劉宗凱， 趙立強， 楊小強

（1.陸軍工程大學(xué)， 江蘇 南京 210007； 2.93552部隊氣象臺， 河北 石家莊 050081）

引言

某型裝備作為一種典型的新型機電設(shè)備，由底盤車、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和發(fā)射裝填系統(tǒng)等機電部件組成，全車具有高度的自動化、信息化和集成化。該設(shè)備工作原理、組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在訓(xùn)練、演示和維修過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)各種各樣的故障，如發(fā)射操作裝置失靈、機械裝置不動作、檢測信息無顯示或示值異常、定位定向系統(tǒng)工作異常、液壓系統(tǒng)工作異常等，導(dǎo)致這些故障的原因很多且故障現(xiàn)象與故障原理之間的邏輯關(guān)系具有模糊性和非線性。因此，如何判斷該裝備各種總成或系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及在出現(xiàn)故障后進行診斷和維修，是使用單位所面臨的一個難題。本文在分析該裝備工作原理、結(jié)構(gòu)組成和故障機理的基礎(chǔ)上，提出維修實訓(xùn)臺的研制思路，設(shè)計了硬件與軟件技術(shù)方案并完成了實訓(xùn)臺的研制。

1 某型裝備工作裝置的工作原理分析

某型機電設(shè)備上裝部分主要由發(fā)射裝置、裝填裝置和控制系統(tǒng)等組成。其中發(fā)射裝置包括定向器、搖架、回轉(zhuǎn)機、電動高低機、電動方向機、手搖傳動裝置和千斤頂?shù)龋b填裝置包括壓彈裝置、彈架、彈架固定器和升起裝置等，控制系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)、發(fā)火系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等。某型機電設(shè)備進行布雷作業(yè)時，首先應(yīng)進行發(fā)射前準備工作，使裝備進入發(fā)射陣地、操作支撐千斤頂使裝備處于發(fā)射準備狀態(tài)，然后與指揮車的指控系統(tǒng)建立通信聯(lián)系、完成定位定向設(shè)置、進行數(shù)據(jù)上報和接收目標信息；在完成發(fā)射裝備工作后，通過控制系統(tǒng)，使得發(fā)射架解脫，啟動高低、方向電機擴大機，通過調(diào)炮機構(gòu)完成自動或半自動調(diào)炮到位；最后裝定發(fā)火操作，主要內(nèi)容是電子引信的裝定與檢測、地雷自毀時間裝定與檢測、發(fā)火設(shè)定、發(fā)射操作以及裝配藥盤引信的布雷彈發(fā)射操作[1]。

該裝備完成上述任務(wù)，需由各個系統(tǒng)協(xié)同工作方能順利完成。其中起主要作用的控制系統(tǒng)、裝填系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)部件包括主控計算機、發(fā)火儀、定位定向裝置、PLC控制箱、高低擴大機和高低電機、方向擴大機和方向電機、高低與方位角測量傳感器等。這些機構(gòu)在控制系統(tǒng)的管理下，依照既定的邏輯順序，通過電動執(zhí)行機構(gòu)和液壓執(zhí)行機構(gòu)完成布雷作業(yè)。該裝備上裝主要機構(gòu)（裝置）的組成如圖1所示。

圖1 上裝主要部件組成框圖

2 某型機電設(shè)備維修訓(xùn)練平臺硬件設(shè)計

2.1 維修實訓(xùn)臺功能需求分析

根據(jù)該裝備工作原理與故障特點分析可知，維修實訓(xùn)臺應(yīng)具有上裝工作原理演示、工作裝置故障設(shè)置與模擬、仿實裝操作與虛擬場景同步控制等三大功能[2]。

上裝工作原理演示功能主要用于向用戶展示布雷車發(fā)射系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等的工作原理，通過二維原理圖與三維動態(tài)工作過程的有機結(jié)合，形象地展示了上裝各個組成部件（機構(gòu)）的具體位置、形狀結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)等，講解、演示布雷車的工作原理。

