一種虛實結合的船舶輔鍋爐操作訓練系統設計*

鄒文俊，李建偉，林洪貴

（1.集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021；2.青島港灣職業技術學校 輪機工程系，山東青島 266000）

一種虛實結合的船舶輔鍋爐操作訓練系統設計*

鄒文俊1，李建偉2，林洪貴1

（1.集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021；2.青島港灣職業技術學校 輪機工程系，山東青島 266000）

針對當前航運院校和船員培訓機構輔鍋爐模擬訓練系統操作真實性差或實體鍋爐訓練成本高、代價大的現狀，設計出了一種虛實結合的船舶輔鍋爐操作訓練系統，控制對象輔鍋爐采用虛擬三維實景顯示，控制系統采用實物PLC控制，建立了船舶輔鍋爐系統的三維實體模型、數學模型和PLC控制模型，解決了三維實體模型和PLC控制系統與數學模型的數據交互問題，達到不失操作真實性的前提下大大降低訓練成本的目的。

輔鍋爐；虛實結合；PLC；VR-Platform

0 引言

船舶輔鍋爐是船舶動力裝置中的重要組成部分，產生的飽和蒸汽用于驅動蒸汽輔機、加熱燃油、滑油以及滿足日常生活[1]。輔鍋爐的操作訓練是船員培訓的一項重要內容，目前大部分航運院校和船員培訓機構都是以輪機模擬器中輔鍋爐模擬系統操作訓練為主，實體鍋爐作為輔助培訓。輪機模擬器中輔鍋爐模擬系統目前大多采用輔鍋爐控制箱結合動態圖解板操作實現，或采用純軟件系統通過鼠標鍵盤操作實現，無論哪種模擬方式都與實體輔鍋爐操作真實性相差較大。而采用實體鍋爐操作訓練存在訓練成本高、代價大的弊端[2]，主要體現在購買設備價格昂貴，反復操作訓練縮短設備使用壽命，可能因操作不當損壞設備，設備維護管理費用高[3]，本文在此基礎上提出一種虛實結合的船舶輔鍋爐操作訓練系統。

1 系統整體架構

虛實結合的船舶輔鍋爐操作訓練系統整體架構如圖1，控制系統采用PLC控制技術，輔鍋爐系統作為控制對象采用3ds Max軟件進行三維實體建模，通過虛擬現實編輯器平臺VR-Platform實現人機交互功能，船舶輔鍋爐數學模型接收來自硬件PLC的控制信號和虛擬輔鍋爐的操作數據，經處理后將運算結果一方面返還給控制系統進行監控，另一方面送往虛擬輔鍋爐系統進行三維實景顯示。

圖1 虛實結合的船舶輔鍋爐操作訓練系統架構

船舶輔鍋爐三維虛擬場景和數學模型最后在Visual C++開發環境下封裝成可執行文件，運行在壁掛式多媒體播放終端液晶觸摸屏上，操作人員可直接通過觸摸操作三維輔鍋爐系統中閥門、熱水井蓋等可操作設備，通過三維實景漫游了解輔鍋爐系統管路和設備，觀測設備運行狀態。通過輔鍋爐PLC控制箱給出控制命令操縱虛擬輔鍋爐系統的給水泵、風機、燃油電磁閥、點火變壓器等控制設備，系統運行效果如圖2。

圖2 輔鍋爐操作訓練系統效果圖

2 船舶輔鍋爐系統建模

2.1 船舶輔鍋爐系統三維實體建模

輔鍋爐三維實體采用3ds Max三維建模軟件創建，主要建模對象包括鍋爐本體、燃油供給系統、給水系統、凝水系統、排污系統和蒸汽供給系統。鍋爐本體包括爐膛、蒸發受熱面、蒸汽過熱器、省煤器、空氣預熱器、安全閥、壓力表等；燃油供給系統包括燃油升壓泵、預熱器、過濾器、相關的閥門和管路；給水系統包括熱水井、給水泵、水位計、相關的閥門和管路；凝水系統包括冷凝器、相關閥門及管路；排污系統包括上、下排污閥及相關管路；蒸汽供給系統包括主供汽閥、蒸汽分配箱、相關閥門和管路。

