摘要：文章依据核电厂对于装卸料技能培训的需求，提出了一种核电站装卸料培训系统的设计与开发过程。该系统将仪控、仿真与虚拟现实等多种技术结合，以实体控制盘台与人机交互界面作为输入输出，以虚拟设备作为输出响应以表现其运动过程，以教控台作为控制与教学辅助，实现了核电站装卸料的自动化。
关键词：核电站；装卸料；培训系统；模拟机；虚拟设备；教控台 文献标识码：A
1 概述
装卸料技能培训是核电厂技能培训的一个重要环节。传统的书本教学对于学员来说缺少实物操作体验，培训效果欠佳。而按照现场建造一个实际的培训环境，则工程量巨大，并非一个良好的解决方案。
伴随着仿真技术的发展，尤其是虚拟现实技术在仿真领域的应用，基于仿真技术的装卸料模拟机开发被提出。装卸料模拟机具有实体的操作盘台以及人机交互界面，让培训人员能够实际动手演练，加快操作的熟练程度，还利用虚拟的装卸料机与厂房环境，增强培训人员身临其境的体验，同时也让教员能通过虚拟的设备来监测学员的操作情况。装卸料模拟机还具备教控台，教员通过教控台可以实时地对装卸料的条件和场景进行调度控制，使学员能够应付各种操作要求。
因此，可以说装卸料模拟机相对于传统的书本教学与实体培训设备来说是一个折中的方案，它具有良好的培训效果，并具有成本低、工期短、维护方便的特点。
2 设计思路
2.1 系统总体设计
装卸料模拟机各组成部分包含实体控制台、人机交互界面软件、教控台软件、逻辑控制软件、虚拟设备软件。各个部分之间的关系结构如图1所示：
图1 系统关系结构图
装卸料模拟机系统设计包含以下方面的内容：控制台设计、人机界面设计、逻辑控制程序设计、教控台设计、虚拟设备设计、数据通讯设计。
2.2 控制台设计
装卸料模拟机控制台按照实际的装卸料机操作台设计，控制台机柜按照1∶1仿制。实体控制台上的按钮、操纵杆、显示屏等零部件采用国内仿制和原厂采购两种方式实现，包括大小车操纵杆、提升机操纵杆、抓具开关、旁路开关、大小车位置显示屏等。
控制台内部安装有数据采集模块，将控制台上的AO、DO设备信号发送到逻辑控制程序当中，并接受来自控制程序的AI、DI信号显示到控制台对应的元件中。具体的信号分类将在2.4逻辑控制程序中介绍。以典型压水堆核电站装卸料机控制台为仿制对象的实物控制台包含5块数码显示表、2个显示（触摸）屏、3个操纵杆以及若干自复位按钮、自保持按钮、旋钮开关、指示灯、蜂鸣器等元件。
2.3 人机交互界面程序设计
人机交互界面依据实际的装卸料机人机界面规格书设计。使用Windows下的VC2005工具进行开发，界面图像元素通过GDI函数绘制，在程序后台启动数据通讯模块，与逻辑控制程序进行数据通讯，以实现指令输入和状态显示。
摄像机画面是人机交互界面程序的一个三维显示模块，它采用三维虚拟方式模拟摄像机画面，输出到控制台显示屏中，能够通过遥控器控制摄像机的缩放、旋转、通道切换等操作。
典型压水堆装卸料模拟机人机交互界面内容包括主屏幕界面、提升机屏幕界面、自动运行屏幕界面、故障屏幕界面、装卸料机偏移操作界面、摄像机画面。
2.4 逻辑控制程序设计
图2 可视化逻辑控制程序
2.5 虚拟设备程序设计
虚拟设备系统采用三维渲染的方式模拟反应堆厂房内部设施，主要用于监视装卸料过程中反应堆厂房内部设备的运行。其开发环境为VC2005，并加载Eon Reality三维引擎实现三维处理。模拟范围主要包括反应堆厂房内部土建结构、反应堆、上部构件水池结构、装卸料机大车、小车、主提升机、套筒、抓具、倾翻机、反应堆堆芯结构、燃料组件、反应堆顶盖、上部构件、蒸汽发生器其中装卸料机大车、小车、主提升机、抓具、燃料组件等设备加入了运动控制脚本，可以接收来自外部速度信号，驱使各设备运行，并能够处理加速度、负载运算、碰撞等细节，以逼近实际场景。
2.6 教控台设计
教控台采用RinSim平台下的SIMIS软件进行开发改造，教控台主要给教练员提供一个培训控制平台，它可以设置装卸料模拟机的各种场景与状态，以适应不同的教学需求，教控台具备以下功能：装卸料场景的实时保存和复位、设置堆芯分布、教案编制、考核、评分、控制台开关校验、故障插入（包括各种机械故障、人为故障）。