船舶輔鍋爐系統(tǒng)仿真與虛擬操作的研究

吳曉婷，劉小榕，韋燚

（上海海事大學(xué)，物流工程學(xué)院，上海 201306）

船舶輔鍋爐系統(tǒng)仿真與虛擬操作的研究

吳曉婷，劉小榕，韋燚

（上海海事大學(xué)，物流工程學(xué)院，上海 201306）

為了解決輪機培訓(xùn)教學(xué)過程中，場地、成本、操作危險性對船舶輔鍋爐訓(xùn)練系統(tǒng)的限制，本文設(shè)計了一種船舶輔鍋爐仿真系統(tǒng)，控制對象是通過3DS MAX建立的虛擬三維實景，控制系統(tǒng)采用實物PLC控制，控制方式采用觸摸屏控制，建立了船舶輔鍋爐的三維模型和PLC控制模型，在盡量不失操作真實性的情況下達(dá)到模擬實船培訓(xùn)的效果。

船舶輔鍋爐；PLC；3D模型；觸摸屏

0 引言

船舶輔鍋爐是船舶動力裝置的重要組成部分，同時也是船舶機艙輔助裝置中最早實現(xiàn)自動控制的設(shè)備之一。由于其在船舶安全航行所處的重要性，以及它的多元參數(shù)的控制特點，在機艙的電控系統(tǒng)中占有很重要的地位，同時也是實驗教學(xué)中必備的船舶輔助機械之一[1-5]。然而采用實體鍋爐操作訓(xùn)練存在以下弊端：成本高，代價大，設(shè)備維護(hù)管理費高等[6-7]，因此目前大部分培訓(xùn)機構(gòu)選用輪機模擬器對學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)[8-10]。但是純軟件的操作方式與實體輔鍋爐操作真實性相差較大，因此本文在此基礎(chǔ)上為船員的培訓(xùn)建立一套采用虛實結(jié)合的船舶輔鍋爐仿真系統(tǒng)。

1 船舶輔鍋爐自動控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)

船舶輔鍋爐的自動控制是指對鍋爐的給水、燃燒等熱工過程變量的自動調(diào)節(jié)。各種輔鍋爐的自動控制環(huán)節(jié)是類似的，主要包括：水位和汽壓的自動調(diào)節(jié)；以及燃燒時序控制等環(huán)節(jié)。燃燒時序控制是指給鍋爐一個起動信號后，能按時序的先后自動進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)，噴油點火，點火成功后轉(zhuǎn)入正常燃燒的負(fù)荷控制階段，同時對鍋爐的運行進(jìn)行一系列的安全保護(hù)。圖1為船舶輔鍋爐電氣自動控制系統(tǒng)框圖。

圖1 船舶輔鍋爐電氣自動控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Electrical automatic control system of marine auxiliary boiler

2 輔鍋爐PLC自動控制的設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

根據(jù)船舶輔鍋爐的工作原理設(shè)計由PLC控制的燃燒程序工作流程，流程圖如圖2所示，滿足工作流程設(shè)計的船舶輔鍋爐自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)以下基本功能：

（1）水泵的獨立正常工作

（2）有手動—自動兩種控制方式

（3）對鍋爐蒸汽壓力采用雙位自動控制

（4）鍋爐運行時，控制系統(tǒng)實時監(jiān)測水位，風(fēng)壓，汽壓是否正常以及水泵，風(fēng)機，油泵是否過載。

2.2 PLC選擇

根據(jù)鍋爐控制系統(tǒng)的21個輸入點，14個輸出點，采用西門子S7-200 CPU226CN。I/O分配，定時器和輔助繼電器的分配如表1所示。

圖2 工作流程圖Fig.2 Work flow chart

表1 I/O，定時器，繼電器分配表Tab.1 I/O timer，relay distribution table

2.3 PLC軟件設(shè)計及仿真

（1）起動前準(zhǔn)備：自動控制狀態(tài)需將水泵轉(zhuǎn)換開關(guān)，燃油轉(zhuǎn)換開關(guān)，油泵和風(fēng)機轉(zhuǎn)換開關(guān)打到自動位置。即I0.3，I0.3，I2.1處于閉合狀態(tài)。