在輔鍋爐三維實體建模過程中，對于規則的對象（如鍋爐本體、直管等）盡量采用減少端面和軸向分段數的簡化模型，對于帶曲面的對象（如彎管）應保證曲面處為等邊三角形網格，對于輔助性對象（如滑鐵板、天花板）采用單面模型替代，這樣可以減少后期模型面數優化的工作量；通過“合并”和“塌陷”方法優化模型個數，提高模型導入導出速度；通過材質處理進行貼圖優化，最后通過烘焙處理得到運行流暢的輔鍋爐系統三維實景，最終得到的輔鍋爐系統三維實景效果如圖2觸摸屏畫面所示。

2.2 船舶輔鍋爐系統數學建模

虛實結合的船舶輔鍋爐操作訓練系統最大的特點是控制對象虛擬化，必須將實際輔鍋爐系統的工作過程通過數學模型仿真出來，因此輔鍋爐系統數學仿真模型的精度決定了運行的效果。對輔鍋爐系統的數學仿真建模主要包括：（1）汽泡水位、汽泡蒸汽壓數學模型；（2）鍋爐燃燒系統數學模型；（3）燃油供給系統數學模型；（4）燃油加熱系統數學模型；(5)給水系統數學模型；（6）電力系統模型。其中系統管路數學模型以邏輯運算為主，比較簡單，重點是對設備物理過程的建模，本文以鍋爐燃燒系統數學建模為例作介紹。

燃油在輔鍋爐爐膛內燃燒時情況異常復雜，要得到較高的仿真精度和實時性相當困難。對于濃度場、溫度場和燃燒過程，采用零維模型進行簡化處理，得到如下方程。

爐膛煙氣的平均溫度Tfa：

式（1）中：

Kf—有關受熱面積等因素的系數；

Bc—燃油消耗量；

Qg—每公斤燃料所產生的熱量。

爐膛出口煙氣的溫度Tfo：

式（2）中：

h—某時刻的火焰中心高度計算值；

d—燃燒器中心線處爐膛的當量直徑。

輻射釋放的熱量：

式（3）中：

Kr—隨負荷等變化的輻射傳熱系數。

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

輔鍋爐控制系統采用Haiwell S系列PLC，經統計，鋪鍋爐控制箱I/O點數為：19路數字量輸入，24路數字量輸出和4路模擬量輸出。PLC控制系統硬件配置為：CPU模塊采用S16ZS220T型，帶有8路開關量輸入和8路晶體管輸出，并且有1個RS232通訊端口和1個RS485通訊端口；數字量輸入模塊S24XD024T 1塊，帶12路開關量輸入和12路晶體管輸出；數字量輸出模塊S08DO024T 1塊，帶8路晶體管輸出；模擬量輸出模塊S04AO 1塊，4路模擬量輸出，支持4～20 mA、0～20 mA、1～5 V、0～5 V、0～10 V和-10～10 V標準電流電壓信號。

3.2 控制功能設計

輔鍋爐的控制功能通過編程軟件HaiwellHap?py梯形圖編程實現，具體實現的控制功能包括：（1）鍋爐水位控制；（2）鍋爐氣壓控制；（3）燃燒時序控制；（4）停爐控制；（5）安全保護；（6）手動控制。其中，鍋爐水位采用雙位控制，鍋爐氣壓正常時采用比例控制，低氣壓時采用雙位控制，安全保護包括鍋爐水位危險水位和風壓過低故障停爐保護。以燃燒時序自動控制為例，控制流程圖如圖3，包括預掃風、預點火、點火和預熱、正常燃燒時的負載控制四個過程。控制功能主要梯形圖實現如圖4，通過定時器T0完成燃燒的時序控制，定時器T1在點火7 s后未成功給出停爐指令，程序中內部繼電器M100～M105是給相應控制設備的控制命令，M200～M207是從控制設備反饋回來的控制信號。

4 人機交互的實現

人機交互包括兩方面：一是人直接通過觸屏操作船舶輔鍋爐系統三維實景中的可操作設備（如各種手動控制閥、熱水井蓋等）；二是人通過控制箱控制三維實景中的電控設備（如電磁閥、風機、泵等）。交互是通過Visual C++的MFC框架來實現的，VR-Platform提供VRP-OCX組件和Hailwell PLC提供的HaiwellPLCcomm組件可嵌入到MFC窗口，兩個組件為VRP-Platform和PLC與船舶輔鍋爐系統數學模型提供了數據交互的接口函數。

