一種虛實(shí)結(jié)合的船舶輔鍋爐操作訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鄒文俊，李建偉，林洪貴

（1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021；2.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)校 輪機(jī)工程系，山東青島 266000）

一種虛實(shí)結(jié)合的船舶輔鍋爐操作訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鄒文俊1，李建偉2，林洪貴1

（1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021；2.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)校 輪機(jī)工程系，山東青島 266000）

針對(duì)當(dāng)前航運(yùn)院校和船員培訓(xùn)機(jī)構(gòu)輔鍋爐模擬訓(xùn)練系統(tǒng)操作真實(shí)性差或?qū)嶓w鍋爐訓(xùn)練成本高、代價(jià)大的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出了一種虛實(shí)結(jié)合的船舶輔鍋爐操作訓(xùn)練系統(tǒng)，控制對(duì)象輔鍋爐采用虛擬三維實(shí)景顯示，控制系統(tǒng)采用實(shí)物PLC控制，建立了船舶輔鍋爐系統(tǒng)的三維實(shí)體模型、數(shù)學(xué)模型和PLC控制模型，解決了三維實(shí)體模型和PLC控制系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)交互問題，達(dá)到不失操作真實(shí)性的前提下大大降低訓(xùn)練成本的目的。

輔鍋爐；虛實(shí)結(jié)合；PLC；VR-Platform

0 引言

船舶輔鍋爐是船舶動(dòng)力裝置中的重要組成部分，產(chǎn)生的飽和蒸汽用于驅(qū)動(dòng)蒸汽輔機(jī)、加熱燃油、滑油以及滿足日常生活[1]。輔鍋爐的操作訓(xùn)練是船員培訓(xùn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，目前大部分航運(yùn)院校和船員培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都是以輪機(jī)模擬器中輔鍋爐模擬系統(tǒng)操作訓(xùn)練為主，實(shí)體鍋爐作為輔助培訓(xùn)。輪機(jī)模擬器中輔鍋爐模擬系統(tǒng)目前大多采用輔鍋爐控制箱結(jié)合動(dòng)態(tài)圖解板操作實(shí)現(xiàn)，或采用純軟件系統(tǒng)通過鼠標(biāo)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，無論哪種模擬方式都與實(shí)體輔鍋爐操作真實(shí)性相差較大。而采用實(shí)體鍋爐操作訓(xùn)練存在訓(xùn)練成本高、代價(jià)大的弊端[2]，主要體現(xiàn)在購買設(shè)備價(jià)格昂貴，反復(fù)操作訓(xùn)練縮短設(shè)備使用壽命，可能因操作不當(dāng)損壞設(shè)備，設(shè)備維護(hù)管理費(fèi)用高[3]，本文在此基礎(chǔ)上提出一種虛實(shí)結(jié)合的船舶輔鍋爐操作訓(xùn)練系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

虛實(shí)結(jié)合的船舶輔鍋爐操作訓(xùn)練系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1，控制系統(tǒng)采用PLC控制技術(shù)，輔鍋爐系統(tǒng)作為控制對(duì)象采用3ds Max軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器平臺(tái)VR-Platform實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，船舶輔鍋爐數(shù)學(xué)模型接收來自硬件PLC的控制信號(hào)和虛擬輔鍋爐的操作數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后將運(yùn)算結(jié)果一方面返還給控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，另一方面送往虛擬輔鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行三維實(shí)景顯示。

圖1 虛實(shí)結(jié)合的船舶輔鍋爐操作訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)

船舶輔鍋爐三維虛擬場景和數(shù)學(xué)模型最后在Visual C++開發(fā)環(huán)境下封裝成可執(zhí)行文件，運(yùn)行在壁掛式多媒體播放終端液晶觸摸屏上，操作人員可直接通過觸摸操作三維輔鍋爐系統(tǒng)中閥門、熱水井蓋等可操作設(shè)備，通過三維實(shí)景漫游了解輔鍋爐系統(tǒng)管路和設(shè)備，觀測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。通過輔鍋爐PLC控制箱給出控制命令操縱虛擬輔鍋爐系統(tǒng)的給水泵、風(fēng)機(jī)、燃油電磁閥、點(diǎn)火變壓器等控制設(shè)備，系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖2。

