基于SimuWorks的船舶动力系统半实物仿真平台

曹汉卿 赵光超

[摘    要]针对船舶动力系统实时运行仿真及模拟训练操作，采用SimuWorks仿真软件构建了船舶动力系统的半实物仿真平台。为解决复杂仿真模型构建与快速输出，实现半实物仿真平台操作反馈实时性，运用模块化建模方法建立船舶动力系统仿真模型。为了达到半实物仿真平台的在线协同性，以西门子S7-200系列PLC控制器，建立了仿真服务器与控制盘台之间的TCP/IP通信，并利用Unity和KingView软件开发了人机交互界面。测试表明该系统具有良好的实时性和可操作性，可以应用于教学和科研。

[关键词]船舶动力系统;半实物仿真;仿真模型;人机交互

[中图分类号]TP391.9 [文献标志码]A [文章编号]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

船舶動力系统设备具有复杂、操作管理规范性强、故障和特殊工况的应急处置要求高等特点。国内外轮机专业船员培训一般分为理论学习、模拟训练和实装训练3个阶段。目前，依托实装开展训练一方面存在缺少中间衔接环节，因缺乏对装备操作管理的直观体会，增加了实装训练的安全风险，导致船员误操作易损坏设备，且柴油机等装置不允许在短时间内进行反复启、停等操作，另一方面无法开展设备故障和应急情况处置等实战化背景下的课目训练，培训次数、训练内容和效果都受到较大的限制。

针对上述问题，以船舶动力系统为研究对象，基于SimuWorks仿真支撑平台，开发船舶动力系统半实物仿真平台，突破依赖实船进行船舶机电专业人员训练的局限性，该系统能够在逼真的环境氛围下开展机电专业常规课目和特殊课目的训练，可作为实战背景下情景意识和应急处置能力训练平台，采用新手段开展船舶机电管理人员专业技能训练，改善当前船舶机电装备训练的现状，有效规避实装训练安全风险，充分发挥装备效能，让机电专业人员尽快掌握船舶电机电装备的操纵性能，弥补实装训练内容和规模受限、效率偏低等问题，具有运行使用成本低、易于维护管理、对场地等配套设施要求不高、便于推广应用等特点，且具有军事经济效益突出，对提升船艇机电岗位培训的质量和效益、船艇机电岗位实战化训练水平和部队战斗力，具有重要的现实意义。

1 系统总体框架

船舶动力系统半实物仿真平台由仿真服务器、PLC控制器、控制盘台、管理主机和示教台构成，以SimuWorks仿真支撑软件和监控组态软件为基础，利用适当的软硬件实现对动力平台系统的操作模拟，并给出准确的反馈，从而达到对操作人员进行训练的目的。船舶动力系统半实物仿真平台结构如图1所示。

管理主机设置训练的船型后，针对相应的训练课目，将船舶的航行状态、船舶动力系统工作参数等信息通过网络传输方式传送给仿真服务器，仿真服务器通过SimuWorks仿真支持平台调度仿真模型模拟实装运行机理及操控响应，接收各控制盘台的操作信息，并对信息进行解算，同时将仿真计算结果在人机交互界面中显示。选择考核模式时，操作过程信息将被记录到数据库中，结合考核评估规则与算法，对操作进行评估，船舶动力系统半实物仿真平台还实现动力系统运行及操作过程中的声音模拟。

2 构建船舶动力系统仿真模型

仿真系统在SimuWorks仿真支撑平台中的实现采用模块化的方法，如柴油机、齿轮箱、发电机、螺旋桨等，根据其数学模型编制仿真模块。模块间的数据流动通过与公用变量数据库的交互实现。模块化建模方法可降低建模的复杂性，缩短建模时间，增加模型的通用性。采用模块化建模方法建立船舶主推进装置模型，通过逐层分解，划清物理边界形成树形结构。理论上，对树形结构的深度，即系统进行分解的层次是不受限制的，但合理地确定分解的层次有助于模型的建立和维护。船舶动力系统数学模型层次结构如图2所示。

在仿真模型的开发过程中，以规范化的标准建立基本设备和部件的数学模型，并将它们开发成通用的基本模块，用其组合成不同类型子系统的模型。船舶主推进系统有控制系统给主机下达指令，柴油机产生扭矩及推力，通过推进轴系传递给螺旋桨旋;螺旋桨产生推力，通过推力轴承传递给艇体，克服阻力推动船舶运动。船舶主推进系统仿真模块结构图如图3所示。

