液化天然氣船貨物操作仿真器的設(shè)計與實現(xiàn)

李博洋, 張運(yùn)秋, 李迪陽,2, 韓淑潔

(1.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院， 山東 青島 266071; 2.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

液化天然氣船貨物操作仿真器的設(shè)計與實現(xiàn)

李博洋1, 張運(yùn)秋1, 李迪陽1,2, 韓淑潔1

(1.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院， 山東 青島 266071; 2.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

根據(jù)目前快速發(fā)展的LNG船船員的技術(shù)培訓(xùn)需求，開發(fā)設(shè)計LNG船舶貨物操作仿真器，介紹仿真對象的選擇和貨物操作過程，給出營運(yùn)模式下仿真系統(tǒng)的架構(gòu)、子界面的設(shè)計思路、系統(tǒng)數(shù)值仿真計算方法與流程。在此基礎(chǔ)上,給出船舶在出塢、進(jìn)塢過程中貨艙操作演示、訓(xùn)練和評估模塊的設(shè)計方法與思路,并介紹控制臺中軟件、硬件的通信解決方法和超多屏顯示技術(shù)的實現(xiàn)。通過總結(jié)可知,該仿真器功能齊全、界面逼真、仿真響應(yīng)快，且具有傳統(tǒng)船用仿真器無法實現(xiàn)的同時對多個系統(tǒng)與設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和操作的優(yōu)點(diǎn)。

船舶工程；液化天然氣船舶；貨物操作；液貨艙處理；PLC；系統(tǒng)評估；仿真器

據(jù)專家預(yù)測，隨著全球液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)的需求量和貿(mào)易量不斷增加，2020年全球LNG船舶數(shù)量將達(dá)到近800艘。如果考慮到美國2017年放開頁巖氣的出口，作為主要LNG消費(fèi)國的中日韓對LNG船舶的需求量很可能會大大超過預(yù)期。未來5～10 a，中國擁有的LNG船舶數(shù)量將從目前的6艘發(fā)展至80艘左右。

LNG船的貨物操作復(fù)雜，對船員業(yè)務(wù)素質(zhì)要求較高，我國LNG船舶公司現(xiàn)有的管理水平和船員技術(shù)力量還比較薄弱，因此迫切需要提高船舶管理人員和操作船員的技術(shù)水平，其中借助LNG船舶貨物操作仿真器進(jìn)行操作訓(xùn)練是一個有效途徑。另外，目前國內(nèi)尚未開發(fā)出成型的LNG船舶貨物仿真器產(chǎn)品，因此，開發(fā)和設(shè)計滿足《中華人民共和國海船船員適任考試和發(fā)證規(guī)則》中“液化氣船貨物操作高級培訓(xùn)”要求的貨物操作仿真器，不僅對船員培訓(xùn)有較高的價值，而且對促進(jìn)國內(nèi)LNG海運(yùn)快速發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。[1-5]

1 仿真對象的選擇與貨物系統(tǒng)概述

1.1仿真對象的選擇

對于將來的訓(xùn)練對象而言，選擇仿真對象非常重要，必須保證其具有很好的通用性和代表性。將中華滬東船廠為大鵬灣、莆田及小洋山建造的14.7萬m3薄膜式LNG船作為母型船，依據(jù)為

1) 該船是目前LNG船的主流船型，無論是薄膜式液艙結(jié)構(gòu)還是艙容大小，都具有很好的代表性。

2) 該型船舶國內(nèi)其他公司都有訂單，現(xiàn)在和將來船員的主力軍都是中國船員。因此，該船型的模擬訓(xùn)練對中國船員更具有針對性。

母型船主要參數(shù)為：船長291.50 m，型寬43.35 m，設(shè)計吃水11.43 m，艙容147 236.2 m3(裝載率為100%)或145 027.7 m3(裝載率為98.5%)，液艙4個，貨泵8個(額定流量1 500 m3/h，功率407 kW)，掃艙泵4個 (額定流量50 m3/h)，高負(fù)載壓縮機(jī)2個，低負(fù)載壓縮機(jī)2個。

1.2貨物系統(tǒng)概述

貨物系統(tǒng)用到的設(shè)備主要有：液貨泵、掃艙/噴淋泵、高流量壓縮機(jī)、低流量壓縮機(jī)、氣體加熱器、蒸發(fā)器、帶氣液分離器的強(qiáng)制蒸發(fā)器、貨艙壓力控制閥、貨物管路等。貨物操作系統(tǒng)由高度電腦化的控制系統(tǒng)/監(jiān)測系統(tǒng)(IAS)進(jìn)行控制/監(jiān)測。

