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1、 基于VME与PLC的动力装置训练系统设计及实现* 肖剑波 聂 伟 张乔斌 胡大斌（1.海军工程大学舰船与海洋学院 武汉 430033）（2.陆军军事交通学院镇江校区 镇江 212003）1 引言动力装置是舰船的核心，其功能的发挥不仅影响舰船机动性能，对军舰而言，更会进一步影响其作战效能。现代舰船动力系统自动化程度高、结构日趋复杂，如何实现动力装置操作管理人员的高效培训，成为当今各海事培训机构和海军等面临的难题。随着虚拟建模、计算机仿真等技术的成熟及推广应用，船舶动力装置模拟训练系统逐步成为主流，在船舶操作人员岗前培训方面发挥了重要作用。针对不同的研究目的，船舶动力系统仿真研究主要分为设计仿真
2、和训练仿真。设计仿真主要研究动力系统及其部件的动稳态特性，以及系统在不同控制策略下的性能；而训练仿真以研制训练模拟系统为主要内容，主要是训练设备及其控制系统的操作者，这种训练系统包括计算机辅助训练系统（Computer Based Training System，CBT）、岸基训练系统（Shore Based Training System，SBT）以及迅速发展的实船训练系统（On Board Training System，OBT）12。本文以某型舰船动力装置为仿真对象，开展模拟仿真系统总体设计，并基于PLC 和VME 总线实现了实装控制系统与仿真训练设备之间的信息交互。通过模块化设计思想，
3、构建了该型舰船动力装置数学仿真模型，并通过与实际运行工况对比分析，验证了仿真的准确性。2 动力装置仿真对象分析该型船动力装置组成主要包括柴发机组、推进电机、轴系、螺旋桨、泵、空压机、液压机械以及全船集中控制系统、柴油机控制系统、操纵控制系统等辅助控制系统等3。动力装置系统组成结构复杂，特别是其全船集中控制系统，大量采用了非标电子元器件，并主要采用机械式继电器来实现复杂的逻辑控制功能，基于分布式计算机控制系统结构，主控计算机为基于VME 总线的嵌入式单板机，控制软件基于QNX 实时操作系统设计。为保证其维修性，在硬件设计上采用模块化方式。实际修理过程中，为实现系统模块的功能检测、维修，仅能依靠实
4、船开展试验，且只能对该系统的正常功能进行测试，很难或不能对至关重要的故障报警和安全保护功能进行测试。大量的实船试验需频繁启动柴油机，这不仅对装备有较大的损耗，而且还有可能由于维修不当或因备件存在缺陷而损坏控制系统中其它正常工作的电路模块，甚至造成重大的装备事故。为了检验相关控制模块的性能优劣以及功能是否完善，保证使用过程中整个动力系统的可靠性与安全性，有必要对电路模块进行全面的功能测试。另外，对经过功能测试后的故障模块进行科学、合理的分析，快速、准确地实施故障定位，从而实现装备技术保障功能，也是值得研究的内容。动力装置模拟训练系统中按照各类型设备的要求进行布置，分为模拟操作台盘、实装设备及计算
5、机仿真系统等，整个仿真平台的设计既要满足对所有动力装置组成设备的动态、稳态仿真的需要，又要满足装备技术保障功能的需要，使得仿真平台能够实现对实装电路模块的功能测试和故障分析。系统研制过程，基于半物理仿真的方法，各操控台等用户界面，保持和实际装备基本一致；基于计算机仿真方式模拟柴油机、发电机组等各被控对象；全船集中控制系统、操纵控制系统等实装技术保障装备，基于实装实现，外部设计专用电路和仿真软件模拟实船执行机构、传感器、显示仪表以及运动状态，从而构建半物理仿真系统来实现对模块的测试功能和仿真训练功能4。3 基于PLC同源数据的接口设计动力装置模拟训练系统各模拟操作台盘，需要通过接口系统实现模拟开
