劉宗凱， 趙立強， 楊小強

（1.陸軍工程大學， 江蘇 南京 210007； 2.93552部隊氣象臺， 河北 石家莊 050081）

引言

某型裝備作為一種典型的新型機電設備，由底盤車、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和發(fā)射裝填系統(tǒng)等機電部件組成，全車具有高度的自動化、信息化和集成化。該設備工作原理、組成結(jié)構復雜，在訓練、演示和維修過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)各種各樣的故障，如發(fā)射操作裝置失靈、機械裝置不動作、檢測信息無顯示或示值異常、定位定向系統(tǒng)工作異常、液壓系統(tǒng)工作異常等，導致這些故障的原因很多且故障現(xiàn)象與故障原理之間的邏輯關系具有模糊性和非線性。因此，如何判斷該裝備各種總成或系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及在出現(xiàn)故障后進行診斷和維修，是使用單位所面臨的一個難題。本文在分析該裝備工作原理、結(jié)構組成和故障機理的基礎上，提出維修實訓臺的研制思路，設計了硬件與軟件技術方案并完成了實訓臺的研制。

1 某型裝備工作裝置的工作原理分析

某型機電設備上裝部分主要由發(fā)射裝置、裝填裝置和控制系統(tǒng)等組成。其中發(fā)射裝置包括定向器、搖架、回轉(zhuǎn)機、電動高低機、電動方向機、手搖傳動裝置和千斤頂?shù)?，裝填裝置包括壓彈裝置、彈架、彈架固定器和升起裝置等，控制系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)、發(fā)火系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等。某型機電設備進行布雷作業(yè)時，首先應進行發(fā)射前準備工作，使裝備進入發(fā)射陣地、操作支撐千斤頂使裝備處于發(fā)射準備狀態(tài)，然后與指揮車的指控系統(tǒng)建立通信聯(lián)系、完成定位定向設置、進行數(shù)據(jù)上報和接收目標信息；在完成發(fā)射裝備工作后，通過控制系統(tǒng)，使得發(fā)射架解脫，啟動高低、方向電機擴大機，通過調(diào)炮機構完成自動或半自動調(diào)炮到位；最后裝定發(fā)火操作，主要內(nèi)容是電子引信的裝定與檢測、地雷自毀時間裝定與檢測、發(fā)火設定、發(fā)射操作以及裝配藥盤引信的布雷彈發(fā)射操作[1]。

該裝備完成上述任務，需由各個系統(tǒng)協(xié)同工作方能順利完成。其中起主要作用的控制系統(tǒng)、裝填系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)部件包括主控計算機、發(fā)火儀、定位定向裝置、PLC控制箱、高低擴大機和高低電機、方向擴大機和方向電機、高低與方位角測量傳感器等。這些機構在控制系統(tǒng)的管理下，依照既定的邏輯順序，通過電動執(zhí)行機構和液壓執(zhí)行機構完成布雷作業(yè)。該裝備上裝主要機構（裝置）的組成如圖1所示。

圖1 上裝主要部件組成框圖

2 某型機電設備維修訓練平臺硬件設計

2.1 維修實訓臺功能需求分析

根據(jù)該裝備工作原理與故障特點分析可知，維修實訓臺應具有上裝工作原理演示、工作裝置故障設置與模擬、仿實裝操作與虛擬場景同步控制等三大功能[2]。

上裝工作原理演示功能主要用于向用戶展示布雷車發(fā)射系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等的工作原理，通過二維原理圖與三維動態(tài)工作過程的有機結(jié)合，形象地展示了上裝各個組成部件（機構）的具體位置、形狀結(jié)構、工作狀態(tài)等，講解、演示布雷車的工作原理。

工作裝置的故障設置與模擬功能用于上裝電控系統(tǒng)、操作機構、發(fā)射裝置和其他部分的故障現(xiàn)象與特點，并提供靈活的故障設置、故障現(xiàn)象與原因追蹤、故障的仿真與排除等功能。由于某型機電設備的操縱機構既有手動機構，同時操作機構又設置了電控元器件和鍵盤式交互元件，而其工作裝置又包含機械、液壓、電氣、氣動等多種系統(tǒng)的控制元件和執(zhí)行機構，故障種類和分布范圍廣，邏輯復雜難以模擬。因此，采用雙PLC協(xié)同、計算機虛擬場景演示、操控面板輔助等手段，以實現(xiàn)故障模擬、靈活設置、指導排除和智能教學等功能。

仿實裝操作與虛擬場景同步功能主要用于該裝備仿真實裝操作機構與布雷過程的虛擬演示場景之間的同步，通過主控計算機、顯控臺、操作裝置、三維虛擬場景模擬軟件等共同完成某型機電設備全部作業(yè)的仿實裝操作和全過程的虛擬演示，為受訓人員提供了全套的虛擬仿真操作、維修與故障排除環(huán)境。

