基于SE2000的氣動(dòng)主機(jī)遙控仿真訓(xùn)練系統(tǒng)

喬紅宇

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

1 引言

主機(jī)遙控系統(tǒng)的維護(hù)管理是輪機(jī)員（大管輪）的最重要職責(zé)[1]。氣動(dòng)操縱系統(tǒng)是整個(gè)主機(jī)遙控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來執(zhí)行主機(jī)起動(dòng)、換向、制動(dòng)、停車及調(diào)速等控制指令。系統(tǒng)閥件眾多、邏輯關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)缺乏實(shí)踐性、直觀性，教學(xué)效果不佳。為了提高船員主機(jī)操縱系統(tǒng)的使用、管理、維護(hù)及故障排除能力，開展甲類大管輪“主機(jī)遙控系統(tǒng)的操縱”的項(xiàng)目培訓(xùn)和評(píng)估，開發(fā)了基于SE2000的MAN B&W 90MC-C柴油機(jī)主機(jī)氣動(dòng)操縱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該系統(tǒng)的仿真，以幫助學(xué)員盡快地熟悉系統(tǒng)工作原理，有效地使用、管理及維護(hù)系統(tǒng)，正確處理典型故障，確保船舶運(yùn)營(yíng)的安全性[2-3]。

2 氣動(dòng)主機(jī)遙控仿真訓(xùn)練系統(tǒng)組成

氣動(dòng)主機(jī)遙控仿真訓(xùn)練系統(tǒng)以12K90MC-C柴油主機(jī)的主機(jī)遙控系統(tǒng)為仿真母型，采用以實(shí)物為主導(dǎo)的虛實(shí)結(jié)合模式的結(jié)構(gòu)，主要包括硬件盤臺(tái)設(shè)備以及軟件控制模型。其中硬件盤臺(tái)設(shè)備主要有：仿真模擬示教屏、控制盤臺(tái)（集控室、駕駛臺(tái)、機(jī)旁三個(gè)控制地點(diǎn)）、計(jì)算機(jī)（包括服務(wù)器及接口計(jì)算機(jī)）、I/O 接口電路板等。

主機(jī)氣動(dòng)操縱仿真系統(tǒng)是采用S/C（服務(wù)器/客戶端）結(jié)構(gòu)的仿真系統(tǒng)，其中教練員工作站為整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)器也兼作監(jiān)控計(jì)算機(jī)，接口計(jì)算機(jī)是客戶端。仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊采用ISA 總線架構(gòu)，采用TCP/IP協(xié)議，通過網(wǎng)線及智能接口機(jī)箱中的數(shù)據(jù)采集板卡，可以實(shí)現(xiàn)教練員工作站→接口計(jì)算機(jī)→硬件盤臺(tái)設(shè)備及顯示設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊。控制臺(tái)及仿真模擬屏上的車鐘、開關(guān)按鈕、旋鈕等信號(hào)首先通過數(shù)字量及模擬量通道輸入到接口計(jì)算機(jī)中，接口機(jī)處理后再送往教練員工作站，由仿真運(yùn)算得到系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)和控制指令，然后將控制指令以及仿真運(yùn)行得出的顯示信號(hào)輸送至控制盤臺(tái)及模擬仿真屏上的相關(guān)設(shè)備。數(shù)據(jù)的采集、傳送、轉(zhuǎn)換及通信的刷新速率可達(dá)40 ms。

數(shù)據(jù)處理可以分為模擬量以及數(shù)字量?jī)煞N，系統(tǒng)中采用三種接口卡/通信卡，分別是PCL722、PCL727、PCL813。其中，PCL722可以提供144路并行數(shù)字輸入/輸出，具有6個(gè)連接端口，每個(gè)端口有24路I/O 口，本系統(tǒng)中采用PCL722來實(shí)現(xiàn)所有數(shù)字輸入/輸出信號(hào)（DO/DI）的通訊，如按鈕、旋鈕狀態(tài)、顯示光帶的亮滅等；PCL727是一款具有12路12位的模擬量輸出通道的全長(zhǎng)卡，卡上的DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠確保可靠的10 V模擬量輸出，本系統(tǒng)采用PCL727實(shí)現(xiàn)模擬量輸出（AO），如氣壓表讀數(shù)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)；PCL813是一款32路單端帶隔離的模擬量輸入卡，廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室，如傳感器輸出量監(jiān)測(cè)、過程監(jiān)控、瞬態(tài)分析等方面，本系統(tǒng)采用PCL813實(shí)現(xiàn)各種模擬量輸入（AI），比如車鐘指令、調(diào)速器油門開度等。

