船舶半物理仿真電站監(jiān)控及虛擬操縱的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林洪貴, 俞文勝

(1. 華僑大學(xué)信息學(xué)院, 福建泉州362021；2. 集美大學(xué)輪機(jī)學(xué)院，福建廈門361021)

0 引言

我國目前是航運(yùn)、海員大國，隨著船舶大型化、自動化水平的不斷提升，船舶用電量的大幅增加和電站構(gòu)造的復(fù)雜化和多樣化，這無疑對船舶電力系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性以及生命力的設(shè)計(jì)要求越來越高。為了確保船舶航行安全，作為船舶動力的核心，船舶電力系統(tǒng)應(yīng)能在各種惡劣的海況和平穩(wěn)工況下穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，而且要研究、分析船舶電力系統(tǒng)在負(fù)荷沖擊和故障情況下的種種過渡過程中產(chǎn)生的各種突變狀況，這就需要一個(gè)平臺來進(jìn)行仿真研究，提出有效和切實(shí)可行的監(jiān)控方法、手段和技術(shù)方案，并開發(fā)適應(yīng)現(xiàn)代需求的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作的虛擬操作訓(xùn)練平臺。目前對船舶電力系統(tǒng)仿真模擬系統(tǒng)主要采用以下兩種，一種是利用全計(jì)算機(jī)虛擬仿真，一種是采用物理真實(shí)小電站。而本研究采用的是建立半物理仿真船舶電站，對電站特性影響特別大的柴油發(fā)電機(jī)組采用特殊控制（模擬柴油機(jī)的慣性和運(yùn)行特性）的直流電動機(jī)-發(fā)電機(jī)組，而負(fù)載等則采取計(jì)算機(jī)仿真，這樣的電站仿真模型，不僅可節(jié)約成本，降低真實(shí)電站的操作風(fēng)險(xiǎn)，也不存在實(shí)驗(yàn)誤操作和故障損毀等風(fēng)險(xiǎn)，而且具有船舶柴油發(fā)電機(jī)組的慣性和真實(shí)運(yùn)行特性以及操作和現(xiàn)場的真實(shí)感。

1 半物理電站仿真平臺的組成

船舶半物理仿真電站是由直流電動機(jī)替代船舶的柴油原動機(jī)，構(gòu)成直流電動機(jī)-發(fā)電機(jī)組向仿真的船舶電網(wǎng)供電[1]。半物理模型是建立具有柴油機(jī)慣性特征的船舶電站系統(tǒng)動態(tài)模型，采用智能算法控制（模擬柴油機(jī)特性）直流電動機(jī)替代柴油機(jī)，又有真實(shí)面板的主配電板，負(fù)載等在計(jì)算機(jī)上所做的虛擬仿真研究具有效果逼真、精度高、操作有沉浸感和現(xiàn)場體驗(yàn)感等優(yōu)點(diǎn)。這樣搭建的仿真電站方法耗資和使用成本都很低，而且還保證了仿真模型的廣泛適應(yīng)性和模型正確及準(zhǔn)確性，本半物理仿真電站包含有原動機(jī)（可調(diào)載調(diào)速并具有慣性特征的直流電動機(jī)）、直流電動機(jī)控制裝置、自動并聯(lián)運(yùn)行裝置、輸入輸出模塊，控制模塊PLC以及上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控和虛擬操作仿真開發(fā)平臺，建立了可與真實(shí)的船舶柴油發(fā)電機(jī)組相媲美的仿真測試平臺及模擬運(yùn)行環(huán)境，為船舶電站的監(jiān)測、仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)負(fù)載仿真與虛擬操作提供了良好可信賴的開發(fā)平臺。其電路原理圖如圖1所示。

直流電動機(jī)（與柴油機(jī)在慣性方面差別很大，本設(shè)計(jì)我們在控制上應(yīng)用了智能算法做了模擬仿真，由于篇幅所限不在本文介紹），且由于直流電動機(jī)的啟動性能與調(diào)試性能好，調(diào)速范圍大（可很好仿真柴油機(jī)的特性），被廣泛應(yīng)用于對調(diào)速要求很高的機(jī)械設(shè)備當(dāng)中[2]。

