船舶分油機仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

焦品博 王海燕

摘要：為幫助學員掌握分油機的工作原理和操作方法，以Alfa Laval S系列分油機為研究對象，結(jié)合層次狀態(tài)機的概念，設(shè)計兩層嵌套狀態(tài)機作為分油機仿真系統(tǒng)的整個工作周期內(nèi)的邏輯控制。通過簡化分離筒的幾何形狀建立分油機的數(shù)學模型，以模擬分油機內(nèi)油水分界液面的變化。采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)描述操作菜單的信息顯示。利用可編程邏輯控制器（programmable logic controller， PLC）通信技術(shù)，實現(xiàn)分油機的半實物仿真系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，層次化的狀態(tài)控制使得系統(tǒng)控制過程結(jié)構(gòu)化、清晰化，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系表達明確，能逼真地模擬分油機的工作過程。

關(guān)鍵詞： 船舶分油機; 層次狀態(tài)機; 數(shù)學模型; 半實物仿真

中圖分類號： U664.81+2; TP391.92 ? ?文獻標志碼： A

Design and realization of simulation system for marine oil purifiers

JIAO Pinbo， WANG Haiyan

（Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract： In order to help students master the working principle and operation method of the oil purifier， the Alfa Laval S series oil purifier is taken as the research subject， and a two-layer nested state machine is designed as the logical control of the whole working cycle of the oil purifier simulation system based on the concept of the hierarchical state machine. The mathematical model of the oil purifier is established by simplifying the geometry of the separation cylinder. By this model， the change of the oil-water interface is simulated. A tree topology is used to describe the information display of the operation menu. With the application of the programmable logic controller （PLC） communication technology， the semi-physical simulation system of the oil purifier is realized. The test results show that the hierarchical state control makes the system control process structured and clear， the transition relationship between states is clearly expressed， and the working process of the marine oil purifier can be simulated realistically.

Key words： marine oil purifier; hierarchical state machine; mathematical model; semi-physical simulation

0 引 言

船舶分油機是船舶凈化燃油和滑油必不可少的設(shè)備，其凈化性能直接影響船舶柴油機的工作性能和使用壽命。掌握船舶分油機的工作原理和操作方法是航海學員的必修課程，設(shè)計貼近實船的半實物分油機系統(tǒng)仿真模擬器將發(fā)揮重要作用[1-3]。黃小松[4]采用嵌入式微處理器STM32作為主控芯片，設(shè)計了分油機模擬控制面板。LI等[5]和WANG等[6]在建立數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合可編程邏輯控制器（programmable logic controller， PLC）編程模擬分油機工作時序控制。張寧等[7]設(shè)計了實時管理數(shù)據(jù)的過程仿真支撐平臺，并結(jié)合單片機技術(shù)以及CAN采集卡和CAN總線，設(shè)計了與實船操作一致的仿真控制箱。上述研究中，利用單片機和PLC技術(shù)實現(xiàn)了分油機系統(tǒng)工作流程的時序控制[8]，但不能清晰定位系統(tǒng)的運行狀態(tài)。層次狀態(tài)機在描述復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換上應(yīng)用廣泛[9-12]。由于具有狀態(tài)層次的嵌套和行為共享等特點，使用層次狀態(tài)機設(shè)計系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)清晰、可維護、可擴展、可重用等優(yōu)勢。

