狀態）等采用電路仿真模擬和軟件仿真模擬。

5 裝置仿真模型建立

隨著技術的進度，研究者在對仿真系統進行建模時提出了“通用、及時、方便”等需求，傳統的建模方式為過程化建模，但其存在模型結構固化，靈活性差、難度大且難以重用等缺點［6］。通過從計算機硬件發展受啟發，人們提出了模塊化的建模思想，即通過一定的規范建立基本設備或部件的標準化模塊，并通過模塊的組合實現不同類型子系統建模，該方式可有效降低模型開發的復雜度，增加模型通用性［7～9］。它也克服了由于保密因素的限制，艦船動力系統部分技術參數不公開，模型參數難于確定的難題。

艦船動力裝置仿真系統在研制過程中，對動力裝置的建模采用模塊化建模方法，根據各設備、部件數學模型編制仿真模塊，如調速器、增壓器等，再通過各仿真模塊的組合實現子系統、系統級仿真。

仿真模型源程序采用Fortran 語言編寫，選用SimuEngine型仿真可視化仿真支撐系統，在完成系統模型源程序編寫后，SimuEngine可生成可執行程序，并通過實時變量數據庫實現數據變量的統一管理和數據共享，并可實現在線修改調試仿真模型。具體的實現過程按照如下四步實現。

1）變量數據庫設計

SimuEngine 中的公共（全局）變量都保存在其變量數據庫中。模塊間的數據流動主要通過與公用變量數據庫的交互實現。仿真任務運行時，根據需要從變量數據庫中讀取和改寫變量。同時，該數據庫的變量可通過OPC Client 程序與組態軟件中的變量進行雙向或單向同步更新，從而實現計算結果輸出和硬件動作輸入。

2）編制各部件仿真子模塊

結合動力裝置數學模型，以Fortran 語言中的子過程的形式實現動力系統各部件仿真子模塊。在程序中可定義僅限本模塊內使用的局部變量，也可以直接向變量數據庫輸入和輸出變量，從而實現與其它模塊的數據交互。仿真過程中，仿真模塊被SimuEngine 仿真引擎以一定步長（可自定義）反復調用，實現系統狀態的更新。仿真過程中，一些中間變量（如積分過程的中間變量）同樣也在變量數據庫內定義相應變量，用于保存每個步長之間的臨時狀態。

3）生成任務文件

各個仿真子模塊必須在相應的任務文件內被調用才能運行。任務文件經過編譯后形成可運行的exe 文件。根據不同的仿真科目需求，可采用不同子模塊的組合生成不同的任務文件。

4）定義仿真工況

訓練過程中，不同的工況系統具有不同的初始狀態，如蓄電池充電訓練時應事先將蓄電池的電量設置為較小值。為滿足教練員下達不同訓練科目時設置不同系統初始狀態，必須對變量數據庫內的變量賦相應的初值。變量數據庫內變量數目很多，如果通過編程來設置這些初值相對復雜。通過文件形式保存工況并在相應變量設定好初值后，將整個變量數據庫保存為某個工況文件，當教練員下達訓練科目后，只需通過選擇工況文件或者編程調入相應的工況文件即可。

系統模型開發流程如圖2所示。

圖2 SimuEngine模型開發流程圖

6 主柴油機系統仿真實例分析

采用準穩態模型的建模方法，結合柴油機原始參數和大量的實船記錄數據，實現了柴油機系統的數學建模［10～13］。柴油機主要組成如圖3所示。

圖3 動力系統柴油機的主要組成

在整個航行過程，蓄電池的狀態變化導致動力裝置系統中各指標參數逐漸發生變化，在仿真中，可將動力裝置工作簡化為準穩態方式。

為研制動力裝置數學模型的準確性，并分析模擬仿真的精度及速度，我們選擇兩種典型工況下仿真模型計算結果數據與實船運行參數進行比對。

1）柴油機啟動過程

實際運行過程中，在充電工況下，啟動柴發機組并置于2 檔工況，運行給蓄電池充電。在模擬訓練系統中，通過操作啟動柴油機并置于2 檔工況，保存仿真數據。如圖4 所示為仿真系統柴油機啟動過程仿真曲線。

圖4 啟動工況曲線

2）柴油機增加負載

柴油機轉速增加并穩定于工作轉速，通過接通勵磁開關與電樞開關，發電機工作。圖5 為柴油機增加負載后仿真運行曲線。

圖5 增加負載后仿真曲線

選擇左、右柴油機充電工況下柴油機轉速、各氣缸排氣溫度、增壓器前排氣溫度、總管溫度、廢氣壓力等柴油機相關的重要參數作為參考依據，分析模型仿真結果與實裝測試數據后得出各技術參數仿真數據相對誤差均不超過3%，柴油機仿真模型的仿真數據準確可靠，能夠實際模擬柴油機的工作情況，滿足仿真要求。

7 結語

為提升操作人員訓練水平，開展了某型船舶動力裝置模擬訓練系統研制工作。為同步實現該控制系統的裝備技術保障功能，開展了基于VME 總線的硬件在環技術、基于PLC的數據接口技術設計等研究，通過設計仿真軟件和專用電路模擬實船執行機構、傳感器、顯示儀表以及運動狀態，從而構建一個典型的半物理仿真系統，實現全船集中控制系統與外部仿真訓練設備（包括教控臺、其他訓練操作臺）之間的信息交互。針對該型船動力系統設備多、功能復雜的特點，采用模塊化建模思想，建立了動力裝置數學模型?；赟imuEngine 仿真支撐環境，建立了動力裝置的仿真模型，實現了動力系統各工況仿真，并結合動力裝置實例進行了分析。通過動力裝置仿真結果驗證，系統可模擬實船動力裝置相關工況，滿足仿真要求。