船舶主機曲軸箱油霧濃度探測器仿真

楊澤宇，王 琪，王前進

(南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機工程系，江蘇南通 226010)

0 引言

曲軸箱濃度探測器作為1種重要的安保監(jiān)測設(shè)備，擔負著大型船舶主機運行狀態(tài)監(jiān)測和安全運行維護的重任.自20世紀50年代“瑞納·德爾·帕西菲哥”輪發(fā)生曲軸箱爆炸事故以來，油霧濃度探測器已在大功率船舶上廣泛應(yīng)用，對其的使用和維護管理也受到越來越多的重視.［1]中國海事局［2]將油霧濃度探測器的維護管理內(nèi)容作為海船船員(大管輪)適任證書考核的主要內(nèi)容之一，列入實際操作考核評估項目.目前，各海事院校和船員培訓(xùn)機構(gòu)在實訓(xùn)和考核評估中大多采用口述取代實物操作，一些院校或培訓(xùn)機構(gòu)雖然購買了昂貴的設(shè)備，考慮到運行成本也只進行“比劃”式訓(xùn)練.由于維修管理人員的技術(shù)熟練程度對船舶生產(chǎn)安全、設(shè)備使用效率、設(shè)備使用壽命和經(jīng)濟效益起著決定性作用，提高培訓(xùn)質(zhì)量已成為亟待解決的課題之一.

隨著計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)以及自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以計算機系統(tǒng)開發(fā)為基礎(chǔ)的各種仿真訓(xùn)練器已成為當今重大生產(chǎn)設(shè)備或過程控制設(shè)備操作人員上崗培訓(xùn)的必備設(shè)備，在石油化工、航空航天和航海等諸多領(lǐng)域廣泛使用.將基于計算機技術(shù)的油霧濃度探測器仿真裝置用于培訓(xùn)，可反復(fù)操練在實船上不允許隨便進行的操作，使受訓(xùn)人員在短時間內(nèi)能獲得實船工作多年才能積累的經(jīng)驗，并總結(jié)因操作不當或失誤而造成的事故教訓(xùn).

目前，我國已經(jīng)開發(fā)出一些功能強大的輪機仿真訓(xùn)練器，但尚未有真正意義上的油霧濃度探測仿真訓(xùn)練器.本文介紹以Mark 5型油霧濃度探測器為仿真對象的仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，分析基于King-View 6.5的仿真系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)過程，以期對小型設(shè)備的仿真訓(xùn)練器的開發(fā)提供借鑒.

1 仿真對象的工作原理

Mark 5型油霧波度探測器是英國GRAVINER公司生產(chǎn)的主要用于檢測主機工況的監(jiān)測設(shè)備.主機一旦工作不正常，會立即報警并發(fā)出主機減速或主機停車指令，以保護主機.［3]Mark 5型油霧濃度探測器控制系統(tǒng)的工作原理見圖1.系統(tǒng)通過風機抽取主機汽缸曲軸箱內(nèi)潤滑油的油霧作為采樣，并將其送進檢測室，通過光電轉(zhuǎn)換裝置將油霧濃度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺蓡纹瑱C監(jiān)測并將監(jiān)測值與預(yù)設(shè)的參考值進行比較，控制輸出報警和顯示.油霧濃度可反映主機工況，當主機工況不正常時(如不正常的軸承磨損以及過熱等會導(dǎo)致主機曲軸箱內(nèi)溫度升高)，曲軸箱內(nèi)的潤滑油揮發(fā)，使油霧濃度增加，當濃度高于正常值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警、減速甚至停車信號.

圖1 Mark 5型油霧濃度探測器控制系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)以單片機為監(jiān)視報警的核心部件，具有采樣準確、執(zhí)行速度快以及自檢功能強大等優(yōu)點.單片機通過采樣通道選擇譯碼/驅(qū)動電路，選中1路采樣信號，在光電檢測室內(nèi)將油霧濃度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺儆呻娏?電壓轉(zhuǎn)換放大器和多增益放大器放大后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路.單片機將其檢測得到的數(shù)字信號與預(yù)設(shè)值進行比較，同時將此新檢測值用于平均值計算，再將新平均值與預(yù)設(shè)的平均值極限比較，如果超限，就輸出報警、減速甚至停車信號，并在液晶顯示器上顯示報警值和通道號;如未超限，則只顯示檢測值及通道號.