圖2 輔鍋爐操作訓(xùn)練系統(tǒng)效果圖

2 船舶輔鍋爐系統(tǒng)建模

2.1 船舶輔鍋爐系統(tǒng)三維實(shí)體建模

輔鍋爐三維實(shí)體采用3ds Max三維建模軟件創(chuàng)建，主要建模對(duì)象包括鍋爐本體、燃油供給系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、凝水系統(tǒng)、排污系統(tǒng)和蒸汽供給系統(tǒng)。鍋爐本體包括爐膛、蒸發(fā)受熱面、蒸汽過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、安全閥、壓力表等；燃油供給系統(tǒng)包括燃油升壓泵、預(yù)熱器、過濾器、相關(guān)的閥門和管路；給水系統(tǒng)包括熱水井、給水泵、水位計(jì)、相關(guān)的閥門和管路；凝水系統(tǒng)包括冷凝器、相關(guān)閥門及管路；排污系統(tǒng)包括上、下排污閥及相關(guān)管路；蒸汽供給系統(tǒng)包括主供汽閥、蒸汽分配箱、相關(guān)閥門和管路。

在輔鍋爐三維實(shí)體建模過程中，對(duì)于規(guī)則的對(duì)象（如鍋爐本體、直管等）盡量采用減少端面和軸向分段數(shù)的簡化模型，對(duì)于帶曲面的對(duì)象（如彎管）應(yīng)保證曲面處為等邊三角形網(wǎng)格，對(duì)于輔助性對(duì)象（如滑鐵板、天花板）采用單面模型替代，這樣可以減少后期模型面數(shù)優(yōu)化的工作量；通過“合并”和“塌陷”方法優(yōu)化模型個(gè)數(shù)，提高模型導(dǎo)入導(dǎo)出速度；通過材質(zhì)處理進(jìn)行貼圖優(yōu)化，最后通過烘焙處理得到運(yùn)行流暢的輔鍋爐系統(tǒng)三維實(shí)景，最終得到的輔鍋爐系統(tǒng)三維實(shí)景效果如圖2觸摸屏畫面所示。

2.2 船舶輔鍋爐系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

虛實(shí)結(jié)合的船舶輔鍋爐操作訓(xùn)練系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是控制對(duì)象虛擬化，必須將實(shí)際輔鍋爐系統(tǒng)的工作過程通過數(shù)學(xué)模型仿真出來，因此輔鍋爐系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型的精度決定了運(yùn)行的效果。對(duì)輔鍋爐系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真建模主要包括：（1）汽泡水位、汽泡蒸汽壓數(shù)學(xué)模型；（2）鍋爐燃燒系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；（3）燃油供給系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；（4）燃油加熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；(5)給水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；（6）電力系統(tǒng)模型。其中系統(tǒng)管路數(shù)學(xué)模型以邏輯運(yùn)算為主，比較簡單，重點(diǎn)是對(duì)設(shè)備物理過程的建模，本文以鍋爐燃燒系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模為例作介紹。

燃油在輔鍋爐爐膛內(nèi)燃燒時(shí)情況異常復(fù)雜，要得到較高的仿真精度和實(shí)時(shí)性相當(dāng)困難。對(duì)于濃度場、溫度場和燃燒過程，采用零維模型進(jìn)行簡化處理，得到如下方程。

