一種虛實結(jié)合艦船輔鍋爐維修模擬訓(xùn)練考核平臺的研制

濮懷宇， 黃家寧， 韓江桂*

(1.海軍工程大學(xué)教保處， 武漢 430063； 2.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，武漢 430063)

輔鍋爐是艦船動力裝置的重要組成部分，然而輔鍋爐由于在實際運行中存在極大的安全隱患，同時不僅消耗燃油、能源，而且對環(huán)境有一定的污染，因此該系統(tǒng)的訓(xùn)練無法在實際艦船裝備上實施；另一方面目前輔鍋爐模擬器大多都是以純硬件或者純虛擬的幾何模型為主，其形式和功能都無法達到理想的維修訓(xùn)練的效果[1-2]?；谏鲜鲈?，設(shè)計研制一種虛實結(jié)合的艦船輔鍋爐維修訓(xùn)練考核平臺，用于對艦員和相關(guān)維修保障人員進行日常訓(xùn)練和技能水平考核，以期提高艦員對輔鍋爐基本操作、故障排除及維修的能力。

1 平臺總體設(shè)計

平臺由輔鍋爐本體、實作維修臺、燃油系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與計算機仿真系統(tǒng)7大部分組成。平臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 輔鍋爐本體

以LSK-0.5立式針形管輔鍋爐為本體，并與實物接近1∶1的比例進行設(shè)計制造，在遵循外觀、基本功能與實際艦用輔鍋爐基本一致的原則下，對實際輔鍋爐內(nèi)部進行合理地簡化改造，以此在一定程度上降低平臺研制成本。整個輔鍋爐高3 340 mm，直徑1 150 mm，模擬水箱水容積為165 L，可通過調(diào)整水位高度調(diào)控水箱液面。改進后的輔鍋爐具備模擬補水功能、模擬排污功能、模擬加熱功能、液位監(jiān)測功能。

1.2 實作維修臺

為便于受訓(xùn)人員在訓(xùn)練過程中對相應(yīng)器件的實作維修及拆卸訓(xùn)練，將水路與油路中可實作維修與拆卸訓(xùn)練的管路、閥門、濾器、給水泵以及油泵等器件集中地布置于實作維修臺之上。實作維修臺的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 平臺總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the platform

圖2 實作維修臺設(shè)計Fig.2 Maintenance practical platform design

1.3 其他輔助系統(tǒng)

輔鍋爐本體與供水系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)通過管路進行連接，形成完整的供水、供油回路[3]。

設(shè)計配備了在外觀及功能上與實際艦船輔鍋爐相同的可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)控制箱，給受訓(xùn)人員營造一種實際輔鍋爐運行現(xiàn)場的真實環(huán)境。電控箱與其他系統(tǒng)設(shè)備通過各路接口電路，對泵、電磁閥、傳感器等信號進行采集與控制，實現(xiàn)輔鍋爐系統(tǒng)的整體電氣控制。電氣連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電氣連接Fig.3 Electrical connection

控制箱包含對水泵、燃油泵、燃燒器、風(fēng)機、燃油噴嘴的控制。其中PLC通過以太網(wǎng)與PC上位機進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)模擬輔鍋爐的起爐、補水、排污、點火、燃燒加熱、故障報警以及停爐等過程。

2 平臺自動控制功能組成

通過以西門子S7-200 PLC為控制核心，利用計算機控制技術(shù)，有機地把PLC控制原理與輔鍋爐運行過程控制有機地相結(jié)合，從而實現(xiàn)輔鍋爐維修模擬訓(xùn)練平臺的水位自動控制、蒸汽壓力自動平衡控制、油路及燃燒自動控制。

2.1 水位自動控制

系統(tǒng)利用液位傳感器對輔鍋爐水位進行實時檢測，同時向控制系統(tǒng)提供極低水位反饋、低水位反饋、自動補水反饋、停止補水反饋、高水位反饋5組開關(guān)量信號，最終通過對水泵的自動控制，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)中水位自動控制的功能[4-5]。水位自動控制示意圖如圖4所示。

圖4 水位自動控制Fig.4 Automatic water level control

2.2 油路及燃燒自動控制

油路控制的控制對象為燃油泵，主要檢測器件為壓力傳感器。燃油泵在自動運行的過程中，當(dāng)鍋爐水位低于極低水位時，燃油泵自動停止運行并且以此過程模擬實際輔鍋爐處于無水情況下，燃油泵自動停止供油，防止輔鍋爐發(fā)生干燒的情況。燃燒自動控制的控制對象主要為燃燒器、風(fēng)機、點火裝置、燃油噴嘴I和燃油噴嘴I+II且無實際檢測對象。控制流程如圖5所示。