（2）水位的自動控制：如圖3所示為水位自動控制梯形圖。極限低水位（I1.2）在正常情況下為閉合狀態(tài)，因此極限低水位中間繼電器（M0.6）閉合，極限低水位報警燈（Q1.4）斷開。水位為低水位情況時，低水位開關(guān)（I1.4）閉合，M0.5閉合并自鎖，在水泵自動控制狀態(tài)下，水泵接觸器線圈（Q0.0）閉合，水泵運轉(zhuǎn)指示燈（Q1.0）閉合，指示燈常亮，水泵打開，水位上升，到達(dá)高水位（I1.3）后，M0.5斷開，Q0.0斷開，水泵關(guān)閉，指示燈滅，不再進(jìn)水。同時監(jiān)測水泵是否過載，如果水泵過載（I1.5）開關(guān)閉合，則Network2中I1.5處斷開，水泵接觸器線圈無法閉合。

（3）燃油時序自動控制：如圖4所示為燃燒時序自動控制梯形圖。燃油自動控制情況下，燃油自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（I0.6）閉合，水位正常時，M0.6閉合，計時器T34處于斷開狀態(tài)，按下起動按鈕（I0.0），M0.2閉合并自鎖，系統(tǒng)處于燃燒狀態(tài)。

風(fēng)機啟動條件：如圖5所示為風(fēng)機啟動條件梯形圖。系統(tǒng)處于燃燒狀態(tài)，風(fēng)機和油泵開關(guān)處于自動情況下，即I2.1閉合，則風(fēng)機繼電器（M1.2閉合），風(fēng)門擋板（Q0.4）斷開，風(fēng)門開度最大，進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)。燃燒狀態(tài)斷開后進(jìn)行后掃風(fēng)。

（4）自動控制過程：如圖6所示為自動控制過程梯形圖。M0.2閉合后，汽壓正常時，I1.1為低電平，風(fēng)機和油泵開關(guān)處于自動狀態(tài)，油泵過載信號為低電平，M1.3得電，油泵開啟。此時風(fēng)機（M1.2）也處于開啟狀態(tài)，進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)。M0.1處于斷開狀態(tài)，M0.3得電，由于此時為監(jiān)測到火焰，I2.3為斷開狀態(tài)，M0.4得電，60s后，T35閉合，M1.4接通，自動點火，同時T36閉合，T33仍處于斷開狀態(tài)，所以風(fēng)門擋板（Q0.4）得電。再過兩秒，T97閉合，燃油電磁閥（Q0.5）打開，往爐內(nèi)噴油。2s內(nèi)檢測到火焰，表示點火成功，I2.3閉合，M0.4失電，M1.4斷開，點火變壓器關(guān)閉，繼續(xù)監(jiān)視火焰，如果中途熄火，則I2.3斷開，M0.4得電，T32開始計時，10s監(jiān)測不到火焰，或者在燃燒過程中，中途熄火，10s監(jiān)測不到火焰時，系統(tǒng)將啟動熄火保護(hù)裝置。

圖4 燃燒時序自動控制梯形圖Fig.4 Combustion timing automatic control ladder diagram

圖5 風(fēng)機啟動條件梯形圖Fig.5 Fan start condition ladder diagram

圖6 自動控制過程梯形圖Fig.6 Ladder diagram of automatic control process

（5）PLC仿真結(jié)果：

圖7（a）為自動狀態(tài)下，正常情況下，前60s時，風(fēng)機和油泵正常運作；圖7（b）為60s～62s之間，點火變壓器打開，風(fēng)門擋板開度控制到最小；圖7（c）為62s后燃油電磁閥打開。

