船舶舵機液壓維修訓練系統的設計

， ， ， (1. 廣東海洋大學 航海學院， 廣東 湛江 54088；. 哈爾濱工業大學 機電工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

舵機是控制船舶運行方向的重要設備，主要由舵葉、舵柄、轉舵機構、舵機液壓系統及其控制設備組成。船員通過控制相應操舵裝置，啟動液壓舵機，實現舵葉的正轉、反轉、停止等工況[1]。

隨著世界航運業的飛速發展，船舶數量不斷增多，船舶日趨大型化、專業化、自動化、高速化，船舶舵機系統也越來越精密，對船員的操作與維修技能要求也越來越高。因此國際海事組織(IMO)及船員培訓機構在船員職業資格考核的相關規定(如《STCW78 公約》、《海員培訓、發證和值班標準國際公約》等)中，都強調了對船員實際操舵技能的培養和評估，并規定船員必須接受系統的航海專業教育和培訓后才能上崗。隨著我國航運業的飛速發展，急需大量高素質的船員。舵機系統結構復雜，需要船員具備一定的液壓知識和維修技能，而這些知識和技能船員較難掌握。老式的培訓方法是通過實際舵機裝備進行現場教學， 但培訓周期長，教學效率低， 不能模擬舵機故障工況，效果不夠理想。20世紀70年代興起的計算機虛擬仿真技術為這個問題的解決帶來契機，出現了專門用于船員培訓的船舶輪機仿真訓練模擬器(Marine Engine Simulator)，它是一種在實驗室內利用計算機仿真技術模擬船舶機艙設備的操作與控制、聲光報警、參數與狀態顯示等功能的裝置。受訓人員可以通過輪機模擬器來進行船舶機艙設備(含舵機液壓系統)的操作技能訓練和熟練程度評估。它具有經濟、安全、高效等諸多優點。世界航海大國都投入了大量精力進行研發，比較有名的有挪威NORCONTROL公司的AUTOCHIEF系列、英國Transas 公司的ERS系列、德國STN At las Elektronik 公司的SES 系列等。其軟件系統主要基于真實的船舶機艙類型，采用虛擬現實(Virtual Reality,簡稱VR)、網絡拓撲、智能專家系統等技術，最大限度地復現船舶的實際操作和工作狀態，提高培訓的臨場感和真實感。

我國輪機模擬器的研制工作開始于20世紀90年代，經過引進、消化、創新，目前已達到國際先進水平。國內具有代表性的研制單位有大連海事大學的DMS 系列、武漢理工大學WMS 系列和上海海事大學的SMSC系列。其中武漢理工大學1994 年研制WMS型輪機模擬器是我國第一臺具有自主知識產權的輪機模擬器，目前已開發出多種型號。大連海事大學的DMS 系列模擬器功能齊全, 船型多樣，應用廣泛[2-4]。

通過對全國航海類院校輪機專業的培訓教學情況調研后發現，船舶舵機在培訓教學中存在如下問題：

(1) 采用實裝進行訓練，投入成本很高，占地面積大，一套舵機系統一次只能培訓幾名學員，教學效率低，而且實際舵機形式多種多樣，工作原理也不盡相同。院校配套的舵機教學裝備往往是老式裝備，跟不上當前發展需要，而且實裝僅僅限于現場演示，難以進行故障維修培訓，既使勉強進行維修方面訓練，系統也難以有效檢測實做效果。系統的可擴展性差；

(2) 目前的舵機虛擬仿真模擬訓練一般集成于輪機仿真訓練器(Marine Engine Simulator)中。功能豐富，一般包含舵機的工作原理、虛擬操作、相關零部件虛擬拆裝等多種功能，而且軟件接口豐富，利于后續升級。在模擬培訓教學中確實具有一定的優勢，但由于不是真實的設備，在實踐與感觀上還是無法代替實裝訓練，不能培養船員的實際動手能力。

因此，如何將虛擬仿真模擬訓練的經濟、靈活、安全、高效與實裝訓練的實感、實踐、動手技能培養有效結合起來是船舶舵機液壓系統培訓的一個重要問題。針對這種情況，采用虛擬仿真和接口技術，應用模塊化設計方法，設計了一套新型船舶舵機液壓維修訓練系統，彌補了傳統培訓的不足。

1 系統總體設計

1.1 功能需求分析

通過對《STCW78/95公約》、《中華人民共和國海船船員適任考試大綱》、《船用往復式液壓舵機修理技術要求》、《船用轉葉式液壓舵機修理技術要求》等[5-7]相關船員操作及修理標準的研究，分析出船舶舵機液壓維修訓練系統應具備以下幾部分功能：

(1) 操舵原理培訓 系統應能幫助受訓船員了解各型液壓舵機工作原理，熟悉自動操舵、隨動操舵、機旁手操、應急操舵的操作步驟，并理解各狀態下，液壓油路的運行機理。了解各油泵、控制閥件、油缸、管路輔件等零部件結構原理；