爐膛煙氣的平均溫度Tfa：

式（1）中：

Kf—有關(guān)受熱面積等因素的系數(shù)；

Bc—燃油消耗量；

Qg—每公斤燃料所產(chǎn)生的熱量。

爐膛出口煙氣的溫度Tfo：

式（2）中：

h—某時(shí)刻的火焰中心高度計(jì)算值；

d—燃燒器中心線處爐膛的當(dāng)量直徑。

輻射釋放的熱量：

式（3）中：

Kr—隨負(fù)荷等變化的輻射傳熱系數(shù)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

輔鍋爐控制系統(tǒng)采用Haiwell S系列PLC，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，鋪鍋爐控制箱I/O點(diǎn)數(shù)為：19路數(shù)字量輸入，24路數(shù)字量輸出和4路模擬量輸出。PLC控制系統(tǒng)硬件配置為：CPU模塊采用S16ZS220T型，帶有8路開關(guān)量輸入和8路晶體管輸出，并且有1個(gè)RS232通訊端口和1個(gè)RS485通訊端口；數(shù)字量輸入模塊S24XD024T 1塊，帶12路開關(guān)量輸入和12路晶體管輸出；數(shù)字量輸出模塊S08DO024T 1塊，帶8路晶體管輸出；模擬量輸出模塊S04AO 1塊，4路模擬量輸出，支持4～20 mA、0～20 mA、1～5 V、0～5 V、0～10 V和-10～10 V標(biāo)準(zhǔn)電流電壓信號(hào)。

3.2 控制功能設(shè)計(jì)

輔鍋爐的控制功能通過編程軟件HaiwellHap?py梯形圖編程實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)的控制功能包括：（1）鍋爐水位控制；（2）鍋爐氣壓控制；（3）燃燒時(shí)序控制；（4）停爐控制；（5）安全保護(hù)；（6）手動(dòng)控制。其中，鍋爐水位采用雙位控制，鍋爐氣壓正常時(shí)采用比例控制，低氣壓時(shí)采用雙位控制，安全保護(hù)包括鍋爐水位危險(xiǎn)水位和風(fēng)壓過低故障停爐保護(hù)。以燃燒時(shí)序自動(dòng)控制為例，控制流程圖如圖3，包括預(yù)掃風(fēng)、預(yù)點(diǎn)火、點(diǎn)火和預(yù)熱、正常燃燒時(shí)的負(fù)載控制四個(gè)過程。控制功能主要梯形圖實(shí)現(xiàn)如圖4，通過定時(shí)器T0完成燃燒的時(shí)序控制，定時(shí)器T1在點(diǎn)火7 s后未成功給出停爐指令，程序中內(nèi)部繼電器M100～M105是給相應(yīng)控制設(shè)備的控制命令，M200～M207是從控制設(shè)備反饋回來的控制信號(hào)。

4 人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)

人機(jī)交互包括兩方面：一是人直接通過觸屏操作船舶輔鍋爐系統(tǒng)三維實(shí)景中的可操作設(shè)備（如各種手動(dòng)控制閥、熱水井蓋等）；二是人通過控制箱控制三維實(shí)景中的電控設(shè)備（如電磁閥、風(fēng)機(jī)、泵等）。交互是通過Visual C++的MFC框架來實(shí)現(xiàn)的，VR-Platform提供VRP-OCX組件和Hailwell PLC提供的HaiwellPLCcomm組件可嵌入到MFC窗口，兩個(gè)組件為VRP-Platform和PLC與船舶輔鍋爐系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型提供了數(shù)據(jù)交互的接口函數(shù)。

圖3 燃燒時(shí)序自動(dòng)控制流程圖

在3ds Max中創(chuàng)建的三維實(shí)景設(shè)備通過剛體、柔體編輯器進(jìn)行動(dòng)作設(shè)置，三維實(shí)景模型導(dǎo)入到VR-Platform中，在VR-Platform中采用方向包圍盒法進(jìn)行碰撞檢測，VR-Platform編輯器通過調(diào)用函數(shù)的方式編寫動(dòng)作腳本，通過調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)初始化設(shè)置、變量的定義，通過調(diào)用觸發(fā)函數(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬操作，通過自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜操作。MFC中調(diào)用void CRemoteTestDlg::OnButton?StartVrp()函數(shù)來啟動(dòng)輔鍋爐系統(tǒng)三維實(shí)景，觸屏操作或條件觸發(fā)虛擬場景的觸發(fā)事件，觸發(fā)事件通過“發(fā)送到VRP”的void CRemoteTestDlg::On?ButtonSendScriptToClients()函數(shù)發(fā)送腳本函數(shù)至VR-Platform，VR-Platform調(diào)用觸發(fā)函數(shù)，使得其根據(jù)變量來更新其三維實(shí)景模型狀態(tài)。手動(dòng)操作鍋爐主供汽閥交互代碼如下：

