曹漢卿 趙光超

[摘? ? 要]針對船舶動力系統(tǒng)實時運行仿真及模擬訓(xùn)練操作，采用SimuWorks仿真軟件構(gòu)建了船舶動力系統(tǒng)的半實物仿真平臺。為解決復(fù)雜仿真模型構(gòu)建與快速輸出，實現(xiàn)半實物仿真平臺操作反饋實時性，運用模塊化建模方法建立船舶動力系統(tǒng)仿真模型。為了達到半實物仿真平臺的在線協(xié)同性，以西門子S7-200系列PLC控制器，建立了仿真服務(wù)器與控制盤臺之間的TCP/IP通信，并利用Unity和KingView軟件開發(fā)了人機交互界面。測試表明該系統(tǒng)具有良好的實時性和可操作性，可以應(yīng)用于教學(xué)和科研。

[關(guān)鍵詞]船舶動力系統(tǒng);半實物仿真;仿真模型;人機交互

[中圖分類號]TP391.9 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）01–00–03

Semi-physical Simulation Platform of Ship Power System Based on Simuworks

Cao Han-qing，Zhao Guang-chao

[Abstract]Aiming at the real-time operation simulation and simulation training operation of ship power system， SimuWorks simulation software is used to construct a semi-physical simulation platform of ship power system. In order to solve the complex simulation model construction and rapid output， and realize the real-time performance of the semi-physical simulation platform operation feedback， the modular modeling method is used to establish the ship power system simulation model. In order to achieve the online synergy of the semi-physical simulation platform， the Siemens S7-200 series PLC controller was used to establish the TCP/IP communication between the simulation server and the control panel， and the human-computer interaction interface was developed using Unity and KingView software. Tests show that the system has good real-time performance and operability， and can be used in teaching and scientific research.

[Keywords]ship power system; hardware-in-the-loop simulation; simulation model; human-computer interaction

船舶動力系統(tǒng)設(shè)備具有復(fù)雜、操作管理規(guī)范性強、故障和特殊工況的應(yīng)急處置要求高等特點。國內(nèi)外輪機專業(yè)船員培訓(xùn)一般分為理論學(xué)習(xí)、模擬訓(xùn)練和實裝訓(xùn)練3個階段。目前，依托實裝開展訓(xùn)練一方面存在缺少中間銜接環(huán)節(jié)，因缺乏對裝備操作管理的直觀體會，增加了實裝訓(xùn)練的安全風(fēng)險，導(dǎo)致船員誤操作易損壞設(shè)備，且柴油機等裝置不允許在短時間內(nèi)進行反復(fù)啟、停等操作，另一方面無法開展設(shè)備故障和應(yīng)急情況處置等實戰(zhàn)化背景下的課目訓(xùn)練，培訓(xùn)次數(shù)、訓(xùn)練內(nèi)容和效果都受到較大的限制。

針對上述問題，以船舶動力系統(tǒng)為研究對象，基于SimuWorks仿真支撐平臺，開發(fā)船舶動力系統(tǒng)半實物仿真平臺，突破依賴實船進行船舶機電專業(yè)人員訓(xùn)練的局限性，該系統(tǒng)能夠在逼真的環(huán)境氛圍下開展機電專業(yè)常規(guī)課目和特殊課目的訓(xùn)練，可作為實戰(zhàn)背景下情景意識和應(yīng)急處置能力訓(xùn)練平臺，采用新手段開展船舶機電管理人員專業(yè)技能訓(xùn)練，改善當(dāng)前船舶機電裝備訓(xùn)練的現(xiàn)狀，有效規(guī)避實裝訓(xùn)練安全風(fēng)險，充分發(fā)揮裝備效能，讓機電專業(yè)人員盡快掌握船舶電機電裝備的操縱性能，彌補實裝訓(xùn)練內(nèi)容和規(guī)模受限、效率偏低等問題，具有運行使用成本低、易于維護管理、對場地等配套設(shè)施要求不高、便于推廣應(yīng)用等特點，且具有軍事經(jīng)濟效益突出，對提升船艇機電崗位培訓(xùn)的質(zhì)量和效益、船艇機電崗位實戰(zhàn)化訓(xùn)練水平和部隊?wèi)?zhàn)斗力，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)總體框架

船舶動力系統(tǒng)半實物仿真平臺由仿真服務(wù)器、PLC控制器、控制盤臺、管理主機和示教臺構(gòu)成，以SimuWorks仿真支撐軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件為基礎(chǔ)，利用適當(dāng)?shù)能浻布崿F(xiàn)對動力平臺系統(tǒng)的操作模擬，并給出準(zhǔn)確的反饋，從而達到對操作人員進行訓(xùn)練的目的。船舶動力系統(tǒng)半實物仿真平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

