C/S架構(gòu)下的工業(yè)鍋爐培訓(xùn)與考核仿真系統(tǒng)

周一卉 胡佰龍 杜 寧

(大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

我國工業(yè)鍋爐具有數(shù)量大、分布廣泛的特點(diǎn)，這些鍋爐大部分為人工操作，自動化水平較低，這就要求司爐人員具有較高工業(yè)鍋爐操作水平和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)[1]。每年僅因?yàn)樗緺t人員操作不當(dāng)引起的鍋爐事故多達(dá)數(shù)百起，因此，對司爐學(xué)員進(jìn)行上崗前培訓(xùn)、定期輪訓(xùn)就顯得十分必要[2]。

傳統(tǒng)的鍋爐培訓(xùn)方式周期長、缺少實(shí)練、效率不高[3]。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)對司爐工進(jìn)行培訓(xùn)成為了鍋爐培訓(xùn)的主要方式[4]。純粹單一的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，雖然提高了培訓(xùn)效率，但卻降低了操作人員的動手能力，再加上司爐工不熟悉計(jì)算機(jī)的操作，效果也欠佳[5－7]。

針對傳統(tǒng)鍋爐培訓(xùn)考核方法的諸多不足，本文開發(fā)了一個(gè)基于Client/Server結(jié)構(gòu)的工業(yè)鍋爐培訓(xùn)與考核仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)對鍋爐運(yùn)行過程和事故進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，司爐學(xué)員可以反復(fù)身臨其境地進(jìn)行鍋爐運(yùn)行的實(shí)際操作，觀察開停爐等正常操作和事故發(fā)生前的異?，F(xiàn)象，演練各種事故的處理程序。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)鍋爐培訓(xùn)/考核仿真系統(tǒng)主要分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2個(gè)部分。其中，硬件部分包括2臺半實(shí)物鍋爐模擬樣機(jī)(1臺燃煤蒸汽鍋爐模擬樣機(jī)和1臺燃油蒸汽鍋爐模擬樣機(jī))及其控制臺、1～5臺學(xué)員操作計(jì)算機(jī)、1個(gè)學(xué)員用顯示屏以及傳感元件和用于數(shù)據(jù)采集的板卡等。從功能上劃分，本仿真系統(tǒng)的硬件部分可以分為服務(wù)器、客戶端和底層硬件設(shè)備。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of system

1.1 數(shù)據(jù)服務(wù)器

本仿真系統(tǒng)采用C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。服務(wù)器主要用于數(shù)據(jù)的記錄、存儲和調(diào)用以及與終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞;同時(shí)，在學(xué)員培訓(xùn)和考核過程中，可對學(xué)員操作及現(xiàn)場情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2 客戶端

本仿真系統(tǒng)的客戶端由若干臺計(jì)算機(jī)組成，通過局域網(wǎng)訪問位于服務(wù)器上的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，學(xué)員在鍋爐模擬樣機(jī)上進(jìn)行練習(xí)和考核時(shí)，每進(jìn)行一步操作，仿真界面中都會有實(shí)時(shí)響應(yīng)。不僅如此，根據(jù)學(xué)員操作步驟，鍋爐模擬樣機(jī)上經(jīng)過數(shù)字改造后的水位表、壓力表等能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)顯示。

1.3 底層硬件

本仿真系統(tǒng)的底層硬件由半實(shí)物鍋爐模擬樣機(jī)、控制柜和交換機(jī)等組成。為了營造一個(gè)高度逼真的運(yùn)行環(huán)境，在對鍋爐樣機(jī)以及控制元件進(jìn)行數(shù)字化改造時(shí)，鍋爐樣機(jī)以及控制元件保持了原實(shí)物的外觀和特性。控制元件內(nèi)部進(jìn)行了改造，安裝了非接觸式傳感器，延長了樣機(jī)的使用壽命。

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本仿真系統(tǒng)的軟件部分以三維力控組態(tài)軟件為系統(tǒng)開發(fā)平臺，采用Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)利用Visual Basic 6.0嵌套關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行第三方程序開發(fā)，這樣不僅確保了數(shù)據(jù)傳遞的迅速可靠，而且保證了用戶界面的生動逼真。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Software structure of system

