船舶舵机液压维修训练系统的设计

， ， ， (1. 广东海洋大学 航海学院， 广东 湛江 54088；. 哈尔滨工业大学 机电工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150080)

引言

舵机是控制船舶运行方向的重要设备，主要由舵叶、舵柄、转舵机构、舵机液压系统及其控制设备组成。船员通过控制相应操舵装置，启动液压舵机，实现舵叶的正转、反转、停止等工况[1]。

随着世界航运业的飞速发展，船舶数量不断增多，船舶日趋大型化、专业化、自动化、高速化，船舶舵机系统也越来越精密，对船员的操作与维修技能要求也越来越高。因此国际海事组织(IMO)及船员培训机构在船员职业资格考核的相关规定(如《STCW78 公约》、《海员培训、发证和值班标准国际公约》等)中，都强调了对船员实际操舵技能的培养和评估，并规定船员必须接受系统的航海专业教育和培训后才能上岗。随着我国航运业的飞速发展，急需大量高素质的船员。舵机系统结构复杂，需要船员具备一定的液压知识和维修技能，而这些知识和技能船员较难掌握。老式的培训方法是通过实际舵机装备进行现场教学， 但培训周期长，教学效率低， 不能模拟舵机故障工况，效果不够理想。20世纪70年代兴起的计算机虚拟仿真技术为这个问题的解决带来契机，出现了专门用于船员培训的船舶轮机仿真训练模拟器(Marine Engine Simulator)，它是一种在实验室内利用计算机仿真技术模拟船舶机舱设备的操作与控制、声光报警、参数与状态显示等功能的装置。受训人员可以通过轮机模拟器来进行船舶机舱设备(含舵机液压系统)的操作技能训练和熟练程度评估。它具有经济、安全、高效等诸多优点。世界航海大国都投入了大量精力进行研发，比较有名的有挪威NORCONTROL公司的AUTOCHIEF系列、英国Transas 公司的ERS系列、德国STN At las Elektronik 公司的SES 系列等。其软件系统主要基于真实的船舶机舱类型，采用虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)、网络拓扑、智能专家系统等技术，最大限度地复现船舶的实际操作和工作状态，提高培训的临场感和真实感。

我国轮机模拟器的研制工作开始于20世纪90年代，经过引进、消化、创新，目前已达到国际先进水平。国内具有代表性的研制单位有大连海事大学的DMS 系列、武汉理工大学WMS 系列和上海海事大学的SMSC系列。其中武汉理工大学1994 年研制WMS型轮机模拟器是我国第一台具有自主知识产权的轮机模拟器，目前已开发出多种型号。大连海事大学的DMS 系列模拟器功能齐全, 船型多样，应用广泛[2-4]。

通过对全国航海类院校轮机专业的培训教学情况调研后发现，船舶舵机在培训教学中存在如下问题：

(1) 采用实装进行训练，投入成本很高，占地面积大，一套舵机系统一次只能培训几名学员，教学效率低，而且实际舵机形式多种多样，工作原理也不尽相同。院校配套的舵机教学装备往往是老式装备，跟不上当前发展需要，而且实装仅仅限于现场演示，难以进行故障维修培训，既使勉强进行维修方面训练，系统也难以有效检测实做效果。系统的可扩展性差；

(2) 目前的舵机虚拟仿真模拟训练一般集成于轮机仿真训练器(Marine Engine Simulator)中。功能丰富，一般包含舵机的工作原理、虚拟操作、相关零部件虚拟拆装等多种功能，而且软件接口丰富，利于后续升级。在模拟培训教学中确实具有一定的优势，但由于不是真实的设备，在实践与感观上还是无法代替实装训练，不能培养船员的实际动手能力。

因此，如何将虚拟仿真模拟训练的经济、灵活、安全、高效与实装训练的实感、实践、动手技能培养有效结合起来是船舶舵机液压系统培训的一个重要问题。针对这种情况，采用虚拟仿真和接口技术，应用模块化设计方法，设计了一套新型船舶舵机液压维修训练系统，弥补了传统培训的不足。

1 系统总体设计

1.1 功能需求分析

通过对《STCW78/95公约》、《中华人民共和国海船船员适任考试大纲》、《船用往复式液压舵机修理技术要求》、《船用转叶式液压舵机修理技术要求》等[5-7]相关船员操作及修理标准的研究，分析出船舶舵机液压维修训练系统应具备以下几部分功能：

(1) 操舵原理培训 系统应能帮助受训船员了解各型液压舵机工作原理，熟悉自动操舵、随动操舵、机旁手操、应急操舵的操作步骤，并理解各状态下，液压油路的运行机理。了解各油泵、控制阀件、油缸、管路辅件等零部件结构原理；

(2) 故障分析培训 系统应能模拟舵机的多种故障状态，如舵不动、冲舵、舵卡滞、跑舵等，并提供一定故障信息和故障分析方法，指导受训船员进行故障分析训练，同时提供虚拟拆装、虚拟维修功能；