圖1 氣動(dòng)主機(jī)遙控仿真訓(xùn)練系統(tǒng)組成框架圖

3 仿真模型及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括主機(jī)遙控仿真模型、主機(jī)遙控監(jiān)控模型，這些軟件模型以Auto Chief-IV主機(jī)遙控系統(tǒng)、DGS8800e電子調(diào)速器系統(tǒng)及SSU8810主機(jī)安保系統(tǒng)為仿真母型，其中：仿真模型以FORTRAN 90為開發(fā)語言，在SE 2000（Simulation Engine）仿真平臺(tái)下運(yùn)行；監(jiān)控程序以Visual C++為開發(fā)語言，實(shí)現(xiàn)對(duì)12K90MC-C型主機(jī)氣動(dòng)操作系統(tǒng)的完全仿真。

SE2000是介于仿真系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)之間的工具軟件，它提供了專用的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)、可視化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示、在線數(shù)據(jù)修改、模型調(diào)試、圖形化的建模環(huán)境并具備功能齊全的仿真功能，主要應(yīng)用對(duì)象為大型科學(xué)計(jì)算、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控以及連續(xù)過程仿真系統(tǒng)。在FORTRAN 90環(huán)境下開發(fā)出的氣動(dòng)主機(jī)遙控仿真模型導(dǎo)入至SE2000仿真平臺(tái)下運(yùn)行即可實(shí)現(xiàn)仿真訓(xùn)練功能，完成對(duì) 12K90MC-C柴油主機(jī)氣動(dòng)操作系統(tǒng)的仿真，仿真逼真程度及訓(xùn)練效果取決于其控制邏輯的完善程度。另外，依托 SE2000的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，還可以實(shí)現(xiàn)工況的讀取與保存、模型的運(yùn)行與停止、模型的凍結(jié)與解凍、故障設(shè)置與清除等進(jìn)程管理功能。

本系統(tǒng)中，由于服務(wù)器與監(jiān)控計(jì)算機(jī)是公用的，所以軟件系統(tǒng)中的仿真模型以及監(jiān)控程序?qū)嶋H上在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，他們之間通過接口函數(shù)進(jìn)行變量的數(shù)據(jù)通訊，然后再借助于進(jìn)程通訊實(shí)現(xiàn)彼此之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)仿真模型及監(jiān)控程序所需要的實(shí)時(shí)參數(shù)及狀態(tài)變量通過數(shù)據(jù)采集板卡采集后，經(jīng)接口計(jì)算機(jī)通過TCP/IP協(xié)議傳輸至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通訊。整個(gè)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)主機(jī)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)軟件架構(gòu)

4 仿真模型控制邏輯及監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

控制邏輯是整個(gè)氣動(dòng)主機(jī)遙控仿真模型的核心，它反映了氣動(dòng)主機(jī)遙控系統(tǒng)的工作原理，也是實(shí)現(xiàn)學(xué)員實(shí)訓(xùn)功能的前提和基礎(chǔ)。在氣動(dòng)主機(jī)遙控操縱系統(tǒng)中，主機(jī)的起動(dòng)、換向、停車、速度與負(fù)荷控制等控制動(dòng)作均需要滿足一定的邏輯條件，在實(shí)物顯示上就是相關(guān)的閥件狀態(tài)以及按鈕、旋鈕切換到位，在軟件系統(tǒng)中，通過對(duì)實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，編制控制程序，使之能夠完全反映12K90MC 型主機(jī)氣動(dòng)操縱系統(tǒng)的實(shí)際工作過程，并且通過與外界盤臺(tái)設(shè)備以及模擬顯示屏結(jié)合展示實(shí)訓(xùn)功能，培養(yǎng)大管輪關(guān)于氣動(dòng)主機(jī)遙控系統(tǒng)的維護(hù)管理能力，提高其職業(yè)技能與素養(yǎng)。以正車起動(dòng)控制邏輯為例，在實(shí)際系統(tǒng)中，可以進(jìn)行起動(dòng)控制的閥件有三個(gè)：集控室的起動(dòng)機(jī)控閥V63、駕駛臺(tái)起動(dòng)電磁閥V101、機(jī)旁起動(dòng)手操閥V90。同時(shí)為保證起動(dòng)順利進(jìn)行，還需要以下起動(dòng)控制邏輯條件：1)控制氣源閥V1打開；2)起動(dòng)切斷閥V118打開；3)起動(dòng)空氣無低壓報(bào)警P112；4)盤車機(jī)脫開V115；5)遙控(集控或駕控)正車起動(dòng)時(shí)，空氣分配氣處于正車到位V55，主機(jī)己停油Vll7受控。由此可得正車起動(dòng)邏輯：

