鄒文俊，林洪貴，孫美娜

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021）

一種虛實(shí)結(jié)合的船舶壓縮空氣操作訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒文俊，林洪貴，孫美娜

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021）

針對(duì)航運(yùn)院校采用真實(shí)船舶動(dòng)力設(shè)備系統(tǒng)操作訓(xùn)練存在占地面積大、成本高且缺少實(shí)船環(huán)境的缺點(diǎn)，本文以船舶壓縮空氣系統(tǒng)為例設(shè)計(jì)出一種虛實(shí)結(jié)實(shí)的動(dòng)力設(shè)備操作訓(xùn)練系統(tǒng)，建立了壓縮空氣系統(tǒng)的三維實(shí)體模型和設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，通過Unity3D實(shí)現(xiàn)了船舶壓縮空氣系統(tǒng)的場(chǎng)景漫游和虛擬操作功能，采用PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)組的控制功能，解決了PLC控制器與Unity3D之間數(shù)據(jù)交互問題，最終實(shí)現(xiàn)了通過實(shí)物控制箱控制虛擬的空壓機(jī)組的目的。

壓縮空氣系統(tǒng)虛實(shí)結(jié)合PLCUnity3D

0　引言

船舶動(dòng)力設(shè)備的操作和管理是船舶二/三管輪主要實(shí)操內(nèi)容之一，實(shí)際的船舶動(dòng)力系統(tǒng)由于受場(chǎng)地、建造、運(yùn)行管理成本的限制，加之缺少實(shí)船環(huán)境[1,2]，已無法滿足航運(yùn)院校對(duì)船舶動(dòng)力設(shè)備訓(xùn)練評(píng)估要求，隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，實(shí)際系統(tǒng)勢(shì)必被模擬仿真系統(tǒng)所取代。船舶壓縮空氣系統(tǒng)作為重要的船舶動(dòng)力設(shè)備，可為主副機(jī)提供啟動(dòng)空氣、氣動(dòng)控制系統(tǒng)提供控制空氣及其它船舶輔助設(shè)備提供所需的氣源[3]，船舶壓縮空氣系統(tǒng)勢(shì)必也朝著虛擬仿真的方向發(fā)展。

模擬仿真系統(tǒng)具有真實(shí)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：1）可以反復(fù)操作而對(duì)設(shè)備無損害；2）可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的故障模擬；3）基本不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理；4）誤操作不會(huì)危及到設(shè)備和人員安全。傳統(tǒng)的船舶壓縮空氣模擬仿真系統(tǒng)基本以二維平面原理圖的形式展示，這種方式無法客觀地描述真實(shí)系統(tǒng)場(chǎng)地布置情況，操作訓(xùn)練人員無法得知操作部件在實(shí)際系統(tǒng)中具體的位置，缺乏真實(shí)感。本文在此基礎(chǔ)上本文提出了一種操作更真實(shí)、沉浸感更強(qiáng)的虛實(shí)結(jié)合的船舶壓縮空氣操作訓(xùn)練系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

虛實(shí)結(jié)合的船舶壓縮空氣操作訓(xùn)練系統(tǒng)的主要思想是控制系統(tǒng)真實(shí)化，控制對(duì)象虛擬化。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1，控制系統(tǒng)采用現(xiàn)代船舶上普遍采用的PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，主要完成空壓機(jī)組的控制和保護(hù)功能，空壓機(jī)組、主空氣瓶等作為控制對(duì)象采用3ds Max建模軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，在Unity3D游戲引擎中實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游和虛擬操作功能。

在 3dsMax中建立的船舶壓縮空氣系統(tǒng)的三維虛擬場(chǎng)景和在Visual Studio中建立的數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)鏈接庫作為資源導(dǎo)入到Unity3D中進(jìn)行再加工制作，最后通過一鍵發(fā)布的方式生成Windows平臺(tái)下的.EXE應(yīng)用程序，運(yùn)行在裝有 Windows操作系統(tǒng)的壁掛式一體機(jī)上，一體機(jī)帶有一觸摸顯示屏，學(xué)員通過觸摸顯示屏的觸屏功能可實(shí)現(xiàn)：1）漫游船舶壓縮空氣系統(tǒng)，熟悉設(shè)備和管系；2）操作系統(tǒng)中相關(guān)閥門的開啟和關(guān)閉；3）觀測(cè)系統(tǒng)中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及儀表參數(shù)值。學(xué)員操作的空壓機(jī)機(jī)旁控制箱由PLC控制，PLC一方面通過I O模塊接受來自機(jī)旁控制箱的控制指令，經(jīng)邏輯運(yùn)算后給出控制命令給三維虛擬場(chǎng)景中的控制設(shè)備；一方面采集來自系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型運(yùn)算出的監(jiān)控參數(shù)，參考控制或輸出到控制箱上顯示，系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖2。