本半物理電站的配電屏設(shè)有1，2號發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)控制屏兩個(gè)，并車操作控制一屏，由于負(fù)載較少被較簡化為半屏裝設(shè)在并車屏的下半部分。實(shí)現(xiàn)半物理仿真電站的發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)備、啟動停止、參數(shù)調(diào)整，并車、解列操作和負(fù)載增減等，并應(yīng)用組態(tài)軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合開發(fā)可用觸摸屏來進(jìn)行虛擬操作功能，并可用圖表形式顯示在配電屏運(yùn)行和狀態(tài)數(shù)據(jù)[3]。

智能控制的直流調(diào)速裝置采用AB公司PLC模塊，應(yīng)用梯形圖和公式等進(jìn)行仿真編程，可對直流電機(jī)的速度、運(yùn)行特性進(jìn)行快速、可靠的控制，可靈活地設(shè)置控制方式和特性參數(shù)的隨機(jī)調(diào)整，并且對直流電動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和工作狀態(tài)實(shí)施動態(tài)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)不正常以及故障等危險(xiǎn)信號立即處理和報(bào)警等。發(fā)電機(jī)并車合閘要符合并車條件，該裝置能自動檢測和調(diào)整并車的三個(gè)實(shí)際并車條件，調(diào)整待并發(fā)電機(jī)組，使之滿足要求，并能考慮主開關(guān)合閘的固有動作時(shí)間，在整步點(diǎn)提前一個(gè)時(shí)刻或相角發(fā)出合閘指令，進(jìn)行自動并車操作[4]。根據(jù)電站控制流程，運(yùn)用梯形圖編寫好電站控制程序下載到PLC模塊，實(shí)現(xiàn)其監(jiān)控功能[5]。

上位機(jī)監(jiān)控與虛擬操作系統(tǒng)，即監(jiān)控上位機(jī)機(jī)通過以太網(wǎng)與PLC實(shí)現(xiàn)通信聯(lián)絡(luò)，接收現(xiàn)場PLC發(fā)送來的數(shù)據(jù)、狀態(tài)，并以圖形或報(bào)表方式動態(tài)的將這些數(shù)據(jù)顯示出來，也可對其發(fā)送控制和操作指令。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、虛擬操作以及調(diào)整電站運(yùn)行狀態(tài)等功能。

2 仿真電站監(jiān)控系統(tǒng)

半物理仿真電站監(jiān)控系統(tǒng)是將船舶綜合電力系統(tǒng)中設(shè)備以各種真實(shí)或仿真虛擬器件，在實(shí)驗(yàn)平臺上真實(shí)地展現(xiàn)和模擬船舶電站在各種運(yùn)行狀態(tài)下，體現(xiàn)出電站工作特征、參數(shù)變化、運(yùn)行狀態(tài)等的集中監(jiān)控系統(tǒng)。包括船舶電站中電能的產(chǎn)生、輸送、分配、變換、控制、檢測等，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的起動發(fā)電、輸配電、變換、負(fù)載增減、遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障檢測報(bào)警等功能。通過對這個(gè)平臺的研究，可驗(yàn)證各種船舶電站能夠長期有效、穩(wěn)定運(yùn)行的電站結(jié)構(gòu)、優(yōu)化監(jiān)控策略和參數(shù)的匹配以及設(shè)備的選用等。半物理仿真電站的監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖2所示。

監(jiān)控系統(tǒng)的PLC結(jié)構(gòu)：可分為管理層、控制層和設(shè)備層這三層內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

管理層是監(jiān)控系統(tǒng)的最上層，即上位機(jī)，其借助以太網(wǎng)與控制層的PLC通訊得到電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場情況對監(jiān)控模塊進(jìn)行選擇息，實(shí)現(xiàn)對電站的監(jiān)控。以及對系統(tǒng)的不正常和故障狀況進(jìn)行報(bào)警，顯示和打印等功能。

