喬紅宇

（南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機工程系，江蘇南通 226010）

1 引言

主機遙控系統(tǒng)的維護管理是輪機員（大管輪）的最重要職責(zé)[1]。氣動操縱系統(tǒng)是整個主機遙控系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，用來執(zhí)行主機起動、換向、制動、停車及調(diào)速等控制指令。系統(tǒng)閥件眾多、邏輯關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)缺乏實踐性、直觀性，教學(xué)效果不佳。為了提高船員主機操縱系統(tǒng)的使用、管理、維護及故障排除能力，開展甲類大管輪“主機遙控系統(tǒng)的操縱”的項目培訓(xùn)和評估，開發(fā)了基于SE2000的MAN B&W 90MC-C柴油機主機氣動操縱系統(tǒng)，實現(xiàn)了對該系統(tǒng)的仿真，以幫助學(xué)員盡快地熟悉系統(tǒng)工作原理，有效地使用、管理及維護系統(tǒng)，正確處理典型故障，確保船舶運營的安全性[2-3]。

2 氣動主機遙控仿真訓(xùn)練系統(tǒng)組成

氣動主機遙控仿真訓(xùn)練系統(tǒng)以12K90MC-C柴油主機的主機遙控系統(tǒng)為仿真母型，采用以實物為主導(dǎo)的虛實結(jié)合模式的結(jié)構(gòu)，主要包括硬件盤臺設(shè)備以及軟件控制模型。其中硬件盤臺設(shè)備主要有：仿真模擬示教屏、控制盤臺（集控室、駕駛臺、機旁三個控制地點）、計算機（包括服務(wù)器及接口計算機）、I/O 接口電路板等。

主機氣動操縱仿真系統(tǒng)是采用S/C（服務(wù)器/客戶端）結(jié)構(gòu)的仿真系統(tǒng)，其中教練員工作站為整個系統(tǒng)的服務(wù)器也兼作監(jiān)控計算機，接口計算機是客戶端。仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊采用ISA 總線架構(gòu)，采用TCP/IP協(xié)議，通過網(wǎng)線及智能接口機箱中的數(shù)據(jù)采集板卡，可以實現(xiàn)教練員工作站→接口計算機→硬件盤臺設(shè)備及顯示設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊?？刂婆_及仿真模擬屏上的車鐘、開關(guān)按鈕、旋鈕等信號首先通過數(shù)字量及模擬量通道輸入到接口計算機中，接口機處理后再送往教練員工作站，由仿真運算得到系統(tǒng)狀態(tài)信號和控制指令，然后將控制指令以及仿真運行得出的顯示信號輸送至控制盤臺及模擬仿真屏上的相關(guān)設(shè)備。數(shù)據(jù)的采集、傳送、轉(zhuǎn)換及通信的刷新速率可達(dá)40 ms。

數(shù)據(jù)處理可以分為模擬量以及數(shù)字量兩種，系統(tǒng)中采用三種接口卡/通信卡，分別是PCL722、PCL727、PCL813。其中，PCL722可以提供144路并行數(shù)字輸入/輸出，具有6個連接端口，每個端口有24路I/O 口，本系統(tǒng)中采用PCL722來實現(xiàn)所有數(shù)字輸入/輸出信號（DO/DI）的通訊，如按鈕、旋鈕狀態(tài)、顯示光帶的亮滅等；PCL727是一款具有12路12位的模擬量輸出通道的全長卡，卡上的DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠確保可靠的10 V模擬量輸出，本系統(tǒng)采用PCL727實現(xiàn)模擬量輸出（AO），如氣壓表讀數(shù)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)；PCL813是一款32路單端帶隔離的模擬量輸入卡，廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場與實驗室，如傳感器輸出量監(jiān)測、過程監(jiān)控、瞬態(tài)分析等方面，本系統(tǒng)采用PCL813實現(xiàn)各種模擬量輸入（AI），比如車鐘指令、調(diào)速器油門開度等。