圖5 油路及燃燒自動控制Fig.5 Oil circuit and combustion automatic control

2.3 壓力自動平衡控制

平臺輔鍋爐中蒸汽壓力并非實測壓力，而為模擬量。通過采集艦船輔鍋爐實際運行時的蒸汽溫度和壓力對應(yīng)數(shù)據(jù)，利用MATLAB得到兩者數(shù)據(jù)關(guān)系的擬合曲線，以此作為依據(jù)編寫蒸汽壓力變化對應(yīng)的程序，從而實現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)模擬蒸汽壓力的變化。擬合曲線如圖6所示。

圖6 蒸汽壓力與溫度模擬曲線Fig.6 Curve fitting of steam pressure and temperature

在無損耗狀態(tài)下，時間與溫度的關(guān)系為

T=kt

(1)

從而得到壓力P與溫度T之間的近似關(guān)系如下：

當(dāng)T<80 ℃時：

P=0.000 9e0.051 8T

(2)

當(dāng)T≥80 ℃時：

P=2×10-9T3.814 1

(3)

式中：T為溫度；P為蒸汽壓力；k為變化系數(shù)，在不同噴嘴下，k不一樣。對于模擬蒸汽壓力自動平衡控制的設(shè)計，控制原理如圖7所示。

圖7 蒸汽壓力自動平衡控制Fig.7 Steam pressure automatic balance control

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

通過以西門子S7-200 PLC為控制核心，并利用計算機控制技術(shù)，把S7-200 PLC基本原理與輔鍋爐運行過程控制有機地相結(jié)合，從而實現(xiàn)平臺中各部分系統(tǒng)的功能[6-7]。

3.1 硬件選型

在綜合考慮維修模擬訓(xùn)練平臺控制系統(tǒng)的功能、成本、所需點數(shù)、信號類型、應(yīng)用的可擴展性以及后期的可操作性等因素下，最終控制系統(tǒng)中所用的硬件設(shè)備具體型號及參數(shù)如表1所示。

表1 硬件設(shè)備具體型號及參數(shù)表Table 1 Hardware device specific model and parameters

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序采用簡單、直觀的模塊化結(jié)構(gòu)，執(zhí)行流程如圖8所示。

圖8 執(zhí)行流程Fig.8 Implementation process

采用TCP通信，PLC作為服務(wù)端，其IP為192.168.2.1，端口為7002；PC上位機作為客戶端，其IP為192.168.2.10。采用問答式通訊模式，PLC每200 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)，上位機接收到PLC數(shù)據(jù)后，立即返回對應(yīng)數(shù)據(jù)。若PLC在500 ms內(nèi)未接收到上位機數(shù)據(jù)，則啟動下一次發(fā)送。

4 計算機仿真系統(tǒng)

為形象逼真地展現(xiàn)實際輔鍋爐復(fù)雜、抽象的工作過程，以此便于受訓(xùn)人員對艦船輔鍋爐的工作原理及其運行機制有更加直觀、深刻的了解，設(shè)計開發(fā)了計算機仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)具有友好的人機交互界面以及教學(xué)、考核兩種功能模式?？傮w結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖10 界面開發(fā)Fig.10 Interface development

4.1 人機交互界面的開發(fā)

在Windows7操作系統(tǒng)下，采用Visual Basic6.0[8-9]版本作為軟件開發(fā)工具，對計算機仿真系統(tǒng)的人機交互界面進行開發(fā)，如圖10所示。

4.2 教學(xué)模式

教學(xué)模式下不僅可逼真顯示輔鍋爐本體、附屬器件、各子系統(tǒng)動態(tài)運行過程，而且實時顯示實測水位、模擬蒸汽壓力與蒸汽溫度的變化、各故障等狀態(tài)信息，以此獲得全身心的沉浸感和參與感，增強維修模擬訓(xùn)練的效果[10]。教學(xué)模式界面如圖11所示。

圖11 教學(xué)模式界面Fig.11 Teaching mode interface

為訓(xùn)練受訓(xùn)人員的故障排查與分析能力，在進行維修訓(xùn)練時，可通過人機交互界面設(shè)置實現(xiàn)所需模擬輔鍋爐故障的類型。平臺可產(chǎn)生13種故障報警，其中有11種故障報警在輔鍋爐控制箱面板上具備相應(yīng)的聲光報警提示。詳細報警信息如表2所示。