SimuWorks基于C/S结构，具有多流程支持功能，可以在一套硬件系统上同时开发或运行不同的仿真系统。船舶动力系统设备数量和种类繁多，设备工作原理复杂，其功能各不相同。系统开发可采用多人分布式协同开发和协同仿真方式。利用层次分解的方法，整个动力系统可分为设备模块建模、逻辑控制模块建模和功能模块建模3个部分。每个模块部分又可以分解为若干独立的物理设备或部件，例如柴油机设备模块可分解为调速器子模块、供油装置子模块、柴油机本体子模块、增压器子模块等，模块之间相互独立，构成系统设备模型库。

通过仿真平台软件可以在系统下同时执行多个数学模型程序，并使之自动保持同步。SimuWorks软件最小仿真步长为10ms，数据刷新时间步为50ns，可满足动力系统仿真的要求。仿真软件提供了应用程序开发接口，利用这些接口，可以完成对系统状态的访问、网络实时数据库的访问与修改以及工况文件的读取与保存等。

3 人机交互系统

利用Unity和KingView软件，实现各种交互界面设计和硬件设备系统的监控。船舶动力系统半实物仿真平台人机交互界面包括机旁操控界面和管系附属操控界面，分别用于模拟主推进装置的操控及响应，主要包括操纵手柄、按钮、开关、指示灯、显示仪表等交互元素，操控界面外观及其布局与实装一致。人机交互界面设计如图4所示。

船舶动力系统训练模各设备控制台上开关、按钮、指示灯、仪表和报警面板等设备布置和外观设计，以实船为基础，使操作人员感受与实船相同。设计过程中，将监控软件的基本功能进行分解并模块化，同时进行界面的显示、数据的采集存储、内部逻辑程序的执行和其他程序的协作通讯等，提高设计开发效率和软件的可维护性。

在界面设计时，可以使用图库中原有的组态元素也可以自行导入点位图实现更加真实的界面。对一些逻辑时序的控制及简单的运算就可以直接用其内嵌的脚本命令来实现。利用组态软件提供的种类丰富的绘图组件和多种辅助功能模块，可实现变量实时曲线绘制、历史曲线显示和越线报警等功能。动力管系人机交互界面如图5所示。

4 基于PLC的协同控制

利用KingView实现船舶动力系统半实物仿真平台硬件设备系统的监控，可减少功能的细节实现和监控程序的架构关心，开发人员只要将组态功能予以组合并且赋予特殊的逻辑就能实现想要的功能。

平台开发过程中，首先需要的人机交互界面，其次定义所需的外部设备，然后定义内存变量和I/O变量。内存变量用于服务于程序本身的运行，I/O变量则负责与外部设备进行数据交互。PLC控制器从盘台中采集数据，存于实时数据库中，并将数据的变化发送给人机交互界面用动画的方式形象地表示出来;对控制设备输入信号，经仿真软件进行逻辑判断及仿真计算，通过PLC发送给控制台输出设备显示相应的稳态及瞬态的运行数值，模拟实船的运行数据。PLC信息交互机制如图6所示。

KingView可以实时访问控制台PLC，获得操作人员的操作信息。设置PLC参数并将每套PLC系统的I/O表、IP地址、子网掩码等信息由上位机传送至PLC的CPU单元中，并将模拟量I/O模块的单元号旋钮旋至相应位置。组态王中需进行PLC设备定义、I/O变量定义及内存变量定义，然后采用Bit（）和BitSet（）函数完成I/O离散变量的读写。I/O模拟变量选用相应的PLC模拟量输入输出模块，采集电位器信息，经上位机处理运算后输出给仪表。

SimuWorks与KingView之间的通讯以OPC规范为基础。其本质是跨进程的DCOM调用，因此通讯前必须作相应的DCOM配置确保双方获得足够的调用权限。通过完成相应的电脑配置，就可以实现在OPC服务器和OPC客户端之间进行通信，只要符合OPC服务器的规范，OPC客户都可与之进行数据交互。

KingView软件SQL访问功能将监控数据以一定的方式保存到操作过程数据库中。它由SQL访问管理器来实现与数据库的通信。监控数据通过KingView访问管理器实现和数据库之间建立数据交互通道，然后创建数据访问方式，也就是表格模板，和数据库中表相对应，包含相同的数据变量，这样数据的读取和存储就建立完成。KingView首先在系统ODBC数据源中添加数据库，然后通过SQL访问管理器和SQL函数实现各种操作。SQL函数可以在KingView的任意一种命令语言中调用，实现数据访问的各项操作。

5 结论

本文根据船舶动力系统在教学和科研中的实际需求，采用SimuWorks仿真软件、PLC控制器等构建了一个船舶动力系统半实物仿真平台，实现了船舶动力系统实时仿真与模拟操作，运用模块化建模方法提高了船舶动力系统仿真速度，并通过TCP/IP通信在线协同控制各盘台动作，实现操作人员模拟训练功能，该系统在实践教学和培训中得到较好的应用，达到了设计的需求。

参考文献

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