通過分析Alfa Laval S系列分油機的工作原理和控制流程，建立簡化的分離筒數(shù)學模型，模擬分離筒內(nèi)液面的變化。分析分油機系統(tǒng)整個工作周期內(nèi)工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換關(guān)系可以得出，分油機具有靜止等待、啟動準備、手動啟動、自動啟動、校準、循環(huán)、轉(zhuǎn)換、停機前排渣、分油機運轉(zhuǎn)、停止中等多種狀態(tài)，且狀態(tài)之間按一定的順序轉(zhuǎn)換。其中，啟動準備、手動啟動、自動啟動、轉(zhuǎn)換和分油機運轉(zhuǎn)等狀態(tài)還包含二級子狀態(tài)，如自動啟動狀態(tài)包含供油泵自動啟動、加熱器自動啟動、分油機自動啟動中等子狀態(tài)。因此，設(shè)計兩層嵌套狀態(tài)機描述分油機仿真系統(tǒng)的邏輯控制過程。為清晰展示操作信息，采用多叉樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述EPC操作菜單及其相關(guān)操作信息。在Visual Studio 2015環(huán)境下使用面向?qū)ο笳Z言C#開發(fā)分油機模型程序、控制程序和通信接口程序。應(yīng)用數(shù)字仿真技術(shù)，開發(fā)基于PLC的電氣控制箱，實現(xiàn)分油機系統(tǒng)的半實物仿真。

1 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計

分油機仿真系統(tǒng)整體設(shè)計包括軟件和硬件兩部分。軟件部分由模型程序、控制程序和通信接口程序組成：模型程序主要根據(jù)輸入信號求解模型并返回輸出;控制程序以EPC 60為母型，設(shè)計兩層嵌套狀態(tài)機實現(xiàn)分油機的工作控制，與實際操作面板具有同樣的界面布置和操作功能;通信接口程序主要負責與PLC之間的通信。硬件部分包括系統(tǒng)模擬屏、電氣控制箱、PLC模塊以及工業(yè)觸摸屏電腦。電氣控制箱與Alfa Laval S系列分油機EPC 60控制系統(tǒng)的控制箱外形、面板布置保持一致，符合多數(shù)船員的操作習慣。工業(yè)觸摸屏電腦提供軟件運行環(huán)境并且用以實現(xiàn)人機交互。采用西門子的Smart PLC模塊，采集模擬量和數(shù)字量，并與工業(yè)觸摸屏電腦通信。如圖1所示為仿真系統(tǒng)組成，程序運行于工業(yè)觸摸屏電腦上并互相通信，工業(yè)觸摸屏電腦與PLC模塊之間采用以太網(wǎng)通信，PLC模塊與系統(tǒng)模擬屏之間采用多芯電纜連接。PLC模塊負責數(shù)據(jù)采集與存儲，通信接口程序讀取或?qū)懭隤LC各輸入/輸出點。系統(tǒng)模擬屏與程序同步，動態(tài)地展示分油機油、水、氣系統(tǒng)的工作過程以及分油機的手動啟動過程的按鈕操作。

2 仿真系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 控制程序

層次狀態(tài)機是按樹形結(jié)構(gòu)展開的一種特殊的有限狀態(tài)機，其核心在于狀態(tài)嵌套和行為共享[13-14]。層次狀態(tài)機中包含狀態(tài)的狀態(tài)被稱為超狀態(tài)，子狀態(tài)與其超狀態(tài)之間的繼承特性被稱為行為繼承，類似于面向?qū)ο笾蓄惖睦^承（區(qū)別在于，類的繼承關(guān)系為“is-a”，而行為繼承關(guān)系為“is-in”[15]）。圖2a為層次狀態(tài)機示意圖：超狀態(tài)S3內(nèi)包含子狀態(tài)S4、S5和S6，子狀態(tài)S4、S5和S6繼承了S3的行為，同時它們還各自定義了與S3的行為差異。由于面向?qū)ο笳Z言C#具有繼承和多態(tài)的特性，將超狀態(tài)定義為基類并將其行為定義為虛方法，各子狀態(tài)繼承超狀態(tài)基類并重寫超狀態(tài)的虛方法，實現(xiàn)行為的繼承。此外，采用層次狀態(tài)機建模還具有限制狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)作用，如圖2b所示，在狀態(tài)S3的外部，只需關(guān)注狀態(tài)S1、S2和S3之間的跳轉(zhuǎn)，而在狀態(tài)S3的內(nèi)部，只需關(guān)注狀態(tài)S4、S5和S6之間的跳轉(zhuǎn)，使得狀態(tài)層次清晰明確，狀態(tài)與狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換關(guān)系得以簡化，方便編程且易于擴展。

