机电设备维修模拟训练通用平台设计

朱保国， 刘法恒， 胡晓光， 杨小强

（1.陆军工程兵军代局， 北京 100093； 2.陆军工程大学， 江苏 南京 210007）

引言

随着计算机技术、装备仿真模拟技术的发展，大量的机电设备维修模拟训练系统广泛应用于建筑工程机械、航空航天、军事装备等各个领域，对提高装备的使用效率和维修保障能力起到了非常显著的作用。但现有的这些维修模拟训练系统，在研发时需要对每一型号装备独立研发维修模拟训练系统，存在诸多缺陷，如占用场地面积大、研制配套经费高、设备利用率低、通信模式不一致的问题已经十分凸显。因此，本文提出采用通用总线技术、模块化技术、虚拟仪器技术和系统集成技术进行机电装备维修模拟训练通用平台的开发，对各类装备维修模拟训练平台的硬件、软件和整体结构进行模块化分解和设计，将“型号装备专用操控台”拓展细化为“机电装备维修模拟训练通用平台”与“装备专用操控模块”，通过在“机电装备维修模拟训练通用平台”上更换“装备专用操控模块”来实现不同装备的维修模拟训练功能[1]。

1 通用模拟维修训练平台总体方案设计

由于通用平台需实现姿态调整，故将平台整体划分为操控面板和柜体两大部分，操控面板可相对柜体进行位置调整，平台总体结构如图1所示。为满足维修模拟训练要求，操控面板和控制柜中分别安装集成各功能模块，而这些模块又分别是CAN总线上的通信节点。平台选用PLC进行数据处理，利用PLC的数字运算与逻辑运算等功能配合其他功能模块实现装备的维修模拟训练。该训练系统功能主要包括以下六部分。

图1 系统总体组成框图

1）通用化功能。机电装备维修模拟训练通用平台采用“n+1”模式实现使用的通用性，“n”表示不同装备训练操控模块，“1”表示通用平台，即可在通用平台上开展不同装备的维修模拟训练。为满足平台通用性功能需求，通用平台在开发设计时需给出装备训练操控模块的通信协议规范，使不同装备操控模块的通信协议都具备一个通用平台识别身份的PDU属性。在安装装备操控模块后，启动通用平台时，操控模块与通用平台成功建立通信，通用平台控制模块根据操控模块的PDU属性自动识别该装备，同时调用该装备的虚拟仪表和模拟训练软件[2]。

2）虚拟仪表显示功能。在实际的装备维修训练过程中，为便于判定故障，常需要配合装备仪表和其他测量仪表判定故障所在，而现阶段的装备维修模拟训练器材由于技术瓶颈、研发经费及时间等因素的限制，不具备与装备相配套的参数显示仪表，大大降低了维修模拟的训练效果。针对这一问题，通用平台设计有虚拟仪表显示功能。

3）装备原理演示功能。在常规装备教学中主要结合课本知识、视频、PPT等方式达到装备原理教学的目的，使学员在学习的过程中只注重理论知识的学习，与实践脱节。机电装备维修模拟训练通用平台建立了与实际相似的三维模拟环境，三维模型效果与实装基本一致，各个油路、气路、电路完整，通过操控部件、执行机构与三维视景的交互提高学员学习的积极性和训练效果[3]。

4）故障设置与排除功能。为满足不同人员、不同场合的维修训练需要，设计平台中的故障设置与排除具有通过自动设置故障功能，学员利用虚拟测试仪表测量相关回路检查参数是否准确，来判断故障问题并排除故障，同时开发的考核模式还可以让学员进行自我考核。

5）运行指示功能。平台操控面板升降或翻转时，面板上的运行指示灯会亮起，运动至极限位置时限位指示灯的状态也会发生改变，当平台出现故障时，故障指示灯会亮起以提示用户。同时平台中设有继电器、带漏电保护的空气开关等多种安全保护功能，可以防止因误操作导致安全问题的发生。

6）具有与功能模块通信的功能。基于CAN总线技术，搭建通用平台通信协议主体，型号装备以及其他功能模块的通信协议只要与通用平台通信主体相符合，就可进行维修模拟训练。通用平台中的数据通信节点包括虚拟仪表模块、PLC模块、原理演示模块以及装备维修操控模块。因此平台基于CAN总线系统为此四个模块构建通信系统，通过数据处理之后实现维修模拟训练功能。