2　船舶壓縮空氣系統(tǒng)建模

2.1船舶壓縮空氣系統(tǒng)三維實(shí)體建模

本船舶壓縮空氣系統(tǒng)三維實(shí)體是以某輪真實(shí)壓縮空氣系統(tǒng)作為母型系統(tǒng)建立的，以活塞式空壓機(jī)作為母型機(jī)，采用 3ds Max 2012三維建模軟件創(chuàng)建，建模流程如圖 3，主要建模對(duì)象包括空壓機(jī)組、主空氣瓶、氣液分離器、空氣冷卻器、壓力開關(guān)、控制閥門、減壓閥組、管系等，圖 4 是3ds Max中建立的未經(jīng)材質(zhì)、貼圖和烘焙處理的船舶壓縮空氣系統(tǒng)三維模型。

圖2　船舶壓縮空氣操作訓(xùn)練系統(tǒng)效果圖

圖3　系統(tǒng)三維實(shí)體建模流程

圖4　船舶壓縮空氣系統(tǒng)三維模型

2.2船舶壓縮空氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

三維實(shí)體模型是船舶壓縮空氣系統(tǒng)是人機(jī)交互的窗口，對(duì)系統(tǒng)中各設(shè)備的內(nèi)部物理過程的描述必須通過數(shù)學(xué)建模實(shí)現(xiàn)。本文建立了船舶壓縮空氣系統(tǒng)中主要設(shè)備簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，這些模型主要包括：1）空壓機(jī)組排氣溫度、排氣流量數(shù)學(xué)模型；2）主空氣瓶?jī)?nèi)空氣壓力、凝結(jié)水量、空氣質(zhì)量和溫度數(shù)學(xué)模型；3）空氣冷卻器熱交換數(shù)學(xué)模型。

以空壓機(jī)組排氣溫度為例說明設(shè)備數(shù)學(xué)模型的建立過程，該活塞式空壓機(jī)是雙缸二級(jí)式空壓機(jī)，假設(shè)當(dāng)空氣進(jìn)入空壓機(jī)第一級(jí)氣缸的溫度為T0(K)，進(jìn)機(jī)時(shí)的壓力為P0(MPa)，第一級(jí)氣缸內(nèi)的壓縮空氣的多變指數(shù)為 m1，第二級(jí)為 m2，那么在第一級(jí)氣缸中，空氣壓力的壓縮比為：

式（1）中，P1—經(jīng)第一級(jí)氣缸壓縮后的排氣壓力

壓縮空氣在第一級(jí)氣缸出口處的溫度為：

第二級(jí)氣缸的壓縮比為：

式（3）中，P2—空壓機(jī)經(jīng)過二級(jí)氣缸后的排氣壓力（MPa）。

壓縮空氣在第二級(jí)氣缸出口處的溫度為：

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于控制對(duì)象是虛擬的三維實(shí)體，不需要采集來自真實(shí)的傳感器信號(hào)，故PLC控制系統(tǒng)只須接收和控制來自船舶壓縮空氣系統(tǒng)機(jī)旁控制箱上開關(guān)、按鈕、指示燈和儀表等元器件的信號(hào)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，船舶壓縮空氣系統(tǒng)機(jī)旁控制箱IO點(diǎn)數(shù)為：2路模擬量輸出，22路開關(guān)量輸入和14路開關(guān)量輸出，共計(jì)38點(diǎn)，屬于小型PLC控制系統(tǒng)。在PLC選型上選用國(guó)產(chǎn)Haiwell S系列PLC，具體硬件配置為：S32S2T型CPU模塊1塊、H08XD T型開關(guān)量模塊1塊和S04AO型模擬量輸出模塊1塊。S32S2T型CPU模塊帶有16路開關(guān)量輸入和16路晶體管輸出，通訊口配備1個(gè)RS232口和1個(gè)RS485口，H08XDT型開關(guān)量模塊帶有4路開關(guān)量輸入和4路晶體管輸出；S04AO型模擬量輸出模塊帶有4路模擬量輸出，支持標(biāo)準(zhǔn)電流電壓信號(hào)。配備的PLC控制系統(tǒng)總共可帶52點(diǎn)，留有約27%的裕量點(diǎn)作為備用，硬件配置完后就可對(duì)控制箱上的元器件IO地址進(jìn)行分配。

