船舶輔鍋爐模擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

黃家寧，韓江桂

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船舶輔鍋爐模擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

黃家寧，韓江桂

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033）

本文以立式鍋爐為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制及仿真技術(shù)，對(duì)輔鍋爐模擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。主要介紹了訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，基于PLC實(shí)現(xiàn)了鍋爐的自動(dòng)控制，基于虛擬軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)了維修訓(xùn)練系統(tǒng)的操作，達(dá)到了教學(xué)訓(xùn)練的目標(biāo)。

船舶輔鍋爐 教學(xué) 訓(xùn)練

0 引言

船舶輔鍋爐是船舶重要的輔機(jī)之一，也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制最早的設(shè)備之一。為方便教學(xué)和訓(xùn)練，本次設(shè)計(jì)的模擬鍋爐，即以立式鍋爐為藍(lán)本，進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)仿真訓(xùn)練。本模擬鍋爐的設(shè)計(jì)，以實(shí)際的鍋爐為藍(lán)本，通過計(jì)算機(jī)輔助控制和適度的仿真，使實(shí)驗(yàn)臺(tái)架能夠模擬鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鍋爐油路、水路、汽路、電路、風(fēng)門的各個(gè)環(huán)節(jié)的模擬維修訓(xùn)練。

1 維修訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)成

輔助鍋爐系統(tǒng)主要包括：鍋爐本體、供水系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、模擬加熱系統(tǒng)，以及鍋爐電控箱、仿真計(jì)算機(jī)和維修平臺(tái)輔助系統(tǒng)。本系統(tǒng)鍋爐本體采用了實(shí)際的鍋爐作為基礎(chǔ)，為滿足訓(xùn)練的安全性和經(jīng)濟(jì)性。對(duì)鍋爐的其他系統(tǒng)做了適當(dāng)改造和模擬。鍋爐本體如圖1所示。

1）鍋爐本體

鍋爐本體采用船用LSK立式針形管鍋爐為基礎(chǔ)，具有體積小、重量輕、熱效率高（>83%）、升汽速度較快（一般為15-18分鐘）、便于維護(hù)等特點(diǎn)，特別是針型管結(jié)構(gòu)使得清理煙灰更加方便，同時(shí)不污染機(jī)倉環(huán)境。

2）供水系統(tǒng)

鍋爐加水功能和實(shí)際鍋爐一致，通過鍋爐的水位計(jì)，進(jìn)行水位顯示。通過鍋爐自帶的水泵控制自來水的加入和排出，水位變化信號(hào)為實(shí)際信號(hào)。加水回路各個(gè)管路及水泵等同樣移到鍋爐外易于操作的地方，便于學(xué)員進(jìn)行拆裝、維修訓(xùn)練。

3）燃油系統(tǒng)

鍋爐通過燃燒器在爐膛內(nèi)形成火焰，對(duì)爐內(nèi)水進(jìn)行加熱。由于本鍋爐作為訓(xùn)練系統(tǒng)無需產(chǎn)生大量的蒸汽和熱水，因此也就不需要進(jìn)行實(shí)際的燃燒。為保證訓(xùn)練學(xué)員安全，采用機(jī)油作為油管內(nèi)的材料，既使學(xué)員能夠體會(huì)到油路的構(gòu)成及管路特點(diǎn)，又不會(huì)產(chǎn)生燃燒等危險(xiǎn)情況。

4）燃燒系統(tǒng)

由于沒有燃油的輸送，因此鍋爐燃燒器無法發(fā)出火焰。如果沒有火焰，燃燒器火焰檢測無法檢測出火焰，會(huì)停爐并報(bào)告點(diǎn)火失敗和停爐。同時(shí)爐膛中沒有火光，不利于仿真運(yùn)行。因此在爐膛內(nèi)安裝紅色燈光照明，模擬爐火燃燒，同時(shí)使火焰檢測原件檢測到火光，使電控系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

5）模擬加熱系統(tǒng)

由于沒有實(shí)際燃燒，所以加熱過程中的溫度及壓力信號(hào)由計(jì)算機(jī)模擬。根據(jù)爐膛燃燒器的火焰等級(jí)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)模型計(jì)算出水溫和壓力，通過儀表進(jìn)行顯示。在訓(xùn)練時(shí)能夠模擬實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)

控制箱以西門子PLC核心、以及接觸器、熱繼電器、開關(guān)等若干設(shè)備組成，和實(shí)際的鍋爐控制箱完全相同。鍋爐電控箱與其他系統(tǒng)設(shè)備通過對(duì)泵、電磁閥、傳感器等信號(hào)的控制和采集，通過接口電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的電氣控制。設(shè)備之間電氣連接控制如圖2所示。

圖2 輔助鍋爐電氣系統(tǒng)

船舶輔助鍋爐的控制系統(tǒng)包括鍋爐水位控制，蒸汽壓力控制，燃燒自動(dòng)控制，聲光與報(bào)警等控制環(huán)節(jié)。主程序邏輯圖如圖3示。

