船舶主機(jī)曲軸箱油霧濃度探測(cè)器仿真

楊澤宇，王 琪，王前進(jìn)

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010)

0 引言

曲軸箱濃度探測(cè)器作為1種重要的安保監(jiān)測(cè)設(shè)備，擔(dān)負(fù)著大型船舶主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全運(yùn)行維護(hù)的重任.自20世紀(jì)50年代“瑞納·德爾·帕西菲哥”輪發(fā)生曲軸箱爆炸事故以來(lái)，油霧濃度探測(cè)器已在大功率船舶上廣泛應(yīng)用，對(duì)其的使用和維護(hù)管理也受到越來(lái)越多的重視.［1]中國(guó)海事局［2]將油霧濃度探測(cè)器的維護(hù)管理內(nèi)容作為海船船員(大管輪)適任證書考核的主要內(nèi)容之一，列入實(shí)際操作考核評(píng)估項(xiàng)目.目前，各海事院校和船員培訓(xùn)機(jī)構(gòu)在實(shí)訓(xùn)和考核評(píng)估中大多采用口述取代實(shí)物操作，一些院?；蚺嘤?xùn)機(jī)構(gòu)雖然購(gòu)買了昂貴的設(shè)備，考慮到運(yùn)行成本也只進(jìn)行“比劃”式訓(xùn)練.由于維修管理人員的技術(shù)熟練程度對(duì)船舶生產(chǎn)安全、設(shè)備使用效率、設(shè)備使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益起著決定性作用，提高培訓(xùn)質(zhì)量已成為亟待解決的課題之一.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)為基礎(chǔ)的各種仿真訓(xùn)練器已成為當(dāng)今重大生產(chǎn)設(shè)備或過(guò)程控制設(shè)備操作人員上崗培訓(xùn)的必備設(shè)備，在石油化工、航空航天和航海等諸多領(lǐng)域廣泛使用.將基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的油霧濃度探測(cè)器仿真裝置用于培訓(xùn)，可反復(fù)操練在實(shí)船上不允許隨便進(jìn)行的操作，使受訓(xùn)人員在短時(shí)間內(nèi)能獲得實(shí)船工作多年才能積累的經(jīng)驗(yàn)，并總結(jié)因操作不當(dāng)或失誤而造成的事故教訓(xùn).

目前，我國(guó)已經(jīng)開發(fā)出一些功能強(qiáng)大的輪機(jī)仿真訓(xùn)練器，但尚未有真正意義上的油霧濃度探測(cè)仿真訓(xùn)練器.本文介紹以Mark 5型油霧濃度探測(cè)器為仿真對(duì)象的仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，分析基于King-View 6.5的仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，以期對(duì)小型設(shè)備的仿真訓(xùn)練器的開發(fā)提供借鑒.

1 仿真對(duì)象的工作原理

Mark 5型油霧波度探測(cè)器是英國(guó)GRAVINER公司生產(chǎn)的主要用于檢測(cè)主機(jī)工況的監(jiān)測(cè)設(shè)備.主機(jī)一旦工作不正常，會(huì)立即報(bào)警并發(fā)出主機(jī)減速或主機(jī)停車指令，以保護(hù)主機(jī).［3]Mark 5型油霧濃度探測(cè)器控制系統(tǒng)的工作原理見圖1.系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)機(jī)抽取主機(jī)汽缸曲軸箱內(nèi)潤(rùn)滑油的油霧作為采樣，并將其送進(jìn)檢測(cè)室，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換裝置將油霧濃度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，由單片機(jī)監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè)值與預(yù)設(shè)的參考值進(jìn)行比較，控制輸出報(bào)警和顯示.油霧濃度可反映主機(jī)工況，當(dāng)主機(jī)工況不正常時(shí)(如不正常的軸承磨損以及過(guò)熱等會(huì)導(dǎo)致主機(jī)曲軸箱內(nèi)溫度升高)，曲軸箱內(nèi)的潤(rùn)滑油揮發(fā)，使油霧濃度增加，當(dāng)濃度高于正常值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警、減速甚至停車信號(hào).

圖1 Mark 5型油霧濃度探測(cè)器控制系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)以單片機(jī)為監(jiān)視報(bào)警的核心部件，具有采樣準(zhǔn)確、執(zhí)行速度快以及自檢功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn).單片機(jī)通過(guò)采樣通道選擇譯碼/驅(qū)動(dòng)電路，選中1路采樣信號(hào)，在光電檢測(cè)室內(nèi)將油霧濃度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再由電流/電壓轉(zhuǎn)換放大器和多增益放大器放大后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路.單片機(jī)將其檢測(cè)得到的數(shù)字信號(hào)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，同時(shí)將此新檢測(cè)值用于平均值計(jì)算，再將新平均值與預(yù)設(shè)的平均值極限比較，如果超限，就輸出報(bào)警、減速甚至停車信號(hào)，并在液晶顯示器上顯示報(bào)警值和通道號(hào);如未超限，則只顯示檢測(cè)值及通道號(hào).