控制層是數(shù)據(jù)采集和電站控制的具體實(shí)現(xiàn)層，為系統(tǒng)直接功能控制主站。采用的是美國AB公司的PLC控制模塊，負(fù)責(zé)對船舶電站進(jìn)行自動監(jiān)控和虛擬操作。數(shù)據(jù)采用現(xiàn)場總線與設(shè)備層的控制PLC模塊連接，采集如電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的電壓和頻率，發(fā)電機(jī)組的三相電流、有功功率和功率因數(shù)等運(yùn)行、狀態(tài)數(shù)據(jù)。經(jīng)與設(shè)備層的自動并車、并聯(lián)裝置，可負(fù)責(zé)兩臺發(fā)電機(jī)組進(jìn)行并車聯(lián)網(wǎng)解列等操作。然后對電站的故障等進(jìn)行報(bào)警和相應(yīng)的故障處理等程序，如機(jī)組超速自動停車等。

設(shè)備層的控制器是系統(tǒng)的底層，即系統(tǒng)從站，由智能直流調(diào)速控制裝置和并車聯(lián)網(wǎng)裝置等構(gòu)成，直流電機(jī)調(diào)速智能控制裝置可實(shí)現(xiàn)以下功能：發(fā)電機(jī)組的選用、延時(shí)、啟動、停止、應(yīng)急停車、增減速度、調(diào)頻調(diào)載和根據(jù)柴油機(jī)的運(yùn)行特性、慣性、狀態(tài)變化的特征來控制，并車聯(lián)網(wǎng)裝置控制發(fā)電機(jī)主開關(guān)的合閘（或同步）、解列分?jǐn)嗪蜋C(jī)組增減等功能。實(shí)現(xiàn)對船舶電站的狀況、調(diào)用、運(yùn)行參數(shù)的采集、檢測和控制等。

3 仿真電站虛擬操作系統(tǒng)

為了彌補(bǔ)半物理仿傎電站在學(xué)員訓(xùn)練操作臺套數(shù)和某些功能上的不足,同時(shí)解決船員、學(xué)員不受教學(xué)訓(xùn)練場地和訓(xùn)練時(shí)間的限制，虛擬操作船舶電站是必要的。本設(shè)計(jì)是以組態(tài)軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，綜合地應(yīng)用到船舶電站虛擬仿真操作程序開發(fā)上，選擇了界面友好、有開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的PIMS組態(tài)軟件為虛擬操作開發(fā)環(huán)境，建立以軟件SQL Server 2008開發(fā)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以此為船舶電站的虛擬操作仿真平臺。

組態(tài)軟件是以計(jì)算機(jī)智能化為核心的自動控制集成，可圖型化、菜單式進(jìn)行操作的軟件系統(tǒng)。是現(xiàn)在普遍采用對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件工具，是系統(tǒng)上位機(jī)的軟件平臺和虛擬仿真的開發(fā)環(huán)境[7,8]。組態(tài)軟件主要分為實(shí)現(xiàn)功能和開發(fā)使用兩大部分：組態(tài)開發(fā)環(huán)境和組態(tài)運(yùn)行環(huán)境[9]。運(yùn)用該軟件提供的模塊、功能程序和用戶擴(kuò)展程序等程序開發(fā)，功能設(shè)置要在組態(tài)開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行設(shè)置、定義。仿真電站的運(yùn)行環(huán)境編程成獨(dú)立運(yùn)行的程序段，并進(jìn)行操作和功能的關(guān)聯(lián)，各設(shè)備運(yùn)行具有現(xiàn)場的動畫效果，所開發(fā)的虛擬電站具有現(xiàn)場操作感和友好人機(jī)界面的仿真電站，實(shí)現(xiàn)了在觸摸屏上通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程對船舶電站實(shí)際操作。該虛擬操作軟件架構(gòu)和各部分組成如圖3所示。