培訓(xùn)/考核仿真系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化思路，具體就是將系統(tǒng)軟件所要求達(dá)到的功能進(jìn)行合理拆分，主要可以分為鍋爐結(jié)構(gòu)和操作原理演示模塊、學(xué)員操作培訓(xùn)模塊、模擬考試模塊、學(xué)員考核模塊、自動評分模塊和用戶管理模塊。這些系統(tǒng)模塊采用“高內(nèi)聯(lián)低耦合”的方式，不僅滿足了鍋爐仿真培訓(xùn)的整體需求，同時(shí)，基于Client/Server模式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還實(shí)現(xiàn)了教師與學(xué)員的互動與交流。

2.1 培訓(xùn)演示模塊

系統(tǒng)采用多媒體技術(shù)，能夠演示各種不同類型鍋爐的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、工作原理和操作過程，幫助學(xué)員學(xué)習(xí)掌握，從而提高培訓(xùn)質(zhì)量和效果。燃煤蒸汽鍋爐和燃油蒸汽鍋爐各個(gè)功能演示模塊如圖3所示。

圖3 功能演示模塊示意圖Fig.3 Drawing of functional demo

演示時(shí)，將真實(shí)的鍋爐系統(tǒng)拆分成幾個(gè)子系統(tǒng)，再根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行條件、規(guī)律和介質(zhì)等影響因素進(jìn)行設(shè)定，并給出相應(yīng)的動畫顯示。

其中，燃煤蒸汽鍋爐的培訓(xùn)演示模塊包括7大系統(tǒng)共22個(gè)功能演示，能夠仿真演示燃煤鍋爐各部分主要結(jié)構(gòu)、工作過程和工作狀態(tài)。燃油蒸汽鍋爐的培訓(xùn)演示模塊包括9大系統(tǒng)共22個(gè)功能演示，能夠仿真演示燃油鍋爐各部分主要結(jié)構(gòu)、工作過程和工作狀態(tài)。

2.2 操作練習(xí)和考核模塊

本仿真系統(tǒng)為學(xué)員提供了正常操作和故障排除這2大類實(shí)踐性練習(xí)內(nèi)容。按訓(xùn)練方式，可將練習(xí)分為獨(dú)立練習(xí)和模擬考核2種方式。所有練習(xí)內(nèi)容均從試題庫中抽取，保證了培訓(xùn)和考核內(nèi)容的統(tǒng)一。

在學(xué)員進(jìn)行操作訓(xùn)練時(shí)，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始狀態(tài)的校驗(yàn)，這一步對于進(jìn)行故障排除項(xiàng)目時(shí)尤為重要;然后通過大屏幕、聲光等手段對學(xué)員進(jìn)行的每一步操作進(jìn)行反饋和實(shí)時(shí)響應(yīng)，盡可能地創(chuàng)造逼真的鍋爐現(xiàn)場操作環(huán)境和狀態(tài);當(dāng)學(xué)員培訓(xùn)完畢進(jìn)行考核時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)鍋爐類型、考試級別等因素，從題庫中隨機(jī)抽取正常操作和故障排除題目，自動記錄學(xué)員的每一步操作，并予以成績評定。

3 仿真信號的智能化處理

工業(yè)鍋爐培訓(xùn)/考核仿真系統(tǒng)中鍋爐模擬樣機(jī)的仿真信號的數(shù)量龐大，其所表征的狀態(tài)千差萬別，如何將這些信號與鍋爐仿真狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，能夠被計(jì)算機(jī)語言識別并進(jìn)行記錄與分析是本系統(tǒng)要解決的核心問題。

在信號傳遞、接收與處理過程中，不同類型的信號需要采用不同的處理辦法。該培訓(xùn)/考核仿真系統(tǒng)的仿真信號分為開關(guān)量信號、檔位信號和模擬量信號3種類型。以下分別對這3種類型進(jìn)行具體介紹。

①開關(guān)量仿真信號主要包括閥門、泵和風(fēng)機(jī)的啟停開關(guān)、報(bào)警器和指示燈等，它們?nèi)客ㄟ^改造真實(shí)元件的方式實(shí)現(xiàn)。以閥門為例，本仿真系統(tǒng)的所有閥門均采用真實(shí)閥門進(jìn)行數(shù)字化改造，它們在外部結(jié)構(gòu)和操作要點(diǎn)上，同真實(shí)閥門沒有區(qū)別。當(dāng)學(xué)員進(jìn)行操作時(shí)，閥門狀態(tài)的變化會被實(shí)時(shí)顯示和存儲。

②多檔位開關(guān)量仿真信號標(biāo)志了操作手柄的不同位置，如液位計(jì)三通旋塞、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制等。當(dāng)學(xué)員進(jìn)行檔位變換時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)反饋的開關(guān)量判定當(dāng)前檔位，并記錄學(xué)員的操作。