(3) 故障实际排除 系统应能够为受训船员提供实际动手维修的平台，船员通过使用专用工具，对典型故障元件进行修理，如更换密封圈、清洗阀芯、更换过滤器等，通过亲身实做，确实提高实际动手能力；

(4) 维修水平检测评估 系统应能够对培训船员的维修效果进行性能检测与评估，并给出相应成绩存档。

1.2 系统结构设计

根据舵机液压维修训练系统的功能要求，结合半实物仿真技术[8]，采用虚拟仿真(VR)和模块化设计方法，设计了一套软硬结合的维修系统(图1所示)。

图1 船舶舵机液压维修系统结构原理图

该系统包含三部分：

(1) 由计算机为主的虚拟维修训练子系统；

(2) 由液压舵机维修实训台组成的维修实训子系统；

(3) 由PLC及驱动设备组成的接口控制。

虚拟维修训练子系统可以软件模拟各种类型液压舵机(如川崎的RA型柱塞式泵控舵机，波士贡的S型阀控转叶舵机)的操作与故障情况，完成操舵原理培训和故障分析培训。维修实训台可以模拟舵机相关零部件的故障状态，完成对船员的故障实际排除能力训练。接口控制用以两个子系统间的数据交换及同步协调，实现对维修后的状态进行检测评估考核。

图2为船舶舵机液压维修训练系统的工作流程图，其中虚线框组成的Ⅰ部分流程，主要由虚拟维修训练子系统完成，而Ⅱ部分流程则由维修实训台完成。培训船员首先登陆虚拟维修训练子系统，通过选择舵机类型、操舵训练、维修考核等步骤，完成操舵原理、舵机故障分析等方面的培训，在故障分析正确以后，通过维修实训台完成舵机故障维修实做和维修效果测试，最后维修训练的参数由PLC及相应通信接口传送到虚拟训练子系统，从而完成培训效果的评估。

图2 船舶舵机液压维修系统的工作流程图

2 关键技术

2.1 虚拟维修训练子系统设计

图3为虚拟维修训练系统的结构图。

整个系统采用模块化设计的方法功能如下。

1) 操舵原理训练模块

该模块主要完成操舵原理训练，包含虚拟操作和监控面板、舵机液压油路两部分。该模块为基础模块，采用组态软件[9](如Intouch、MCGS、组态王等)为开发平台设计。

图3 虚拟维修训练系统结构图

舵机的操作及监控面板以实际船舶操舵面板为蓝本制作。主要为仪表、按钮及指示灯等组件，这些组件按使用方式可分为两类：指示类和操作类，采用软件自带的相关控件和虚拟仪表可以很方便搭建。面板各组件的功能通过编写脚本程序来执行特定的命令和逻辑运算，例如键被按下、窗口被打开，值发生变化等。通过组态软件的I/O server功能，可以设置按钮、开关等组件与PLC的输入输出点相关联，从而实现虚拟系统与维修实训台的同步动作。

舵机的液压油路设计较为复杂，对于泵、阀、转舵油缸等特殊元件，可以通过采用自制Active X控件的方式，与软件中现有的流体元件控件组成舵机液压系统油路，并根据操舵规程，设置控制组件(如舵启、停按钮，转舵手柄，舵角指示器等)与舵机液压各组件的逻辑控制关系，编写相应的脚本控制程序，实时显示液压舵机在不同控制状态(如左舵、右舵、满舵、舵回零等)下，各控制阀件、油泵、转舵机构的内部动作(如油泵的启动、停止，电磁换向阀的换向)和油液在液压系统中的流动状态。

2) 故障维修训练模块

该模块主要完成液压舵机的故障设置，和软件模拟故障状态，如转舵速度慢、系统不能调压、压力表无指示等故障。培训船员在软件的辅助下，根据界面提供的故障状态，如系统压力低、油温过高、过滤器报警等，对故障类型进行判断，通过对液压系统的逐步分析，根据现象找原因，溯本求源，最终找出故障点和故障元件。该部分的编程除了应用组态软件外，还采用DDE技术，加入了相关多媒体资源，通过图片、声音、视频的形式对故障进行了演示，弥补了实装教学不能故障重现的问题。

3) 虚拟拆装和帮助模块

该模块采用SolidWorks、UG等三维造型软件对舵机的零部件，如液压泵、阀件、转舵油缸等进行了三维造型，并实现了虚拟拆装，同时模块还包含各零部件的使用及操作说明，培训船员可以更深刻地了解部件的结构和维修方法。

4) 实做效果评估模块

该模块采用串行通信方式(RS232协议)与PLC通信，目前市场上的组态软件均提供PLC型号和上位机链接方式的配置菜单和IO驱动程序，通过设置相应的控制字，实现对维修实训台的启停、转舵、换向等控制，并采集舵角、系统压力等数据，实现对维修后的零部件测试，从而评价维修效果，并保存数据。