6、关、仪表、指示灯等输入输出元件的信息与仿真计算机之间的交互。传统的接口系统常采用微处理器、单片机或者工控机以及配套的硬件接口电路板，但这些硬件设备不易使接口系统网络化、模块化，且实现难度大、造价高。为此，本系统在设计之初，选择工业用PLC 作为接口模块，并结合组态软件实现仿真计算机、模拟操作控制台、教练员计算机之间的连接。PLC 与计算机可以通过串口通信、Controller Link 网络通信以及以太网通信等多种方式5。通常情况下串口通信存在数据量小、传输距离较短、实时性差等缺陷，而Controller Link 网络通信开发难度大，实现比较困难。为此，本系统选择以太网通信方式，将PLC以星
7、形连接的方式接入以交换机为中心的以太网上，各种I/O模块与操作台、实装电路模块相连。接口系统结构如图1所示。图1 接口系统结构图4 基于VME总线的硬件在环技术本文所研究的全船集中控制系统，主要用于对柴油机进排气系统、燃油系统、辅冷系统、疏水和喷淋系统、化学灭火系统、液压系统等进行自动控制、状态监测和安全保护，是保障平台安全运行的核心系统。系统主控计算机为嵌入式VME 总线单板机，采用MIL-STD1553B 通讯网络，控制软件基于QNX 实时操作系统设计。全系统由一个中央控制站和多个控制分站组成，分布在全船各个舱室，是该型舰船规模最大的数字控制系统。硬件上，系统基于VME 总线单板机和底板，
8、并配置VME 总线接口板、通信板、执行机构驱动板、检测模块、电源模块等功能模块。如何实现VME 总线下的硬件在环仿真是需要重点考虑的问题。在设计过程中，对全船集中控制系统本身不做改动，各控制台及电路模块、操作显示面板以及各电路模块之间的接口设计与实装一致，系统中央控制站和控制分站之间采用MILSTD1553B通讯网络。通过设计仿真软件和专用电路模拟实船执行机构、传感器、显示仪表以及运动状态，从而构建一个典型的半物理仿真系统，实现全船集中控制系统与外部仿真训练设备（包括教控台、其他训练操作台）之间的信息交互，实现集中控制系统参与训练，采用以太网通讯方式与外部进行信息交互。全船集中控制系统实船执行
9、机构为电液执行器，执行器动作时间约需3s，训练系统模拟执行机构的动作采用继电器进行模拟，同时借助其触点模拟该执行机构的传感器，在传感器模拟信号回路中加设RC延迟环节进行动作时间模拟。根据该技术思路进行电路设计，训练系统中构建了执行机构驱动模块所驱动的双线圈执行机构及状态传感器模拟电路、单线圈执行机构及状态传感器模拟电路，对于训练系统中无执行机构而直接采集的大量传感器信号，则直接采用开关进行设置。执行机构、传感器以及被控对象的控制响应（如船体状态、各阀门的开启状态）等采用电路仿真模拟和软件仿真模拟。5 装置仿真模型建立随着技术的进度，研究者在对仿真系统进行建模时提出了“通用、及时、方便”等需求，
10、传统的建模方式为过程化建模，但其存在模型结构固化，灵活性差、难度大且难以重用等缺点6。通过从计算机硬件发展受启发，人们提出了模块化的建模思想，即通过一定的规范建立基本设备或部件的标准化模块，并通过模块的组合实现不同类型子系统建模，该方式可有效降低模型开发的复杂度，增加模型通用性79。它也克服了由于保密因素的限制，舰船动力系统部分技术参数不公开，模型参数难于确定的难题。舰船动力装置仿真系统在研制过程中，对动力装置的建模采用模块化建模方法，根据各设备、部件数学模型编制仿真模块，如调速器、增压器等，再通过各仿真模块的组合实现子系统、系统级仿真。仿真模型源程序采用Fortran 语言编写，选用Simu