圖3為Alfa Laval S型分油機結(jié)構(gòu)[16]，其工作原理如下：分油機啟動后，當分油機轉(zhuǎn)速、油溫、油壓等參數(shù)滿足預(yù)定范圍時，啟動分油機，進行首次排渣和置換水。首次排渣完成后，開始排渣計時、補償水計時和穩(wěn)定時間計時。打開工作水閥開始進工作水，合上分離盤。待分油從進油口進入分油機，在離心力的作用下持續(xù)分離，凈油流向分離疊片內(nèi)側(cè)，水分在中層，油渣被分離至分離筒的外側(cè)。隨著分離過程的進行，油水分界面不斷向中心移動，當油水分界面移動到接近分離疊片外邊緣時，水分傳感器監(jiān)測到凈油中的含水量信號值達到觸發(fā)值時，由控制程序決定打開排水電磁閥排水或者打開排渣口排渣。

分油機工作控制流程如圖4所示：當分油機完成啟動進入正常分油狀態(tài)后，由計時函數(shù)Tick（）計時，控制程序檢測排渣信號、排水信號和進補償水信號。當一次計時周期完成后，自動清零并進入下一個計時周期。如果在計時周期內(nèi)有排渣信號產(chǎn)生或達到排水轉(zhuǎn)換條件，則轉(zhuǎn)為相應(yīng)的排渣或排水，分別如圖4a和4b所示。在分離過程中，實時監(jiān)測待分油入口壓力、凈油排出壓力、排水出口壓力以及待分油入口溫度。當檢測到信號值超限或低限時，會觸發(fā)相應(yīng)的報警提示;若報警時間超過報警延遲處理時間，則停機。

根據(jù)分油機的工作原理，分析分油機工作周期內(nèi)的所有狀態(tài)，設(shè)計兩層嵌套狀態(tài)機作為分油機仿真系統(tǒng)的控制中心。第一層狀態(tài)描述分油機的靜止等待、啟動準備、校準、手動啟動、自動啟動、循環(huán)、轉(zhuǎn)換、分油機運轉(zhuǎn)、停機前排渣和停止中，共10個一級狀態(tài)。一級狀態(tài)轉(zhuǎn)換見圖5。

由于啟動準備、手動啟動、自動啟動、分油機運轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換這5個狀態(tài)包含其他狀態(tài)，故定義為超狀態(tài)。啟動準備超狀態(tài)包含3個子狀態(tài)，用以判斷分油機是否達到啟動條件以及是否需要校準啟動，如圖6a所示，分別為分離筒是否拆卸、分離筒是否安裝和分離筒是否清洗。分油機運轉(zhuǎn)超狀態(tài)包含正常分油、排渣、進密封水和補償水、排水4個子狀態(tài)，如圖6b所示，用以描述分油機在正常分油期間狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。手動啟動超狀態(tài)包含供油泵等待啟動、手動啟動供油泵、供油泵完成啟動、手動開啟加熱器、手動啟動分油機、分油機完成啟動6個子狀態(tài)，這6個子狀態(tài)按圖6c所示的啟動順序依次轉(zhuǎn)換，描述分油機的手動啟動過程。自動啟動超狀態(tài)包含供油泵自動啟動、加熱器自動啟動、分油機自動啟動中和分油機完成自動啟動4個子狀態(tài)，它們之間按圖6d所示的啟動順序依次轉(zhuǎn)換，描述分油機的自動啟動過程。在啟動完成到正常分油期間，設(shè)計轉(zhuǎn)換超狀態(tài)用以銜接分油機啟動完成狀態(tài)與正常分油狀態(tài)，如圖6e所示，它包含密封排渣口轉(zhuǎn)換、排渣轉(zhuǎn)換和置換水轉(zhuǎn)換3個子狀態(tài)。

