轮机模拟器船舶电站系统的设计和仿真

轮机模拟器船舶电站系统的设计和仿真内容摘要：

模拟器 基于对仿真环境真实性的考虑，德国 STN 最新推出了 SES4000 系列轮机模拟器，主要由模拟机舱、模拟 集控室、教员室和讲习室等组成。 其中集控室的电站模拟器系第一章 绪论 11 统对所有的物理过程进行建模、图形显示，对每个系统的泵和管线都予以复制，并且对液体或气体的流动特性也加以考虑。 SES4000 系列中的大型和中型电站模拟器属于全任务式电站模拟器的结构形态，而小型电站模拟器则是基于工作站，采用多任务图形方式来仿真电站系统的功能。 其突出的一个优点是它可以作为整船的船舶操纵仿真器的一部分。 国内电站模拟器的主要产品 国内模拟器是在 80 年代出引进的，但随着计算机的发展和对船员的要求的提高，引进的远远不能满足需要。 1994 年武汉交通科技大学研制出我国首台轮机模拟训练器（含电站模拟器，下同）， 1999 年 5 月上海海运学院 SMSC2020 型轮机模拟器（含电站模拟器，下同）又通过了验收。 这 20 年内我国航海教育和航海科技取得了长足的进步 [12]。 目前国内已有十几家航海院校和培训中心装备了轮机模拟器，其中比较先进的有：武汉交通科技大学（现为武汉理工大学）的 WMS1 型和其改进 WMS2020 型、上海海运学院的 SMSC2020 型和大连海事大学的基于 VR(Virtual Reality)技术的DMS2020 型。 一、 WMS2020 系列船舶电站仿真器 [12~19] WMS1 型是国产第一台电站模拟器 ,为集散型分布式控制系统，分布在模拟集控室、模拟机舱、教练室和讲习室，实现单片机（下位机）、监控计算机与工作站（上位机）的上行和下行通讯，并用单片机对输入 /出接口进行控制。 船舶电站控制屏配置在集控室内，主要负责配置船上的用电，在集控室内可以对船舶电站流程图监测。 国产 WMS 2020 型电站仿真器是以中远集运公司 1675TEU 的第三代集装箱船“祥云河”轮为母型船进行仿真设计的，包括两台辅助柴油发电机、一台轴带发电机、一台应急发电机以及相应 的配电屏、负载屏等设备，较 WMS 1 型电站仿真器在系统的配置和性能上有较大提升 ,系统的内容及功能有多项扩充及提高。 WMS2020 型仿真船舶电站具有现代自动化船舶电站的绝大多数功能，可对其进行各种正常的手动及自动操作，辅助柴油发电机控制屏上除具有常规的控制按钮及报警指示灯外，还安装有网络控制器，两种控制方式互锁，可通过发电机控制屏面板上的选择开关进行切换 ,通过网络控制器可以对辅助柴油发电机系统的部分参数进行设置和更改。 在轴带发电机的模拟实验板上，可以模拟起动、电压检测、频率检测、同步、并车、停车、故障检 测等工作过程。 电站仿真训练软件选用了 SCO UNIX 操作系统，采用 XWINDOWS 下的图形技术开发出船舶电站的盘台操作界面及监控流程图，利用计算功能强大的 FORTUNE 语言编制了高效率的仿真程序代码。 电站系统监控程序对轴带发第一章 绪论 12 电机、柴油发电机及电力系统中各台仿真设备运行工况进行监控，通过 CRT 可以随时察看船舶电力网系统流程固。 在电站的监控流程图上，可以设置发电柴油机的功率因数及负荷大小，进行电压及频率特性测试。 采用不同方式对轴带发电机及柴油发电机的噪声、主开关及分路开关的合闸 /脱扣的声音和重载、轻载、短路等 各种报警都进行了声响模拟．模拟电站盘台大小、操作功能、音效、灯光照明与实船完全一样 ,有如实船操作一样的环境感受。 可以通过教练员台设置船舶电站实际运行中很少出现的各种故障，如短路、逆功率等． 其突出特点：具有较高的设计起点，发电机网络控制器及轴带发电机的仿真在当时的国内尚属首次，基本上模拟了实船的硬件结构、数据采集和监控系统，其仿真训练软件具有完备的控制台功能、友好的人机界面、丰富的操作训练功能、精确的数学模型、完善的实时数据库，具有很强的实用性。 仿真模型具有很好的实时性能和较高的静动态仿真精度，整个系统的 运行稳定性和工作可靠性亦很高。 其缺点是：系统过于复杂，编程工作量大，扩展比较困难，整个系统的反应速度慢。 二、 SMSC2020 系列电站模拟器 [1,2,3,12,][20~27] SMSC2020 是一个基于网络化技术的以大型集装箱船舶为仿真对象的电站模拟器，它由仿真机舱集控室、仿真船舶上甲板、教学机房和多媒体教室等组成， 各类自动化仪表均以计算机仿真软件实现。 