朱保國， 劉法恒， 胡曉光， 楊小強

（1.陸軍工程兵軍代局， 北京 100093； 2.陸軍工程大學， 江蘇 南京 210007）

引言

隨著計算機技術(shù)、裝備仿真模擬技術(shù)的發(fā)展，大量的機電設(shè)備維修模擬訓練系統(tǒng)廣泛應用于建筑工程機械、航空航天、軍事裝備等各個領(lǐng)域，對提高裝備的使用效率和維修保障能力起到了非常顯著的作用。但現(xiàn)有的這些維修模擬訓練系統(tǒng)，在研發(fā)時需要對每一型號裝備獨立研發(fā)維修模擬訓練系統(tǒng)，存在諸多缺陷，如占用場地面積大、研制配套經(jīng)費高、設(shè)備利用率低、通信模式不一致的問題已經(jīng)十分凸顯。因此，本文提出采用通用總線技術(shù)、模塊化技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)進行機電裝備維修模擬訓練通用平臺的開發(fā)，對各類裝備維修模擬訓練平臺的硬件、軟件和整體結(jié)構(gòu)進行模塊化分解和設(shè)計，將“型號裝備專用操控臺”拓展細化為“機電裝備維修模擬訓練通用平臺”與“裝備專用操控模塊”，通過在“機電裝備維修模擬訓練通用平臺”上更換“裝備專用操控模塊”來實現(xiàn)不同裝備的維修模擬訓練功能[1]。

1 通用模擬維修訓練平臺總體方案設(shè)計

由于通用平臺需實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整，故將平臺整體劃分為操控面板和柜體兩大部分，操控面板可相對柜體進行位置調(diào)整，平臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為滿足維修模擬訓練要求，操控面板和控制柜中分別安裝集成各功能模塊，而這些模塊又分別是CAN總線上的通信節(jié)點。平臺選用PLC進行數(shù)據(jù)處理，利用PLC的數(shù)字運算與邏輯運算等功能配合其他功能模塊實現(xiàn)裝備的維修模擬訓練。該訓練系統(tǒng)功能主要包括以下六部分。

圖1 系統(tǒng)總體組成框圖

1）通用化功能。機電裝備維修模擬訓練通用平臺采用“n+1”模式實現(xiàn)使用的通用性，“n”表示不同裝備訓練操控模塊，“1”表示通用平臺，即可在通用平臺上開展不同裝備的維修模擬訓練。為滿足平臺通用性功能需求，通用平臺在開發(fā)設(shè)計時需給出裝備訓練操控模塊的通信協(xié)議規(guī)范，使不同裝備操控模塊的通信協(xié)議都具備一個通用平臺識別身份的PDU屬性。在安裝裝備操控模塊后，啟動通用平臺時，操控模塊與通用平臺成功建立通信，通用平臺控制模塊根據(jù)操控模塊的PDU屬性自動識別該裝備，同時調(diào)用該裝備的虛擬儀表和模擬訓練軟件[2]。

2）虛擬儀表顯示功能。在實際的裝備維修訓練過程中，為便于判定故障，常需要配合裝備儀表和其他測量儀表判定故障所在，而現(xiàn)階段的裝備維修模擬訓練器材由于技術(shù)瓶頸、研發(fā)經(jīng)費及時間等因素的限制，不具備與裝備相配套的參數(shù)顯示儀表，大大降低了維修模擬的訓練效果。針對這一問題，通用平臺設(shè)計有虛擬儀表顯示功能。

3）裝備原理演示功能。在常規(guī)裝備教學中主要結(jié)合課本知識、視頻、PPT等方式達到裝備原理教學的目的，使學員在學習的過程中只注重理論知識的學習，與實踐脫節(jié)。機電裝備維修模擬訓練通用平臺建立了與實際相似的三維模擬環(huán)境，三維模型效果與實裝基本一致，各個油路、氣路、電路完整，通過操控部件、執(zhí)行機構(gòu)與三維視景的交互提高學員學習的積極性和訓練效果[3]。

4）故障設(shè)置與排除功能。為滿足不同人員、不同場合的維修訓練需要，設(shè)計平臺中的故障設(shè)置與排除具有通過自動設(shè)置故障功能，學員利用虛擬測試儀表測量相關(guān)回路檢查參數(shù)是否準確，來判斷故障問題并排除故障，同時開發(fā)的考核模式還可以讓學員進行自我考核。