2.2 模型程序

模型程序由模型方程、初始化模型、模型輸入、模型求解和模型輸出5部分組成。設(shè)計單獨的模型類ModelClass用于仿真數(shù)學模型的計算，并采用4階龍格庫塔法求解模型微分方程。模型程序的輸入包括系統(tǒng)中閥門狀態(tài)，供油泵狀態(tài)，蒸汽、空氣和水的初始狀態(tài)，人員對操縱面板的操縱以及控制程序的輸出信號。模型程序的輸出包括凈油含水量、凈油出口壓力、待分油壓力、待分油溫度、排水壓力和分油機轉(zhuǎn)速等。仿真系統(tǒng)啟動時，開設(shè)后臺線程專門用于初始化模型并啟動模型計算。程序運行過程中，控制程序通過通信接口程序?qū)⑤敵鏊腿肽Ｐ统绦?，模型程序通過通信接口程序獲取閥門狀態(tài)和供油泵狀態(tài)。

分離筒簡化圖如圖7所示：1為待分油入口;R1為分離軸半徑，m;R2為分離盤半徑，m;Rd為排渣口半徑，m。分離腔的徑向高度：自排渣口到分離盤處高度是變化的，而自分離軸處到分離盤處高度是不變的。

取分離腔的幾何中心為坐標原點o，則徑向高度hp可以表示為hp=0，r

H，R1≤r

（r-R2）（Rd-R2）H，R2≤r

0，r≥Rd

（1）式中：r為液面半徑，m;H為分離筒有效高度，m。因此，分離腔內(nèi)液體的量可以表示為

-2πrhpdrdt=Qf，in+Qw，in-

（Qf，out+Qw，out+Qdischarge）

（2）

式中：Qf，in為進待分油量，Qw，in為進水量，Qf，out為凈油出口量，Qw，out為排水量，Qdischarge為排渣量，單位都為m3/s。

油水分界面由待分油的含水量和分油機轉(zhuǎn)速確定，當水分多時，出水口的閥門打開，使油水分界面外移，閥門的打開時間取決于含水量。因此，油水分界面半徑rw可表示為

-2πrwhpdrwdt=cfwQf，in+Qw，in-

（ccfwQf，out+Qw，out+Qdischarge）

（3）

式中：cfw為待分油中水分占比系數(shù);ccfw為凈油中水分占比系數(shù)。

2.3 通信接口程序

通信接口程序通過調(diào)用libnodave.dll（動態(tài)連接庫）實現(xiàn)與PLC通信。在PLC的V存儲區(qū)設(shè)定緩沖區(qū)存儲數(shù)據(jù)，通信接口程序通過以太網(wǎng)讀寫緩沖區(qū)，這種通信方式靈活性大、通信速度快。在程序中配置開關(guān)、閥和指示燈等所對應(yīng)的PLC接點和位地址，其中數(shù)字量信號用布爾值表示，模擬量信號用浮點型數(shù)值表示。使用libnodave. dll庫中的CommInterval屬性配置PLC通信間隔，通過ConnectPLC和Start方法連接并啟動PLC通信;在PLC與程序建立連接可以通信后，使用ReadParams和WriteParams方法實現(xiàn)程序與PLC對應(yīng)接點數(shù)據(jù)的交換。圖8為分油機正常分油時部分輸入輸出變量的通信測試圖，分油機運轉(zhuǎn)指示燈、凈油出口指示燈、待分油入口指示燈等數(shù)字量值為“true”，即燈正處于亮的狀態(tài)，而緊急停止按鈕、空氣截止閥等數(shù)字量值為“false”，即開關(guān)正處于關(guān)閉狀態(tài)。凈油出口壓力、排水壓力和分油機電流等直接顯示模擬量值。