（a） （b） （c）圖7 仿真結(jié)果Fig.7 PLC simulation result

3 輔鍋爐的人機界面

操作人員可以通過對觸摸屏的操作將控制信號輸出至PLC，經(jīng)由PLC中的程序處理，再將處理過的信號輸入至虛擬輔鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行三維實景顯示，PLC及虛擬輔鍋爐系統(tǒng)中的輸出信號也傳輸?shù)接|摸屏，觸摸屏上可觀察到實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。觸摸屏界面如圖8所示，包括對鍋爐蒸汽壓力和水位的實時監(jiān)測，各報警點的顯示和油泵風(fēng)機等運行狀態(tài)。

圖8 觸摸屏界面Fig.8 Touch screen interface

4 輔鍋爐系統(tǒng)建模

4.1 船舶輔鍋爐系統(tǒng)三維實體建模

利用三維建模軟件 3ds Max 構(gòu)建系統(tǒng)各部件的實體模型，并在該軟件中對模型進(jìn)行材質(zhì)處理、模型優(yōu)化和設(shè)置裝配動畫。主要建模對象：（1）鍋爐本體：包括爐膛、蒸發(fā)受熱面、安全閥、壓力表等；（2）燃油供給系統(tǒng)：包括燃油升壓泵、預(yù)熱器、過濾器等；（3）給水系統(tǒng)：包括、給水泵、水位計等；（4）凝水系統(tǒng)：包括冷凝器等。以及各系統(tǒng)相關(guān)的閥門和管路。將模型和動畫導(dǎo)入 Unity 3D 仿真平臺中，編輯資源和腳本構(gòu)建虛擬場景，通過碰撞實現(xiàn)對輔鍋爐系統(tǒng)的裝配仿真和虛擬操作。系統(tǒng)建好后，選擇合適的發(fā)布平臺進(jìn)行發(fā)布。最終得到的輔鍋爐系統(tǒng)三維實景效果如圖9液晶顯示畫面所示。

圖9 輔鍋爐三維虛擬場景Fig.9 3D virtual scene of auxiliary boiler

4.2 船舶輔鍋爐系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

船舶輔鍋爐仿真系統(tǒng)與虛擬操作的最大的特點是控制對象為虛擬的，因此為了達(dá)到培訓(xùn)的目的，必須將實際輔鍋爐系統(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行的效果。本文主要介紹燃燒系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模。爐膛煙氣平均溫度可由下面的方程計算得到：

其中：K——有關(guān)受熱面積等因素的系數(shù)；

B——計算燃油消耗量；

Q——每公斤燃料所產(chǎn)生的熱量；

I——爐膛出口煙的焓；

ξ——反映爐壁污染程度的系數(shù)；

輻射釋放的熱量：

其中：Kr——隨負(fù)荷等變化的輻射傳熱系數(shù)；

M——爐膛幾何特性系數(shù)，M=f（h/d）；

h——某個時刻火焰的中心高度值；

d——在燃燒中心線處的爐膛當(dāng)量直徑。

5 結(jié)束語

船舶輔鍋爐仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)在不失操作性真實性的前提下可大大降低訓(xùn)練成本，采用3DSMAX軟件，實現(xiàn)輔鍋爐三維實景交互，采用可靠性高的PLC控制技術(shù)與觸摸屏，可實現(xiàn)多次操作而對設(shè)備不造成損害，可方便應(yīng)用于船員對輔鍋爐系統(tǒng)的操作訓(xùn)練。同時該系統(tǒng)可塑性強，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，以此提高學(xué)員處理故障的水平；二是可增加考核評估模塊，對最終操作結(jié)果進(jìn)行成績評定，提高訓(xùn)練效果；三是可根據(jù)不同的鍋爐模型的參數(shù)對系統(tǒng)中的三維模型，數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編輯，在一套系統(tǒng)中可以有多臺設(shè)備的選擇進(jìn)行操作，增加學(xué)員的實踐寬度。

［1］ 曾步輝，高小瑞，陳景鋒.PLC在船舶輔鍋爐模擬裝置中的應(yīng)用［J］ .工業(yè)自動化，2010，39（12）：77-79. B H ZENG，X R GAO，J F CHEN. Application of PLC in simulation device of marine auxiliary boiler［J］. Industrial Automation，2010，39（12）：77-79.