//*先給VR-Platform中的主蒸汽閥變量MV_MainSteam設(shè)置值*//

//*將腳本發(fā)送到VR-Platform*//

圖4 燃燒時(shí)序自動(dòng)控制梯形圖

//*調(diào)用VR-Platform里的內(nèi)部函數(shù)，使得其根據(jù)變量來更新其輔鍋爐狀態(tài)*//

//*發(fā)送到VR-Platform*//

Hailwell PLC與輔鍋爐數(shù)學(xué)模型的交互是通過串口通訊實(shí)現(xiàn)，通過RS232轉(zhuǎn)USB的通訊線將Hailwell PLC的RS232通訊端口與壁掛式多媒體播放終端的USB通訊端口連接起來，在輔鍋爐PLC編程環(huán)境中設(shè)置PLC地址為“1”，設(shè)置通訊端口為“COM1”，通訊速率為“19 200 bit/s”，通訊協(xié)議采用Modbus RTU，格式采用“N，8，2，RTU”。

5 結(jié)束語

虛實(shí)結(jié)合的船舶輔鍋爐操作訓(xùn)練系統(tǒng)在不失操作真實(shí)性的前提下可大大降低訓(xùn)練成本，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋪鍋爐三維實(shí)景交互，采用可靠性高的PLC控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)操作而對(duì)設(shè)備不造成損害，可方便應(yīng)用于船員對(duì)輔鍋爐系統(tǒng)的操作訓(xùn)練。同時(shí)該操作訓(xùn)練系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，主要體現(xiàn)在：一是可在輔鍋爐系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中增加故障模型，設(shè)置故障給學(xué)員分析處理，提高學(xué)員應(yīng)急處理水平；二是可增加考核評(píng)估模塊，對(duì)最終操作結(jié)果進(jìn)行成績評(píng)定，提高訓(xùn)練效果；三是可將輔鍋爐PLC控制箱采用三維模型替代，構(gòu)成純?nèi)S輔鍋爐交互實(shí)景，通過VPIE網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以B/S架構(gòu)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，這樣學(xué)員可不受訓(xùn)練時(shí)間和場地的影響，可隨時(shí)通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行操作訓(xùn)練。

［1］費(fèi)千.船舶輔機(jī)［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2004.

［2］劉耀周，劉延宏，趙宏武.操作響應(yīng)模型在虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程，2006，32（3）：267-269.

［3］馬立元.大型復(fù)雜裝備虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2006.

Design for a Combination of Virtual and Physical Marine Auxiliary Boiler Operation Training System

ZOU Wen-jun1，LI Jian-wei2，LIN Hong-gui1
（1.Marin Engineering Institute，Jimei University，Xiamen361021，China；2.Department of Marine engineering，Qingdao Harbor Vocational and Technical College，Qingdao266000，China）

In order to solve the current problem with the poor operation authenticity of the auxiliary boiler simulator and the high cost of entity boiler in shipping colleges and crew training institutions，this paper designed a combination of virtual and physical ship auxiliary boiler operation training System.The auxiliary boiler was displayed with virtual 3D model and was controlled by physical PLC.In the paper，the 3D solid models，mathematical models and control models of the marine auxiliary boiler were established，the problem of data interaction among the 3D entity model，the PLC control system and the mathematical model were good solved.Finally，it achieved the purpose of greatly reduce training cost without losing authenticity of operation.

auxiliary boiler；combination of virtual and physical；PLC；VR-Platform

U664.5

：A

：1009－9492(2014)12－0179－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.046

鄒文俊，男，1985年生，江西豐城人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師。研究領(lǐng)域：虛擬仿真、船舶自動(dòng)化、機(jī)電一體化。

(編輯：王智圣)

*福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：2014J01203）

2014－11－05