工作裝置的故障設(shè)置與模擬功能用于上裝電控系統(tǒng)、操作機構(gòu)、發(fā)射裝置和其他部分的故障現(xiàn)象與特點，并提供靈活的故障設(shè)置、故障現(xiàn)象與原因追蹤、故障的仿真與排除等功能。由于某型機電設(shè)備的操縱機構(gòu)既有手動機構(gòu)，同時操作機構(gòu)又設(shè)置了電控元器件和鍵盤式交互元件，而其工作裝置又包含機械、液壓、電氣、氣動等多種系統(tǒng)的控制元件和執(zhí)行機構(gòu)，故障種類和分布范圍廣，邏輯復(fù)雜難以模擬。因此，采用雙PLC協(xié)同、計算機虛擬場景演示、操控面板輔助等手段，以實現(xiàn)故障模擬、靈活設(shè)置、指導(dǎo)排除和智能教學(xué)等功能。

仿實裝操作與虛擬場景同步功能主要用于該裝備仿真實裝操作機構(gòu)與布雷過程的虛擬演示場景之間的同步，通過主控計算機、顯控臺、操作裝置、三維虛擬場景模擬軟件等共同完成某型機電設(shè)備全部作業(yè)的仿實裝操作和全過程的虛擬演示，為受訓(xùn)人員提供了全套的虛擬仿真操作、維修與故障排除環(huán)境。

2.2 維修訓(xùn)練平臺總體方案設(shè)計

維修訓(xùn)練平臺采用雙PLC協(xié)同系統(tǒng)構(gòu)成控制核心，外圍電路包括模擬手動部件、顯控臺、操作面板測點、電機控制模塊、模擬液壓閥組箱、主控計算機、視景計算機、箱體及信息電纜等組成。維修訓(xùn)練平臺的三維虛擬維修軟件運行于視景計算機中，通過串行總線與雙PLC實現(xiàn)信息交互，以及虛擬場景與實際操作的動作聯(lián)動與同步。其總體技術(shù)方案如圖2所示。

圖2 維修實訓(xùn)臺總體技術(shù)方案

模擬手動部件主要包括高低手輪與方向手輪，采用與原車相同的原理設(shè)計，能夠準確模擬原車操作動作，其內(nèi)部的傳感器將手輪操作信號通過信號電纜傳入實裝PLC中，進行工作原理演示、故障設(shè)置與排除等。顯控臺承擔與原車顯控臺相同的功能，主要由控制開關(guān)、數(shù)字式電壓表、陣列式到位顯示指示燈、控制指標燈等組成，模擬實裝的控制流程，用于控制虛擬視景中的定向管、推彈架、千斤頂作業(yè)過程，仿真顯示該裝備的液壓、氣動系統(tǒng)的運行狀態(tài)、整車電源狀態(tài)，而陣列式顯示燈用于指示虛擬場景中定向管內(nèi)火箭布雷彈的裝填情況。操作面板測點（測量模塊）主要為用戶提供布雷車電氣與火控系統(tǒng)故障判斷與排除過程中的測點設(shè)置，該模塊同時接收雙PLC控制系統(tǒng)中的主控PLC和實裝PLC的控制信號[3]。分析可知，實裝PLC主要負責(zé)采集模擬手動部件輸入的高低角和方位角信號、顯控臺輸入的定位管狀態(tài)信號、推彈架狀態(tài)信號、千斤頂位置信號及布雷彈中的地雷控制信號、操作面板測點的故障信號設(shè)置與狀態(tài)識別等，這些信號既有模擬量，又有開關(guān)量且通道數(shù)較多，因此單獨設(shè)置實裝PLC完成上述功能，實裝PLC對這些信息進行處理后，再通過I/O口線將必要的信號傳輸給主控PLC并接收其下達的指令信號，這樣既減少了主控PLC的資源負擔，又將系統(tǒng)進行了模塊化設(shè)計與處理，提高了實訓(xùn)臺的執(zhí)行效率。

而主控PLC主要處理與視景計算機中的虛擬維修軟件的動作協(xié)同與控制、接收主控計算機（火控計算機）發(fā)來的地雷裝定、自毀、退電等控制信號和模擬液壓閥組的輸入信號，并向操作面板測點下達故障設(shè)置信號以及與實裝PLC進行協(xié)同工作。這種雙PLC協(xié)同設(shè)計策略，既滿足了實訓(xùn)臺工作原理演示、故障設(shè)置判斷與排除、仿實裝操作訓(xùn)練與虛擬場景的實時同步等功能，又實現(xiàn)了功能、結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計與處理，降低了整體成本，提高了設(shè)備執(zhí)行效率。維修實訓(xùn)臺的整體結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。