［2］ 沈智鵬，張寧，王海偉，等.大型集裝箱船舶輔鍋爐仿真系統(tǒng)的研究［J］ .系統(tǒng)仿真學(xué)報，2014，26（10）：2345-2364. Z P SHEN，N ZHANG，H W WANG，et al .Research on simulation system of auxiliary boiler for large container ships［J］.Journal of System Simulation，2014，26（10）：2345-2364.

［3］ 李建偉，徐軼群，楊國豪.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)研究［J］.航海工程，2009，38（4）：70-72. J W LI，Y Q XU，G H YANG. Research on control system of marine auxiliary boiler based on Virtual Reality Technology ［J］.SHIP&OCEAN ENGINEERING，2009，38（4）：70-72 .

［4］ B Y LI，X L ZHAO. Simulation of Auxiliary Boiler Subsystem in Marine Engine Room Simulator Based on VC++6.0 ［J］. IEEE /computer society，2009，9（9）：952-955.

［5］ Z P Shen，Y T Wang .Research on the Operational Training System for Ship Marine Auxiliary Boiler［J］. CSEE/CCIS，2011，4（217）：459-464.

［6］ Q Ma，A Ma，Tao Wang. Development of Simulation System for Auxiliary Boiler［J］. IEEE，2010，7（10）：8-11.

［7］ 陳海平，熊召，劉長春，等.Top-Down 設(shè)計模式下的機構(gòu)運動仿真［J］.新型工業(yè)化，2014，44（3）：65-69. H P CHEN，Z XIONG，C C LIU，et al. Mechanism motion simulation in Top-Down design pattern［J］. The Journal of New Industrialization，2014，4（3）：65-69.

［8］ 王勇，張騰，惲炅明，等.液壓系統(tǒng)動態(tài)分析方法改進(jìn)研究［J］.新型工業(yè)化，2014，4（2）：33-38. Y WANG，T ZHANG，M M YUN，et al. Improvement of dynamic analysis method for hydraulic system［J］. The Journal of New Industrialization，2014，4（2）：33-38.

［9］ 陳虹宇，楊國豪，徐軼群.基于模型的船用輔鍋爐蒸汽仿真系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國航海，2011，34（4）：56-60. H Y CHEN，G H YANG，Y Q XU. Simulation system design of marine auxiliary boiler steam based on Model［J］. NAVIGATION OF CHINA，2011，34（4）：56-60.

［10］ 謝榮，陳輝，尚前明.船舶鍋爐水位控制仿真設(shè)計［J］ .船海工程，2005，1（5）：48-50. R XIE，H CHEN，Q M SAHNG. Simulation design of ship boiler water level control［J］. SHIP&OCEAN ENGINEERING，2005，1（5）：48-50.

Research on Simulation and Virtual Operation of Marine Auxiliary Boiler System

WU Xiao-ting, LIU Xiao-rong, WEI Yi
(School of Logistics Engineering, Shanghai Maritime Univeristy, Shanghai 201306, China; )

A marine auxiliary boiler simulation system is designed to solve the limitation of site, cost and risk to the ship auxiliary boiler training system in the engineering training process. The control object of system is a virtual scene created by 3ds Max, the control system of it is controlled by real PLC and touch screen. The 3D model and the PLC control model of the marine auxiliary boiler is established to achieve the simulation of the effect of training on board ship as far as possible without loss of authenticity.

Marine auxiliary boiler; PLC; 3D model; Touch screen

10.3969/j.issn.2095-6649.2016.02.009

WU Xiao-ting， LIU Xiao-rong， WEI Yi. Research on Simulation and Virtual Operation of Marine Auxiliary Boiler System[J]. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（2）: 53-58.

本文引用格式：吳曉婷，劉小榕，韋燚. 船舶輔鍋爐系統(tǒng)仿真與虛擬操作的研究［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（2）：53-58.