基于仿真技術的PMS工廠驗證方法

吳道丞

(鎮江船舶電器有限責任公司，江蘇 鎮江 212002)

基于仿真技術的PMS工廠驗證方法

吳道丞

(鎮江船舶電器有限責任公司，江蘇 鎮江 212002)

基于目前石油平臺、海洋工程類船舶用電設備多，功率大，電網結構復雜，并聯運行的發電機臺數多，功率管理系統的程序設計難度大，且生產廠家難以實現功能驗證等現狀，提出了一種以仿真技術實現功率管理系統的工廠驗證方法。該方法已成功應用于實際工程系統， 驗證的正確性達95%以上，系泊實驗時間縮短至1～2天，效果顯著。

功率管理系統；仿真；工廠驗證

0 引言

隨著新材料、新工藝的飛速發展，船舶噸位越造越大，功能越來越強，船舶電網呈現出用電設備多，功率大，電網結構復雜等特點，特別是石油平臺與海洋工程類船舶并聯運行的發電機臺數多，功率管理系統(PMS)的邏輯運算極其復雜，程序設計難度大。對于制造商來說，程序設計好后，在工廠中也難以驗證其功能，往往依賴于系泊實驗。這種狀況，勢必造成系泊實驗周期延長，實驗期間長時間開動發電機與負載設備，會耗費大量的人力、物力、財力；同時，船舶建造期的條件也會限制實驗的進行，可能會有部分功能測試不全、故障未排除的情況，給PMS將來的可靠運行留下隱患。為此，有必要研究一種方法，使PMS設備在工廠中就能得到有效驗證。借鑒其他學科領域的經驗，仿真驗證應是一種行之有效的方法。

1 仿真技術在船舶工業中的作用

仿真又稱為模擬，是利用模型復現實際系統中發生的本質過程，并通過模型來研究存在的或設計中的系統。

仿真技術廣泛應用于諸多學科，發揮了重要作用。如在航空領域，采用仿真技術使大型客機的設計和研制周期縮短20%；在航天領域，采用仿真實驗代替實彈試驗可使實彈試驗的次數減少80%；利用飛行仿真器可在地面訓練飛行員，并且可在仿真器上設置故障，培養飛行員應付空中故障的能力。借鑒這些領域的成功經驗，利用仿真技術來研究船舶PMS復雜控制系統,也能發揮巨大的作用。

1.1 解決產品工廠驗證問題

功率管理系統為電網的管理中心，其控制對象不僅有發電機、配電板，還包括推進在內的各種負載設備。這些設備一般不由功率管理系統的制造商供貨，所以難以將這些設備集中在一起實現聯調，工廠驗證成為難題，只能寄希望于系泊實驗。以仿真技術建立發電、配電、用電的仿真設備，就能實現PMS的工廠驗證，并且能有效降低系泊實驗周期與調試費用。

1.2 縮短產品設計開發周期

仿真設備建立后，可以通過不同組合，仿真不同船型的設備配置與電網結構，驗證開發中的PMS產品，做到邊開發邊驗證，能有效縮短開發周期。

1.3 提高船員培訓的效率

通過建立數字化仿真設備，使操作界面與實船完全一致，但又不必像實船培訓一樣開動設備。這種培訓模式不但可以加快學員對設備的了解，提高學員的實際操作能力，還能大大降低培訓成本，改善培訓環境。另外，仿真器所特有的安全性也是一個重要優點，培訓中可以人為模擬一些故障，培訓船員實船應變處理能力。

2 仿真的方法

仿真的方法很多，適用于功率管理系統的仿真方法主要有小比例物理仿真和軟件仿真。

2.1 物理仿真

物理仿真是用具體的硬件設備，如小比例發電機、水電阻箱、信號開關板、儀表盤、電流發生器等模擬實際設備的運行狀態，以驗證功率管理系統的功能。這種方法用于小型的功率管理系統問題不大，但其主要缺點是投資費用較高，仿真時操作繁瑣。

2.2 軟件仿真

對于功能復雜的大中型功率管理系統來說，其控制的發電機至少5臺以上，多電制、分區供電的配電板有幾十屏，側推與重載工程設備很多，被控對象間關聯密切，需要模擬的信號很多，物理仿真實現困難，采用軟件仿真則能很好地解決這一問題。