2 仿真對象的結(jié)構(gòu)設(shè)計

Mark 5型油霧濃度探測器仿真系統(tǒng)為2級分布式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)組成見圖2.第1級為計算機，由組態(tài)監(jiān)控軟件開發(fā)現(xiàn)場監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)，通過RS485通信線和下位機可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)串口通信;第 2級由下位機PLC和硬件盤臺組成.硬件盤臺的設(shè)計按實物界面1∶1設(shè)計，盤臺下部設(shè)有故障信號設(shè)置箱，內(nèi)有6個模擬船舶主機曲軸箱內(nèi)油霧濃度的電位計、1個氣路模擬信號變送單元、1個采樣系統(tǒng)故障模擬信號變送單元、1個光學(xué)系統(tǒng)故障模擬信號變送單元、1個靈敏度調(diào)節(jié)電位器和1個模擬方式測試信號發(fā)送電位器等裝置.各仿真信號通過輸入接口讀入PLC，經(jīng)邏輯判斷輸出2路，1路經(jīng)RS485通信線與上位機相連，1路直接輸出至硬件盤臺進行功能顯示.上位機操作系統(tǒng)選用Windows XP，監(jiān)控軟件選用KingView 6.5.計算機作為上位機可提供良好的人機界面進行全系統(tǒng)的監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置;PCI板卡和傳感器作為下位機，結(jié)構(gòu)簡單、信號來源直觀、執(zhí)行可靠.

圖2 油霧濃度探測器仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用國內(nèi)先進的KingView 6.5編寫.其為運行Windows 2000/XP的全中文界面的組態(tài)軟件，采用多線程和COM組件等新技術(shù)，具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序、靈活的組態(tài)方式和數(shù)據(jù)鏈接功能，可充分利用Windows的圖形編輯功能構(gòu)成監(jiān)控畫面;用其構(gòu)造監(jiān)控系統(tǒng)能大大縮短開發(fā)時間，并能保證系統(tǒng)的質(zhì)量.［4]

KingView 6.5將每臺下位機看作1個外部設(shè)備，通過驅(qū)動程序和外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)指令.每個驅(qū)動程序都是1個COM對象，使通信程序和kingView 6.5構(gòu)成1個完整的系統(tǒng)，既可以保證系統(tǒng)運行的高效率，也可以使系統(tǒng)達到較大規(guī)模.上位機主要由數(shù)據(jù)庫管理、通信管理和控制決策生成等功能模塊組成.數(shù)據(jù)庫用于存儲由傳感器采集的現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，并建立各缸油霧濃度歷史數(shù)據(jù)表供用戶對比查看.控制策略組態(tài)負責系統(tǒng)中控制子系統(tǒng)內(nèi)部的具體控制策略及某些控制參數(shù)的設(shè)定等(如故障報警控制模塊被設(shè)計成帶有組態(tài)思想的控制子系統(tǒng)，可以根據(jù)用戶在系統(tǒng)組態(tài)配置中的控制設(shè)備參數(shù)設(shè)置自動判斷各缸油霧濃度情況，自動選用合適的控制流程).

上位機監(jiān)控軟件具有良好的人機交互界面，主要對各控制站的狀態(tài)信號進行監(jiān)控，利用直觀的動態(tài)畫面模擬控制對象的工作狀態(tài)，實時處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)并實時報警，具備主機各缸曲軸箱內(nèi)油霧濃度數(shù)據(jù)顯示、探測器運行狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)查詢、報警提示和報警記錄查詢等功能.用戶可以在監(jiān)控界面上對各缸曲軸箱油霧濃度進行在線實時監(jiān)控，監(jiān)視學(xué)員的操作狀態(tài);可以通過報表查看過去相當長一段時間內(nèi)各缸油霧濃度變化數(shù)據(jù)和曲線，并分析判斷故障原因等.