2 仿真對(duì)象的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Mark 5型油霧濃度探測(cè)器仿真系統(tǒng)為2級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)組成見圖2.第1級(jí)為計(jì)算機(jī)，由組態(tài)監(jiān)控軟件開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)，通過(guò)RS485通信線和下位機(jī)可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)串口通信;第 2級(jí)由下位機(jī)PLC和硬件盤臺(tái)組成.硬件盤臺(tái)的設(shè)計(jì)按實(shí)物界面1∶1設(shè)計(jì)，盤臺(tái)下部設(shè)有故障信號(hào)設(shè)置箱，內(nèi)有6個(gè)模擬船舶主機(jī)曲軸箱內(nèi)油霧濃度的電位計(jì)、1個(gè)氣路模擬信號(hào)變送單元、1個(gè)采樣系統(tǒng)故障模擬信號(hào)變送單元、1個(gè)光學(xué)系統(tǒng)故障模擬信號(hào)變送單元、1個(gè)靈敏度調(diào)節(jié)電位器和1個(gè)模擬方式測(cè)試信號(hào)發(fā)送電位器等裝置.各仿真信號(hào)通過(guò)輸入接口讀入PLC，經(jīng)邏輯判斷輸出2路，1路經(jīng)RS485通信線與上位機(jī)相連，1路直接輸出至硬件盤臺(tái)進(jìn)行功能顯示.上位機(jī)操作系統(tǒng)選用Windows XP，監(jiān)控軟件選用KingView 6.5.計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)可提供良好的人機(jī)界面進(jìn)行全系統(tǒng)的監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置;PCI板卡和傳感器作為下位機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信號(hào)來(lái)源直觀、執(zhí)行可靠.

圖2 油霧濃度探測(cè)器仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的KingView 6.5編寫.其為運(yùn)行Windows 2000/XP的全中文界面的組態(tài)軟件，采用多線程和COM組件等新技術(shù)，具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、靈活的組態(tài)方式和數(shù)據(jù)鏈接功能，可充分利用Windows的圖形編輯功能構(gòu)成監(jiān)控畫面;用其構(gòu)造監(jiān)控系統(tǒng)能大大縮短開發(fā)時(shí)間，并能保證系統(tǒng)的質(zhì)量.［4]

KingView 6.5將每臺(tái)下位機(jī)看作1個(gè)外部設(shè)備，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序和外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)指令.每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都是1個(gè)COM對(duì)象，使通信程序和kingView 6.5構(gòu)成1個(gè)完整的系統(tǒng)，既可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的高效率，也可以使系統(tǒng)達(dá)到較大規(guī)模.上位機(jī)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)管理、通信管理和控制決策生成等功能模塊組成.數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)由傳感器采集的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，并建立各缸油霧濃度歷史數(shù)據(jù)表供用戶對(duì)比查看.控制策略組態(tài)負(fù)責(zé)系統(tǒng)中控制子系統(tǒng)內(nèi)部的具體控制策略及某些控制參數(shù)的設(shè)定等(如故障報(bào)警控制模塊被設(shè)計(jì)成帶有組態(tài)思想的控制子系統(tǒng)，可以根據(jù)用戶在系統(tǒng)組態(tài)配置中的控制設(shè)備參數(shù)設(shè)置自動(dòng)判斷各缸油霧濃度情況，自動(dòng)選用合適的控制流程).

上位機(jī)監(jiān)控軟件具有良好的人機(jī)交互界面，主要對(duì)各控制站的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，利用直觀的動(dòng)態(tài)畫面模擬控制對(duì)象的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)報(bào)警，具備主機(jī)各缸曲軸箱內(nèi)油霧濃度數(shù)據(jù)顯示、探測(cè)器運(yùn)行狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警提示和報(bào)警記錄查詢等功能.用戶可以在監(jiān)控界面上對(duì)各缸曲軸箱油霧濃度進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)視學(xué)員的操作狀態(tài);可以通過(guò)報(bào)表查看過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)各缸油霧濃度變化數(shù)據(jù)和曲線，并分析判斷故障原因等.