2.4 操作菜單

為將操作菜單和操作信息描述清晰，采用分層方式顯示操作菜單，采用多叉樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述操作菜單的層級關(guān)系，如圖9所示：設(shè)計一個根節(jié)點用于循環(huán)顯示頂層菜單，沒有實際內(nèi)容;由于操作信息菜單、設(shè)置信息菜單和報警信息菜單都各自包含子菜單，因此將其設(shè)計為中間節(jié)點;操作信息菜單主要顯示操作信息，設(shè)計燃油流量、待分油溫度等作為操作信息菜單的葉節(jié)點;設(shè)置信息菜單顯示參數(shù)設(shè)置;報警信息菜單主要顯示報警序號，具體報警信息內(nèi)容放到其葉節(jié)點顯示。

操作菜單的操作規(guī)則：同一層節(jié)點可通過指令在本層內(nèi)移動，但不能跨層;不同層節(jié)點可通過指令進入下層或返回上層。在EPC 控制面板上點擊按鈕觸發(fā)相應(yīng)的事件，向上或向下按鍵觸發(fā)層內(nèi)移動事件;按返回和回車鍵觸發(fā)層級變動事件，進入上一層或返回下一層。

2.5 電氣控制箱

電氣控制箱的主體部分由1臺工業(yè)觸摸屏電腦和PLC模塊組成，設(shè)備元件配置見表1。設(shè)計包括分油機電源、緊急停止按鈕、端蓋連鎖開關(guān)等6路輸入數(shù)字量，設(shè)計21路輸出數(shù)字量用于控制系統(tǒng)模擬屏上的指示燈，設(shè)計3路輸出模擬量用于壓力表和電流表的輸出顯示，設(shè)計1路輸入模擬量用于分油機振動傳感器的輸入，PLC接點配置見表2。選用S7-200 SMART PLC的1個CPU模塊和3個擴展模塊用于模擬量和數(shù)字量的輸入和輸出。電氣控制箱上還設(shè)計一個電流表（顯示分油機馬達的實時工作電流）和一個緊急停止按鈕（用于突發(fā)情況下終止系統(tǒng)工作）。

2.6 系統(tǒng)模擬屏

系統(tǒng)模擬屏將分油機仿真系統(tǒng)原理圖繪制在馬賽克展示板上，接收來自PLC的輸出信號，控制管路、開關(guān)等指示燈的顯示，動態(tài)展現(xiàn)分油機系統(tǒng)的油路、水路和氣路的工作流程。手動模式下，在系統(tǒng)模擬屏上控制閥件、按鈕、開關(guān)等，并將控制信號送入PLC輸入，實現(xiàn)手動控制分油過程。采用電位器代替分油機振動傳感器，用于在手動模式下模擬實際傳感器的測量值。利用壓力表實時顯示凈油出口壓力和排水壓力的變化。

3 系統(tǒng)測試

在EPC界面單擊啟動按鈕啟動系統(tǒng)，進入啟動準備狀態(tài)，判斷是否需要校準啟動。若選擇直接啟動，則默認進入自動啟動模式，由EPC控制進入自動啟動超狀態(tài)，然后依次轉(zhuǎn)換進入供油泵自動啟動子狀態(tài)、加熱器自動啟動子狀態(tài)、分油機自動啟動中子狀態(tài)和分油機完成自動啟動子狀態(tài)。分油機完成自動啟動后進入轉(zhuǎn)換超狀態(tài)，并進行全排渣轉(zhuǎn)換和置換水轉(zhuǎn)換，完成首次排渣和置換水。排渣完成后，進入分油機運轉(zhuǎn)超狀態(tài)，并在其正常分油子狀態(tài)、排水子狀態(tài)和排渣子狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。若選擇校準啟動，在分油機啟動后會首先進行校準，然后進行首次全排渣和置換水。工作流程界面和狀態(tài)轉(zhuǎn)換界面分別見圖10a和10b。

