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(yè)是一種技術(shù)密集型行業(yè)，而深水下放安裝也屬于特殊工種作業(yè)。由于海洋石油生產(chǎn)對于海上施工作業(yè)環(huán)境要求極為苛刻，使得海上石油生產(chǎn)面臨巨大的威脅。吊機作為海洋石油機械的重要設(shè)備，其所處的作業(yè)環(huán)境決定了其操作的特殊性。吊機含有回轉(zhuǎn)、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(yōu)良的性能，其環(huán)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(xiàn)代化培訓裝置，近年來在國內(nèi)外得到迅速的發(fā)展[1]。

目前，吊機訓練仿真器已經(jīng)在部分領(lǐng)域有所使用。中聯(lián)重工科技發(fā)展股份有限公司開發(fā)的塔式起重機仿真培訓系統(tǒng)，以工地用吊機為仿真對象[2]；交通部水運科學研究所開發(fā)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(huán)境復雜和操作方法都比上述仿真器復雜。為此本文設(shè)計和開發(fā)了虛擬環(huán)境下的吊機作業(yè)培訓系統(tǒng)，并對其相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

1 吊機仿真模擬器設(shè)計

該仿真器所包含的儀器設(shè)備與實際的吊機控制臺具有相同的操作方法和狀態(tài)顯示，而且還具有操作過程監(jiān)控，成績自動評定，模擬故障設(shè)定等功能。通過PLC采集操作數(shù)據(jù)，驅(qū)動計算仿真服務(wù)器進行模型解算，通過操控仿真服務(wù)器顯示和保存操作數(shù)據(jù)及計算仿真服務(wù)器反饋的運動參數(shù)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 吊機仿真模擬器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Simulator structure diagram of crane

2 吊機仿真模擬器功能

根據(jù)水下應(yīng)急維修仿真培訓系統(tǒng)的設(shè)計要求和水下應(yīng)急維修訓練的要求，吊機仿真模擬器應(yīng)具有如下功能：

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

（2）操作培訓功能：系統(tǒng)提供了逼真的訓練環(huán)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(jiān)督培訓功能：教練員通過中央控制臺實時監(jiān)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(jīng)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(tǒng)能夠自主地對學員操作進行考核評分。

3 吊機仿真器實現(xiàn)

由圖1可知，吊機仿真模擬器由吊機仿真操作臺、后臺服務(wù)器組、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、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(jù)工業(yè)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(cè)控制臺、踏板控制等部分。左右側(cè)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(zhuǎn)換為數(shù)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(wù)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(lián)系系統(tǒng)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(fā)出的信號進行處理，完成聯(lián)鎖邏輯運算，確定需要向操控仿真服務(wù)器發(fā)出的信號。出現(xiàn)違背邏輯關(guān)系的誤操作時，將誤操作信號分類后向操控仿真服務(wù)器發(fā)送，并在仿真操作臺上發(fā)出聲光報警。

仿真器共需要24路數(shù)字量輸入，2路數(shù)字量輸出，7路模擬量輸入。根據(jù)系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，使仿真操作臺成為網(wǎng)絡(luò)的一部分，用此種方式通訊便于今后系統(tǒng)的擴展[5]。吊機仿真模擬器PLC系統(tǒng)配置如圖3所示。

表1 控制系統(tǒng)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(tǒng)配置Fig.3 PLC system configuration for crane simulator

3.2 后臺服務(wù)器組

后臺服務(wù)器組包含操控仿真服務(wù)器、計算仿真服務(wù)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(shù)據(jù)處理、模型計算、數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)發(fā)同步等工作。將每一個服務(wù)器及其下面所接入的子系統(tǒng)都設(shè)定為一個仿真節(jié)點，則各個節(jié)點都是一個獨立仿真的系統(tǒng)。

