基于組態(tài)技術(shù)的船舶燃油凈化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真

劉建華

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021)

基于組態(tài)技術(shù)的船舶燃油凈化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真

劉建華

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021)

運(yùn)用組態(tài)軟件PIMS構(gòu)建虛擬船舶燃油凈化系統(tǒng)的模型，利用PIMS自帶的腳本系統(tǒng)編寫船舶燃油凈化組態(tài)場(chǎng)景內(nèi)各對(duì)象之間復(fù)雜操控邏輯的腳本程序，進(jìn)而完成虛擬燃油凈化系統(tǒng)操控過程的動(dòng)態(tài)仿真．運(yùn)用PIMS的網(wǎng)絡(luò)控件進(jìn)行燃油凈化虛擬操控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，以實(shí)現(xiàn)輪機(jī)模擬仿真訓(xùn)練和評(píng)估．

船舶;PIMS組態(tài)軟件;燃油凈化系統(tǒng);虛擬仿真

0 引言

根據(jù)“STCW公約馬尼拉修正案”和《中華人民共和國(guó)海船船員適任考試和發(fā)證規(guī)則》(2012年3月1日起施行)的有關(guān)規(guī)定，輪機(jī)部高級(jí)船員必須通過相應(yīng)輪機(jī)模擬器訓(xùn)練及評(píng)估，這也是取得相應(yīng)等級(jí)適任證書的必要條件之一［1］．目前國(guó)內(nèi)普遍采用的是以物理量式仿真器為主的輪機(jī)模擬器，盡管此類模擬器在各級(jí)輪機(jī)員培訓(xùn)和評(píng)估中發(fā)揮著顯著作用，但也存在著諸如:設(shè)備占地面積大、運(yùn)行成本較高;故障率較高，維護(hù)修理較困難;功能擴(kuò)展能力弱以及學(xué)員人數(shù)、培訓(xùn)時(shí)間及場(chǎng)地大小受限等缺陷［2］．高新技術(shù)裝備匯集的現(xiàn)代船舶對(duì)高素質(zhì)船員的需求以及國(guó)際公約、法規(guī)對(duì)船舶管理的新要求，使得新型輪機(jī)模擬器的開發(fā)勢(shì)在必行［3］．基于PIMS組態(tài)軟件的燃油凈化系統(tǒng)操控過程的動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)是一種船舶輔助設(shè)備的操控仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，是虛擬船舶輪機(jī)模擬器的重要組成部分．

1 虛擬場(chǎng)景的組態(tài)設(shè)計(jì)

1.2 組態(tài)場(chǎng)景的構(gòu)建

1.2.1 燃油凈化管路系統(tǒng)的創(chuàng)建

PIMS(Process Information Management System)是一套面向?qū)ο?、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫(kù)、包含I/O驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)通訊應(yīng)用等方面功能的組態(tài)軟件．其重要功能模塊包括工程管理器、開發(fā)系統(tǒng)、運(yùn)行系統(tǒng)、界面運(yùn)行系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信程序及Web服務(wù)器［4］．利用PIMS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)系統(tǒng)，可以創(chuàng)建所需的工程畫面，進(jìn)行畫面、I/O驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)庫(kù)等資源方面組態(tài)，合理配置系統(tǒng)參數(shù)，啟動(dòng)其他程序軟件，用戶根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)計(jì)開發(fā)所需的人機(jī)交互仿真界面．通過界面運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行用戶開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，用戶和組態(tài)場(chǎng)景對(duì)象之間就可以實(shí)現(xiàn)各種功能交互，進(jìn)行一系列復(fù)雜操控過程的虛擬操作．利用其運(yùn)行系統(tǒng)及Web服務(wù)器功能，通過IE瀏覽器可以實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程訪問燃油虛擬凈化系統(tǒng)的組態(tài)畫面和數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)操作燃油虛擬凈化系統(tǒng)［5］．

本文以裝備于某艘6000TEU集裝箱船的α－LAVAL FOPX型全自動(dòng)燃油分油機(jī)系統(tǒng)為建模原型．利用PIMS組態(tài)軟件搭建了由虛擬燃油分油機(jī)等設(shè)備組成的燃油凈化管路系統(tǒng)場(chǎng)景畫面．