管理主機設(shè)置訓(xùn)練的船型后，針對相應(yīng)的訓(xùn)練課目，將船舶的航行狀態(tài)、船舶動力系統(tǒng)工作參數(shù)等信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸方式傳送給仿真服務(wù)器，仿真服務(wù)器通過SimuWorks仿真支持平臺調(diào)度仿真模型模擬實裝運行機理及操控響應(yīng)，接收各控制盤臺的操作信息，并對信息進行解算，同時將仿真計算結(jié)果在人機交互界面中顯示。選擇考核模式時，操作過程信息將被記錄到數(shù)據(jù)庫中，結(jié)合考核評估規(guī)則與算法，對操作進行評估，船舶動力系統(tǒng)半實物仿真平臺還實現(xiàn)動力系統(tǒng)運行及操作過程中的聲音模擬。

2 構(gòu)建船舶動力系統(tǒng)仿真模型

仿真系統(tǒng)在SimuWorks仿真支撐平臺中的實現(xiàn)采用模塊化的方法，如柴油機、齒輪箱、發(fā)電機、螺旋槳等，根據(jù)其數(shù)學(xué)模型編制仿真模塊。模塊間的數(shù)據(jù)流動通過與公用變量數(shù)據(jù)庫的交互實現(xiàn)。模塊化建模方法可降低建模的復(fù)雜性，縮短建模時間，增加模型的通用性。采用模塊化建模方法建立船舶主推進裝置模型，通過逐層分解，劃清物理邊界形成樹形結(jié)構(gòu)。理論上，對樹形結(jié)構(gòu)的深度，即系統(tǒng)進行分解的層次是不受限制的，但合理地確定分解的層次有助于模型的建立和維護。船舶動力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在仿真模型的開發(fā)過程中，以規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)建立基本設(shè)備和部件的數(shù)學(xué)模型，并將它們開發(fā)成通用的基本模塊，用其組合成不同類型子系統(tǒng)的模型。船舶主推進系統(tǒng)有控制系統(tǒng)給主機下達指令，柴油機產(chǎn)生扭矩及推力，通過推進軸系傳遞給螺旋槳旋;螺旋槳產(chǎn)生推力，通過推力軸承傳遞給艇體，克服阻力推動船舶運動。船舶主推進系統(tǒng)仿真模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

SimuWorks基于C/S結(jié)構(gòu)，具有多流程支持功能，可以在一套硬件系統(tǒng)上同時開發(fā)或運行不同的仿真系統(tǒng)。船舶動力系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量和種類繁多，設(shè)備工作原理復(fù)雜，其功能各不相同。系統(tǒng)開發(fā)可采用多人分布式協(xié)同開發(fā)和協(xié)同仿真方式。利用層次分解的方法，整個動力系統(tǒng)可分為設(shè)備模塊建模、邏輯控制模塊建模和功能模塊建模3個部分。每個模塊部分又可以分解為若干獨立的物理設(shè)備或部件，例如柴油機設(shè)備模塊可分解為調(diào)速器子模塊、供油裝置子模塊、柴油機本體子模塊、增壓器子模塊等，模塊之間相互獨立，構(gòu)成系統(tǒng)設(shè)備模型庫。

通過仿真平臺軟件可以在系統(tǒng)下同時執(zhí)行多個數(shù)學(xué)模型程序，并使之自動保持同步。SimuWorks軟件最小仿真步長為10ms，數(shù)據(jù)刷新時間步為50ns，可滿足動力系統(tǒng)仿真的要求。仿真軟件提供了應(yīng)用程序開發(fā)接口，利用這些接口，可以完成對系統(tǒng)狀態(tài)的訪問、網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)庫的訪問與修改以及工況文件的讀取與保存等。

3 人機交互系統(tǒng)

利用Unity和KingView軟件，實現(xiàn)各種交互界面設(shè)計和硬件設(shè)備系統(tǒng)的監(jiān)控。船舶動力系統(tǒng)半實物仿真平臺人機交互界面包括機旁操控界面和管系附屬操控界面，分別用于模擬主推進裝置的操控及響應(yīng)，主要包括操縱手柄、按鈕、開關(guān)、指示燈、顯示儀表等交互元素，操控界面外觀及其布局與實裝一致。人機交互界面設(shè)計如圖4所示。

船舶動力系統(tǒng)訓(xùn)練模各設(shè)備控制臺上開關(guān)、按鈕、指示燈、儀表和報警面板等設(shè)備布置和外觀設(shè)計，以實船為基礎(chǔ)，使操作人員感受與實船相同。設(shè)計過程中，將監(jiān)控軟件的基本功能進行分解并模塊化，同時進行界面的顯示、數(shù)據(jù)的采集存儲、內(nèi)部邏輯程序的執(zhí)行和其他程序的協(xié)作通訊等，提高設(shè)計開發(fā)效率和軟件的可維護性。