11、Engine型仿真可视化仿真支撑系统，在完成系统模型源程序编写后，SimuEngine可生成可执行程序，并通过实时变量数据库实现数据变量的统一管理和数据共享，并可实现在线修改调试仿真模型。具体的实现过程按照如下四步实现。1）变量数据库设计SimuEngine 中的公共（全局）变量都保存在其变量数据库中。模块间的数据流动主要通过与公用变量数据库的交互实现。仿真任务运行时，根据需要从变量数据库中读取和改写变量。同时，该数据库的变量可通过OPC Client 程序与组态软件中的变量进行双向或单向同步更新，从而实现计算结果输出和硬件动作输入。2）编制各部件仿真子模块结合动力装置数学模型，以Fortra
12、n 语言中的子过程的形式实现动力系统各部件仿真子模块。在程序中可定义仅限本模块内使用的局部变量，也可以直接向变量数据库输入和输出变量，从而实现与其它模块的数据交互。仿真过程中，仿真模块被SimuEngine 仿真引擎以一定步长（可自定义）反复调用，实现系统状态的更新。仿真过程中，一些中间变量（如积分过程的中间变量）同样也在变量数据库内定义相应变量，用于保存每个步长之间的临时状态。3）生成任务文件各个仿真子模块必须在相应的任务文件内被调用才能运行。任务文件经过编译后形成可运行的exe 文件。根据不同的仿真科目需求，可采用不同子模块的组合生成不同的任务文件。4）定义仿真工况训练过程中，不同的工况系
13、统具有不同的初始状态，如蓄电池充电训练时应事先将蓄电池的电量设置为较小值。为满足教练员下达不同训练科目时设置不同系统初始状态，必须对变量数据库内的变量赋相应的初值。变量数据库内变量数目很多，如果通过编程来设置这些初值相对复杂。通过文件形式保存工况并在相应变量设定好初值后，将整个变量数据库保存为某个工况文件，当教练员下达训练科目后，只需通过选择工况文件或者编程调入相应的工况文件即可。系统模型开发流程如图2所示。图2 SimuEngine模型开发流程图6 主柴油机系统仿真实例分析采用准稳态模型的建模方法，结合柴油机原始参数和大量的实船记录数据，实现了柴油机系统的数学建模1013。柴油机主要组成如图
14、3所示。图3 动力系统柴油机的主要组成在整个航行过程，蓄电池的状态变化导致动力装置系统中各指标参数逐渐发生变化，在仿真中，可将动力装置工作简化为准稳态方式。为研制动力装置数学模型的准确性，并分析模拟仿真的精度及速度，我们选择两种典型工况下仿真模型计算结果数据与实船运行参数进行比对。1）柴油机启动过程实际运行过程中，在充电工况下，启动柴发机组并置于2 档工况，运行给蓄电池充电。在模拟训练系统中，通过操作启动柴油机并置于2 档工况，保存仿真数据。如图4 所示为仿真系统柴油机启动过程仿真曲线。图4 启动工况曲线2）柴油机增加负载柴油机转速增加并稳定于工作转速，通过接通励磁开关与电枢开关，发电机工作。
15、图5 为柴油机增加负载后仿真运行曲线。图5 增加负载后仿真曲线选择左、右柴油机充电工况下柴油机转速、各气缸排气温度、增压器前排气温度、总管温度、废气压力等柴油机相关的重要参数作为参考依据，分析模型仿真结果与实装测试数据后得出各技术参数仿真数据相对误差均不超过3%，柴油机仿真模型的仿真数据准确可靠，能够实际模拟柴油机的工作情况，满足仿真要求。7 结语为提升操作人员训练水平，开展了某型船舶动力装置模拟训练系统研制工作。为同步实现该控制系统的装备技术保障功能，开展了基于VME 总线的硬件在环技术、基于PLC的数据接口技术设计等研究，通过设计仿真软件和专用电路模拟实船执行机构、传感器、显示仪表以及运动状态，从而构建一个典型的半物理仿真系统，实现全船集中控制系统与外部仿真训练设备（包括教控台、其他训练操作台）之间的信息交互。针对该型船动力系统设备多、功能复杂的特点，采用模块化建模思想，建立了动力装置数学模型。基于SimuEngine 仿真支撑环境，建立了动力装置的仿真模型，实现了动力系统各工况仿真，并结合动力装置实例进行了分析。通过动力装置仿真结果验证，系统可模拟实船动力装置相关工况，满足仿真要求。 -全文完-