啟動(dòng)PIMS的工程管理器，選擇新建工程，進(jìn)入工程定義框，填寫將要?jiǎng)?chuàng)建的工程名“船舶燃油凈化虛擬操控系統(tǒng)”，選擇路徑，進(jìn)入到組態(tài)環(huán)境中，選擇“畫面/窗口”，通過窗口名稱的創(chuàng)建、窗口屬性的設(shè)置并添加必要說明，在生成的窗口上建立燃油凈化虛擬操控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面．接著在組態(tài)編輯界面內(nèi) (如圖1所示)，利用PIMS工具欄中的圖形編輯工具和系統(tǒng)自帶子圖庫(kù) (如圖2所示)繪制所需的工程圖形，根據(jù)功能需要，針對(duì)所繪對(duì)象屬性:位置、大小、顏色等，進(jìn)行定義．同時(shí)針對(duì)所繪對(duì)象進(jìn)行必要的動(dòng)畫場(chǎng)景設(shè)計(jì)，如:管路流體水平移動(dòng)、液柜液面垂直填充、指示燈閃爍變化、閥件關(guān)通顏色改變等．依此方式完成各個(gè)場(chǎng)景對(duì)象畫面的創(chuàng)建 (如圖3所示)，直至搭建完成完整的燃油凈化管路系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景畫面．

1.2.2 燃油分油機(jī)機(jī)旁操作控制箱虛擬場(chǎng)景的搭建

燃油分油機(jī)虛擬操作控制箱設(shè)計(jì)原則:1)在同一個(gè)組態(tài)畫面上設(shè)計(jì)安排分油機(jī)系統(tǒng)所有停止/起動(dòng)按鈕;2)控制箱上的按鈕、指示燈、參數(shù)設(shè)定鍵等控件布置要合理．遵循這一指導(dǎo)原則，運(yùn)用PIMS子圖庫(kù)中指示燈、按鈕、旋鈕及儀表等工程組態(tài)模型和自定義設(shè)計(jì)控件等方式建立分油機(jī)操作控制箱的組態(tài)模型，如圖4所示．

完成對(duì)仿真控制箱虛擬對(duì)象的操控邏輯腳本程序的編寫輸入后，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)虛擬燃油分油機(jī)控制箱各個(gè)相關(guān)控件的操控，從而完成虛擬燃油分油機(jī)系統(tǒng)一系列相關(guān)的虛擬場(chǎng)景的操作．例如:進(jìn)行分油機(jī)燃油加熱溫度與排渣間隔時(shí)間的設(shè)定調(diào)整，燃油沉淀柜的補(bǔ)油以及分油機(jī)自動(dòng)分油與排渣等虛擬操作．

為了實(shí)現(xiàn)虛擬分油機(jī)操作控制箱上的各個(gè)控件的動(dòng)畫效果，就必須在完成數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)組態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)控件設(shè)置相應(yīng)的變量，通過數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)完成數(shù)據(jù)連接，然后根據(jù)各控件圖形所需的動(dòng)作屬性，利用PIMS軟件中的動(dòng)畫連接模塊對(duì)控件對(duì)象進(jìn)行動(dòng)畫組態(tài)，以實(shí)現(xiàn)該控件被觸動(dòng)后產(chǎn)生的相關(guān)狀態(tài)的變化，比如指示燈顏色的變化、功能旋鈕角度的改變等．下面以分油機(jī)馬達(dá)帶燈起動(dòng)按鈕為例說明帶燈按鈕鼠標(biāo)觸動(dòng)后狀態(tài)變化的設(shè)定．首先，在所創(chuàng)建的控制箱組態(tài)畫面上，雙擊對(duì)象“分油機(jī)馬達(dá)帶燈起動(dòng)按鈕”，進(jìn)入動(dòng)畫連接對(duì)話框，將變量“S4002.PV”賦于按鈕，勾選“顏色相關(guān)動(dòng)作”下的“條件”，設(shè)定方法是:當(dāng)“S4002.PV”為真時(shí)按鈕顯現(xiàn)鮮綠色，“S4002.PV”為假時(shí)按鈕顯示暗綠色．這樣模擬按鈕的亮與滅的變化就可以通過這兩種顏色的變換來體現(xiàn)．然后，在上述動(dòng)畫連接對(duì)話框內(nèi)，點(diǎn)擊打開“鼠標(biāo)相關(guān)動(dòng)作”的下拉框，雙擊選項(xiàng)“自定義”，進(jìn)入“鼠標(biāo)腳本”窗口，在該主頁的分頁“按下鼠標(biāo)”界面的腳本編寫對(duì)話框內(nèi)進(jìn)行鼠標(biāo)觸動(dòng)時(shí)分油機(jī)馬達(dá)起動(dòng)按鈕顏色狀態(tài)變換的腳本程序的編寫．圖5為該按鈕用鼠標(biāo)觸動(dòng)后，按鈕狀態(tài)變化的腳本程序編寫界面．本控制箱其余控件對(duì)象的狀態(tài)、顏色等動(dòng)態(tài)過程的設(shè)計(jì)方法與此類似．

