虛擬船舶中壓電站系統設計

郭家建，李婷云

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虛擬船舶中壓電站系統設計

郭家建，李婷云

（福建船政交通職業學院，福州 350007）

虛擬船舶中壓電站系統以實際船舶的中壓電站為原型。系統利用組態軟件PIMS作為開發平臺，通過數據庫構建、人機交互界面設計及程序腳本的編寫，實現虛擬船舶中壓電站系統的各項操作功能。本系統是一個開放的系統，功能可以拓展。系統可以網絡發布，在學員培訓方面具有良好的應用前景。

船舶 中壓電站 虛擬

0 引言

隨著船舶的大型化、集中化、自動化發展，船舶的電氣設備日益增多，船上的用電負荷迅速提升，使得船舶電力系統的容量在從量變向質變發展。現代大功率船舶采用傳統的380 V(50 Hz)或440 V(60 Hz)低壓電力系統會存在一系列問題，如電纜用量過大，電纜布置困難，短路電流過大等問題，而6600 V的交流中壓電力系統在經濟性、可靠性、安全性上有著獨特的優勢，因此中壓電力系統是大功率船舶的很好選擇[1]。

國際造船業發展至今，中壓電力系統已經廣泛應用在各種船型中，要求電子電氣員和輪機員具備一定程度的中壓電力系統知識和操作技能。STCW公約馬尼拉修正案和我國海事局的電子電氣員和輪機員適任考試大綱（理論考試知識點和評估）都有明確要求[2]。船舶中壓電站的操作訓練與考核也越來越受到重視。

船舶電站操作的實踐性很強，要培養出高素質船舶機電管理人員，必須加強學員的實操訓練環節[3]。利用模擬器進行船員培訓是一種安全、經濟、有效的做法。傳統的物理模擬器，運行、維護成本高，培訓效率低。本文利用組態軟件PIMS設計純虛擬的船舶中壓電站系統。本系統具有以下優點：

1）系統的開發和運行的成本低；

2）可同時對多人進行培訓，效率提高；

3）系統運行穩定可靠。

1 虛擬船舶中壓電站系統的組成

虛擬船舶中壓電站系統是以實際船舶的中壓電站為原型，將實船上的中壓電站的各個工作過程進行模擬仿真，如實還原中壓電站系統的各種工作狀態，便于學員掌握中壓的電站相關操作。虛擬船舶中壓電站系統模擬2臺主柴油發電機，模擬發電機的參數如下：額定功率3800 kW，額定電壓6600 V，額定頻率60 Hz。虛擬船舶中壓電站系統的組成包括：2個主柴油發電機控制屏、并車控制屏、側推控制屏、小車開關控制屏。

虛擬船舶中壓電站系統開發內容包括：系統功能分析、人機交互界面設計、數據庫設計、網絡發布等。系統的開發流程如圖1所示。

圖1系統開發流程圖

2 人機交互界面設計

虛擬船舶中壓電站系統利用組態軟件PIMS作為開發平臺。組態軟件PIMS具有實時多任務、畫面顯示組態功能、豐富的功能模塊、良好的開放性及實時數據庫功能。人機界面是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，即人機交互的平臺，利用PIMS軟件來創建友好的人機交互界面。

2.1畫面組態的設計

在PIMS軟件中，進行畫面組態的設計。根據實際船舶中壓電站控制屏的樣子，在組態軟件PIMS中繪制出一樣的畫面。PIMS軟件的一大優點，就是畫面組態的設計方便、快捷。PIMS軟件提供了大量的儀器、儀表等功能模塊，用戶可以直接使用；而一些沒有的功能模塊可以通過對相近模塊進行改造得到，從而可以快速創建優美、逼真的畫面。以主柴油發電機控制屏為例，包含：電壓表、電流表、功率表等多種儀表，多個指示燈、按鈕和開關。主柴油發電機控制屏人機交互界面如圖2所示。整個畫面生動、形象，讓操作者有身臨其境的感覺。

圖2 No.1主柴油發電機控制屏

2.2建立動畫連接

畫面組態是靜止的畫面，要實現操作訓練的功能，必須讓畫面動起來，這就需要建立動畫連接。利用動畫連接可以建立圖形對象和變量或表達式之間對應關系，一旦建立了動畫連接，那么在系統運行時，圖形對象會依照不同的動畫連接方式而隨著變量的變化做出相應的動作。所以做過動畫連接的圖形對象可以反映變量或表達式的狀態，進而反映設備的運行狀況。