2.2 維修訓練平臺總體方案設計

維修訓練平臺采用雙PLC協(xié)同系統(tǒng)構成控制核心，外圍電路包括模擬手動部件、顯控臺、操作面板測點、電機控制模塊、模擬液壓閥組箱、主控計算機、視景計算機、箱體及信息電纜等組成。維修訓練平臺的三維虛擬維修軟件運行于視景計算機中，通過串行總線與雙PLC實現(xiàn)信息交互，以及虛擬場景與實際操作的動作聯(lián)動與同步。其總體技術方案如圖2所示。

圖2 維修實訓臺總體技術方案

模擬手動部件主要包括高低手輪與方向手輪，采用與原車相同的原理設計，能夠準確模擬原車操作動作，其內(nèi)部的傳感器將手輪操作信號通過信號電纜傳入實裝PLC中，進行工作原理演示、故障設置與排除等。顯控臺承擔與原車顯控臺相同的功能，主要由控制開關、數(shù)字式電壓表、陣列式到位顯示指示燈、控制指標燈等組成，模擬實裝的控制流程，用于控制虛擬視景中的定向管、推彈架、千斤頂作業(yè)過程，仿真顯示該裝備的液壓、氣動系統(tǒng)的運行狀態(tài)、整車電源狀態(tài)，而陣列式顯示燈用于指示虛擬場景中定向管內(nèi)火箭布雷彈的裝填情況。操作面板測點（測量模塊）主要為用戶提供布雷車電氣與火控系統(tǒng)故障判斷與排除過程中的測點設置，該模塊同時接收雙PLC控制系統(tǒng)中的主控PLC和實裝PLC的控制信號[3]。分析可知，實裝PLC主要負責采集模擬手動部件輸入的高低角和方位角信號、顯控臺輸入的定位管狀態(tài)信號、推彈架狀態(tài)信號、千斤頂位置信號及布雷彈中的地雷控制信號、操作面板測點的故障信號設置與狀態(tài)識別等，這些信號既有模擬量，又有開關量且通道數(shù)較多，因此單獨設置實裝PLC完成上述功能，實裝PLC對這些信息進行處理后，再通過I/O口線將必要的信號傳輸給主控PLC并接收其下達的指令信號，這樣既減少了主控PLC的資源負擔，又將系統(tǒng)進行了模塊化設計與處理，提高了實訓臺的執(zhí)行效率。

而主控PLC主要處理與視景計算機中的虛擬維修軟件的動作協(xié)同與控制、接收主控計算機（火控計算機）發(fā)來的地雷裝定、自毀、退電等控制信號和模擬液壓閥組的輸入信號，并向操作面板測點下達故障設置信號以及與實裝PLC進行協(xié)同工作。這種雙PLC協(xié)同設計策略，既滿足了實訓臺工作原理演示、故障設置判斷與排除、仿實裝操作訓練與虛擬場景的實時同步等功能，又實現(xiàn)了功能、結(jié)構的模塊化設計與處理，降低了整體成本，提高了設備執(zhí)行效率。維修實訓臺的整體結(jié)構布局如圖3所示。

圖3 維修實訓臺結(jié)構布局圖

2.3 維修實訓臺PLC控制系統(tǒng)開發(fā)

雙PLC協(xié)同控制系統(tǒng)是整個維修實訓臺的核心，其主要功能如下頁圖4所示。

2.3.1 主控PLC設計

以故障設置模塊工作原理為例，介紹主控PLC的設計與原理[4]。

如下頁圖5所示為故障設置工作原理簡圖，從圖中可以清楚的看到兩個PLC的工作關系。執(zhí)行元件采用指示燈模擬，當發(fā)生故障時，主控PLC將電路斷開，執(zhí)行元件指示燈熄滅，檢測測點2，若測點2有電，則可斷定為執(zhí)行元件故障；若測點2無電壓信號，根據(jù)電路系統(tǒng)工作原理，繼續(xù)向前一級進行排查，檢測測點1電壓值，測點1若無信號則為前一級故障，須再往前一級排查，直至故障準確定位。某型機電設備液壓系統(tǒng)及電傳動系統(tǒng)部分故障設置均采用此原理進行設置。

圖4 雙PLC控制系統(tǒng)工作原理圖

圖5 故障設置原理簡圖

維修實訓臺中，主控PLC共有131個輸入輸出點，部分I/O地址分配如表1所示。

表1 主控PLC部分輸入輸出地址分配表

2.3.2 實裝PLC設計

實裝PLC是某型機電設備控制的核心，具有邏輯判斷、順序控制、計數(shù)等功能。按照其功能可以將PLC劃分為自動控制模塊、半自動控制模塊和到位信號處理模塊。實裝PLC與原車PLC不同的是增加了PLCA-O-S1、PLCA-O-S1兩路信號，用于區(qū)分正常信號和減速信號。實裝PLC根據(jù)某型機電設備實際控制原理進行開發(fā)，主要分為自動控制模塊、半自動控制模塊和到位信號處理模塊。每個功能模塊的輸入輸出信號分散于不同的PLC擴展模塊中。下面以自動控制模塊為例予以說明。

實裝中，PLC中自動控制模塊主要接收主控計算機的輸入信號。在平臺設計中，主控PLC輸出模擬信號作為實裝PLC的輸入端，代替主控計算機的RDC板，這一部分設計與實裝工作原理相同。