3.2控制功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

空壓機(jī)組的控制功能通過Haiwell PLC編程軟件HaiwellHappy梯形圖編程實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)的控制功能包括：

1）空壓機(jī)組本地/遙控切換：在空壓機(jī)組機(jī)旁控制箱上能實(shí)現(xiàn)本地/遙控切換，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)組本地控制和集控室遙控控制功能。

2）空壓機(jī)組自動(dòng)起/停：為避免主副兩臺(tái)空壓機(jī)組自動(dòng)起停頻繁，兩臺(tái)空壓機(jī)組起停控制的壓力開關(guān)自起動(dòng)壓力整定值有一定的差值，先起動(dòng)的主空壓機(jī)組壓力開關(guān)自起動(dòng)壓力整定值為2. 2 MPa，后起動(dòng)的副空壓機(jī)組壓力開關(guān)自起動(dòng)壓力整定值為2.0 MPa，自停止壓力整定值都為3. 0 MPa。

3）空壓機(jī)組手動(dòng)起/停：在緊急情況下可進(jìn)行人工手動(dòng)起?？刂啤?/p>

4）自動(dòng)卸荷：空壓機(jī)組在起動(dòng)和停止前都要打開卸荷閥卸荷，以減小空壓機(jī)組的起動(dòng)負(fù)荷和保護(hù)空壓機(jī)組。

5）自動(dòng)放殘：空壓機(jī)組運(yùn)行時(shí)周期性控制氣水分離器和主空氣瓶泄放閥打開放殘，空壓機(jī)機(jī)組停止時(shí)控制氣水分離器泄放閥打開，控制主空氣瓶泄放閥關(guān)閉。

6）安全保護(hù)和故障報(bào)警：當(dāng)空壓機(jī)組出現(xiàn)排氣溫度過高、冷卻水溫度過高過高、滑油壓力過低和曲軸箱油位低時(shí)應(yīng)能自動(dòng)停止空壓機(jī)組工作并發(fā)出聲音報(bào)警。

圖5是主空壓機(jī)組手/自動(dòng)起停流程圖，當(dāng)有停機(jī)故障時(shí)必須待故障復(fù)位后才能再次起動(dòng)空壓機(jī)組。圖6是實(shí)現(xiàn)起?？刂七^程的主要PLC梯形圖程序代碼，在程序設(shè)計(jì)時(shí)要事先對(duì)要與Unity3 D進(jìn)行讀寫的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃，要讀或?qū)懙膬?nèi)部繼電器和寄存器應(yīng)連續(xù)分配，以便后期Unity3D在讀寫這些數(shù)據(jù)時(shí)可采用讀寫多線圈或多寄存器號(hào)指令，減少讀寫次數(shù)，提高通訊速率。

4　人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)

4.1Unity3D工程資源整合

Unity3D是由Unity Techologies開發(fā)的一個(gè)讓開發(fā)者輕松創(chuàng)建各種類型游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)等互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)綜合型開發(fā)工具[4,5]。在 3dsMax中建好船舶壓縮空氣系統(tǒng)的三維虛擬場(chǎng)景以.FB X格式文件導(dǎo)出，將封裝有三維虛擬場(chǎng)景的.FBX格式文件、封裝有壓縮空氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的.DLL格式文件、音頻文件等作為開發(fā)資源存放在Unit y3D工程的Assets文件夾中。在Unity3工程中，. FBX格式文件可導(dǎo)入到場(chǎng)景（Scenes），.DLL格式文件可被Unity3D自帶的MonoDevelop腳本編輯器編寫的腳本代碼引用。Unity3D目前支持Ja vaScript、C#和Boo三種語言的腳本程序[5]，本系統(tǒng)開發(fā)所用的腳本采用JavaScript和C#語言編寫而成。