整个系统以网络数据库服务器为中心采用集散型分布式控制系统（ DCS），仿真主网络系统的教员台、电站模拟系统和电站仿真站应用多功能数据采集系统和智能型 I/O 系统构成数据采集与通信网络，与学生工作站构成扩展培训网络。 该仿真器实现了“软硬结合”的仿真系统设计技术方案，模拟电站采用了硬件操作监控界面、软件操作监控功能的方式。 建立在微机 ISA／ PCI 总线上的数据采集与控制系统在工控微机控制下，完成船舶电站系统的在线仿真控制和人机信息交换。 仿真工作站的 CRT 画面和主配电屏、应急配电屏保持同步，在模拟量输出时能反应电网和发电机参数的动态变化过程， 配置了 14m2大型实时监控操作型图解板及机旁操作台，采用模块式拼装结构，扩展性强，集显示、操作控制于一体。 软件部分综合了系 统集成技术、网络技术、多媒体技术和仿真技术，仿真实时性高，实现物理－数字仿真，有强大的人机交互功能。 仿真系统软件的开发选用 WINDOWS操作系统、数据采集动态连接库和 VB 集成软件，主要完成仿真系统的模型、人机界面和网络通讯，可以完成在线运行和离线运行两种工作方式。 网络结构设计为星形以太网结构，在 WINDOWS 操作系统平台下进行管理。 其突出特点：该仿真器首次应用了基于人工智能的故障诊断技术。 系统具有起点高，规模大，功能齐全，技术先进，可靠性和稳定性好的特点，采用网络化技术，具有在线控制特性和良好的人机信息交 换界面特性。 具有仿真主网络、数据采集和通信第一章 绪论 13 网络以及拥有众多学生工作站的扩展培训网络，属国内首创。 实时仿真软件是在实时工控平台开发软件 GFW (Genesis for Windows)环境下开发、集成的，提出了网络环境下的实时并行仿真技术，实现了集装箱船舶机舱系统的分布式实时仿真。 采用模块化建模与数据的采集，扩展容易。 在输入输出速度快、功能强大的微机数据采集系统的支持下 ,系统外设操作手感真实性好 ,系统的反应速度能与操作者的感觉相同。 该系统在船舶电站仿真系统的开发技术方面的研究成果已达到国内领先、 90 年代中期国 际先进水平。 但还需要增加一些控制箱来提高与实船的相似性。 三、 DMS2020 系列电站模拟器 [28~36] DMS2020 型电站仿真器 以 网络 数据 库 服务器为中心 ， 将系统仿真工作站、 服务器、配电盘、 工控机、可视化仿真 VR 工作站以及教师和学生用机以星形网络结构构成一个分布式仿真系统 ，采用多微机组网运行协同完成新型电站模拟器的任务，各台微机也可单独运行完成特定系统的功能。 系统 组成为 虚拟机舱、虚拟集控室、虚拟控制仪表板 等。 仿真系统能够在仿真配电盘界面和物理配电盘面板上动态显示其整个仿真操作过。 应用计算机仿真技术模拟 船舶电站的操作功能，并与虚拟配电盘相结合，实现了具有视景和人机自然交互界面的电站仿真系统。 该电站模拟器系统为一局部通信网络系统 ,船舶电站硬件盘台的输入信息由工业控制机采集后经网络交换机送到服务器进行集中管理 ,然后再送达电站仿真子系统进行数据处理 ,子系统的输出信息经网络交换机送到服务器后再送达工业控制机输出到各硬件盘台执行或显示或送达虚拟现实系统。 服务器操作系统为 ,采用数据库管理软件 负责数据处理。 该局部通信网络系统主要特点是：实时响应能力快 ,数据吞吐量大 ,可靠性高。 其优 缺点为：增加机舱视景系统 ,实现可视化图形交互式仿真 ,从物理盘台仪表到实施数据采集与控制的工业控制机再到数据管理网络服务器然后到监视、操作的人机交互系统 ,层次分明。 综合应用三维图形、 VGA 墙显示系统和分布式仿真技术 ,并采用大量高精度的仿真模型。 使用大量图像，具有机舱和集控室的临场感；系统具有扩充性好，更换对象方便等特点，但在实操性方面不如其它的模拟器，且大规模的采用虚拟与现实技术使的投入成本高。 电站模拟器的发展趋势和应用前景 随着计算机技术的飞速发展，电站模拟器的网络化、智能化、标准化、模块化、系列化、多功能和开放型方向发展。 采用多媒体技术和虚拟现实技术，增加了操作环境真实感，其实现的功能也越来越齐全，以满足轮机教学培训和科研的需要。 随着全球航运业的发展壮大、船舶自动化程度的提高和对船员要求的提高，电站模拟器的重第一章 绪论 14 要性越来越明显。 电站模拟器培训作为一种现代教育手段，是行之有效的，对提高轮机管理专业的教学质量、学员的实际操作和故障分析能力发挥了巨大的作用，提高了船员教育和培训的科技含量和教学效果，模拟器在教学及培训中将会有更加广泛的应用前景。 