(2) 故障分析培訓 系統應能模擬舵機的多種故障狀態，如舵不動、沖舵、舵卡滯、跑舵等，并提供一定故障信息和故障分析方法，指導受訓船員進行故障分析訓練，同時提供虛擬拆裝、虛擬維修功能；

(3) 故障實際排除 系統應能夠為受訓船員提供實際動手維修的平臺，船員通過使用專用工具，對典型故障元件進行修理，如更換密封圈、清洗閥芯、更換過濾器等，通過親身實做，確實提高實際動手能力；

(4) 維修水平檢測評估 系統應能夠對培訓船員的維修效果進行性能檢測與評估，并給出相應成績存檔。

1.2 系統結構設計

根據舵機液壓維修訓練系統的功能要求，結合半實物仿真技術[8]，采用虛擬仿真(VR)和模塊化設計方法，設計了一套軟硬結合的維修系統(圖1所示)。

圖1 船舶舵機液壓維修系統結構原理圖

該系統包含三部分：

(1) 由計算機為主的虛擬維修訓練子系統；

(2) 由液壓舵機維修實訓臺組成的維修實訓子系統；

(3) 由PLC及驅動設備組成的接口控制。

虛擬維修訓練子系統可以軟件模擬各種類型液壓舵機(如川崎的RA型柱塞式泵控舵機，波士貢的S型閥控轉葉舵機)的操作與故障情況，完成操舵原理培訓和故障分析培訓。維修實訓臺可以模擬舵機相關零部件的故障狀態，完成對船員的故障實際排除能力訓練。接口控制用以兩個子系統間的數據交換及同步協調，實現對維修后的狀態進行檢測評估考核。

圖2為船舶舵機液壓維修訓練系統的工作流程圖，其中虛線框組成的Ⅰ部分流程，主要由虛擬維修訓練子系統完成，而Ⅱ部分流程則由維修實訓臺完成。培訓船員首先登陸虛擬維修訓練子系統，通過選擇舵機類型、操舵訓練、維修考核等步驟，完成操舵原理、舵機故障分析等方面的培訓，在故障分析正確以后，通過維修實訓臺完成舵機故障維修實做和維修效果測試，最后維修訓練的參數由PLC及相應通信接口傳送到虛擬訓練子系統，從而完成培訓效果的評估。

圖2 船舶舵機液壓維修系統的工作流程圖

2 關鍵技術

2.1 虛擬維修訓練子系統設計

圖3為虛擬維修訓練系統的結構圖。

整個系統采用模塊化設計的方法功能如下。

1) 操舵原理訓練模塊

該模塊主要完成操舵原理訓練，包含虛擬操作和監控面板、舵機液壓油路兩部分。該模塊為基礎模塊，采用組態軟件[9](如Intouch、MCGS、組態王等)為開發平臺設計。

圖3 虛擬維修訓練系統結構圖

舵機的操作及監控面板以實際船舶操舵面板為藍本制作。主要為儀表、按鈕及指示燈等組件，這些組件按使用方式可分為兩類：指示類和操作類，采用軟件自帶的相關控件和虛擬儀表可以很方便搭建。面板各組件的功能通過編寫腳本程序來執行特定的命令和邏輯運算，例如鍵被按下、窗口被打開，值發生變化等。通過組態軟件的I/O server功能，可以設置按鈕、開關等組件與PLC的輸入輸出點相關聯，從而實現虛擬系統與維修實訓臺的同步動作。

舵機的液壓油路設計較為復雜，對于泵、閥、轉舵油缸等特殊元件，可以通過采用自制Active X控件的方式，與軟件中現有的流體元件控件組成舵機液壓系統油路，并根據操舵規程，設置控制組件(如舵啟、停按鈕，轉舵手柄，舵角指示器等)與舵機液壓各組件的邏輯控制關系，編寫相應的腳本控制程序，實時顯示液壓舵機在不同控制狀態(如左舵、右舵、滿舵、舵回零等)下，各控制閥件、油泵、轉舵機構的內部動作(如油泵的啟動、停止，電磁換向閥的換向)和油液在液壓系統中的流動狀態。

2) 故障維修訓練模塊

該模塊主要完成液壓舵機的故障設置，和軟件模擬故障狀態，如轉舵速度慢、系統不能調壓、壓力表無指示等故障。培訓船員在軟件的輔助下，根據界面提供的故障狀態，如系統壓力低、油溫過高、過濾器報警等，對故障類型進行判斷，通過對液壓系統的逐步分析，根據現象找原因，溯本求源，最終找出故障點和故障元件。該部分的編程除了應用組態軟件外，還采用DDE技術，加入了相關多媒體資源，通過圖片、聲音、視頻的形式對故障進行了演示，彌補了實裝教學不能故障重現的問題。

3) 虛擬拆裝和幫助模塊

該模塊采用SolidWorks、UG等三維造型軟件對舵機的零部件，如液壓泵、閥件、轉舵油缸等進行了三維造型，并實現了虛擬拆裝，同時模塊還包含各零部件的使用及操作說明，培訓船員可以更深刻地了解部件的結構和維修方法。