圖3 維修實訓(xùn)臺結(jié)構(gòu)布局圖

2.3 維修實訓(xùn)臺PLC控制系統(tǒng)開發(fā)

雙PLC協(xié)同控制系統(tǒng)是整個維修實訓(xùn)臺的核心，其主要功能如下頁圖4所示。

2.3.1 主控PLC設(shè)計

以故障設(shè)置模塊工作原理為例，介紹主控PLC的設(shè)計與原理[4]。

如下頁圖5所示為故障設(shè)置工作原理簡圖，從圖中可以清楚的看到兩個PLC的工作關(guān)系。執(zhí)行元件采用指示燈模擬，當發(fā)生故障時，主控PLC將電路斷開，執(zhí)行元件指示燈熄滅，檢測測點2，若測點2有電，則可斷定為執(zhí)行元件故障；若測點2無電壓信號，根據(jù)電路系統(tǒng)工作原理，繼續(xù)向前一級進行排查，檢測測點1電壓值，測點1若無信號則為前一級故障，須再往前一級排查，直至故障準確定位。某型機電設(shè)備液壓系統(tǒng)及電傳動系統(tǒng)部分故障設(shè)置均采用此原理進行設(shè)置。

圖4 雙PLC控制系統(tǒng)工作原理圖

圖5 故障設(shè)置原理簡圖

維修實訓(xùn)臺中，主控PLC共有131個輸入輸出點，部分I/O地址分配如表1所示。

表1 主控PLC部分輸入輸出地址分配表

2.3.2 實裝PLC設(shè)計

實裝PLC是某型機電設(shè)備控制的核心，具有邏輯判斷、順序控制、計數(shù)等功能。按照其功能可以將PLC劃分為自動控制模塊、半自動控制模塊和到位信號處理模塊。實裝PLC與原車PLC不同的是增加了PLCA-O-S1、PLCA-O-S1兩路信號，用于區(qū)分正常信號和減速信號。實裝PLC根據(jù)某型機電設(shè)備實際控制原理進行開發(fā)，主要分為自動控制模塊、半自動控制模塊和到位信號處理模塊。每個功能模塊的輸入輸出信號分散于不同的PLC擴展模塊中。下面以自動控制模塊為例予以說明。

實裝中，PLC中自動控制模塊主要接收主控計算機的輸入信號。在平臺設(shè)計中，主控PLC輸出模擬信號作為實裝PLC的輸入端，代替主控計算機的RDC板，這一部分設(shè)計與實裝工作原理相同。

如圖6所示，上方輸入信號為主控計算機輸出信號，在平臺設(shè)計中為主控PLC的輸出信號，主控PLC在一定程度上取代了原車中主控計算機的RDC板的作用。下方為手動電阻控制器輸入信號，直接與模擬手動操縱部件相連，輸入電壓為0～±5 V；下方左側(cè)為經(jīng)過判斷后輸出的正常信號或減速信號?！皢痈叩?、方向擴大機”為開關(guān)量輸入信號，直接與顯控臺中擴大電機開關(guān)連接，控制擴大電機的啟動與停止。

圖6 自動控制模塊

西門子PLC的符號表和硬件物理地址均可以在STEP7中進行分配和定義，在STEP7中分配I/O地址可以在程序設(shè)計之前進行，也可以在應(yīng)用程序完成后在進行分配。I/O地址的分配原則與主控PLC相同。主控PLC與實裝PLC的信號通道較多，由于篇幅所限，具體的I/O地址分配和符號表在此不一一列出。

3 維修訓(xùn)練平臺軟件系統(tǒng)開發(fā)

維修訓(xùn)練系統(tǒng)軟件分為結(jié)構(gòu)組成、工作原理、維護保養(yǎng)、故障排除及系統(tǒng)幫助五大模塊，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁圖7所示。在軟件系統(tǒng)開發(fā)中工作原理演示與故障設(shè)置與排除模塊是軟件系統(tǒng)開發(fā)的重點和難點。

