船舶輔鍋爐模擬教學訓練系統(tǒng)設計與開發(fā)

黃家寧，韓江桂

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船舶輔鍋爐模擬教學訓練系統(tǒng)設計與開發(fā)

黃家寧，韓江桂

（海軍工程大學動力工程學院，武漢 430033）

本文以立式鍋爐為基礎，結合計算機控制及仿真技術，對輔鍋爐模擬教學訓練系統(tǒng)進行設計和實現(xiàn)。主要介紹了訓練系統(tǒng)的結構和功能，基于PLC實現(xiàn)了鍋爐的自動控制，基于虛擬軟件技術實現(xiàn)了維修訓練系統(tǒng)的操作，達到了教學訓練的目標。

船舶輔鍋爐 教學 訓練

0 引言

船舶輔鍋爐是船舶重要的輔機之一，也是實現(xiàn)自動化控制最早的設備之一。為方便教學和訓練，本次設計的模擬鍋爐，即以立式鍋爐為藍本，進行技術改造，實現(xiàn)仿真訓練。本模擬鍋爐的設計，以實際的鍋爐為藍本，通過計算機輔助控制和適度的仿真，使實驗臺架能夠模擬鍋爐的運行狀態(tài)，能夠實現(xiàn)對鍋爐油路、水路、汽路、電路、風門的各個環(huán)節(jié)的模擬維修訓練。

1 維修訓練系統(tǒng)的構成

輔助鍋爐系統(tǒng)主要包括：鍋爐本體、供水系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、模擬加熱系統(tǒng)，以及鍋爐電控箱、仿真計算機和維修平臺輔助系統(tǒng)。本系統(tǒng)鍋爐本體采用了實際的鍋爐作為基礎，為滿足訓練的安全性和經濟性。對鍋爐的其他系統(tǒng)做了適當改造和模擬。鍋爐本體如圖1所示。

1）鍋爐本體

鍋爐本體采用船用LSK立式針形管鍋爐為基礎，具有體積小、重量輕、熱效率高（>83%）、升汽速度較快（一般為15-18分鐘）、便于維護等特點，特別是針型管結構使得清理煙灰更加方便，同時不污染機倉環(huán)境。

2）供水系統(tǒng)

鍋爐加水功能和實際鍋爐一致，通過鍋爐的水位計，進行水位顯示。通過鍋爐自帶的水泵控制自來水的加入和排出，水位變化信號為實際信號。加水回路各個管路及水泵等同樣移到鍋爐外易于操作的地方，便于學員進行拆裝、維修訓練。

3）燃油系統(tǒng)

鍋爐通過燃燒器在爐膛內形成火焰，對爐內水進行加熱。由于本鍋爐作為訓練系統(tǒng)無需產生大量的蒸汽和熱水，因此也就不需要進行實際的燃燒。為保證訓練學員安全，采用機油作為油管內的材料，既使學員能夠體會到油路的構成及管路特點，又不會產生燃燒等危險情況。

4）燃燒系統(tǒng)

由于沒有燃油的輸送，因此鍋爐燃燒器無法發(fā)出火焰。如果沒有火焰，燃燒器火焰檢測無法檢測出火焰，會停爐并報告點火失敗和停爐。同時爐膛中沒有火光，不利于仿真運行。因此在爐膛內安裝紅色燈光照明，模擬爐火燃燒，同時使火焰檢測原件檢測到火光，使電控系統(tǒng)能夠正常運行。

5）模擬加熱系統(tǒng)

由于沒有實際燃燒，所以加熱過程中的溫度及壓力信號由計算機模擬。根據爐膛燃燒器的火焰等級，由計算機根據模型計算出水溫和壓力，通過儀表進行顯示。在訓練時能夠模擬實際運行狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)

控制箱以西門子PLC核心、以及接觸器、熱繼電器、開關等若干設備組成，和實際的鍋爐控制箱完全相同。鍋爐電控箱與其他系統(tǒng)設備通過對泵、電磁閥、傳感器等信號的控制和采集，通過接口電路來實現(xiàn)對鍋爐的電氣控制。設備之間電氣連接控制如圖2所示。

圖2 輔助鍋爐電氣系統(tǒng)

