某大型訓(xùn)練模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王桂芹，劉海光，張 永

(海軍潛艇學(xué)院 導(dǎo)彈兵器系，山東 青島 266042)

某型設(shè)備由于價(jià)格昂貴，院校未配備專用的檢測(cè)設(shè)備，長(zhǎng)期以來，無法滿足教學(xué)中實(shí)作訓(xùn)練的需要;另外，即便裝備了檢測(cè)設(shè)備，由于該裝備使用、維修成本很高，也無法長(zhǎng)期滿足教學(xué)訓(xùn)練使用。大型設(shè)備訓(xùn)練模擬器的研制，正是為滿足設(shè)備使用人員經(jīng)常性的訓(xùn)練操作而設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，模擬器解決了新裝備訓(xùn)練所面臨的難題，可滿足院校教學(xué)訓(xùn)練及部隊(duì)日常訓(xùn)練的需要。

1 主要功能

1.1 原理教學(xué)

模擬器可完成技術(shù)準(zhǔn)備過程中主要檢測(cè)設(shè)備包括操練臺(tái)、檢查臺(tái)、線導(dǎo)組件檢測(cè)臺(tái)、場(chǎng)傳感器、電源組件、信號(hào)模擬器等專用檢測(cè)設(shè)備及毫伏表、相位計(jì)、示波器、液壓機(jī)等通用設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、界面顯示教學(xué)。

1.2 操作使用訓(xùn)練

實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)三種工況，五種狀態(tài)的功能聯(lián)調(diào)模擬。能夠完成設(shè)備各個(gè)檢測(cè)臺(tái)的初始設(shè)定與電纜的連接與通訊實(shí)現(xiàn)、設(shè)備故障分析與應(yīng)急處理的操作使用訓(xùn)練。

1.3 脫離系統(tǒng)單獨(dú)訓(xùn)練

可以完成檢測(cè)設(shè)備的日常保養(yǎng)、開關(guān)機(jī)、主要功能和操作技巧的訓(xùn)練，設(shè)備模擬器及各個(gè)操作臺(tái)可以進(jìn)行脫離系統(tǒng)單獨(dú)訓(xùn)練，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的原理教學(xué)，設(shè)備基本操作訓(xùn)練等。

2 系統(tǒng)組成

訓(xùn)練模擬系統(tǒng)主要由教控機(jī)、設(shè)備模擬器、操練臺(tái)模擬器、檢查臺(tái)模擬器、線導(dǎo)檢測(cè)臺(tái)模擬器、電源組件、信號(hào)模擬器等專用檢測(cè)設(shè)備及毫伏表、相位計(jì)、示波器、液壓機(jī)等通用設(shè)備組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)由教控機(jī)通過以太網(wǎng)與操練臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)操作過程的集中監(jiān)控，教控機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作訓(xùn)練邏輯及狀態(tài)的集中處理，并向教控臺(tái)傳遞狀態(tài)及操作信息，操練臺(tái)設(shè)計(jì)為PROFIBUS DP 總站，各個(gè)分系統(tǒng)檢測(cè)臺(tái)設(shè)計(jì)為PROFIBUS 從站，它們間通過PROFIBUS 總線連接，各個(gè)檢測(cè)臺(tái)通過模擬實(shí)裝的輸入輸出接口與魚雷模擬器實(shí)現(xiàn)通訊連接［1］。

3 硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用全模擬方案實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，模擬設(shè)備外殼采用1∶1 實(shí)物仿真，結(jié)構(gòu)、主要功能、操作方式、顯示面板和數(shù)據(jù)與真實(shí)設(shè)備相同。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2 所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分層次結(jié)構(gòu)體系，遵循自頂向下的設(shè)計(jì)思想，設(shè)備硬件和軟件均采用模塊化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思想，確保本系統(tǒng)研制工作中的一致性、協(xié)調(diào)性和可擴(kuò)展性。

圖2 某設(shè)備訓(xùn)練模擬器硬件組成框圖

技術(shù)保障訓(xùn)練模擬系統(tǒng)擬采用PLC 可編程控制器以及工控機(jī)的混合控制方案。系統(tǒng)分為兩層:管理層和測(cè)控層。管理層由教控機(jī)完成，前端測(cè)控層由設(shè)備模擬器及各檢測(cè)設(shè)備模擬器組成［2］。

教控臺(tái)是訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的管理層，系統(tǒng)的運(yùn)行由教控機(jī)集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備訓(xùn)練模擬系統(tǒng)訓(xùn)練模擬設(shè)備的控制、管理及操作訓(xùn)練過程中的信息采集及在線顯示等功能。

系統(tǒng)的操作邏輯由操練臺(tái)模擬器的PLC 控制，在內(nèi)部PLC 的控制下，實(shí)現(xiàn)流程的選擇和進(jìn)程信息的發(fā)送;通過各個(gè)檢測(cè)設(shè)備相連的PROFIBUS 總線控制各檢測(cè)臺(tái)模擬器及魚雷模擬器的信息傳送及狀態(tài)顯示。