1.3 船舶燃油分油機(jī)系統(tǒng)整體虛擬場(chǎng)景的搭建

選用PIMS子圖庫(kù)中開關(guān)、管道、儀表等組態(tài)模型，利用豐富的建模工具自定義設(shè)計(jì)場(chǎng)景單元等方式完成燃油分油機(jī)凈化系統(tǒng)整體場(chǎng)景的構(gòu)建．圖6為燃油分油機(jī)凈化系統(tǒng)整體虛擬場(chǎng)景的組態(tài)畫面．場(chǎng)景中停止/起動(dòng)按鈕動(dòng)作設(shè)計(jì)及各個(gè)指示燈顏色的變化、閥門狀態(tài)變化的顯示、泵浦停止/起動(dòng)狀態(tài)的顯示、油柜液位的變化以及油液流動(dòng)顯示均通過PIMS的動(dòng)畫連接功能組態(tài)各場(chǎng)景對(duì)象的動(dòng)畫屬性來實(shí)現(xiàn)，方法同前所述．

2 船舶燃油凈化系統(tǒng)操控過程的動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)

2.1 燃油分油機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵操控過程的組態(tài)模型

燃油分油機(jī)凈化系統(tǒng)關(guān)鍵操控過程包括:燃油駁運(yùn)操作;燃油分油機(jī)起動(dòng)前的準(zhǔn)備操作;分油與排渣過程的自動(dòng)執(zhí)行操作;燃油分油機(jī)的停止操作．這些操控仿真過程的實(shí)現(xiàn)基于燃油凈化系統(tǒng)虛擬操控場(chǎng)景的成功組態(tài)．在PIMS開發(fā)環(huán)境中，必須編寫各組態(tài)場(chǎng)景對(duì)象的腳本程序，才能夠在燃油分油機(jī)凈化系統(tǒng)的各個(gè)組態(tài)場(chǎng)景對(duì)象間實(shí)現(xiàn)一系列操控邏輯的人機(jī)交互，因而編寫該虛擬操作系統(tǒng)的交互操作腳本程序是系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，腳本程序的編寫主要基于PIMS提供的操作符、函數(shù)及大量特定的編程語句等腳本語言［6］．打開PIMS的腳本編輯器，在“進(jìn)入程序”頁，先定義場(chǎng)景對(duì)象相關(guān)參數(shù)的初始值，在“程序運(yùn)行周期執(zhí)行”頁，編寫虛擬燃油凈化系統(tǒng)操控邏輯的腳本程序，以實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景內(nèi)上述燃油凈化系統(tǒng)重要操控過程復(fù)雜邏輯的編寫與設(shè)計(jì)．

2.2 燃油凈化虛擬操控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

船舶燃油凈化虛擬操控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)原則是:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及時(shí)存儲(chǔ)該虛擬燃油凈化系統(tǒng)各個(gè)組態(tài)對(duì)象在操控過程中運(yùn)行參數(shù) (油/水液位、燃油壓力、加熱溫度等)的實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)信息;操作記錄數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)學(xué)員在該虛擬操控系統(tǒng)場(chǎng)景中訓(xùn)練操作時(shí)的操作邏輯、參數(shù)改變、場(chǎng)景對(duì)象狀態(tài)變化的結(jié)果等信息;歷史數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存各種泵浦/閥門初始狀態(tài)、燃油加熱溫度設(shè)定值、燃油沉淀柜及工作水柜等液位原始設(shè)定值數(shù)據(jù)．

上述三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)均采用開放的ODBC和OLE/OPC接口來設(shè)計(jì)．避免開放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的第三方引用功能，以確保實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊的順暢與可靠，準(zhǔn)許于操縱界面查詢操控過程相關(guān)信息;對(duì)于歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，可以在虛擬操縱界面上執(zhí)行按時(shí)間搜索查詢，同時(shí)能向第三方軟件開放接口;對(duì)于操作記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，可以在虛擬操縱界面上查詢，并且可以進(jìn)行SQL查詢，并為自動(dòng)考試評(píng)分系統(tǒng)預(yù)留接口．下面以燃油自動(dòng)分油與排渣過程的虛擬操作動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析．

2.3 燃油分油機(jī)自動(dòng)分油仿真過程的組態(tài)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

已建成的虛擬燃油凈化系統(tǒng)操控場(chǎng)景，具備如下虛擬仿真訓(xùn)練功能:燃油分油機(jī)起動(dòng)前燃油沉淀柜液位檢查與補(bǔ)油;燃油分油機(jī)起動(dòng)前的準(zhǔn)備工作;燃油分油機(jī)自動(dòng)分油及自動(dòng)排渣過程的虛擬操作;停止燃油分油機(jī)運(yùn)行的虛擬操作．篇幅所限，這里僅說明燃油分油機(jī)自動(dòng)分油控制動(dòng)態(tài)仿真的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，其他的仿真操作功能的實(shí)現(xiàn)與此類似．