5）運行指示功能。平臺操控面板升降或翻轉(zhuǎn)時，面板上的運行指示燈會亮起，運動至極限位置時限位指示燈的狀態(tài)也會發(fā)生改變，當平臺出現(xiàn)故障時，故障指示燈會亮起以提示用戶。同時平臺中設(shè)有繼電器、帶漏電保護的空氣開關(guān)等多種安全保護功能，可以防止因誤操作導致安全問題的發(fā)生。

6）具有與功能模塊通信的功能?；贑AN總線技術(shù)，搭建通用平臺通信協(xié)議主體，型號裝備以及其他功能模塊的通信協(xié)議只要與通用平臺通信主體相符合，就可進行維修模擬訓練。通用平臺中的數(shù)據(jù)通信節(jié)點包括虛擬儀表模塊、PLC模塊、原理演示模塊以及裝備維修操控模塊。因此平臺基于CAN總線系統(tǒng)為此四個模塊構(gòu)建通信系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理之后實現(xiàn)維修模擬訓練功能。

2 通用模擬維修訓練平臺關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 PLC控制技術(shù)

PLC模塊是本通用平臺的核心元件，安裝在平臺控制柜中，用于平臺的邏輯處理、順序控制、狀態(tài)掃描以及確定各模塊之間的通信機制。PLC模塊實現(xiàn)了CAN網(wǎng)絡的通信數(shù)據(jù)處理、裝備虛擬樣機的故障模擬與實裝的工作邏輯模擬等功能。同時PLC通過裝備操控模塊的PDU屬性自動識別該裝備，調(diào)用該裝備的虛擬儀表和維修訓練軟件，滿足裝備維修模擬訓練需求；并且PLC模塊對通用平臺姿態(tài)進行調(diào)整控制，實現(xiàn)了操控面板的高度及翻轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)[4]。

2.2 CAN總線技術(shù)

通用平臺的通信系統(tǒng)包含了原理演示計算機擴展CAN通信模塊、工控機擴展CAN通信模塊、PLC擴展CAN通信模塊與裝備模擬訓練操控擴展CAN通信模塊，要實現(xiàn)任意兩CAN通信網(wǎng)絡消息幀的類型有標準形式和擴展形式兩種方式。

通用平臺采用擴展消息幀格式進行通信協(xié)議制定，實現(xiàn)各模塊的通信以及一發(fā)多收的通信功能。在通用平臺的CAN通信網(wǎng)絡中，PLC模塊作為核心控制節(jié)點具有最高的控制優(yōu)先級，各通信節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收受控于核心控制節(jié)點。依據(jù)CAN總線系統(tǒng)的通信原理，在CAN總線上分配4個節(jié)點，對CAN總線各節(jié)點的輸入與輸出參數(shù)進行設(shè)計，分析設(shè)備的通信與控制機制，確保各通信節(jié)點控制方與受控方均在PLC的邏輯判斷下進行動作與顯示[5]。同時提出了面向各型號裝備操控模塊通信協(xié)議的制定方法，便于各專業(yè)根據(jù)自身裝備特點與通用平臺通信協(xié)議主體制訂通信協(xié)議，完成相關(guān)型號裝備維修模擬訓練系統(tǒng)的開發(fā)。

2.3 三維建模技術(shù)

本文采用SolidWorks軟件進行通用平臺的虛擬樣機設(shè)計。SolidWorks是由美國SolidWorks公司開發(fā)的一款功能強大的三維建模設(shè)計軟件，自該軟件應用以來，以其功能全、易學、操作簡便等優(yōu)點，大大提高了設(shè)計過程中的工作效率，是當前應用最廣泛的三維CAD設(shè)計軟件之一，本文運用SolidWorks軟件對機電裝備維修模擬訓練通用平臺進行了虛擬樣機設(shè)計。

SolidWorks軟件具備大量設(shè)計功能插件[6]：Motion功能用于運動仿真，確定虛擬樣機某一點的運動軌跡、運動速度及加速度等；Simulation用于虛擬樣機的材料力學分析，確定材料處于載荷作用下的變形量等參數(shù)；Composer是SolidWorks中一款用于技術(shù)交流的插件，可實現(xiàn)虛擬樣機的再渲染、動畫視圖以及工作動畫等；Routing用于設(shè)計管型線路及電氣布線；Electrical用于設(shè)計電氣原理圖，并可根據(jù)原理圖直接生成PCB圖。