船舶輔助鍋爐的控制系統(tǒng)包括鍋爐水位控制，蒸汽壓力控制，燃燒自動控制，聲光與報警等控制環(huán)節(jié)。主程序邏輯圖如圖3示。

圖3 主程序邏輯圖

控制系統(tǒng)在工作時，系統(tǒng)可以進行全自動起爐和停爐，故障報警，停爐等事件的處理，按照用戶的要求編寫用戶程序，實現(xiàn)給水、給油、蒸汽壓力控制、燃燒等過程的全自動控制（根據用戶的要求也有相應的手動應急控制系統(tǒng)）。在系統(tǒng)的運行中，根據要求自動起、停風機，開、關電機，并根據燃燒情況，控制風門的開閉大小等。另外，風機的電機馬達故障、蒸汽壓力超限報警、燃燒時發(fā)生系統(tǒng)故障的控制與報警處理等也由整個控制系統(tǒng)完成。

PLC通過以太網和上位機進行數據交換。數據發(fā)送，TCP通信方式，通信周期采用定時器控制，周期為500 ms，一次性發(fā)送25個字節(jié)，通信數據包括系統(tǒng)全部運行狀態(tài)、報警信息、傳感器信息等。數據接收，每周期收到上位機傳送的指令和狀態(tài)信息，作出相應的處理。通訊子程序流程圖如圖4所示。

圖4 通訊子程序圖

3 模擬維修訓練的實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用硬件訓練平臺和計算機虛擬控制實現(xiàn)教學和維修訓練的目標。

1）教學訓練模式

教學模式界面由模擬儀表顯示（顯示水路溫度、水路壓力、油路溫度和油路壓力）、模擬排放設置、模擬溫升設置、鍋爐狀態(tài)顯示和故障模擬幾個模塊組成。

運行中，水路壓力和油路壓力為實測壓力，水路溫度和油路溫度為模擬溫度。由于鍋爐沒有實際燃燒，故排放參數為計算機模擬參數。可以通過設置，模擬蒸汽排放速度和加熱時間常數，加快運行速度，減少教學時間。鍋爐狀態(tài)可實時顯示風機運行狀態(tài)、油泵運行狀態(tài)和水泵運行狀態(tài)，可顯示鍋爐水位狀態(tài)、鍋爐溫度、鍋爐點火狀態(tài)和各報警狀態(tài)。故障模擬可在實際設備未產生的狀態(tài)下，模擬故障模擬列表中對應的各種報警。教練員在教學模式下，可訓練學員對鍋爐的整體認識，可訓練學員對給水泵、燃油泵、燃燒器的手自動啟停操作；可模擬鍋爐故障，讓學員排查故障原因；可訓練學員對水路管路和油路管路部件的拆卸操作。

2）維修考核模式

在考核模式中可以實現(xiàn)對學員掌握知識程度的檢測。學員在模擬考核中，填入班級、學號和姓名，系統(tǒng)隨機出客觀題以及相應的實操題，最終進行成績的評定。

考核模式下，具體考核過程為：首先第一階段為選擇題，根據題目要求，從四個選項中選出對應的答案，被選答案底色改變；答案選擇正確時，彈出選擇正確對話框；答案選擇錯誤時，彈出選擇錯誤對話框；通過上一題、下一題按鈕切換選擇題題目；其次在第一階段全部答題完畢后，可進行下面第二階段的操作題，根據相應題目，完成對應維修操作。

現(xiàn)階段的輔鍋爐維修模擬訓練平臺實物圖，如圖5所示。

圖5 輔鍋爐維修訓練系統(tǒng)實物圖

4 總結

本輔鍋爐模擬教學訓練系統(tǒng)依據船上實際輔鍋爐硬件為基礎，進行了科學合理的適當簡化，結合計算機控制技術、虛擬仿真技術實現(xiàn)了船用輔鍋爐的模擬教學和維修訓練的功能。

該系統(tǒng)具備經濟性、安全性、先進性效果逼真，教學方便等優(yōu)點。最終實現(xiàn)了讓學生能夠便于掌握輔鍋爐工作原理的目標，也使學生熟悉各種實際輔鍋爐的常見故障，同時使得學生對現(xiàn)代化的控制技術有一定的掌握，為日后適應船上工作打下一定的工作基礎。

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Design and Development of Simulation Teaching and Training System for Marine Auxiliary Boiler

Huang Jianing, Han Jianggui

(College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

U664

A

1003-4862（2019）02-0057-03

2018-08-02

黃家寧（1992-），男，碩士研究生。研究方向：機械機構設計及優(yōu)化，艦船裝備維修保障技術。E-mail: 1418908613@qq.com。