LNG船貨物操作主要包括在港裝貨、滿載航行、在港卸貨、空載航行、船舶進(jìn)塢貨艙處理、船舶出塢貨艙處理、船舶單艙處理、預(yù)冷處理、壓載水的駁運(yùn)等20多個過程，基本上每個過程都要操作20～30 h，具體過程見圖1，其中虛線框內(nèi)為營運(yùn)流程。

圖1 液化天然氣船貨物操作流程

由于LNG船舶所載貨物易燃易爆，貨物的低溫(-163 ℃)對材料的影響比較大，貨物的壓力控制范圍較小(0～0.022 MPa)，對裝卸貨的速度、泵的流量、貨物壓縮機(jī)流量等的要求非常嚴(yán)格，因此實際操作過程極其復(fù)雜，操作步驟也非常繁瑣，稍有疏忽就可能帶來災(zāi)難性后果。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計

仿真系統(tǒng)的模塊和監(jiān)控點(diǎn)較多，如果設(shè)計界面混亂，將導(dǎo)致學(xué)習(xí)者無法快速熟悉和掌握貨物系統(tǒng)的操作要點(diǎn)。因此，需要設(shè)計一個良好的系統(tǒng)架構(gòu)，讓使用者能夠方便、快捷地切換各個界面。圖2為仿真系統(tǒng)的架構(gòu)圖(即圖1虛線框內(nèi)的過程)[7-9]。

圖2 仿真系統(tǒng)架構(gòu)圖

進(jìn)入主界面后，系統(tǒng)有5個仿真子界面：裝貨仿真子系統(tǒng)、滿載航行仿真子系統(tǒng)、卸貨仿真子系統(tǒng)、壓載航行仿真子系統(tǒng)、預(yù)冷仿真子系統(tǒng)。

每個子系統(tǒng)下的操作界面為：液貨管路系統(tǒng)操作界面(圖3(a))、CT1(CARGO TANK 1)操作界面(圖3(b))、CT2操作界面、CT3操作界面、CT4操作界面、燃?xì)鈮嚎s機(jī)系統(tǒng)操作界面、貨物壓縮機(jī)系統(tǒng)操作界面(圖3(c))、CTS參數(shù)監(jiān)測界面、壓載水系統(tǒng)操作界面(圖3(d))和船舶受力仿真界面。在這些操作界面中，可對具體項目(比如CT1操作界面中各個閥的開關(guān)、泵的啟動/停止、顯示流量大小及流向、貨艙液位、貨艙各個液位報警、艙壓力、艙溫度場、壓力報警等)進(jìn)行操作和監(jiān)控。因此，整個系統(tǒng)的操作和監(jiān)控點(diǎn)非常多，需要很多的計算與邏輯判斷。液貨艙的壓力、溫度、液位流程圖見圖4。上述界面既有過程仿真又有數(shù)據(jù)仿真。

LNG船舶出塢與進(jìn)塢時的貨艙處理過程較復(fù)雜，因整個系統(tǒng)的閥近1 000個，需操作的設(shè)備有幾十臺，因此工作量較大，且前后的操作內(nèi)容(如干燥、惰化、LNG置換惰性氣體等)往往完全不同，做到液貨艙的數(shù)值仿真有很大難度。在實際生產(chǎn)過程中，往往需要測量貨艙的氣體成分或通過監(jiān)控系統(tǒng)獲取各個重要參數(shù)，而船舶管理人員的主要任務(wù)是能夠按照一定的邏輯關(guān)系熟練操作整個系統(tǒng)，因此船舶在出塢和進(jìn)塢過程中，系統(tǒng)主要以過程仿真為主。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖4 液貨艙計算流程圖

基于上述情況，針對船舶出塢、進(jìn)塢過程開發(fā)了3個功能模塊：系統(tǒng)模擬演示單元(DEMO UNIT)、訓(xùn)練操作單元(TRAINING UNIT)、系統(tǒng)考試評估單元(ASSESSMENT UNIT)。在DEMO單元，主要通過動畫顯示出某一過程(如干燥過程)中要經(jīng)過哪些設(shè)備、閥、貨艙、透氣桅等，讓學(xué)習(xí)者快速掌握其流程，然后再通過TRAINING單元，讓學(xué)習(xí)者自己動手操作各個設(shè)備(惰性氣體發(fā)生器等)、開/關(guān)各個閥、連接彎頭、設(shè)定透氣桅卸放壓力等(見圖5)。這樣，經(jīng)過快速練習(xí)就能夠很快掌握一個操作過程。