4) 實做效果評估模塊

該模塊采用串行通信方式(RS232協議)與PLC通信，目前市場上的組態軟件均提供PLC型號和上位機鏈接方式的配置菜單和IO驅動程序，通過設置相應的控制字，實現對維修實訓臺的啟停、轉舵、換向等控制，并采集舵角、系統壓力等數據，實現對維修后的零部件測試，從而評價維修效果，并保存數據。

2.2 維修實訓臺設計

維修實訓臺是為培訓船員提供實際動手維修的平臺。由于實際船舶液壓舵機系統多種多樣，按照轉舵機構可分為往復柱塞式和轉葉式，按照液壓系統控制形式又可以分為閥控式和泵控式，而且每種型式的舵機，大小、規格、元件也不盡相同，如果想讓實訓臺囊括所有的舵機系統，不僅不現實，而且從培訓的角度看，也不必要。按照船員在船舶舵機液壓系統維修能力培養需求的角度考慮，雖然船用舵機千差萬別，但具體落實到日常保養和維修，卻集中于過濾器和密封圈更換，以及電磁閥、溢流閥、平衡閥等元件的調整，管路、泵的修理等一些簡單問題上。為此，在保留舵機液壓系統基本功能的基礎上，采用模塊化設計方法，設計了一種并行結構的維修實訓臺(圖4所示)。

整個實訓臺臺可分為泵站模塊、轉舵機構模塊、故障修理模塊三大部分。各部分都留有快插接頭，用于快速搭建不同的液壓舵機系統。

該系統的泵站模塊提供了用于開式回路的定量泵+電磁溢流閥油源和用于閉式回路的伺服變量泵+補油泵油源。轉舵機構有柱塞往復式和轉葉式兩種，通過故障修理模塊和快接管路，可以迅速搭建需要培訓的舵機液壓系統。故障修理模塊是本系統的核心，它一方面起到了連接泵站模塊和轉舵機構模塊的作用，另一方面也是培訓船員需要修理的對象。故障維修模塊采用并行結構，根據維修訓練的需要，可以設置各種故障模式，如液壓過濾器堵塞、電磁換向閥卡滯、管路接頭腐蝕、平衡閥彈簧斷裂、油缸密封圈損壞、傳感器失效等多種類型故障。各故障模塊采用快插接頭接入主油路，每個故障模塊支路的通斷由二位二通電磁閥控制，互不影響，系統流量由調速閥進行調整。當船員在上位機的虛擬維修訓練系統中進行了故障分析，判斷出故障類型后，即可對維修實訓臺上的對應故障模塊進行維修實做。實訓臺的故障修理模塊一次可以并行修理四種故障，考核人員可以根據需要自行連接更換。

2.3 接口控制設計

接口控制模塊是用于連接虛擬訓練系統和維修實訓臺的樞紐，它不僅要實現和上位機中虛擬訓練系統的通信，還要向維修實訓臺發出控制信號，完成系統的同步動作。考慮到系統的可靠性和擴展性，用PLC結合繼電器開關電路完成上述功能[10]。

圖5是接口控制電路的原理圖。上位機虛擬訓練系統通過串口與PLC通信，PLC獲取上位機指令(如舵機運行演示、 故障設置等)后， 對控制信息進行判斷，完成控制信號的輸出，從而實現維修實訓臺液壓系統中泵的啟停、故障修理模塊中電磁閥的通斷等功能，由于PLC直接驅動負載的能力有限，采用PLC驅動中間繼電器，然后由繼電器控制電磁閥的方式實現方式。此外，系統還增加了PLC模擬量輸入輸出模塊，用于將實訓臺的工作狀態(如壓力、溫度、流量等參數)反饋給上位機虛擬訓練系統，用于同步顯示和維修效果評估。本系統采用FX系列PLC開發，編程使用配套的GX-DEVELOPER軟件，梯形圖方式編寫。

圖4 船舶舵機液壓維修實訓臺

圖5 接口控制電路

3 結論

船舶舵機液壓維修訓練系統自2012年開發調試成功以來，經過了多批次船員培訓試用，反應良好，該系統具有如下特點：

(1) 系統可靠性高，使用操作方便；

(2) 軟件可擴展性強，可根據用戶需求，開發不同型號舵機的虛擬訓練系統，升級方便；

(3) 維修實訓臺的故障修理模塊為開放式，用戶可根據需要自主設計，通過快插接口方便接入系統；

(4) 該系統采用的軟硬結合，模塊化設計思想，也能為其他虛擬維修訓練系統提供借鑒與技術指導，具有廣泛的應用前景。

該系統以后還將增加虛擬漫游、智能維修決策、交互式電子手冊(IETM)等多項功能，使我國的船員培訓的水平提高到一個新的層次。

參考文獻：

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[6] CB/T 3679-1995,船用往復式液壓舵機修理技術要求[S].

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[10] 向曉漢.三菱FX系列PLC完全精通教程[M].北京：化學工業出版社,2012.