2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)位于硬件盤臺(tái)控制箱內(nèi)，包括各參數(shù)設(shè)置單元、變送單元、顯示單元、控制單元和執(zhí)行單元等.根據(jù)仿真對(duì)象的工作原理和仿真訓(xùn)練器的功能要求，控制單元選擇西門子S7-200CN，CPU226CN AC/DC/RLY.表1為PLC的I/O變量，該P(yáng)LC具有功能強(qiáng)大、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)以及使用維修方便等優(yōu)點(diǎn).［5]

表1 PLC的I/O變量

各缸曲軸箱內(nèi)油霧濃度環(huán)境是個(gè)多變量、多耦合、非線性和大滯后的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此，本文利用PLC循環(huán)掃描的特點(diǎn)，將所測(cè)模擬狀態(tài)實(shí)際值和設(shè)定值作比較，并根據(jù)比較結(jié)果采取相應(yīng)的執(zhí)行方案，其邏輯原理見圖3.下位機(jī)將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)送PLC處理后，由硬件盤臺(tái)和上位機(jī)同步顯示，并接受上位機(jī)的控制和相關(guān)操作.此外，下位機(jī)也可以脫離上位計(jì)算機(jī)獨(dú)立工作，控制系統(tǒng)按預(yù)設(shè)程序自主運(yùn)行下位機(jī)決策程序，對(duì)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制.以PLC為核心的下位機(jī)控制軟件采用西門子的LAD語(yǔ)言和STL語(yǔ)言編制.［6]各參數(shù)設(shè)置單元采用電位計(jì)模擬的結(jié)構(gòu)實(shí)施，整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)采用基于RS485通信線的組態(tài)模式.

圖3 仿真訓(xùn)練器邏輯原理

3 仿真運(yùn)行結(jié)果分析

以平均濃度報(bào)警監(jiān)測(cè)為例，將靈敏度調(diào)節(jié)電位器調(diào)至5擋，即平均油霧濃度報(bào)警值設(shè)為1.0 mg/L，同時(shí)通過(guò)偏差電位器將偏差報(bào)警值設(shè)為0.1 mg/L.系統(tǒng)啟動(dòng)后將3號(hào)缸油霧濃度仿真信號(hào)變送器信號(hào)增大，其油霧濃度監(jiān)測(cè)曲線見圖4.

圖4 3號(hào)缸油霧濃度監(jiān)測(cè)曲線

由圖4可知，最初該缸油霧濃度信號(hào)不斷增大，12 s時(shí)油霧濃度達(dá)到1.0 mg/L，此時(shí)上位機(jī)檢測(cè)界面中給出3號(hào)缸平均濃度報(bào)警，觸發(fā)軟件面板上3號(hào)缸平均濃度報(bào)警指示燈亮，并給出聲光報(bào)警，同時(shí)主機(jī)減速運(yùn)行.隨著3號(hào)缸模擬油霧濃度輸入不斷增大，17.5 s時(shí)3號(hào)缸油霧濃度值超過(guò)1.1 mg/L，觸發(fā)偏差報(bào)警.應(yīng)答后，將3號(hào)缸油霧濃度仿真信號(hào)調(diào)整為正常值，并按復(fù)位按鈕，系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài).

4 曲軸箱油霧濃度探測(cè)仿真訓(xùn)練器的功能

(1)提供1套完整的曲軸箱油霧濃度探測(cè)器操作系統(tǒng)，具有與實(shí)物相同的可操作化軟硬面板，便于學(xué)員熟悉油霧濃度探測(cè)器的面板功能;

(2)通過(guò)軟件模擬，學(xué)員能學(xué)習(xí)和了解曲軸箱油霧濃度探測(cè)器的基本工作原理;

(3)實(shí)現(xiàn)船舶主機(jī)運(yùn)行時(shí)探測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)控的仿真功能，通過(guò)探測(cè)器的啟動(dòng)、運(yùn)行、測(cè)試和復(fù)位，包括指示燈、報(bào)警器和參數(shù)顯示器等的真實(shí)顯示，學(xué)員可以獲得各種真實(shí)的感覺(jué);

(4)實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)的功能，包括靈敏度調(diào)節(jié)、各缸平均濃度報(bào)警值調(diào)節(jié)和偏差報(bào)警值調(diào)節(jié)等;

(5)利用軟硬盤臺(tái)的同步顯示功能，教師能實(shí)時(shí)了解學(xué)員的操作情況并調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，如進(jìn)行平均濃度報(bào)警、偏差濃度報(bào)警、氣路故障和光路故障等的設(shè)置;

(6)學(xué)員通過(guò)觀察仿真訓(xùn)練器工作運(yùn)行狀態(tài)判斷故障原因，掌握排除故障的方法，提高分析和處理異常事件的能力.

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，曲軸箱油霧濃度探測(cè)仿真訓(xùn)練器已成功應(yīng)用于輪機(jī)工程技術(shù)專業(yè)的日常教學(xué)和船員培訓(xùn)工作，由于其可以充分模擬船舶主機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制狀態(tài)，人機(jī)界面友好，使用中獲得了較好的效果，可以為小型設(shè)備仿真訓(xùn)練器的開發(fā)提供借鑒.

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