在完整的控制邏輯支配下，氣動(dòng)主機(jī)操縱仿真訓(xùn)練系統(tǒng)將與實(shí)際系統(tǒng)一致進(jìn)行，具備了仿真訓(xùn)練的基本條件。為了完善實(shí)訓(xùn)功能，提高實(shí)訓(xùn)水平，方便教學(xué)及培訓(xùn)，系統(tǒng)還通過硬件盤臺(tái)設(shè)備以及監(jiān)控界面為學(xué)生提供友好的人機(jī)之間的交流與互動(dòng)，同時(shí)監(jiān)控程序不僅對(duì)仿真模型進(jìn)行參數(shù)顯示及監(jiān)控，還提供了微機(jī)型主機(jī)遙控系統(tǒng)的主要維護(hù)管理技能培訓(xùn)功能。圖3中左圖反映了Auto Chief-IV 主機(jī)遙控系統(tǒng)監(jiān)控主界面的運(yùn)行狀態(tài)；右圖則反映了集控室操作的監(jiān)控界面，圖中車鐘及旋鈕與硬件盤臺(tái)設(shè)備相聯(lián)，可以通過本界面看出主機(jī)遙控系統(tǒng)的相關(guān)信息。

5 功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要以培訓(xùn)學(xué)員的主機(jī)遙控系統(tǒng)維護(hù)管理能力為目的，從原理、操作以及故障或處理等各方面對(duì)原實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行仿真，主要功能也是從培訓(xùn)目的出發(fā)。主要培訓(xùn)功能包括以下幾點(diǎn)：

（1）操縱地點(diǎn)的切換。本系統(tǒng)中，有三個(gè)地點(diǎn)可以操縱主機(jī)分別是駕駛臺(tái)、集控室和機(jī)旁操縱，可以完整體現(xiàn)起動(dòng)、換向、制動(dòng)、轉(zhuǎn)速控制、停車等工況下系統(tǒng)各閥件和設(shè)備的動(dòng)作過程和與實(shí)際系統(tǒng)相同的邏輯關(guān)系。

圖3 氣動(dòng)主機(jī)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)監(jiān)控界面（左-AC-IV監(jiān)控主界面；右-集控室操作界面）

（2）故障設(shè)置與處理功能。根據(jù)故障樹分析方法，在實(shí)船調(diào)研與相關(guān)專家咨詢調(diào)查的基礎(chǔ)上，確定以氣源單元、起動(dòng)單元、換向單元、停車單元、調(diào)速單元、VIT機(jī)構(gòu)、安保系統(tǒng)故障作為故障組，所有的故障構(gòu)成故障庫(kù)；系統(tǒng)具有開放性，可以隨時(shí)根據(jù)需要添加新的故障。

（3）其他功能。系統(tǒng)可完成的其他功能主要包括：主機(jī)故障停車（SHUT DOWN）、故障減速（SLOW DOWN）、減缸運(yùn)行、封缸運(yùn)行、可變噴油定時(shí)控制（VIT）、盤車機(jī)操作、完車操作等。

6 小結(jié)

本文介紹了基于SE2000的氣動(dòng)主機(jī)遙控仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了本系統(tǒng)的硬件組成、數(shù)據(jù)通訊方式、軟件部分組成，并在此基礎(chǔ)上分析了本系統(tǒng)的培訓(xùn)功能。本系統(tǒng)可以完成大管輪《輪機(jī)自動(dòng)化》適任考試評(píng)估中主機(jī)遙控部分各個(gè)項(xiàng)目的培訓(xùn)及評(píng)估要求，目前已為4屆近200人提供了訓(xùn)練及評(píng)估平臺(tái)，取得了很好的仿真訓(xùn)練效果。

[1] 陳立軍，黃學(xué)武，鄭華耀. 多重網(wǎng)絡(luò)型船舶主機(jī)遙控仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā). 船舶工程, 2009(6)：52-55.

[2] 高海波，陳輝，唐洪，尚前明.大型船用主機(jī)氣動(dòng)操縱系統(tǒng)的仿真.天津航海, 2007, (1):20-23.

[3] 凌君誼.MAN B&W 12K90MC型船用主機(jī)氣動(dòng)操縱系統(tǒng)的仿真.中國(guó)水運(yùn), 2009, (1):117-118.