③模擬量仿真信號用于壓力表和液位計(jì)的顯示控制。這些控制儀表均采用經(jīng)過內(nèi)部改造后的真實(shí)儀表，但是由于鍋爐模擬樣機(jī)中沒有實(shí)際介質(zhì)，所以儀表的數(shù)值顯示就沒有了支撐來源。本系統(tǒng)依靠智能算法使儀表能夠正確地模擬顯示當(dāng)前鍋爐模擬樣機(jī)在學(xué)員操作狀態(tài)下應(yīng)有的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

該系統(tǒng)對所有操作單元、控制單元和顯示單元進(jìn)行了數(shù)字化改造，可以逼真地實(shí)現(xiàn)學(xué)員與操作對象之間的雙向互動。

4 智能數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

工業(yè)鍋爐培訓(xùn)/考核仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，從功能上主要分為學(xué)員信息數(shù)據(jù)庫、試題信息數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)基本信息數(shù)據(jù)庫3部分。學(xué)員信息數(shù)據(jù)庫主要用于記錄受訓(xùn)學(xué)員的個(gè)人基本信息以及歷次考核培訓(xùn)情況，實(shí)現(xiàn)方法采用VB編程訪問ODBC數(shù)據(jù)源。試題信息數(shù)據(jù)庫用于記錄、保存培訓(xùn)考核時(shí)試題的基本信息以及學(xué)員操作情況。針對以往鍋爐培訓(xùn)系統(tǒng)在題庫管理上的不足，在設(shè)計(jì)思路上主要著力于解決新試題錄入的通用性，控制元件編碼管理的通用性等難點(diǎn)，采用智能化的設(shè)計(jì)規(guī)范，使題庫系統(tǒng)的通用性高?；拘畔?shù)據(jù)庫主要用于記錄仿真系統(tǒng)控制元件基本情況。

這3部分?jǐn)?shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)充分考慮了仿真系統(tǒng)所需要的多種功能，同時(shí)，智能化的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)使系統(tǒng)不僅具有可拓展性，還使操作更加人性化。各個(gè)數(shù)據(jù)庫模塊制作成可執(zhí)行文件，再利用力控的“StartApp(App-Name)”腳本調(diào)用Visual Basic可執(zhí)行文件，就可以實(shí)現(xiàn)力控與關(guān)系數(shù)據(jù)庫的無縫嵌接。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)提供了豐富的訓(xùn)練內(nèi)容，可以模擬顯示不同類型鍋爐各個(gè)組成部分的工作原理和工作過程。依靠龐大的試題庫，學(xué)員能夠充分熟悉鍋爐正常操作和故障排除中遇到的各種問題，大大提高了學(xué)員的操作水平，有利于鍋爐生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

此外，本系統(tǒng)采用開放式接口，可根據(jù)培訓(xùn)需要隨時(shí)添加新類型鍋爐模擬樣機(jī)或增加新的仿真信號點(diǎn)，不斷完善試題庫和培訓(xùn)知識點(diǎn)。隨著學(xué)員人數(shù)增多和培訓(xùn)地域范圍的擴(kuò)大，系統(tǒng)可進(jìn)一步開通遠(yuǎn)程教學(xué)與培訓(xùn)，提高培訓(xùn)質(zhì)量和效率和節(jié)省培訓(xùn)費(fèi)用。本系統(tǒng)為司爐學(xué)員提供了專業(yè)、經(jīng)濟(jì)、可靠的培訓(xùn)方式和真實(shí)的培訓(xùn)環(huán)境，經(jīng)過一定時(shí)間的培訓(xùn)與練習(xí)，學(xué)員的司爐技術(shù)將得到全方位的提高。

[1]周由海，張向民.鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)[J].中國科技信息，2005(17A)：59 －64.

[2]周剛毅，王新，單國君，等.供熱鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[J].微處理機(jī)，2004，2(1)：62 －64.

[3]王詢，張馨.鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2002，19(3)：71－73.

[4]趙育才.基于工控機(jī)的鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2009，12(19)：46 －48.

[5]Gilman G F.Boiler control systems engineering[M].Portland：SciTech Book News，2005.

[6]Jiang X Z，Li G J，Chen Y Q.Study on the simulation model of power unit control system[C]∥Proceeding of the Third Beijing International Conference on System Simulation and Scientific Computing，Beijing，1995：158 －164.

[7]胡峰，孫國基.航天仿真技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1999，10(2)：7－9.