本文所創(chuàng)建的虛擬燃油分油機(jī)仿真系統(tǒng)的自動(dòng)分油過程的操控邏輯流程如圖7所示．根據(jù)該操控邏輯，基于PIMS軟件提供的腳本語言，通過應(yīng)用腳本模塊編寫腳本程序，實(shí)現(xiàn)該虛擬燃油凈化系統(tǒng)中分油機(jī)自動(dòng)分油運(yùn)行過程中各場(chǎng)景對(duì)象之間復(fù)雜操控邏輯的相互聯(lián)系，進(jìn)而在虛擬場(chǎng)景下，完成燃油分油機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)分油的實(shí)時(shí)仿真操作［6］．

3 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能的燃油凈化系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

利用PIMS軟件本身配置的Web服務(wù)器，能夠便捷地將該虛擬燃油凈化操控系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布．輪機(jī)學(xué)員只要通過個(gè)人電腦的IE等瀏覽器，就能夠借助Internet實(shí)時(shí)迅速訪問該虛擬操控訓(xùn)練系統(tǒng)［7］．如圖8所示，遠(yuǎn)程用戶可以通過“ISP接入”、 “電話撥號(hào)”和“局域網(wǎng)”這三種方式訪問PIMS的Web服務(wù)器．該系統(tǒng)的主要優(yōu)越性在于:遠(yuǎn)程用戶僅需一臺(tái)個(gè)人電腦，即可通過學(xué)員客戶端的IE瀏覽器，在該燃油凈化虛擬操控系統(tǒng)場(chǎng)景內(nèi)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行分油機(jī)分油與排渣等各種操作訓(xùn)練和評(píng)估，因而占用場(chǎng)地小，維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，訓(xùn)練過程不受時(shí)間和人數(shù)的限制，方便了輪機(jī)學(xué)員的培訓(xùn)和評(píng)估．

4 結(jié)束語

基于PIMS組態(tài)軟件的船舶燃油凈化仿真操控系統(tǒng)是虛擬輪機(jī)模擬器的重要組成部分．綜合運(yùn)用組態(tài)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于母型船－LAVAL FOPX全自動(dòng)燃油分油機(jī)系統(tǒng)，創(chuàng)建的燃油凈化虛擬操控系統(tǒng)，能在虛擬場(chǎng)景內(nèi)完成分油機(jī)自動(dòng)分油與排渣過程等一系列相關(guān)的虛擬操作訓(xùn)練．該系統(tǒng)的開發(fā)使得學(xué)員利用互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)進(jìn)行在線遠(yuǎn)程操控仿真訓(xùn)練和評(píng)估得以實(shí)現(xiàn)，提高了培訓(xùn)效率，降低了培訓(xùn)成本．

［1］中華人民共和國(guó)海事局．中華人民共和國(guó)海船船員適任評(píng)估大綱和規(guī)范［M］．遼寧:大連海事大學(xué)出版社，2010:113－202．

［2］曾青山，陳景峰，黃加亮．輪機(jī)模擬器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］．集美大學(xué)學(xué)報(bào):自科科學(xué)版，2003，8(1):74－79．

［3］王永堅(jiān)．基于Web3D主機(jī)控制臺(tái)的建模及起動(dòng)與安全保護(hù)虛擬操作研究 ［D］．廈門:集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，2009．

［4］浙江中控技術(shù)有限公司．PIMS(3.6)使用手冊(cè)［R］，杭州:浙江中控技術(shù)有限公司，2007．

［5］龍志文．工控組態(tài)軟件［M］．重慶:重慶大學(xué)出版社，2005．

［6］魏云云，吳?。环N監(jiān)控組態(tài)軟件腳本語言的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］．微型電腦應(yīng)用，2009，25(9):2－4．

［7］李強(qiáng)，李敬敬．組態(tài)軟件在電氣控制與PLC課程多媒體教學(xué)中的應(yīng)用 ［J］．中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010(4):60－62．

(責(zé)任編輯 陳 敏 英文審校 陳 武)

Dynamic Simulat Of the Fuel Oil Purifying System for Ships Based on Configuration Technology

LIU Jian-hua
(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China)

The paper focus on the construction of ship fuel purifying system virtual scene and the design of simulated operation process for fuel purifying system．The PIMS configuration software was used to construct the virtual model of fuel purifying system，compile scrip programs for logic relationship of interactive operation on every configuration scene with PIMS script system，and then complete dynamic simulat for fuel purifying system virtual operation．Through the network－release for the purifying controlling virtual system with the aid of network－release function of PIMS itself，the cost-effective and high-efficiency network－online training and evaluating of marine engineering simulator course was realized．

PIMS configuration software;virtual fuel oil purifying system;network release

U 664.81+2

A

1007－7405(2012)04－0275－06

2012－03－29

2012－05－15

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (2011J01325)

劉建華 (1969—)，男，高級(jí)輪機(jī)長(zhǎng)，碩士，從事輪機(jī)模擬器、船舶防污染技術(shù)的研究．