工作原理模塊功能主要是配合某型機電設(shè)備動作和語音講解，在半透明化的三維模型中，演示某型機電設(shè)備作業(yè)時內(nèi)部的工作原理。進入工作原理演示界面后，操作平臺的操縱部件完成布雷作業(yè)，軟件系統(tǒng)可以根據(jù)受訓(xùn)者的操作，配合模擬某型機電設(shè)備的工作狀態(tài)，實時演示某型機電設(shè)備的工作原理[5]。對于軟件設(shè)計而言，工作原理演示模塊與故障設(shè)置模塊一致，機械運動模擬是整個軟件設(shè)計的關(guān)鍵。

圖7 軟件功能結(jié)構(gòu)

故障設(shè)置模塊的開發(fā)要求進入故障設(shè)置模塊后，選擇相應(yīng)的故障現(xiàn)象，軟件系統(tǒng)將故障信號發(fā)送至實訓(xùn)臺，在實訓(xùn)臺上實現(xiàn)故障的模擬。故障邏輯關(guān)系梳理是故障設(shè)置模塊開發(fā)的基礎(chǔ)，軟件系統(tǒng)故障模式設(shè)計與信號發(fā)送是該模塊開發(fā)的關(guān)鍵。

結(jié)構(gòu)組成模塊主要針對某型機電設(shè)備上裝部分的總成部件進行學(xué)習(xí)和考核，學(xué)習(xí)模式下，學(xué)習(xí)的內(nèi)容包括某型機電設(shè)備各系統(tǒng)中每個組成部件的位置、作用、部件模型細節(jié)、相關(guān)理論知識等；考核模式下，系統(tǒng)從題庫中隨機抽取100道判斷題組成臨時考卷，對學(xué)員的理論學(xué)習(xí)情況進行考核，加強學(xué)員對組成結(jié)構(gòu)理論知識的記憶程度。

3.1 視景軟件的動畫狀態(tài)機構(gòu)建

該裝備裝填彈過程包含升架、推架、退架、落架4個動作，在動畫設(shè)計時用升落架動畫、推退架動畫實現(xiàn)。實際裝備上，升架、推架、退架、落架4個動作的執(zhí)行需要滿足某些前置條件，如：只有彈架退回之后才能執(zhí)行落架和升架操作；只有彈架升到頂之后才能執(zhí)行推架和退架操作。

在軟件實現(xiàn)時對應(yīng)升架、推架、退架、落架的動畫都需要有前置條件，前置條件滿足時才能進行相應(yīng)操作，每個動作的執(zhí)行被若干個狀態(tài)量所控制，這些狀態(tài)量是各種到位信號，控制裝填彈動作的到位信號主要包括4個，即：落架到位、升架到位、推架到位、退架到位。落架到位、升架到位是升落架動畫的狀態(tài)量，推架到位、退架到位是推退架動畫的狀態(tài)量，每一個動畫在任意一個時刻只能處于一種狀態(tài)。動畫狀態(tài)關(guān)系如圖8所示。

3.2 軟件模塊的實現(xiàn)

圖8 動畫狀態(tài)機

以工作原理軟件運行界面為例說明。整個程序在Unity3D三維虛擬場景開發(fā)軟件中構(gòu)建，采用C#語言并結(jié)合數(shù)據(jù)庫和三維模型生成等開發(fā)。工作原理軟件運行界面布局包含UI菜單、透明模型、動畫模型等元素，其中動畫模型位于右下角的小窗口中，如圖9所示。

圖9 工作原理運行界面布局

4 結(jié)論

基于模塊化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和故障檢測技術(shù)，硬件上采用雙PLC協(xié)同技術(shù)，軟件上采用Unity3d三維虛擬現(xiàn)實軟件、數(shù)據(jù)庫和C#語言等，開發(fā)了某型機電設(shè)備維修訓(xùn)練實訓(xùn)臺。該平臺能有效地解決部隊維修保障訓(xùn)練難以開展的難題。其推廣應(yīng)用可以大幅降低訓(xùn)練成本，提高訓(xùn)練效率，對促進部隊保障力生成具有重要意義。