軟件仿真只需1臺普通電腦，安裝組態軟件，并與功率管理系統建立通訊。在組態軟件中以畫面的形式建立發電機、配電板、用電設備等圖形模型，并在圖形中設置輸入輸出人機對話窗口。輸入值對應于設備被控后的特征，如發電機的功率值；輸出值對應于設備的運行參數，如發電機運行信號，這樣就建成了軟件仿真設備。仿真驗證時，以開關合閘為例，合閘前PMS需檢測開關位置(運行參數)，故仿真設備需送出開關位置信號，經邏輯運算后PMS發出合閘命令，仿真設備畫面則由分閘狀態顯示為合閘狀態(被控后的特征)，這樣，仿真設備就可替代實際設備驗證PMS。

以軟件建立的仿真設備，其數量幾乎不受限制，驗證操作全部在電腦上完成，反應速度快，圖形直觀，非常適合于驗證大型功率管理系統，并且投資費用少。

3 軟件仿真的關鍵技術

PMS基本由信號采集輸入、邏輯運算、邏輯輸出3部分構成，其中邏輯運算是主體部分，是PMS的功能所在，也是需要驗證的對象。保證仿真驗證的邏輯運算能直接應用于工程系統，是軟件仿真的關鍵技術。

在實際工程系統中，PMS是通過物理輸入接口采集發電機、配電板、負載設備的運行參數，如發電功率、電網狀態、用電負荷等，經過邏輯運算后，再通過物理輸出接口輸出指令來控制相應的實際設備。在軟件仿真中，仿真設備的運行參數是通過通信接口被功率管理系統采集，經過邏輯運算后，控制指令又以通信的方式輸出給被控的仿真設備。兩者的區別是輸入、輸出信號流向不同，實際工程系統的輸入輸出信號是通過物理接口與實際設備關聯，仿真時是通過通訊接口與仿真設備關聯，見圖1。所以解決信號流向的轉換問題，保證邏輯運算部分不受信號流向轉換的影響，就能使仿真驗證的邏輯運算直接用于工程系統，這點成為軟件仿真的關鍵技術。

圖1 物理接口與仿真接口

信號流向的轉換實質是接口的切換。要想達到接口切換不影響邏輯運算的目的，則接口不能直接參與邏輯運算，所以可以設中間變量，由中間變量來參與邏輯運算，其原理示意如圖2所示。

圖2 接口切換原理示意圖

仿真時，接通仿真輸入接口，仿真設備的運行參數傳遞給變量A，由變量A參與邏輯運算，邏輯運算的結果為變量B，變量B經仿真輸出接口控制仿真設備。實際工程應用時，接通的是物理接口，但實際設備的輸入信號也只與變量A關聯，輸出信號只與變量B關聯，與邏輯運算部分無關。這樣，只要在PMS中增加接口轉換控制程序，經仿真驗證的PMS，就能直接應用于工程系統，工廠仿真驗證變為現實。

4 仿真的效果

以仿真技術實現PMS的工廠驗證后，能取得如下效果：

(1)功能正確性達95%以上。

(2)系泊實驗時間縮短至1～2天。

(3)節約燃油、節省人力等達幾十萬元。

按照以上方法，作者以軟件仿真的方法實現了多套PMS的工廠驗證，并應用于實船。如2011年仿真驗證了1套PMS，成功應用于11 888 m3絞吸式挖泥船上。該船2套主機為一拖三形式，主電網為690 V與400 V 2種電制，另配有輔助發電機和停泊發電機；供電模式共8種，其中7 種要求互切，水泵、風機也要求納入PMS管理。PMS輸入輸出點數近900點，屬于中型PMS。系泊實驗過程非常順利，一天內完成所有供電模式切換與輔機泵組的自動控制，較常規一周以上的系泊實驗時間，效率提高數倍。

5 結語

以軟件建立仿真設備驗證PMS，方法簡單，投資小，效果好，是設計開發的有力工具，在船舶自動化領域具有廣泛的應用前景。

[1] 黃中玉.PLC應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2] 黃向華.控制系統仿真[M].北京：航空航天大學出版社，2008.

[3] 李笑.控制系統數字仿真[M].沈陽：東北大學出版社，1999.

2013-08-07

吳道丞(1971-)，男，工程師，從事船舶電氣與自動化設備設計開發工作。

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