圖10c為EPC 60控制界面，窗口中“SEPERA-TION”表示分油機正處于正常分油狀態(tài)，且圖中加熱器、供油泵和分油機按鈕指示燈常亮，排渣和置換水等按鈕指示燈顯示灰色。當系統(tǒng)運行出現(xiàn)異常時，報警指示燈閃爍且窗口中顯示報警文本內(nèi)容。

在圖10d參數(shù)設(shè)置界面中分別設(shè)置RMD80、RME180、RMG380和RMG500這4種型號燃油的主要參數(shù)并分別測試，包括燃油50 ℃運動黏度、待分油進機溫度和燃油密度等。圖11為油水分界面曲線，顯示了在待分油進機溫度不變時，分油機仿真系統(tǒng)從啟動0時刻到運行33 min的油水分界面的變化過程，橫坐標為時間，縱坐標為油水分界面半徑與分離筒內(nèi)液面半徑的比值（rw/r）×100%。從4條曲線的整體趨勢可以看出，曲線中的2次峰值變化分別出現(xiàn)在兩次排渣過程中：第一次峰值變化出現(xiàn)在分油機啟動后的首次全排渣過程和置換水過程中;在正常排渣過程中，當含水量較小時，供油泵不關(guān)，待分油仍在進入分油機，因此在由排渣引起的第二次峰值曲線變化后（rw/r）×100%維持較高的值;進入正常分油后，曲線走勢大體維持穩(wěn)定，間隔波動是進補償水或者排水引起的。

在分油機啟動和運行時間一致的前提下，對比這4種不同型號燃油的分離曲線可以發(fā)現(xiàn)：首次全排渣時，由于沒有進入正式分離過程，4條曲線的第一次峰值變化幾乎重合;接著進入正式分離過程，曲線變化平穩(wěn)。從圖11可以看出：RMG500曲線最先出現(xiàn)第二次峰值變化，表示RMG500型號的燃油最先進入排渣過程，其次是RMG380型號燃油;RME180和RMD80曲線第二次峰值變化幾乎重合，說明這兩種型號燃油進入排渣的時間幾乎一致。經(jīng)過分析可知，當待分油進機溫度不變時，燃油的運動黏度和密度越大就越早進入排渣過程。

4 結(jié) 論

通過分析Alfa Laval S系列分油機的工作原理和工作狀態(tài)，設(shè)計了兩層嵌套狀態(tài)機控制模型。在簡化分離筒幾何形狀的基礎(chǔ)上，建立分油機仿真數(shù)學模型。利用面向?qū)ο笳Z言C#具有封裝、繼承和多態(tài)的特點，設(shè)計兩層狀態(tài)機的控制程序，其具有易于編寫和方便功能擴展的特點。設(shè)計單獨的分油機模型類ModelClass，用于啟動模型和求解模型。在Visual Studio 2015環(huán)境下開發(fā)程序，采用GDI+技術(shù)繪制操作控件和顯示控件，使得人機交互界面友好、操作簡單。利用系統(tǒng)模擬屏直觀顯示分油機的工作流程和狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，便于教學演示。通過參數(shù)設(shè)置功能，測試了系統(tǒng)對4種不同型號燃油的分離凈化過程，得到相對應(yīng)的分離曲線。測試結(jié)果表明，分油機仿真系統(tǒng)達到了模擬分油機系統(tǒng)工作過程的目的，并且可以模擬不同型號燃油的分離過程。

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（編輯 趙勉）

收稿日期： 2019- 07- 08 修回日期： 2019- 11- 20

作者簡介： 焦品博（1995—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為輪機自動化，（E-mail）jpb000@qq.com;

王海燕（1976—），男，河北平山人，副教授，博士，研究方向為船舶柴油機建模與仿真，（E-mail）wanghaiyan@shmtu.edu.cn