此外，為鑒定學(xué)習(xí)者的訓(xùn)練效果,通過考試評估單元進(jìn)行評估考試。評估系統(tǒng)由全局?jǐn)?shù)據(jù)庫、規(guī)則庫和控制系統(tǒng)3部分組成。全局?jǐn)?shù)據(jù)庫中存放著學(xué)員的操作記錄、推理獲得的中間結(jié)論以及最終得分，規(guī)則庫中存放著評估標(biāo)準(zhǔn)，控制系統(tǒng)中規(guī)定了產(chǎn)生式規(guī)則和數(shù)據(jù)庫匹配的方法。采用正向推理策略將學(xué)員的操作記錄讀入評估系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)員的操作任務(wù)對其各步操作進(jìn)行標(biāo)識(見表1)，在評估過程中將不同操作過程分成不同的子集，考生選擇其中某一過程后即選擇了相應(yīng)的子集，其他子集在當(dāng)前過程下不予考慮。學(xué)員的總得分是根據(jù)學(xué)員的有效操作得分之和減去無效操作應(yīng)減分之和得到的，如lt;0，則為0，以評價結(jié)果掌握學(xué)員的學(xué)習(xí)情況。此外，該系統(tǒng)還可對每次評估考試的結(jié)果進(jìn)行記錄和打印，非常利于在將來海事局船員評估考試中應(yīng)用。[11]

圖5 干燥過程的界面

表1 各步操作分類標(biāo)識

開發(fā)的操作過程如下，這些過程均滿足《液化氣船貨物操作高級培訓(xùn)》大綱的要求。

1.出塢過程中對所有液貨艙的處理操作：干燥過程、惰化過程、置換惰氣過程第一階段、置換惰氣過程第二階段、預(yù)冷過程。

2.進(jìn)塢過程中對所有液貨艙的處理操作：掃艙過程第一階段、掃艙過程第二階段、升溫過程第一階段、升溫過程第二階段、惰化過程、通風(fēng)過程。

3.對單艙維修前的處理操作：單艙掃艙過程、單艙升溫過程第一階段、單艙升溫過程第二階段、單艙惰化過程、單艙通風(fēng)過程。

3 系統(tǒng)硬件開發(fā)與設(shè)計

由于貨物操作軟件系統(tǒng)的操作界面和需要監(jiān)控的參數(shù)較多，傳統(tǒng)的1個或2個顯示器(如挪威Kongsberg公司研制的模擬器)監(jiān)控的界面往往太少，因此可運(yùn)用超多屏顯示技術(shù),使學(xué)習(xí)者一次性瀏覽系統(tǒng)的各個主要界面，提高其整體感。另外，通過實際的控制臺、操作面板、顯示元件及報警等硬件進(jìn)行模擬操作(比如開/關(guān)閥、啟動/停止泵或壓縮機(jī)、顯示高/低位報警、顯示泵的電壓/電流、安全閥報警、裝卸臂、ESD顯示等)，使模擬操作更接近實船操作。圖6為仿真器控制臺。

圖6 仿真器控制臺

本仿真器硬件系統(tǒng)中，在只采用1臺PC主機(jī)的情況下,既要實現(xiàn)上述控制臺中各個開關(guān)量的輸入與輸出以及模擬量的輸出，又要實現(xiàn)系統(tǒng)多屏顯示技術(shù)，因此使用單一PC主機(jī)完成上述工作有一定難度(主板PCI和PCIE插槽數(shù)目有限)。經(jīng)過硬件系統(tǒng)優(yōu)化,采用PLC實現(xiàn)開關(guān)量的輸入與輸出,采用數(shù)據(jù)采集卡(PCI插槽)與端子板實現(xiàn)模擬量的輸出,采用多個顯卡實現(xiàn)1臺主機(jī)拖帶6個顯示屏。

圖7為主機(jī)和控制臺通信與顯示器流程圖，可通過移動鼠標(biāo)實現(xiàn)1#～6#顯示器的左右自由切換。1#顯示器為主界面、貨物與燃?xì)鈮嚎s機(jī)操作和船體受力界面，2#顯示器為CTS監(jiān)控與壓載水操作界面，3#顯示器、4#顯示器、5#顯示器、6#顯示器分別為Tank 1，Tank 2，Tank 3，Tank 4的各個艙的界面顯示。

圖7 控制臺通信和顯示屏流程圖

采用該多屏技術(shù)后，使用者可以通過仿真器盡可能地監(jiān)控更多仿真子系統(tǒng)的參數(shù)并實現(xiàn)多屏操作，而且相對于傳統(tǒng)的仿真器(采用服務(wù)器—終端用戶模式)，該仿真器具有監(jiān)控界面多、數(shù)據(jù)傳輸快、響應(yīng)快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

4 仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

該仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了4部分功能：

1.LNG船液貨操作訓(xùn)練仿真系統(tǒng)(軟件)，主要對營運(yùn)過程詳細(xì)模擬該階段貨物的每個操作過程，并進(jìn)行數(shù)值仿真，可在一般的PC機(jī)上運(yùn)行使用。