2.4 系統(tǒng)集成技術(shù)

系統(tǒng)集成技術(shù)是一門新興技術(shù)，常用于復雜的系統(tǒng)或設(shè)備中，用于實現(xiàn)系統(tǒng)或設(shè)備中的各子系統(tǒng)、子模塊的統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。本文設(shè)計的機電裝備維修模擬訓練通用平臺是一臺機電集成設(shè)備，包含機械裝置、電氣系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。為保證平臺協(xié)調(diào)工作，本文基于CAN總線通信網(wǎng)絡，利用系統(tǒng)集成技術(shù)設(shè)計了平臺機械裝置、電氣系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)的集成方案，以實現(xiàn)通用平臺的預期功能。

3 通用模擬維修訓練平臺模塊設(shè)計與集成

通用模擬維修訓練平臺是一臺復雜的機電設(shè)備，是一體化計算機、開關(guān)與指示裝置套件、鍵盤套件、可更換工程裝備模擬操控模塊、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及安裝框架等系統(tǒng)的綜合集成，是集機械、電氣、總線等于一體的復雜的系統(tǒng)工程[7]。整個系統(tǒng)包括多達400余機械零部件、100余電器部件、連接電纜及其他附件等。因此，系統(tǒng)的裝配、安裝與集成是一項十分重要的任務。

3.1 通用平臺模塊構(gòu)成與系統(tǒng)集成

通用平臺裝配集成主要包括機械執(zhí)行機構(gòu)、電氣控制裝置、一體化計算機、通信接口及網(wǎng)絡等部分，如圖2所示，其中通用平臺的整機安裝與集成包括以下三個方面：

圖2 通用平臺系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)

1）機械集成，主要是通用平臺的虛擬儀表系統(tǒng)固件、機械執(zhí)行機構(gòu)、電氣控制裝置等的結(jié)構(gòu)集成與安裝；關(guān)鍵環(huán)節(jié)為安裝框架的設(shè)計，以及執(zhí)行機構(gòu)、電氣裝置、虛擬儀表工控機、原理演示計算機和其他附件的安裝和整機集成。

2）電氣集成，是指通用平臺的各種電源信號、PLC控制信號、電動推桿控制信號、鍵盤組件信號、虛擬儀表模擬信號、時鐘信號、數(shù)字信號、傳感器的輸出信號、串口信號、CAN總線信號、USB信號等電氣信號及其他控制信號的集成，電氣集成考慮的主要因素有電路抗干擾、電路損耗、電路可靠性等因素。

3）軟件（信息）集成，主要是LabVIEW開發(fā)的虛擬儀表軟件、Unity3D開發(fā)的虛擬維修訓練軟件、數(shù)據(jù)庫等軟件系統(tǒng)的鏈接與集成，軟件集成與電氣集成緊密相關(guān)，需要考慮軟件的無縫集成、軟件的控制邏輯與數(shù)據(jù)流、控制流的協(xié)同等問題。

3.2 機械機構(gòu)的安裝集成

通用平臺的安裝框架主要由底座、主支撐架、安裝墊板、安裝承重板、安裝導軌、導線槽與機柜外殼等部分組成。通用平臺安裝框架的尺寸主要是由操控面板的重量及控制柜中各設(shè)備模塊決定的。主支撐板被直接焊接在底座上，兩側(cè)有鋼條固定，采用三角支撐設(shè)計，能夠承受較大的壓力。安裝墊板在安裝承重板和主支撐架之間，起密封作用，將控制柜和外部隔離，防止安裝件外露和外部雜物進入而對安裝柜造成損壞達到保護控制柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。安裝承重板連接在滑塊上。采用鏤空設(shè)計減少了材料的用量和操控面板的重量。安裝構(gòu)件可以直接安裝在鏤空位置，方便安裝。同時鏤空的結(jié)構(gòu)增強了承重安裝板的承重能力。導軌安裝在安裝承重板上用于安裝PLC和其他部件。導軌滑塊機構(gòu)整體安裝在主支撐架上。兩根導軌直接安裝在主支持架上，每根導軌上有兩塊滑塊，安裝板安裝在滑塊上以實現(xiàn)操控面板和運動模塊的整體運動。平臺控制柜中的導線槽采用履帶式外殼中空走線設(shè)計，履帶式外殼為多級變形，變形能力強，內(nèi)部空間較大，方便布線。機柜外殼后具有開門設(shè)計，方便柜中設(shè)備的安裝、檢查、維修、保養(yǎng)?？刂乒竦淖笥覂蓚?cè)分別安裝有兩個拉手，由螺釘組固定在柜體上，為保證平臺搬運的安全性，將每個拉手可承重的最大拉力設(shè)計為100 kg左右。另外，為方便平臺的搬運和運輸，控制柜底座下部設(shè)計有4個萬向輪，萬向輪起導向作用，在實訓平臺位置固定時可以鎖死，防止實訓平臺工作中出現(xiàn)滑移。