论文的主要研究工作 本文是结合船舶电站模拟器的研制 展开工作的，该项目从 2020 年 9 月起开始着手研制，整个项目分为模拟器的项目论证、整个模拟器的结构设计、模拟器的各个分系统的设计。 分系统设计包括发动机及热工系统、发电机系统、电力及分配系统、控制及保护系统和报警系统。 各个系统设计又可分为硬件、软件设计两大部分。 本课题承担的主要任务是船舶电站系统结构的设计、船舶电站及电力系统数学模型的建立及系统仿真软件的开发，并根据电站模拟器训练操作的需要，设计和编制电站信息流的部分人机交互界面。 具体的研究工作包括： 船舶电站模拟器的结构设计。 对整个模拟器的结构布局，实现的 功能设计。 对模拟器的总体结构、系统功能、硬件结构、软件结构、网络结构进行具体设计，并进行可行性论证。 建立电站及电力系统数学模型。 对 船舶电站电力系统建立数学模型，编制算法。 在 Minis 支撑平台上 建立仿真模型软件，对电站系统的运行情况和动态过程进行模拟仿真计算，并分析仿真结果。 基于 Intouch 的电站监控系统的设计。 在 Intouch 环境下编写控制逻辑程序，通过 Intouch 设计的监控界面，对 Minis 仿真环境下运行的电站系统模型进行监视、控制、报警和数据记录，实现对发电机组的起动、同步并车、负载均分 、解列、停车等运行状态及过程的实时监控功能。 MMI 设计。 MMI 是控制 实现 Intouch 监控界面与 Minis 下仿真运行的电站系统模型之间的数据通讯。 所有的操作和显示都以实时的动态方式进行，受训者在模拟和操作整个电站系统时可以感受到和实船相同的方式。 第二章 船舶电站模拟器的结构及功能设计 10 第二章 船舶电站模拟器的结构及功能设计 船舶电站模拟器的总体结构 电站仿真类型 利用模型对系统特性实现再现并对系统进行试验研究称为仿真。 模型是实际系统或过程在某些方面特性的一种表现形式，它能反映出该系统和过程的行为特性。 电站仿真按其实 现方法分为三类： (1)物理仿真 按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，以再现系统的一些特性称为物理仿真。 (2)数学仿真 按照真实系统的数学关系构造系统的数学模型，也就是将实际系统的运动规律用数学形式表达出来，以再现系统的特性并在数学模型上进行试验，称为数学仿真。 计算机为数学模型的建立、运算和试验提供了有力的工具。 数学仿真可在实时、超实时和欠实时环境下运行。 (3) 数学－物理混合仿真 将系统的一部分用数学模型描述，并放到计算机上运算，而另模型或直接采用实物，然后将它们连接成系统，这种仿真称为数学－物 理混合仿真。 这种仿真系统主要用于大型发电机组运行操作人员的培训、设备的分析和研究、运行特性分析和控制系统研究等。 数学－物理仿真方式可以在实时、超实时和欠实时环境下运行，但对接入的实物部分则必须是实时的。 迄今为止，绝大多数电站培训仿真机，是数学－物理混合式仿真装置。 仿真器从功能用途可分为工程仿真器、分析研究仿真器和训练仿真器，本文讨论的船舶电站仿真系统主要用于对海船轮机管理人员进行训练，是属于训练仿真器。 训练仿真器是一套供专业人员进行训练的模拟设备，模拟实际船舶电站系统，要求仿真逼真。 从仿真模型种类来分它 又是一个数学－物理混合仿真。 由计算机、自动化装置和各种物理的设备和仪表构成，根据发电机组的电气系统及电力生产过程建立其数学模型，并在数学计算机上运算称为电站计算机仿真 (数学仿真 )，按照真实系统构造电站主配电屏，应急配电屏再现监视、操作和控制等设备称为物理仿真，然后通过 I/O接口将它们连接成系统。 第二章 船舶电站模拟器的结构及功能设计 11 船舶电站模拟器的结构设计 一、总体布局 参照国内外电站模拟器的布局设计，船舶电站模拟器主要包括： 仿真机舱集控室、仿真船舶上甲板、教学机房和多媒体教室等组成。 具体分布如图 21 所示： 图 21 船舶电站仿真系统结构图 该船舶电站仿真器系统是一个以微机为核心的系统，由微机硬件系统和微机软件系统组成。 微机硬件系统有两部分组成，一部分是用于 CBT(Computer Based Training)教学的微机局域网系统，另一部分是用于仿真实际船舶电站控制系统运行的船舶模拟配电屏控制系统。 船舶模拟配电屏控制系统 图 22 船舶模拟配电屏控制系统 如图 22 所示，模拟配电屏控制系统是船舶。