2 通用模拟维修训练平台关键技术分析

2.1 PLC控制技术

PLC模块是本通用平台的核心元件，安装在平台控制柜中，用于平台的逻辑处理、顺序控制、状态扫描以及确定各模块之间的通信机制。PLC模块实现了CAN网络的通信数据处理、装备虚拟样机的故障模拟与实装的工作逻辑模拟等功能。同时PLC通过装备操控模块的PDU属性自动识别该装备，调用该装备的虚拟仪表和维修训练软件，满足装备维修模拟训练需求；并且PLC模块对通用平台姿态进行调整控制，实现了操控面板的高度及翻转角度调节[4]。

2.2 CAN总线技术

通用平台的通信系统包含了原理演示计算机扩展CAN通信模块、工控机扩展CAN通信模块、PLC扩展CAN通信模块与装备模拟训练操控扩展CAN通信模块，要实现任意两CAN通信网络消息帧的类型有标准形式和扩展形式两种方式。

通用平台采用扩展消息帧格式进行通信协议制定，实现各模块的通信以及一发多收的通信功能。在通用平台的CAN通信网络中，PLC模块作为核心控制节点具有最高的控制优先级，各通信节点数据的发送、接收受控于核心控制节点。依据CAN总线系统的通信原理，在CAN总线上分配4个节点，对CAN总线各节点的输入与输出参数进行设计，分析设备的通信与控制机制，确保各通信节点控制方与受控方均在PLC的逻辑判断下进行动作与显示[5]。同时提出了面向各型号装备操控模块通信协议的制定方法，便于各专业根据自身装备特点与通用平台通信协议主体制订通信协议，完成相关型号装备维修模拟训练系统的开发。

2.3 三维建模技术

本文采用SolidWorks软件进行通用平台的虚拟样机设计。SolidWorks是由美国SolidWorks公司开发的一款功能强大的三维建模设计软件，自该软件应用以来，以其功能全、易学、操作简便等优点，大大提高了设计过程中的工作效率，是当前应用最广泛的三维CAD设计软件之一，本文运用SolidWorks软件对机电装备维修模拟训练通用平台进行了虚拟样机设计。

SolidWorks软件具备大量设计功能插件[6]：Motion功能用于运动仿真，确定虚拟样机某一点的运动轨迹、运动速度及加速度等；Simulation用于虚拟样机的材料力学分析，确定材料处于载荷作用下的变形量等参数；Composer是SolidWorks中一款用于技术交流的插件，可实现虚拟样机的再渲染、动画视图以及工作动画等；Routing用于设计管型线路及电气布线；Electrical用于设计电气原理图，并可根据原理图直接生成PCB图。

2.4 系统集成技术

系统集成技术是一门新兴技术，常用于复杂的系统或设备中，用于实现系统或设备中的各子系统、子模块的统一协调工作。本文设计的机电装备维修模拟训练通用平台是一台机电集成设备，包含机械装置、电气系统和软件系统。为保证平台协调工作，本文基于CAN总线通信网络，利用系统集成技术设计了平台机械装置、电气系统以及软件系统的集成方案，以实现通用平台的预期功能。

3 通用模拟维修训练平台模块设计与集成

通用模拟维修训练平台是一台复杂的机电设备，是一体化计算机、开关与指示装置套件、键盘套件、可更换工程装备模拟操控模块、电源系统、通信系统及安装框架等系统的综合集成，是集机械、电气、总线等于一体的复杂的系统工程[7]。整个系统包括多达400余机械零部件、100余电器部件、连接电缆及其他附件等。因此，系统的装配、安装与集成是一项十分重要的任务。

3.1 通用平台模块构成与系统集成

通用平台装配集成主要包括机械执行机构、电气控制装置、一体化计算机、通信接口及网络等部分，如图2所示，其中通用平台的整机安装与集成包括以下三个方面：

图2 通用平台系统集成结构

1）机械集成，主要是通用平台的虚拟仪表系统固件、机械执行机构、电气控制装置等的结构集成与安装；关键环节为安装框架的设计，以及执行机构、电气装置、虚拟仪表工控机、原理演示计算机和其他附件的安装和整机集成。

2）电气集成，是指通用平台的各种电源信号、PLC控制信号、电动推杆控制信号、键盘组件信号、虚拟仪表模拟信号、时钟信号、数字信号、传感器的输出信号、串口信号、CAN总线信号、USB信号等电气信号及其他控制信号的集成，电气集成考虑的主要因素有电路抗干扰、电路损耗、电路可靠性等因素。