圖3 燃燒時序自動控制流程圖

在3ds Max中創建的三維實景設備通過剛體、柔體編輯器進行動作設置，三維實景模型導入到VR-Platform中，在VR-Platform中采用方向包圍盒法進行碰撞檢測，VR-Platform編輯器通過調用函數的方式編寫動作腳本，通過調用系統函數實現初始化設置、變量的定義，通過調用觸發函數實現虛擬操作，通過自定義函數實現一些復雜操作。MFC中調用void CRemoteTestDlg::OnButton?StartVrp()函數來啟動輔鍋爐系統三維實景，觸屏操作或條件觸發虛擬場景的觸發事件，觸發事件通過“發送到VRP”的void CRemoteTestDlg::On?ButtonSendScriptToClients()函數發送腳本函數至VR-Platform，VR-Platform調用觸發函數，使得其根據變量來更新其三維實景模型狀態。手動操作鍋爐主供汽閥交互代碼如下：

//*先給VR-Platform中的主蒸汽閥變量MV_MainSteam設置值*//

//*將腳本發送到VR-Platform*//

圖4 燃燒時序自動控制梯形圖

//*調用VR-Platform里的內部函數，使得其根據變量來更新其輔鍋爐狀態*//

//*發送到VR-Platform*//

Hailwell PLC與輔鍋爐數學模型的交互是通過串口通訊實現，通過RS232轉USB的通訊線將Hailwell PLC的RS232通訊端口與壁掛式多媒體播放終端的USB通訊端口連接起來，在輔鍋爐PLC編程環境中設置PLC地址為“1”，設置通訊端口為“COM1”，通訊速率為“19 200 bit/s”，通訊協議采用Modbus RTU，格式采用“N，8，2，RTU”。

5 結束語

虛實結合的船舶輔鍋爐操作訓練系統在不失操作真實性的前提下可大大降低訓練成本，采用虛擬現實技術，實現鋪鍋爐三維實景交互，采用可靠性高的PLC控制技術，可實現多次重復操作而對設備不造成損害，可方便應用于船員對輔鍋爐系統的操作訓練。同時該操作訓練系統可擴展性強，主要體現在：一是可在輔鍋爐系統數學模型中增加故障模型，設置故障給學員分析處理，提高學員應急處理水平；二是可增加考核評估模塊，對最終操作結果進行成績評定，提高訓練效果；三是可將輔鍋爐PLC控制箱采用三維模型替代，構成純三維輔鍋爐交互實景，通過VPIE網絡平臺，以B/S架構發布到網絡上，這樣學員可不受訓練時間和場地的影響，可隨時通過互聯網進行操作訓練。

［1］費千.船舶輔機［M］.大連：大連海事大學出版社，2004.

［2］劉耀周，劉延宏，趙宏武.操作響應模型在虛擬操作訓練系統中的應用［J］.計算機工程，2006，32（3）：267-269.

［3］馬立元.大型復雜裝備虛擬操作訓練系統設計方法研究［D］.南京：南京理工大學，2006.

Design for a Combination of Virtual and Physical Marine Auxiliary Boiler Operation Training System

ZOU Wen-jun1，LI Jian-wei2，LIN Hong-gui1
（1.Marin Engineering Institute，Jimei University，Xiamen361021，China；2.Department of Marine engineering，Qingdao Harbor Vocational and Technical College，Qingdao266000，China）

In order to solve the current problem with the poor operation authenticity of the auxiliary boiler simulator and the high cost of entity boiler in shipping colleges and crew training institutions，this paper designed a combination of virtual and physical ship auxiliary boiler operation training System.The auxiliary boiler was displayed with virtual 3D model and was controlled by physical PLC.In the paper，the 3D solid models，mathematical models and control models of the marine auxiliary boiler were established，the problem of data interaction among the 3D entity model，the PLC control system and the mathematical model were good solved.Finally，it achieved the purpose of greatly reduce training cost without losing authenticity of operation.

auxiliary boiler；combination of virtual and physical；PLC；VR-Platform

U664.5

：A

：1009－9492(2014)12－0179－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.046

鄒文俊，男，1985年生，江西豐城人，碩士，助理實驗師。研究領域：虛擬仿真、船舶自動化、機電一體化。

(編輯：王智圣)

*福建省自然科學基金項目（編號：2014J01203）

2014－11－05