2.2 下位機軟件設(shè)計

下位機位于硬件盤臺控制箱內(nèi)，包括各參數(shù)設(shè)置單元、變送單元、顯示單元、控制單元和執(zhí)行單元等.根據(jù)仿真對象的工作原理和仿真訓(xùn)練器的功能要求，控制單元選擇西門子S7-200CN，CPU226CN AC/DC/RLY.表1為PLC的I/O變量，該PLC具有功能強大、適應(yīng)性強、可靠性高、抗干擾能力強以及使用維修方便等優(yōu)點.［5]

表1 PLC的I/O變量

各缸曲軸箱內(nèi)油霧濃度環(huán)境是個多變量、多耦合、非線性和大滯后的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此，本文利用PLC循環(huán)掃描的特點，將所測模擬狀態(tài)實際值和設(shè)定值作比較，并根據(jù)比較結(jié)果采取相應(yīng)的執(zhí)行方案，其邏輯原理見圖3.下位機將實時采集的數(shù)據(jù)送PLC處理后，由硬件盤臺和上位機同步顯示，并接受上位機的控制和相關(guān)操作.此外，下位機也可以脫離上位計算機獨立工作，控制系統(tǒng)按預(yù)設(shè)程序自主運行下位機決策程序，對探測器實現(xiàn)全自動控制.以PLC為核心的下位機控制軟件采用西門子的LAD語言和STL語言編制.［6]各參數(shù)設(shè)置單元采用電位計模擬的結(jié)構(gòu)實施，整個系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)采用基于RS485通信線的組態(tài)模式.

圖3 仿真訓(xùn)練器邏輯原理

3 仿真運行結(jié)果分析

以平均濃度報警監(jiān)測為例，將靈敏度調(diào)節(jié)電位器調(diào)至5擋，即平均油霧濃度報警值設(shè)為1.0 mg/L，同時通過偏差電位器將偏差報警值設(shè)為0.1 mg/L.系統(tǒng)啟動后將3號缸油霧濃度仿真信號變送器信號增大，其油霧濃度監(jiān)測曲線見圖4.

圖4 3號缸油霧濃度監(jiān)測曲線

由圖4可知，最初該缸油霧濃度信號不斷增大，12 s時油霧濃度達到1.0 mg/L，此時上位機檢測界面中給出3號缸平均濃度報警，觸發(fā)軟件面板上3號缸平均濃度報警指示燈亮，并給出聲光報警，同時主機減速運行.隨著3號缸模擬油霧濃度輸入不斷增大，17.5 s時3號缸油霧濃度值超過1.1 mg/L，觸發(fā)偏差報警.應(yīng)答后，將3號缸油霧濃度仿真信號調(diào)整為正常值，并按復(fù)位按鈕，系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài).

4 曲軸箱油霧濃度探測仿真訓(xùn)練器的功能

(1)提供1套完整的曲軸箱油霧濃度探測器操作系統(tǒng)，具有與實物相同的可操作化軟硬面板，便于學(xué)員熟悉油霧濃度探測器的面板功能;

(2)通過軟件模擬，學(xué)員能學(xué)習和了解曲軸箱油霧濃度探測器的基本工作原理;

(3)實現(xiàn)船舶主機運行時探測器實時監(jiān)控的仿真功能，通過探測器的啟動、運行、測試和復(fù)位，包括指示燈、報警器和參數(shù)顯示器等的真實顯示，學(xué)員可以獲得各種真實的感覺;

(4)實現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)的功能，包括靈敏度調(diào)節(jié)、各缸平均濃度報警值調(diào)節(jié)和偏差報警值調(diào)節(jié)等;

(5)利用軟硬盤臺的同步顯示功能，教師能實時了解學(xué)員的操作情況并調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，如進行平均濃度報警、偏差濃度報警、氣路故障和光路故障等的設(shè)置;

(6)學(xué)員通過觀察仿真訓(xùn)練器工作運行狀態(tài)判斷故障原因，掌握排除故障的方法，提高分析和處理異常事件的能力.

5 結(jié)束語

目前，曲軸箱油霧濃度探測仿真訓(xùn)練器已成功應(yīng)用于輪機工程技術(shù)專業(yè)的日常教學(xué)和船員培訓(xùn)工作，由于其可以充分模擬船舶主機現(xiàn)場控制狀態(tài)，人機界面友好，使用中獲得了較好的效果，可以為小型設(shè)備仿真訓(xùn)練器的開發(fā)提供借鑒.

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