圖5　空壓機(jī)組手/自動(dòng)控制流程圖

4.2場(chǎng)景漫游功能的實(shí)現(xiàn)

Uniy3D中自帶有角色控制資源包，將其導(dǎo)入到工程中，通過在場(chǎng)景中添加第一角色控制器組件就能實(shí)現(xiàn)船舶壓縮空氣系統(tǒng)三維場(chǎng)景自由漫游功能：操作鍵盤的WASD鍵控制角色前后左右行走，操作鼠標(biāo)控制角色的行走方向。在添加第一角色控制器組件時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)生成的名為MouseLo ok.cs、CharacterMotor.js和 FPSInputController.js的三個(gè)腳本文件，自由漫游功能就是通過這三個(gè)腳本文件實(shí)現(xiàn)的，修改相關(guān)參數(shù)可改變漫游的方式和靈敏性。

4.3虛擬操作的實(shí)現(xiàn)

壓縮空氣系統(tǒng)有較多的閥需要手動(dòng)操作其打開或關(guān)閉，如空壓機(jī)組壓縮空氣出口閥、主空氣瓶進(jìn)口閥、主空氣瓶間旁通閥等，其中大部分是截止止回閥，對(duì)這類閥的開關(guān)過程主要包括手輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)行和軸向運(yùn)動(dòng)。在Unity3D中手輪回轉(zhuǎn)運(yùn)行是通過 transform.Rotate()方法實(shí)現(xiàn)的，手輪的軸向運(yùn)行是通過 transform.Translate()方法實(shí)現(xiàn)的。閥的開關(guān)切換是通過單擊鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)的，開關(guān)切換代碼放置在OnMouseDown()函數(shù)內(nèi)部，表征閥開關(guān)狀態(tài)的變量最終要傳送到數(shù)學(xué)模型中參與邏輯運(yùn)算的，需要跨文件引用，在Unity3D中對(duì)于這類需要跨文件引用的變量須聲明為靜態(tài)變量，否則編譯通不過。

圖6　空壓機(jī)組起?？刂铺菪螆D程序

閥開操作功能實(shí)現(xiàn)的主要代碼如下：

4.4音效仿真的實(shí)現(xiàn)

船舶壓縮空氣系統(tǒng)的場(chǎng)景漫游和虛擬操作功能都是視覺上的體驗(yàn)，為了增強(qiáng)沉浸感，操作者在操作時(shí)除需要視覺上體驗(yàn)外還需要聽覺上的體驗(yàn)，如空壓機(jī)組在啟動(dòng)、運(yùn)行、停止和主空氣瓶放殘時(shí)都會(huì)發(fā)出不同的聲音，實(shí)際工作中設(shè)備運(yùn)行聲音也是操作管理都判斷設(shè)備是否正常運(yùn)行的重要依據(jù)。在Unity3D實(shí)現(xiàn)音效仿真是通過Audi oClip組件和AudioSource組件來實(shí)現(xiàn)的，Audio Clip組件用于保存空壓機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行、停止及主空氣瓶放殘的音頻文件，AudioSource組件用于控制音頻文件的播放，其中空壓機(jī)組在啟動(dòng)和停止音頻播放方式為播放一次，空壓機(jī)組運(yùn)行和主空氣放殘音頻播放方式為循環(huán)播放。

4.5PLC與Unity3D數(shù)據(jù)通訊的實(shí)現(xiàn)

實(shí)物的控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬的控制對(duì)象的控制需要解決控制系統(tǒng)與控制對(duì)象之間數(shù)據(jù)交互問題，即要解決PLC控制器與Unity3D之間數(shù)據(jù)通訊問題。之前筆者一直想通過OPC數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)：PLC作為OPC服務(wù)器，Unity3D作為OPC客戶端。經(jīng)幾番測(cè)試發(fā)現(xiàn)Unity3D開發(fā)環(huán)境是基于.NET 2.0架構(gòu)的，而實(shí)現(xiàn)OPC通訊的所需的O pcDaNet.dll是基于.NET 2.0以上架構(gòu)的，故Uni ty3D中不完全支持OpcDaNet.dll庫方法的調(diào)用，最終放棄OPC數(shù)據(jù)通訊而采用Modbus數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)。