3.2.1 操控仿真服務(wù)器

操控仿真服務(wù)器的作用有2個：一是負責對學員操作過程中的動靜態(tài)數(shù)據(jù)進行管理。記錄操作臺輸出的操作參數(shù)以及計算仿真服務(wù)器輸出的運動參數(shù)。通過這些數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對學員操作真實回放，為考評系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，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(shè)備”當前運行狀況，了解當前操作引起設(shè)備的回饋或者動作。通過參數(shù)以及曲線的變化，操作員可以對當前設(shè)備的控制做出實時調(diào)整，以滿足水下應(yīng)急維修實時仿真的要求。

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

3.2.2 計算仿真服務(wù)器

計算仿真服務(wù)器主要是構(gòu)建仿真模擬器吊機動力學模型，對外部的數(shù)據(jù)執(zhí)行響應(yīng)，實時進行吊機動力學仿真計算，對相關(guān)物體的狀態(tài)、位置、動作、干涉等進行計算和判斷，并將計算出的結(jié)果傳送給視景仿真機組和操控仿真服務(wù)器顯示。根據(jù)教練員站和操作臺的指令，完成指定的模型解算，以驅(qū)動場景運行和對學員提供觀測數(shù)據(jù)。計算仿真服務(wù)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(wù)器傳來的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)進行場景繪制，并發(fā)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(qū)動在Vega Prime平臺下完成，采用Vega Prime分布式渲染模塊實現(xiàn)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(tǒng)及通訊設(shè)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(tǒng)仿真流程的控制、系統(tǒng)的初始化等工作。教練員工作站主要有系統(tǒng)管理、自然環(huán)境配置、科目的設(shè)定、仿真系統(tǒng)考核評分等功能。仿真系統(tǒng)管理包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理、學員信息錄入、教練員信息錄入；仿真系統(tǒng)自然環(huán)境的配置包括對海流、天氣、風速、風向等配置；仿真系統(tǒng)科目設(shè)定包括培訓科目和考核科目的設(shè)定，如水下采油樹密封圈更換、水下采油樹不停產(chǎn)維修等；仿真系統(tǒng)考核評分功能包括專家知識庫設(shè)定、操作過程監(jiān)視、成績評定、成績管理、教練員主觀評價等。

4 仿真模擬器數(shù)據(jù)通訊

通訊功能是仿真系統(tǒng)中重要的一個環(huán)節(jié)，是聯(lián)系仿真模擬器各個部分的紐帶，是仿真系統(tǒng)的血脈。良好的通訊系統(tǒng)會加快仿真的數(shù)據(jù)傳輸速率，增強仿真系統(tǒng)的實時性。OPC（OLE for process control）技術(shù)是基于微軟的OLE、COM和DCOM技術(shù)，由一系列用于過程控制和制造業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域的標準接口、屬性以及方法組成。ActiveX/COM技術(shù)定義了工業(yè)軟件組件如何才能交互作用和共享數(shù)據(jù)，由于得到了微軟Windows技術(shù)的支持，OPC為多種多樣的程控設(shè)備提供了一個公共的接口，而與過程中的控制軟件或設(shè)備無關(guān)[6]。OPC服務(wù)器及所有的硬設(shè)備均通過以太網(wǎng)連接組成局域網(wǎng)，仿真系統(tǒng)的其它設(shè)備通過訪問OPC服務(wù)器實現(xiàn)了吊機仿真器數(shù)據(jù)的交互，從而了解吊機的工作狀態(tài)及操作人員的操作信息。這樣就構(gòu)成了一個資源共享、任務(wù)分擔的分布式系統(tǒng)。采用OPC通訊協(xié)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(shè)備，從而組成協(xié)同仿真系統(tǒng)。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(wù)器。

5 典型案例的仿真培訓過程

水下應(yīng)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(yè)環(huán)境，還可以使學員對水下應(yīng)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(jié)語

本系統(tǒng)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(huán)境適應(yīng)性訓練。對操作員深水水下應(yīng)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(fā)情況來臨時操作人員能夠從容應(yīng)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(chǎn)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(zhì)量。

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