圖1 氣動主機遙控仿真訓(xùn)練系統(tǒng)組成框架圖

3 仿真模型及軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件部分主要包括主機遙控仿真模型、主機遙控監(jiān)控模型，這些軟件模型以Auto Chief-IV主機遙控系統(tǒng)、DGS8800e電子調(diào)速器系統(tǒng)及SSU8810主機安保系統(tǒng)為仿真母型，其中：仿真模型以FORTRAN 90為開發(fā)語言，在SE 2000（Simulation Engine）仿真平臺下運行；監(jiān)控程序以Visual C++為開發(fā)語言，實現(xiàn)對12K90MC-C型主機氣動操作系統(tǒng)的完全仿真。

SE2000是介于仿真系統(tǒng)和計算機操作系統(tǒng)之間的工具軟件，它提供了專用的實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、可視化的動態(tài)數(shù)據(jù)顯示、在線數(shù)據(jù)修改、模型調(diào)試、圖形化的建模環(huán)境并具備功能齊全的仿真功能，主要應(yīng)用對象為大型科學(xué)計算、動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控以及連續(xù)過程仿真系統(tǒng)。在FORTRAN 90環(huán)境下開發(fā)出的氣動主機遙控仿真模型導(dǎo)入至SE2000仿真平臺下運行即可實現(xiàn)仿真訓(xùn)練功能，完成對 12K90MC-C柴油主機氣動操作系統(tǒng)的仿真，仿真逼真程度及訓(xùn)練效果取決于其控制邏輯的完善程度。另外，依托 SE2000的平臺優(yōu)勢，還可以實現(xiàn)工況的讀取與保存、模型的運行與停止、模型的凍結(jié)與解凍、故障設(shè)置與清除等進程管理功能。

本系統(tǒng)中，由于服務(wù)器與監(jiān)控計算機是公用的，所以軟件系統(tǒng)中的仿真模型以及監(jiān)控程序?qū)嶋H上在同一臺計算機上，他們之間通過接口函數(shù)進行變量的數(shù)據(jù)通訊，然后再借助于進程通訊實現(xiàn)彼此之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)仿真模型及監(jiān)控程序所需要的實時參數(shù)及狀態(tài)變量通過數(shù)據(jù)采集板卡采集后，經(jīng)接口計算機通過TCP/IP協(xié)議傳輸至服務(wù)器，實現(xiàn)軟件系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通訊。整個系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣動主機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)軟件架構(gòu)

4 仿真模型控制邏輯及監(jiān)控界面設(shè)計

控制邏輯是整個氣動主機遙控仿真模型的核心，它反映了氣動主機遙控系統(tǒng)的工作原理，也是實現(xiàn)學(xué)員實訓(xùn)功能的前提和基礎(chǔ)。在氣動主機遙控操縱系統(tǒng)中，主機的起動、換向、停車、速度與負(fù)荷控制等控制動作均需要滿足一定的邏輯條件，在實物顯示上就是相關(guān)的閥件狀態(tài)以及按鈕、旋鈕切換到位，在軟件系統(tǒng)中，通過對實物系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)建模，編制控制程序，使之能夠完全反映12K90MC 型主機氣動操縱系統(tǒng)的實際工作過程，并且通過與外界盤臺設(shè)備以及模擬顯示屏結(jié)合展示實訓(xùn)功能，培養(yǎng)大管輪關(guān)于氣動主機遙控系統(tǒng)的維護管理能力，提高其職業(yè)技能與素養(yǎng)。以正車起動控制邏輯為例，在實際系統(tǒng)中，可以進行起動控制的閥件有三個：集控室的起動機控閥V63、駕駛臺起動電磁閥V101、機旁起動手操閥V90。同時為保證起動順利進行，還需要以下起動控制邏輯條件：1)控制氣源閥V1打開；2)起動切斷閥V118打開；3)起動空氣無低壓報警P112；4)盤車機脫開V115；5)遙控(集控或駕控)正車起動時，空氣分配氣處于正車到位V55，主機己停油Vll7受控。由此可得正車起動邏輯：