3）软件（信息）集成，主要是LabVIEW开发的虚拟仪表软件、Unity3D开发的虚拟维修训练软件、数据库等软件系统的链接与集成，软件集成与电气集成紧密相关，需要考虑软件的无缝集成、软件的控制逻辑与数据流、控制流的协同等问题。

3.2 机械机构的安装集成

通用平台的安装框架主要由底座、主支撑架、安装垫板、安装承重板、安装导轨、导线槽与机柜外壳等部分组成。通用平台安装框架的尺寸主要是由操控面板的重量及控制柜中各设备模块决定的。主支撑板被直接焊接在底座上，两侧有钢条固定，采用三角支撑设计，能够承受较大的压力。安装垫板在安装承重板和主支撑架之间，起密封作用，将控制柜和外部隔离，防止安装件外露和外部杂物进入而对安装柜造成损坏达到保护控制柜内部结构的作用。安装承重板连接在滑块上。采用镂空设计减少了材料的用量和操控面板的重量。安装构件可以直接安装在镂空位置，方便安装。同时镂空的结构增强了承重安装板的承重能力。导轨安装在安装承重板上用于安装PLC和其他部件。导轨滑块机构整体安装在主支撑架上。两根导轨直接安装在主支持架上，每根导轨上有两块滑块，安装板安装在滑块上以实现操控面板和运动模块的整体运动。平台控制柜中的导线槽采用履带式外壳中空走线设计，履带式外壳为多级变形，变形能力强，内部空间较大，方便布线。机柜外壳后具有开门设计，方便柜中设备的安装、检查、维修、保养。控制柜的左右两侧分别安装有两个拉手，由螺钉组固定在柜体上，为保证平台搬运的安全性，将每个拉手可承重的最大拉力设计为100 kg左右。另外，为方便平台的搬运和运输，控制柜底座下部设计有4个万向轮，万向轮起导向作用，在实训平台位置固定时可以锁死，防止实训平台工作中出现滑移。

3.3 电气系统的安装与集成

通用平台电气系统的组成也较为复杂，其安装与集成的主要工作包括PLC系统各个模块的安装集成、背光灯与控制电路的连接与集成、工控机及外设的连线与集成、整机控制电路的设计与优化、各种总线的连接与选择、电源模块的选择与连接等[8]。通用平台的电气系统总体集成如下页图3所示。

3.4 软件系统的集成

通用维修平台的软件由数据库及管理系统、虚拟仪表软件、维修模拟训练软件、CAN总线通讯软件和通用平台控制软件等构成。软件系统的集成框架如下页图4所示。其中数据库管理系统由标准数据库、故障数据库、维修指导数据库、数据备份接口和实时转储接口等组成，是软件系统集成的数据基础和桥梁。数据源端由数据采集控制系统和模拟数据产生器和原始数据库等组成，当通用平台与工程装备车载状态监控系统联机时，可通过数据采集与控制系统获取相关的实测数据。而当通用平台单独运行时，可由模拟数据采集器软件产生各种故障的模拟信号并存储到相应的数据库中。软件的应用端主要是虚拟仪表软件，用来模拟布雷车等工程装备上的各种火控系统、电控系统的虚拟仪表，以及维修模拟软件，用来进行工程装备的原理演示、故障排除、维护保养等虚拟维修训练教学[9]。CAN通讯进程软件在此有重要作用，由于通用维修平台操控端信号要求与虚拟仪表软件和维修模拟训练软件同步动作，而且后二者之间也要求能互相协同运行，为达此目的，在软件开发时，两个软件分别通过其运行计算机的CAN端口与CAN通讯进行交互，经CAN进程传递两个软件之间的交互信息，从而实现二者的互联互通。

图3 电气系统集成示意图

图4 软件系统的集成框架

软件系统的集成框架中各模块通过上述功能架构方式实现协同，既能相互配合，显示模拟维修训练进程，又能单独运行，实现虚拟仪表的单独显示或维修训练过程的独立运行，同时还能与工程装备实车进行联机检测与故障排除维修学习。这种软件集成模式实现了各软件模块间的松散耦合，使通用平台软件的各个功能模块易于替换、扩展和重构，保证了系统的开放性和灵活性。

4 结论

该通用平台依托《机电装备维修模拟训练通用平台的研制》科研项目，综合运用PLC控制技术、CAN总线技术、三维建模技术、系统集成技术，将机电装备的训练和维修集成于一个平台，解决了原平台占用场地面积大、研制配套经费高、设备利用率低、通信模式不一致等问题，优化了训练方法，创新了装备平战维修训练模式和训练手段，对装备的维修保障能力快速形成具有重大现实意义。