本設(shè)計(jì)運(yùn)用PIMS的開發(fā)平臺，結(jié)合實(shí)船電站尤其是配電板的外觀特點(diǎn)，以盡可能與實(shí)物相一致的圖畫開發(fā)設(shè)置其界面。PIMS提供了功能強(qiáng)大的圖庫、繪圖工具等便于開發(fā)，通過對圖標(biāo)的優(yōu)化，設(shè)置的界面符合船舶輪機(jī)工作人員視覺和操作習(xí)慣。例如1號負(fù)載屏的操作界面（舉例）如圖4所示。界面的設(shè)置是虛擬操作的要點(diǎn)。

虛擬操作界面按以下原則設(shè)計(jì)：

1）為給輪機(jī)工作人員能夠直觀、詳細(xì)了解配電板的結(jié)構(gòu)，一個(gè)窗口只設(shè)置一個(gè)操作屏，不同的控制屏可以通過鼠標(biāo)進(jìn)行切換；2）以實(shí)際的船舶電站操作習(xí)慣設(shè)置相關(guān)配電板操作界面；3）配電板外形尺寸與實(shí)際船舶電站相一致，視覺上具有真實(shí)感和現(xiàn)場體驗(yàn)，讓船員、學(xué)員有直接在船舶電站上真實(shí)操作的沉浸感和親身體驗(yàn)。

船舶電站可進(jìn)行的虛擬操作：

1）發(fā)電機(jī)組的手動起動、手動合閘、手動分閘以及手動停機(jī)等；2）發(fā)電機(jī)組手動準(zhǔn)同步并車、手動負(fù)荷轉(zhuǎn)移、手動解列和手動停機(jī)等；3）發(fā)電機(jī)組自動起動、自動準(zhǔn)同步并車、自動負(fù)荷轉(zhuǎn)移、自動解列和自動停機(jī)等；4）大負(fù)荷啟動詢問功能；5）分級卸載、分級自動啟動；6）風(fēng)油緊急切斷、報(bào)警；7）岸電實(shí)驗(yàn)；8）應(yīng)急發(fā)電機(jī)手動啟動、手動停機(jī)以及試驗(yàn)合閘；9）應(yīng)急發(fā)電機(jī)自動起動、合閘和停機(jī)。

4 仿真電站可完成的主要功能

基于現(xiàn)實(shí)發(fā)電及控制設(shè)備的半物理仿真電站，對比全計(jì)算機(jī)模擬仿真，可以更接近于真實(shí)的船舶電站。本半物理仿真電站目前可實(shí)現(xiàn)的功能有如下幾個(gè)方面[6]：電站的基本操作：如啟動、停止、并車合閘、調(diào)頻調(diào)載、重載詢問、分級卸載、電壓和無功調(diào)整等功能。以及數(shù)據(jù)庫基本功能如數(shù)據(jù)采集、顯示、記錄、報(bào)警和查詢等。

電站管理功能：設(shè)置電站的功率管理功能，可以以此平臺設(shè)置電網(wǎng)的功率裕量和輕載標(biāo)準(zhǔn)，評判解列、并聯(lián)所應(yīng)設(shè)置合理的條件和標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

船舶半物理仿真電站的監(jiān)控與虛擬操作是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到船舶電站仿真、監(jiān)控、虛擬操作等硬件與軟件諸多方面，需要運(yùn)用到數(shù)據(jù)采集與傳輸、電氣控制、軟件編程、動畫設(shè)置、數(shù)據(jù)庫等方面的知識。本文建立以智能控制的直流電動機(jī)做原動機(jī)，來仿真船舶柴油發(fā)電機(jī)組特性的船舶電站仿真平臺，在該平臺上建立實(shí)時(shí)的電站監(jiān)控，有配電板的監(jiān)控、電站兩個(gè)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)監(jiān)控、電網(wǎng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和動態(tài)報(bào)表、以及虛擬操作等等。但畢竟不是真正意義的船舶真實(shí)電站，其所得到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和虛擬操作不能完全替代真實(shí)船舶電站，需要繼續(xù)不斷研究、修改，解決它們之間的差異性和真實(shí)感等問題，進(jìn)一步完善、提高電站模型的真實(shí)度。

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