4 軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)軟件主要由設(shè)備訓(xùn)練模擬器教控臺(tái)軟件、設(shè)備模擬器軟件、操練臺(tái)模擬器軟件3 部分組成。軟件組成框圖如圖3 所示。

4.1 教控臺(tái)軟件

軟件基于Windows XP 系統(tǒng)平臺(tái)，采用西門子PLC 專用上位機(jī)編程軟件Wincc 進(jìn)行編程。

教控臺(tái)軟件包括管理模塊、設(shè)備檢測(cè)監(jiān)控模塊組成。

4.2 設(shè)備模擬器軟件

軟件基于Windows XP 系統(tǒng)平臺(tái)，采用西門子PLC 專用上位機(jī)編程軟件Wincc 進(jìn)行編程。設(shè)備模擬器軟件用來模擬某設(shè)備的各種信號(hào)，配合該設(shè)備檢測(cè)裝置完成設(shè)備各種工況下的功能檢測(cè)。

4.3 操練臺(tái)模擬器軟件

采用西門子PLC 專用下位機(jī)編程軟件Step7 來編程，考慮到代碼的可讀性、擴(kuò)展性，編成時(shí)注意采用模塊化的編程方法。

圖3 系統(tǒng)軟件框圖

5 接口設(shè)計(jì)

5.1 外部接口

與將來計(jì)劃建設(shè)的“某設(shè)備技術(shù)保障實(shí)驗(yàn)室”的網(wǎng)絡(luò)接口形式為以太網(wǎng)接口;接口信息為操練臺(tái)通過以太網(wǎng)與服務(wù)器(教控臺(tái))相連。操練臺(tái)對(duì)各檢測(cè)臺(tái)進(jìn)行控制，并向設(shè)備模擬器及各檢測(cè)臺(tái)發(fā)測(cè)試信號(hào)，并將測(cè)試結(jié)果傳遞給教控臺(tái)。

5.2 內(nèi)部接口

5.2.1 教控臺(tái)與操練臺(tái)間的接口

教控臺(tái)與操練臺(tái)間通過以太網(wǎng)連接，通信采用TCP/IP協(xié)議，教控臺(tái)作為服務(wù)器，操練臺(tái)作為客戶端，采用標(biāo)準(zhǔn)的IP地址分配方法。功過這種方法可以方便地實(shí)現(xiàn)多套系統(tǒng)共同掛接同一教控臺(tái)，今后系統(tǒng)擴(kuò)充的實(shí)驗(yàn)終端可以按照此規(guī)則分配IP 地址。操練臺(tái)在教控臺(tái)的管理下完成對(duì)設(shè)備電纜連接，測(cè)試臺(tái)初始狀態(tài)設(shè)定、向魚雷寫入數(shù)據(jù)、魚雷各種工況下的功能檢測(cè)等控制。

5.2. 2 操練臺(tái)與各個(gè)分系統(tǒng)檢測(cè)臺(tái)及設(shè)備模擬器間的接口［3］

操練臺(tái)與各個(gè)分系統(tǒng)檢測(cè)臺(tái)及設(shè)備模擬器間通過PROFIBUS 總線連接，操練臺(tái)作為PROFIBUS 總站對(duì)各個(gè)檢測(cè)臺(tái)起到總體控制的作用，各個(gè)分系統(tǒng)檢測(cè)臺(tái)及設(shè)備模擬器作為從站接受主站的集中控制、實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)地檢測(cè)邏輯并將狀態(tài)信息和檢測(cè)結(jié)果向PROFIBUS 總站發(fā)送。

5.2.3 各個(gè)分系統(tǒng)檢測(cè)臺(tái)與設(shè)備模擬器間的接口

各個(gè)分系統(tǒng)檢測(cè)臺(tái)與設(shè)備模擬間的連接通過各檢測(cè)臺(tái)的輸入輸出接口實(shí)現(xiàn)，輸入輸出接口模擬通用設(shè)備技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)檢測(cè)設(shè)備與該設(shè)備的實(shí)際接口，通過此接口實(shí)現(xiàn)電纜連接情況檢測(cè)。

6 結(jié)束語

該設(shè)備訓(xùn)練模擬器是集模擬仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的新裝備綜合模擬訓(xùn)練器，具有設(shè)計(jì)思想先進(jìn)、性能穩(wěn)定、可靠性高、仿真效果好和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，不僅滿足了院校該裝備的教學(xué)訓(xùn)練需要，還可以滿足部隊(duì)日常訓(xùn)練的需要，而且對(duì)提高裝備的維修技能、延長(zhǎng)裝備壽命，保障新裝備快速形成戰(zhàn)斗力具有重大的軍事意義。

［1］雄桂喜.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［2］楊勁松. 計(jì)算機(jī)工業(yè)控制［M］. 北京:中國電力出版社，2003.

［3］何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

［4］趙繼革，安幼林.某模擬訓(xùn)練器信號(hào)采集和通信接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(4):86-87.

［5］姜俊輝.基于ARM 的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(7):120-122.