圖9 仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.9 Simulation system overall structure

表2 系統(tǒng)報警Table 2 System alarm

4.3 考核模式

教學(xué)模式界面中，點擊模擬考核按鈕，即進入考核模式，正確填入班級、學(xué)號和姓名，填好后方可點擊開始考核按鈕，進入正式答題界面，如圖12所示。

圖12 考核模式界面Fig.12 Assessment mode interface

考核過程大體為：首先第一階段為選擇題，根據(jù)題目要求，從四個選項中選出對應(yīng)的答案。全部答題完畢后進入第二階段，即實作維修考核。根據(jù)相應(yīng)題目，完成對應(yīng)維修操作。平臺目前主要具備以下幾類實作維修考核。

4.3.1 水路維修

水路維修主要訓(xùn)練拆卸給水泵，大體步驟為：關(guān)閉給水泵前后手動閥，打開排污閥；將鍋爐水箱排空，接著使用扳手拆卸給水泵兩邊的法蘭；拆卸完成后，排除故障；最后安裝水泵，關(guān)閉排污閥；打開水泵兩邊手動閥，運行水泵；觀測管路各法蘭連接處是否漏水，若漏水，則對相應(yīng)位置法蘭進行緊固。

4.3.2 油路維修

油路維修主要訓(xùn)練拆卸燃油泵、濾器，大體步驟為：關(guān)閉燃油泵前后手動閥，使用扳手拆卸燃油泵兩邊法蘭；拆卸完成后，排除故障；最后安裝燃油泵，打開燃油泵兩邊手動閥；運行燃油泵，觀測管路各法蘭連接處是否漏油，若漏油，對相應(yīng)位置法蘭進行緊固。

4.3.3 清洗維修

清洗維修主要訓(xùn)練清洗輔鍋爐水箱，大體步驟為：打開排污閥，將鍋爐水箱排空；關(guān)閉排污閥；手動啟動給水泵，上水至高水位報警位置；關(guān)閉給水泵；打開排污閥，將鍋爐水箱水位排至極低水位報警位置。

上述為1次清洗過程，根據(jù)設(shè)置的清洗次數(shù)，只需重復(fù)上述步驟即可。

完成上述的維修操作后，即可進入第三階段，開啟維修設(shè)備對應(yīng)泵組，以便建立相應(yīng)壓力，保持設(shè)備處于啟動狀態(tài)，點擊系統(tǒng)測試按鈕，系統(tǒng)自動判定維修操作是否合格。

考慮場地大小以及使用操作、維修訓(xùn)練便捷性等因素，科學(xué)合理地完成了維修訓(xùn)練考核平臺的搭建。平臺實物如圖13所示。

圖13 平臺實物Fig.13 Platform physical

整個維修訓(xùn)練考核平臺依據(jù)設(shè)計要求，包含鍋爐本體、實作維修臺、燃油系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與計算機仿真系統(tǒng)。通過對平臺軟硬件系統(tǒng)進行不斷地調(diào)試與優(yōu)化，最終實現(xiàn)了平臺前期的設(shè)計功能。

5 結(jié)論

在輔鍋爐維修模擬訓(xùn)練考核方面進行了一些有益的嘗試。在訓(xùn)練方法上先是通過多媒體手段對受訓(xùn)人員進行輔鍋爐原理方面的訓(xùn)練，繼而通過計算機仿真與實物的結(jié)合學(xué)習(xí)輔鍋爐系統(tǒng)中各部分元件工作過程及原理，然后進行故障的設(shè)置和排除，并通過受訓(xùn)人員的拆裝訓(xùn)練進一步熟悉系統(tǒng)，并提高動手排除故障的能力。研制完成后經(jīng)試驗應(yīng)用表明，這種循序漸進的訓(xùn)練方式取得了較好的效果，并得到以下結(jié)論。

(1)該平臺便于受訓(xùn)人員對輔鍋爐工作過程、常見故障的認知與理解。

(2)該平臺可有效提高受訓(xùn)人員對輔鍋爐基本操作、故障診斷與維修的能力。

(3)該平臺在保證具有較好維修訓(xùn)練及考核效果的同時，節(jié)省了大量設(shè)備購置費以及克服場地限制的缺陷。