圖3 主程序邏輯圖

控制系統(tǒng)在工作時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行全自動(dòng)起爐和停爐，故障報(bào)警，停爐等事件的處理，按照用戶的要求編寫用戶程序，實(shí)現(xiàn)給水、給油、蒸汽壓力控制、燃燒等過程的全自動(dòng)控制（根據(jù)用戶的要求也有相應(yīng)的手動(dòng)應(yīng)急控制系統(tǒng)）。在系統(tǒng)的運(yùn)行中，根據(jù)要求自動(dòng)起、停風(fēng)機(jī)，開、關(guān)電機(jī)，并根據(jù)燃燒情況，控制風(fēng)門的開閉大小等。另外，風(fēng)機(jī)的電機(jī)馬達(dá)故障、蒸汽壓力超限報(bào)警、燃燒時(shí)發(fā)生系統(tǒng)故障的控制與報(bào)警處理等也由整個(gè)控制系統(tǒng)完成。

PLC通過以太網(wǎng)和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)發(fā)送，TCP通信方式，通信周期采用定時(shí)器控制，周期為500 ms，一次性發(fā)送25個(gè)字節(jié)，通信數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)全部運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息、傳感器信息等。數(shù)據(jù)接收，每周期收到上位機(jī)傳送的指令和狀態(tài)信息，作出相應(yīng)的處理。通訊子程序流程圖如圖4所示。

圖4 通訊子程序圖

3 模擬維修訓(xùn)練的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用硬件訓(xùn)練平臺(tái)和計(jì)算機(jī)虛擬控制實(shí)現(xiàn)教學(xué)和維修訓(xùn)練的目標(biāo)。

1）教學(xué)訓(xùn)練模式

教學(xué)模式界面由模擬儀表顯示（顯示水路溫度、水路壓力、油路溫度和油路壓力）、模擬排放設(shè)置、模擬溫升設(shè)置、鍋爐狀態(tài)顯示和故障模擬幾個(gè)模塊組成。

運(yùn)行中，水路壓力和油路壓力為實(shí)測壓力，水路溫度和油路溫度為模擬溫度。由于鍋爐沒有實(shí)際燃燒，故排放參數(shù)為計(jì)算機(jī)模擬參數(shù)?？梢酝ㄟ^設(shè)置，模擬蒸汽排放速度和加熱時(shí)間常數(shù)，加快運(yùn)行速度，減少教學(xué)時(shí)間。鍋爐狀態(tài)可實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、油泵運(yùn)行狀態(tài)和水泵運(yùn)行狀態(tài)，可顯示鍋爐水位狀態(tài)、鍋爐溫度、鍋爐點(diǎn)火狀態(tài)和各報(bào)警狀態(tài)。故障模擬可在實(shí)際設(shè)備未產(chǎn)生的狀態(tài)下，模擬故障模擬列表中對(duì)應(yīng)的各種報(bào)警。教練員在教學(xué)模式下，可訓(xùn)練學(xué)員對(duì)鍋爐的整體認(rèn)識(shí)，可訓(xùn)練學(xué)員對(duì)給水泵、燃油泵、燃燒器的手自動(dòng)啟停操作；可模擬鍋爐故障，讓學(xué)員排查故障原因；可訓(xùn)練學(xué)員對(duì)水路管路和油路管路部件的拆卸操作。

2）維修考核模式

在考核模式中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)員掌握知識(shí)程度的檢測。學(xué)員在模擬考核中，填入班級(jí)、學(xué)號(hào)和姓名，系統(tǒng)隨機(jī)出客觀題以及相應(yīng)的實(shí)操題，最終進(jìn)行成績的評(píng)定。

考核模式下，具體考核過程為：首先第一階段為選擇題，根據(jù)題目要求，從四個(gè)選項(xiàng)中選出對(duì)應(yīng)的答案，被選答案底色改變；答案選擇正確時(shí)，彈出選擇正確對(duì)話框；答案選擇錯(cuò)誤時(shí)，彈出選擇錯(cuò)誤對(duì)話框；通過上一題、下一題按鈕切換選擇題題目；其次在第一階段全部答題完畢后，可進(jìn)行下面第二階段的操作題，根據(jù)相應(yīng)題目，完成對(duì)應(yīng)維修操作。

現(xiàn)階段的輔鍋爐維修模擬訓(xùn)練平臺(tái)實(shí)物圖，如圖5所示。

圖5 輔鍋爐維修訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)物圖

4 總結(jié)

本輔鍋爐模擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)依據(jù)船上實(shí)際輔鍋爐硬件為基礎(chǔ)，進(jìn)行了科學(xué)合理的適當(dāng)簡化，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了船用輔鍋爐的模擬教學(xué)和維修訓(xùn)練的功能。

該系統(tǒng)具備經(jīng)濟(jì)性、安全性、先進(jìn)性效果逼真，教學(xué)方便等優(yōu)點(diǎn)。最終實(shí)現(xiàn)了讓學(xué)生能夠便于掌握輔鍋爐工作原理的目標(biāo)，也使學(xué)生熟悉各種實(shí)際輔鍋爐的常見故障，同時(shí)使得學(xué)生對(duì)現(xiàn)代化的控制技術(shù)有一定的掌握，為日后適應(yīng)船上工作打下一定的工作基礎(chǔ)。

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Design and Development of Simulation Teaching and Training System for Marine Auxiliary Boiler

Huang Jianing, Han Jianggui

(College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

U664

A

1003-4862（2019）02-0057-03

2018-08-02

黃家寧（1992-），男，碩士研究生。研究方向：機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，艦船裝備維修保障技術(shù)。E-mail: 1418908613@qq.com。