比如變量PA008的值表示柴油發電機主開關合閘指示燈的狀態。為了在畫面中反映它的狀態，可以先在畫面系統中繪制一個燈，然后再給該燈關聯動畫連接。使得當PA008的值等于0時，顯示出暗綠色，表示柴油發電機主開關分閘；而在PA008的值等于1時顯示出鮮綠色，表示柴油發電機主開關合閘；如下圖3所示。這樣通過觀察圖形的顏色，就可以判斷柴油發電機主開關的狀態了。

圖3 指示燈變化圖

3 數據庫設計

PIMS組態軟件融合了先進的數據接口技術，先進的通訊技術，現場總線技術以及網絡技術。本系統的數據庫設計，利用的是PIMS組態軟件中的點組態數據庫。點組態數據庫一種實時的數據庫，是PIMS系統的數據處理核心，是系統開發的重要支持部分。

利用組態軟件PIMS中的點組態數據庫來定義船舶中壓電站系統中的控制對象，包括：儀表、指示燈以及按鈕等等。船舶中壓電站系統中包含了大量的控制對象，根據控制對象的特點，在點組態數據庫中定義成不同的變量類型。例如：指示燈定義為開關變量，儀表定義為模擬變量。定義變量的目的是為了讓控制對象實現相關的動作，從而模擬實際船舶中壓電站系統的工作過程。

將所有控制對象的變量都定義在點組態數據庫中，方便系統調用。而在系統運行前，也有利于系統的調試。

4 系統功能實現

完成界面設計和點組態數據庫設計后，通過腳本語言的編寫，讓界面上的控制對象動起來，最終實現實際船舶中壓電站系統工作狀態的仿真。PIMS的腳本系統是一種基于對象和事件的編程語言。可以說，每一段腳本都是與某一個對象或觸發事件緊密關聯的。腳本類型包含：1）在對象上的腳本，如動畫連接；2）事件驅動的腳本，主要用來實現各種復雜的控制邏輯關系，事件的來源可以在數據庫上，也可以在人機界面上。

虛擬船舶中壓電站系統主要可實現以下功能：

1）發電機手動起動、手動合閘；

2）發電機手動分閘、手動停機；

3）發電機手動準同步并車、手動負荷轉移；

4）發電機手動解列、手動停機；

5）發電機自動起動、自動準同步并車；

6）發電機自動負荷轉移、解列和自動停機；

7）中壓負載起、停操作；

8）中壓電站的“五防”聯鎖。

圖4 程序流程圖

這些功能的實現，事件驅動的腳本的編寫是關鍵。以發電機手動準同步并車、手動負荷轉移功能為例，初始狀態為No.1柴油發動機正常工作，由于負載增加，需并聯一臺柴油發動機運行。發電機手動準同步并車、手動負荷轉移的工作過程為，首先起動備用機組；然后在滿足并車條件的情況下，選擇恰當的時機并車；最后進行手動負荷轉移。根據工作過程分析，先設計程序流程圖，其程序流程圖如圖4所示。然后根據程序流程圖，編寫腳本程序，最終完成工作過程的仿真，實現其操作功能。

5 網絡發布

本系統還可以進行Web發布。在PIMS上進行相應的設置，便可以將系統發布到網絡上。在使用IE瀏覽器瀏覽系統前，需要對IE瀏覽器做一些必要的設置。在系統運行時，學員打開瀏覽器，在地址欄中輸入Web服務器所在的IP地址并回車，即可在瀏覽器上看到運行的畫面。此時，學員可以進行相關的操作訓練。

6 結束語

利用PIMS組態軟件設計的虛擬船舶中壓電站系統，具有界面逼真，動作形象的特點。系統操作方便，大大提高了學員的訓練效率，同時節約了訓練的成本。在學員培訓方面具有良好的應用前景。本系統是一個開放的系統，可以根據需要添加新的功能。此外，后續還可以開發自動評分系統，對虛擬船舶中壓電站的操作項目進行電腦評分。

[1] 李凱, 秦俊峰. 船舶中壓電站模擬器系統的研制[J].欽州學院學報, 2015, 30(11).

[2] 左蕾寧, 沈永福, 徐筱云. 輪機模擬器在高壓電力系統培訓中的應用[J]. 航海技術, 2012, (6).

[3] 李凱, 徐軼群, 鄒文俊. 船舶電站物理仿真模擬器的設計與實現[J]. 集美大學學報(自然科學版), 2013, 18(3).

Design of Medium Voltage Power Station System on Virtual Ship

Guo Jiajian, Li Tingyun

（Fujian Chuanzheng Communications College，Fuzhou 350007）

U664

A

1003-4862（2018）02-0046-04

2017-11-20

福建省中青年教師教育科研項目（科技），編號：JA15660

郭家建(1985-)，男，講師。研究方向：船舶電氣、虛擬仿真。Email：happyguojiajian@163.com