2.2 维修实训台设计

维修实训台是为培训船员提供实际动手维修的平台。由于实际船舶液压舵机系统多种多样，按照转舵机构可分为往复柱塞式和转叶式，按照液压系统控制形式又可以分为阀控式和泵控式，而且每种型式的舵机，大小、规格、元件也不尽相同，如果想让实训台囊括所有的舵机系统，不仅不现实，而且从培训的角度看，也不必要。按照船员在船舶舵机液压系统维修能力培养需求的角度考虑，虽然船用舵机千差万别，但具体落实到日常保养和维修，却集中于过滤器和密封圈更换，以及电磁阀、溢流阀、平衡阀等元件的调整，管路、泵的修理等一些简单问题上。为此，在保留舵机液压系统基本功能的基础上，采用模块化设计方法，设计了一种并行结构的维修实训台(图4所示)。

整个实训台台可分为泵站模块、转舵机构模块、故障修理模块三大部分。各部分都留有快插接头，用于快速搭建不同的液压舵机系统。

该系统的泵站模块提供了用于开式回路的定量泵+电磁溢流阀油源和用于闭式回路的伺服变量泵+补油泵油源。转舵机构有柱塞往复式和转叶式两种，通过故障修理模块和快接管路，可以迅速搭建需要培训的舵机液压系统。故障修理模块是本系统的核心，它一方面起到了连接泵站模块和转舵机构模块的作用，另一方面也是培训船员需要修理的对象。故障维修模块采用并行结构，根据维修训练的需要，可以设置各种故障模式，如液压过滤器堵塞、电磁换向阀卡滞、管路接头腐蚀、平衡阀弹簧断裂、油缸密封圈损坏、传感器失效等多种类型故障。各故障模块采用快插接头接入主油路，每个故障模块支路的通断由二位二通电磁阀控制，互不影响，系统流量由调速阀进行调整。当船员在上位机的虚拟维修训练系统中进行了故障分析，判断出故障类型后，即可对维修实训台上的对应故障模块进行维修实做。实训台的故障修理模块一次可以并行修理四种故障，考核人员可以根据需要自行连接更换。

2.3 接口控制设计

接口控制模块是用于连接虚拟训练系统和维修实训台的枢纽，它不仅要实现和上位机中虚拟训练系统的通信，还要向维修实训台发出控制信号，完成系统的同步动作。考虑到系统的可靠性和扩展性，用PLC结合继电器开关电路完成上述功能[10]。

图5是接口控制电路的原理图。上位机虚拟训练系统通过串口与PLC通信，PLC获取上位机指令(如舵机运行演示、 故障设置等)后， 对控制信息进行判断，完成控制信号的输出，从而实现维修实训台液压系统中泵的启停、故障修理模块中电磁阀的通断等功能，由于PLC直接驱动负载的能力有限，采用PLC驱动中间继电器，然后由继电器控制电磁阀的方式实现方式。此外，系统还增加了PLC模拟量输入输出模块，用于将实训台的工作状态(如压力、温度、流量等参数)反馈给上位机虚拟训练系统，用于同步显示和维修效果评估。本系统采用FX系列PLC开发，编程使用配套的GX-DEVELOPER软件，梯形图方式编写。

图4 船舶舵机液压维修实训台

图5 接口控制电路

3 结论

船舶舵机液压维修训练系统自2012年开发调试成功以来，经过了多批次船员培训试用，反应良好，该系统具有如下特点：

(1) 系统可靠性高，使用操作方便；

(2) 软件可扩展性强，可根据用户需求，开发不同型号舵机的虚拟训练系统，升级方便；

(3) 维修实训台的故障修理模块为开放式，用户可根据需要自主设计，通过快插接口方便接入系统；

(4) 该系统采用的软硬结合，模块化设计思想，也能为其他虚拟维修训练系统提供借鉴与技术指导，具有广泛的应用前景。

该系统以后还将增加虚拟漫游、智能维修决策、交互式电子手册(IETM)等多项功能，使我国的船员培训的水平提高到一个新的层次。

参考文献：

[1] 费千.船舶辅助机械[M].大连:大连海事大学出版社,2008：95-110.

[2] 臧大伟.船舶转叶式舵机系统仿真与虚拟现实的实现[D].大连:大连海事大学,2008,5.

[3] 俞文胜.液压舵机教学新平台的设计开发[D].大连:大连海事大学,2011,11.

[4] 丁春辉.船舶舵机多媒体教学与故障分析系统的研究[J].航海技术,2004,(5):47-48.

[5] CB/T 3130-1998,液压舵机试验方法[S].

[6] CB/T 3679-1995,船用往复式液压舵机修理技术要求[S].

[7] CB/T 3680-1995,船用转叶式液压舵机修理技术要求[S].

[8] 杨成龙,杨云.吊车虚拟维修系统的设计及其关键技术[J].组合机床与自动化加工技术,2013,(7):94-96.

[9] 曹辉.组态软件技术及应用[M].北京：电子工业出版社,2009.

[10] 向晓汉.三菱FX系列PLC完全精通教程[M].北京：化学工业出版社,2012.