2.LNG船液貨操作訓(xùn)練仿真器控制操作盤臺(硬件)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)第1部分的所有功能，還可以在硬件中對上述過程進(jìn)行操作，使模擬操作者更加接近實船操作，解決了純軟件仿真操作的弊端。

3.LNG船進(jìn)塢、出塢過程及單艙處理模擬操作系統(tǒng)，主要對船舶進(jìn)塢過程、出塢過程以及單艙處理等20多個過程進(jìn)行仿真。

4.LNG船進(jìn)塢、出塢過程及單艙處理過程智能評估考核系統(tǒng)，用于對液化天然氣船進(jìn)塢、出塢過程及單艙處理過程進(jìn)行智能評估考核。

5 結(jié) 語

1.開發(fā)設(shè)計了具有物理盤臺實物仿真系統(tǒng)和基于C#的軟件界面2種模擬方式的仿真器，能夠進(jìn)行LNG船貨物系統(tǒng)的各項模擬操作，訓(xùn)練內(nèi)容完善，功能齊全；同時，通過硬件半實物模擬操作更加形象，解決了純軟件仿真的弊端。

2.設(shè)計仿真器時采用的超多屏顯示技術(shù)較早應(yīng)用于船用操作模擬裝置，可同時顯示多個界面、同時對多個系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行操作與監(jiān)控，具有創(chuàng)新性。

3.仿真系統(tǒng)開發(fā)了LNG船出塢和進(jìn)塢操作評估考試系統(tǒng)，滿足有關(guān)法規(guī)、公約對LNG船船員液貨操作培訓(xùn)的要求。

4.仿真器采用西門子PLC和數(shù)據(jù)采集卡相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了與PC機(jī)的高速、實時、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)雙向通信，比傳統(tǒng)的采用服務(wù)器-終端機(jī)模式的仿真器的響應(yīng)速度快。

[1] 中華人民共和國海事局．STCW公約馬尼拉修正案履約指南[M]．大連：大連海事大學(xué)出版社，2010.

[2] 李品友.液化氣體海運(yùn)技術(shù)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2003.

[3] 張國慶,張顯庫，金一丞．液化天然氣船液貨裝卸模擬器的綜述[J].中國航海，2012,35(1):41-46.

[4] 石慶國，胡以懷. LNG蒸氣冷能在船舶上的應(yīng)用探討[J].船舶工程,2013,35(1):46-48.

[5] 張顯庫，金一丞.控制系統(tǒng)建模與數(shù)字仿真[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2004．

[6] 金一丞，尹勇．公約、技術(shù)與航海模擬器的發(fā)展[J]．中國航海，2010，33(1)：1-6．

[7] 李博洋，李迪陽.LNG船液貨艙預(yù)冷過程[J].天然氣工業(yè)，2008,28(5):103-105.

[8] 于建軍．現(xiàn)代LNG船舶主要液貨系統(tǒng)的仿真研究[D]．大連：大連海事大學(xué)，2008.

[9] 李博洋,陳愛玲,王瑞宣. 液化天然氣船舶再液化技術(shù)應(yīng)用分析[J].船海工程，2009，38(1):107-110.

[10] 吳宛青，殷佩海．油船貨油裝卸操作模擬器的系統(tǒng)設(shè)計[J]．中國航海，1999(1):71-74．

[11] 張桂臣．船舶電站實操考試自動評分系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．中國航海，2010,33(3):27-30．

DesignandImplementationofLNGCarrierCargoHandlingSimulator

LIBoyang1,ZHANGYunqiu1,LIDiyang1,2,HANShujie1

(1.Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, China； 2.Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The cargo handling simulator of the LNG carrier is designed to satisfy the rapid growing demands for LNG crew training. The complex operation process of the cargo handling is introduced and the process of determining simulation objects is described. The framework of the simulation system in the operating mode, the design ideas of the human machine interfaces, the math model and the calculation methods and processe flow are given. The design of the modules for docking and undocking operation demonstration, training and evaluation are explained. The communication methods of software and hardware, and the super multi-screen display technology are presented. The system is able to simulate several systems simultaneously and has the advantages such as multi-functions, realistic operation interface and fast response.

ship engineering; LNG carrier; cargo handling; cargo tank processing；PLC; system assessment; simulator

2014-04-07

中國遠(yuǎn)洋運(yùn)輸(集團(tuán))總公司應(yīng)用研究計劃項目(2013-1-H-007)

李博洋(1974—)，山東臨沭人，大管輪，副教授,主要從事液化氣船新技術(shù)應(yīng)用、船舶節(jié)能減排的教學(xué)與研究。

E-mail:libocean@126.com

1000-4653(2014)03-0046-04

U674.13+3

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