在硬件接口方面，Hailwell PLC具有1個(gè)R S232口和1個(gè)RS485口，運(yùn)行Unity3D應(yīng)用程序的一體機(jī)只有USB口，本設(shè)計(jì)采用PLC的RS 232口通訊，經(jīng)一根RS232轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)接線與一體機(jī)相接。數(shù)據(jù)傳送方式采用Modbus RTU方式，Unity3D作為Modbus主站，Haiwell PLC作為從站，這樣Unity3D一方面要發(fā)送系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型得到的虛擬傳感器數(shù)據(jù)（包括數(shù)字量和模擬量）給PLC控制系統(tǒng)，另一方面要PLC控制系統(tǒng)的控制信號(hào)（全部為數(shù)字量），因此要用到的Modbus功能碼有01（讀線圈）、15（寫多個(gè)線圈）和16（寫多個(gè)寄存器）。Modbus數(shù)據(jù)通訊的主體腳本代碼主要包括設(shè)置串口通訊參數(shù)、啟用串口通訊線程、打開串口、發(fā)送生成的Modbus RTU格式的數(shù)據(jù)、接收回傳信息、提取回傳信息中的數(shù)據(jù)（讀時(shí)需要）等。串口通訊參數(shù)包括串口名、波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位和停止位等；生成Modbus RTU格式的數(shù)據(jù)包括設(shè)備地址、功能碼、要寫或讀的數(shù)據(jù)信息、CRC校驗(yàn)碼等。

5　結(jié)束語

本文采用 PLC控制技術(shù)和虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了船舶壓縮空氣系統(tǒng)的操作訓(xùn)練，引入了Unit y3D游戲引擎開發(fā)船舶壓縮空氣系統(tǒng)的三維場(chǎng)景的漫游和操作功能，讓操作者能夠像玩游戲一樣通過控制箱、鼠標(biāo)、鍵盤和觸摸屏來操控虛擬的船舶壓縮空氣系統(tǒng)，同時(shí)聽到環(huán)境音效，達(dá)到訓(xùn)練的目的。這種操作訓(xùn)練方式更接近于真實(shí)船舶壓縮空氣系統(tǒng)的操作，且具有真實(shí)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。這種架構(gòu)的操作訓(xùn)練系統(tǒng)易于擴(kuò)展，且支持二次開發(fā)，主要體現(xiàn)在：1）增設(shè)故障模型，進(jìn)行故障模擬；2）增加評(píng)估模塊，對(duì)操作結(jié)果進(jìn)行評(píng)定；3）利用Unity3D開發(fā)純虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)，可發(fā)布到IOS、Android、Web和Flash平臺(tái)，通過手機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行訓(xùn)練。

[1] 徐野. 船舶輔鍋爐仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模與軟件設(shè)計(jì)[D]. 大連: 大連海事大學(xué)，2013.

[2] 丁立勛. 船舶輔鍋爐裝置模擬操作系統(tǒng)[D]. 大連:大連海事大學(xué)，2009.

[3] 王旭. 船舶壓縮空氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模與仿真[D]. 大連:大連海事大學(xué)，2013.

[4] 張可超. 船舶壓縮空氣系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué)，2014.

[5] 張帆. Unity3D游戲開發(fā)基礎(chǔ)[M]. 杭州: 浙江工商大學(xué)出版社，2013.

Design of Marine Compressed Air Operation Training System with Virtual and Physical Combination

Zou Wenjun，Lin Honggui，Sun Meina
(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，F(xiàn)ujian，China)

Marine power plant operation training system in shipping colleges has the disadvantages of large area，the high cost and the lack of real ship environment. Aimed at this problem,and taking marine compressed air system as an example，a combination of virtual and physical marine power plant operation training system is designed. The scene roaming and virtual operation function of the marine compressed air system is realized by Unity3D，the control task of the air compressor is completed by PLC control technology，and the problem of data communication between PLC Controllers and Unity3D is solved. Finally，the paper achieves the purpose of controlling the virtual air compressor through the physical control box.

auxiliary boiler; combination of virtual and physical; PLC; unity3D

U664.5

A

1003-4862（2015）12-0006-05

2015-09-11

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014J01203）

鄒文?。?985-），男，碩士學(xué)位，助理實(shí)驗(yàn)師。研究方向：虛擬仿真、船舶自動(dòng)化、機(jī)電一體化。