在完整的控制邏輯支配下，氣動主機操縱仿真訓(xùn)練系統(tǒng)將與實際系統(tǒng)一致進行，具備了仿真訓(xùn)練的基本條件。為了完善實訓(xùn)功能，提高實訓(xùn)水平，方便教學(xué)及培訓(xùn)，系統(tǒng)還通過硬件盤臺設(shè)備以及監(jiān)控界面為學(xué)生提供友好的人機之間的交流與互動，同時監(jiān)控程序不僅對仿真模型進行參數(shù)顯示及監(jiān)控，還提供了微機型主機遙控系統(tǒng)的主要維護管理技能培訓(xùn)功能。圖3中左圖反映了Auto Chief-IV 主機遙控系統(tǒng)監(jiān)控主界面的運行狀態(tài)；右圖則反映了集控室操作的監(jiān)控界面，圖中車鐘及旋鈕與硬件盤臺設(shè)備相聯(lián)，可以通過本界面看出主機遙控系統(tǒng)的相關(guān)信息。

5 功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要以培訓(xùn)學(xué)員的主機遙控系統(tǒng)維護管理能力為目的，從原理、操作以及故障或處理等各方面對原實物系統(tǒng)進行仿真，主要功能也是從培訓(xùn)目的出發(fā)。主要培訓(xùn)功能包括以下幾點：

（1）操縱地點的切換。本系統(tǒng)中，有三個地點可以操縱主機分別是駕駛臺、集控室和機旁操縱，可以完整體現(xiàn)起動、換向、制動、轉(zhuǎn)速控制、停車等工況下系統(tǒng)各閥件和設(shè)備的動作過程和與實際系統(tǒng)相同的邏輯關(guān)系。

圖3 氣動主機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)監(jiān)控界面（左-AC-IV監(jiān)控主界面；右-集控室操作界面）

（2）故障設(shè)置與處理功能。根據(jù)故障樹分析方法，在實船調(diào)研與相關(guān)專家咨詢調(diào)查的基礎(chǔ)上，確定以氣源單元、起動單元、換向單元、停車單元、調(diào)速單元、VIT機構(gòu)、安保系統(tǒng)故障作為故障組，所有的故障構(gòu)成故障庫；系統(tǒng)具有開放性，可以隨時根據(jù)需要添加新的故障。

（3）其他功能。系統(tǒng)可完成的其他功能主要包括：主機故障停車（SHUT DOWN）、故障減速（SLOW DOWN）、減缸運行、封缸運行、可變噴油定時控制（VIT）、盤車機操作、完車操作等。

6 小結(jié)

本文介紹了基于SE2000的氣動主機遙控仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了本系統(tǒng)的硬件組成、數(shù)據(jù)通訊方式、軟件部分組成，并在此基礎(chǔ)上分析了本系統(tǒng)的培訓(xùn)功能。本系統(tǒng)可以完成大管輪《輪機自動化》適任考試評估中主機遙控部分各個項目的培訓(xùn)及評估要求，目前已為4屆近200人提供了訓(xùn)練及評估平臺，取得了很好的仿真訓(xùn)練效果。

[1] 陳立軍，黃學(xué)武，鄭華耀. 多重網(wǎng)絡(luò)型船舶主機遙控仿真系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā). 船舶工程, 2009(6)：52-55.

[2] 高海波，陳輝，唐洪，尚前明.大型船用主機氣動操縱系統(tǒng)的仿真.天津航海, 2007, (1):20-23.

[3] 凌君誼.MAN B&W 12K90MC型船用主機氣動操縱系統(tǒng)的仿真.中國水運, 2009, (1):117-118.