在界面設(shè)計時，可以使用圖庫中原有的組態(tài)元素也可以自行導(dǎo)入點位圖實現(xiàn)更加真實的界面。對一些邏輯時序的控制及簡單的運算就可以直接用其內(nèi)嵌的腳本命令來實現(xiàn)。利用組態(tài)軟件提供的種類豐富的繪圖組件和多種輔助功能模塊，可實現(xiàn)變量實時曲線繪制、歷史曲線顯示和越線報警等功能。動力管系人機交互界面如圖5所示。

4 基于PLC的協(xié)同控制

利用KingView實現(xiàn)船舶動力系統(tǒng)半實物仿真平臺硬件設(shè)備系統(tǒng)的監(jiān)控，可減少功能的細節(jié)實現(xiàn)和監(jiān)控程序的架構(gòu)關(guān)心，開發(fā)人員只要將組態(tài)功能予以組合并且賦予特殊的邏輯就能實現(xiàn)想要的功能。

平臺開發(fā)過程中，首先需要的人機交互界面，其次定義所需的外部設(shè)備，然后定義內(nèi)存變量和I/O變量。內(nèi)存變量用于服務(wù)于程序本身的運行，I/O變量則負責(zé)與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互。PLC控制器從盤臺中采集數(shù)據(jù)，存于實時數(shù)據(jù)庫中，并將數(shù)據(jù)的變化發(fā)送給人機交互界面用動畫的方式形象地表示出來;對控制設(shè)備輸入信號，經(jīng)仿真軟件進行邏輯判斷及仿真計算，通過PLC發(fā)送給控制臺輸出設(shè)備顯示相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的運行數(shù)值，模擬實船的運行數(shù)據(jù)。PLC信息交互機制如圖6所示。

KingView可以實時訪問控制臺PLC，獲得操作人員的操作信息。設(shè)置PLC參數(shù)并將每套PLC系統(tǒng)的I/O表、IP地址、子網(wǎng)掩碼等信息由上位機傳送至PLC的CPU單元中，并將模擬量I/O模塊的單元號旋鈕旋至相應(yīng)位置。組態(tài)王中需進行PLC設(shè)備定義、I/O變量定義及內(nèi)存變量定義，然后采用Bit（）和BitSet（）函數(shù)完成I/O離散變量的讀寫。I/O模擬變量選用相應(yīng)的PLC模擬量輸入輸出模塊，采集電位器信息，經(jīng)上位機處理運算后輸出給儀表。

SimuWorks與KingView之間的通訊以O(shè)PC規(guī)范為基礎(chǔ)。其本質(zhì)是跨進程的DCOM調(diào)用，因此通訊前必須作相應(yīng)的DCOM配置確保雙方獲得足夠的調(diào)用權(quán)限。通過完成相應(yīng)的電腦配置，就可以實現(xiàn)在OPC服務(wù)器和OPC客戶端之間進行通信，只要符合OPC服務(wù)器的規(guī)范，OPC客戶都可與之進行數(shù)據(jù)交互。

KingView軟件SQL訪問功能將監(jiān)控數(shù)據(jù)以一定的方式保存到操作過程數(shù)據(jù)庫中。它由SQL訪問管理器來實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的通信。監(jiān)控數(shù)據(jù)通過KingView訪問管理器實現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫之間建立數(shù)據(jù)交互通道，然后創(chuàng)建數(shù)據(jù)訪問方式，也就是表格模板，和數(shù)據(jù)庫中表相對應(yīng)，包含相同的數(shù)據(jù)變量，這樣數(shù)據(jù)的讀取和存儲就建立完成。KingView首先在系統(tǒng)ODBC數(shù)據(jù)源中添加數(shù)據(jù)庫，然后通過SQL訪問管理器和SQL函數(shù)實現(xiàn)各種操作。SQL函數(shù)可以在KingView的任意一種命令語言中調(diào)用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問的各項操作。

5 結(jié)論

本文根據(jù)船舶動力系統(tǒng)在教學(xué)和科研中的實際需求，采用SimuWorks仿真軟件、PLC控制器等構(gòu)建了一個船舶動力系統(tǒng)半實物仿真平臺，實現(xiàn)了船舶動力系統(tǒng)實時仿真與模擬操作，運用模塊化建模方法提高了船舶動力系統(tǒng)仿真速度，并通過TCP/IP通信在線協(xié)同控制各盤臺動作，實現(xiàn)操作人員模擬訓(xùn)練功能，該系統(tǒng)在實踐教學(xué)和培訓(xùn)中得到較好的應(yīng)用，達到了設(shè)計的需求。

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