如圖6所示，上方輸入信號為主控計算機輸出信號，在平臺設計中為主控PLC的輸出信號，主控PLC在一定程度上取代了原車中主控計算機的RDC板的作用。下方為手動電阻控制器輸入信號，直接與模擬手動操縱部件相連，輸入電壓為0～±5 V；下方左側(cè)為經(jīng)過判斷后輸出的正常信號或減速信號?！皢痈叩?、方向擴大機”為開關量輸入信號，直接與顯控臺中擴大電機開關連接，控制擴大電機的啟動與停止。

圖6 自動控制模塊

西門子PLC的符號表和硬件物理地址均可以在STEP7中進行分配和定義，在STEP7中分配I/O地址可以在程序設計之前進行，也可以在應用程序完成后在進行分配。I/O地址的分配原則與主控PLC相同。主控PLC與實裝PLC的信號通道較多，由于篇幅所限，具體的I/O地址分配和符號表在此不一一列出。

3 維修訓練平臺軟件系統(tǒng)開發(fā)

維修訓練系統(tǒng)軟件分為結(jié)構組成、工作原理、維護保養(yǎng)、故障排除及系統(tǒng)幫助五大模塊，軟件系統(tǒng)結(jié)構如下頁圖7所示。在軟件系統(tǒng)開發(fā)中工作原理演示與故障設置與排除模塊是軟件系統(tǒng)開發(fā)的重點和難點。

工作原理模塊功能主要是配合某型機電設備動作和語音講解，在半透明化的三維模型中，演示某型機電設備作業(yè)時內(nèi)部的工作原理。進入工作原理演示界面后，操作平臺的操縱部件完成布雷作業(yè)，軟件系統(tǒng)可以根據(jù)受訓者的操作，配合模擬某型機電設備的工作狀態(tài)，實時演示某型機電設備的工作原理[5]。對于軟件設計而言，工作原理演示模塊與故障設置模塊一致，機械運動模擬是整個軟件設計的關鍵。

圖7 軟件功能結(jié)構

故障設置模塊的開發(fā)要求進入故障設置模塊后，選擇相應的故障現(xiàn)象，軟件系統(tǒng)將故障信號發(fā)送至實訓臺，在實訓臺上實現(xiàn)故障的模擬。故障邏輯關系梳理是故障設置模塊開發(fā)的基礎，軟件系統(tǒng)故障模式設計與信號發(fā)送是該模塊開發(fā)的關鍵。

結(jié)構組成模塊主要針對某型機電設備上裝部分的總成部件進行學習和考核，學習模式下，學習的內(nèi)容包括某型機電設備各系統(tǒng)中每個組成部件的位置、作用、部件模型細節(jié)、相關理論知識等；考核模式下，系統(tǒng)從題庫中隨機抽取100道判斷題組成臨時考卷，對學員的理論學習情況進行考核，加強學員對組成結(jié)構理論知識的記憶程度。

3.1 視景軟件的動畫狀態(tài)機構建

該裝備裝填彈過程包含升架、推架、退架、落架4個動作，在動畫設計時用升落架動畫、推退架動畫實現(xiàn)。實際裝備上，升架、推架、退架、落架4個動作的執(zhí)行需要滿足某些前置條件，如：只有彈架退回之后才能執(zhí)行落架和升架操作；只有彈架升到頂之后才能執(zhí)行推架和退架操作。

在軟件實現(xiàn)時對應升架、推架、退架、落架的動畫都需要有前置條件，前置條件滿足時才能進行相應操作，每個動作的執(zhí)行被若干個狀態(tài)量所控制，這些狀態(tài)量是各種到位信號，控制裝填彈動作的到位信號主要包括4個，即：落架到位、升架到位、推架到位、退架到位。落架到位、升架到位是升落架動畫的狀態(tài)量，推架到位、退架到位是推退架動畫的狀態(tài)量，每一個動畫在任意一個時刻只能處于一種狀態(tài)。動畫狀態(tài)關系如圖8所示。

3.2 軟件模塊的實現(xiàn)

圖8 動畫狀態(tài)機

以工作原理軟件運行界面為例說明。整個程序在Unity3D三維虛擬場景開發(fā)軟件中構建，采用C#語言并結(jié)合數(shù)據(jù)庫和三維模型生成等開發(fā)。工作原理軟件運行界面布局包含UI菜單、透明模型、動畫模型等元素，其中動畫模型位于右下角的小窗口中，如圖9所示。

圖9 工作原理運行界面布局

4 結(jié)論

基于模塊化技術、虛擬現(xiàn)實技術和故障檢測技術，硬件上采用雙PLC協(xié)同技術，軟件上采用Unity3d三維虛擬現(xiàn)實軟件、數(shù)據(jù)庫和C#語言等，開發(fā)了某型機電設備維修訓練實訓臺。該平臺能有效地解決部隊維修保障訓練難以開展的難題。其推廣應用可以大幅降低訓練成本，提高訓練效率，對促進部隊保障力生成具有重要意義。