3.3 電氣系統(tǒng)的安裝與集成

通用平臺電氣系統(tǒng)的組成也較為復雜，其安裝與集成的主要工作包括PLC系統(tǒng)各個模塊的安裝集成、背光燈與控制電路的連接與集成、工控機及外設(shè)的連線與集成、整機控制電路的設(shè)計與優(yōu)化、各種總線的連接與選擇、電源模塊的選擇與連接等[8]。通用平臺的電氣系統(tǒng)總體集成如下頁圖3所示。

3.4 軟件系統(tǒng)的集成

通用維修平臺的軟件由數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)、虛擬儀表軟件、維修模擬訓練軟件、CAN總線通訊軟件和通用平臺控制軟件等構(gòu)成。軟件系統(tǒng)的集成框架如下頁圖4所示。其中數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)由標準數(shù)據(jù)庫、故障數(shù)據(jù)庫、維修指導數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)備份接口和實時轉(zhuǎn)儲接口等組成，是軟件系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和橋梁。數(shù)據(jù)源端由數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生器和原始數(shù)據(jù)庫等組成，當通用平臺與工程裝備車載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)機時，可通過數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)獲取相關(guān)的實測數(shù)據(jù)。而當通用平臺單獨運行時，可由模擬數(shù)據(jù)采集器軟件產(chǎn)生各種故障的模擬信號并存儲到相應的數(shù)據(jù)庫中。軟件的應用端主要是虛擬儀表軟件，用來模擬布雷車等工程裝備上的各種火控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)的虛擬儀表，以及維修模擬軟件，用來進行工程裝備的原理演示、故障排除、維護保養(yǎng)等虛擬維修訓練教學[9]。CAN通訊進程軟件在此有重要作用，由于通用維修平臺操控端信號要求與虛擬儀表軟件和維修模擬訓練軟件同步動作，而且后二者之間也要求能互相協(xié)同運行，為達此目的，在軟件開發(fā)時，兩個軟件分別通過其運行計算機的CAN端口與CAN通訊進行交互，經(jīng)CAN進程傳遞兩個軟件之間的交互信息，從而實現(xiàn)二者的互聯(lián)互通。

圖3 電氣系統(tǒng)集成示意圖

圖4 軟件系統(tǒng)的集成框架

軟件系統(tǒng)的集成框架中各模塊通過上述功能架構(gòu)方式實現(xiàn)協(xié)同，既能相互配合，顯示模擬維修訓練進程，又能單獨運行，實現(xiàn)虛擬儀表的單獨顯示或維修訓練過程的獨立運行，同時還能與工程裝備實車進行聯(lián)機檢測與故障排除維修學習。這種軟件集成模式實現(xiàn)了各軟件模塊間的松散耦合，使通用平臺軟件的各個功能模塊易于替換、擴展和重構(gòu)，保證了系統(tǒng)的開放性和靈活性。

4 結(jié)論

該通用平臺依托《機電裝備維修模擬訓練通用平臺的研制》科研項目，綜合運用PLC控制技術(shù)、CAN總線技術(shù)、三維建模技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)，將機電裝備的訓練和維修集成于一個平臺，解決了原平臺占用場地面積大、研制配套經(jīng)費高、設(shè)備利用率低、通信模式不一致等問題，優(yōu)化了訓練方法，創(chuàng)新了裝備平戰(zhàn)維修訓練模式和訓練手段，對裝備的維修保障能力快速形成具有重大現(xiàn)實意義。