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(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 武漢 430063)

船舶機艙綜合自動化實訓(xùn)平臺開發(fā)和教學(xué)實踐

汪恬，湯旭晶，李鶴鳴，楊志勇

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 武漢 430063)

為適應(yīng)船舶機艙綜合自動化發(fā)展趨勢，提高輪機員使用、維護(hù)和管理綜合自動化系統(tǒng)的能力，探討船舶機艙綜合自動化實驗平臺的設(shè)計與建設(shè)，以及利用該平臺組織“輪機自動化”課程實驗教學(xué)，提高實驗教學(xué)效果的有效途徑。

輪機工程專業(yè)；輪機自動化；船舶機艙綜合自動化；實訓(xùn)平臺；實驗教學(xué)

一、引言

近年來，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)代控制理論、通信、信息處理、新型傳感器等多學(xué)科和技術(shù)的綜合應(yīng)用，船舶機艙自動化不斷向綜合自動化方向發(fā)展，提高了輪機系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步降低了輪機管理人員的勞動強度，但同時也對其理論知識和維護(hù)管理水平提出更高要求。STCW公約馬尼拉修正案中也特別強調(diào)對輪機員及電子電氣員自動化方面的適任實操評估。為提高航海類人才培養(yǎng)質(zhì)量，更好地履行國際公約，2014年武漢理工大學(xué)由交通運輸部航海專項投資建造了機艙綜合自動化實訓(xùn)平臺，研制了一套緊跟當(dāng)前船舶機艙自動化技術(shù)發(fā)展步伐，基于分布式現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、微機控制的柴油主機推進(jìn)控制、集中監(jiān)測、火災(zāi)和綜合報警實操訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)。平臺設(shè)計預(yù)留二次開發(fā)接口，便于后續(xù)平臺建設(shè)及拓展實驗教學(xué)。實訓(xùn)平臺可作為輪機工程專業(yè)綜合自動化實驗教學(xué)基地，還可高標(biāo)準(zhǔn)完成新大綱要求下的輪機員及電子電氣員實操訓(xùn)練和適任評估考試。經(jīng)兩年多的教學(xué)實踐，取得了滿意的效果。

二、船舶機艙綜合自動化實訓(xùn)平臺設(shè)計

依據(jù)理論聯(lián)系實際和有限教學(xué)課時內(nèi)達(dá)到最優(yōu)教學(xué)效果的原則，更大程度地綜合“輪機自動化”課程柴油主機推進(jìn)控制和機艙監(jiān)測與報警系統(tǒng)兩塊主要教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計了一套具有實船機艙綜合自動化功能的實訓(xùn)教學(xué)平臺(如圖1)。

1.柴油主機推進(jìn)控制系統(tǒng)

柴油主機推進(jìn)控制系統(tǒng)以大型低速柴油機為對象，由駕駛室或集控室車鐘操縱柴油主機的起動、停車、換向和變轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)主機的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷限制，并設(shè)置獨立的柴油主機安全保護(hù)系統(tǒng)。

圖1中柴油主機推進(jìn)控制系統(tǒng)包括主機遙控裝置、主輔車鐘、安保裝置和柴油主機操縱系統(tǒng)半實物仿真示教裝置。為保證機旁、集控室和駕駛室三地的控制單元間實時可靠通信，系統(tǒng)采用冗余 CAN總線，冗余路由模塊設(shè)置在集控室。

實船應(yīng)用的大型低速柴油主機體積大，且均為封閉結(jié)構(gòu)，在操縱過程中無法同時觀察到柴油機各控制閥件以及執(zhí)行機構(gòu)的動作過程，很難有效驗證理論教學(xué)內(nèi)容。為降低教學(xué)難度，提高課堂效率，綜合自動化實訓(xùn)平臺開發(fā)了一套縮微平面布置的柴油主機操縱系統(tǒng)半實物仿真示教裝置，包括柴油主機起動、換向、停油和調(diào)速操縱機構(gòu)，柴油主機飛輪測速機構(gòu)和螺旋槳(如圖2)。半實物仿真裝置起動操縱部分設(shè)有氣動執(zhí)行器驅(qū)動的主輔起動閥、空氣分配器換向機構(gòu)及氣缸起動閥；由氣動執(zhí)行器驅(qū)動的燃油泵換向凸輪機構(gòu)；調(diào)速執(zhí)行器由步進(jìn)電機驅(qū)動傳動機構(gòu)，可形象逼真地模擬調(diào)速器油門拉桿動作，調(diào)節(jié)柴油主機油門開度，從而改變主機及其驅(qū)動的螺旋槳轉(zhuǎn)速；調(diào)速器停油由氣動執(zhí)行器直接作用油門拉桿上，安保停油由安保斷油電磁閥控制氣動停油伺服機構(gòu)實現(xiàn)油門零位連鎖和緊急停油。

圖1 機艙綜合自動化實訓(xùn)平臺總體結(jié)構(gòu)

主機遙控裝置車鐘手柄發(fā)出車令信號，輸入現(xiàn)場處理單元，經(jīng)主控單元的轉(zhuǎn)速限制和程序加減速等邏輯運算后輸出指令轉(zhuǎn)速，調(diào)速器根據(jù)指令轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差、PID運算和負(fù)荷限制后輸出控制油門拉桿動作，實現(xiàn)柴油主機的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。各氣動執(zhí)行器的實際動作狀態(tài)通過限位開關(guān)檢測后反饋至遙控系統(tǒng)主控單元，實現(xiàn)對主機運行狀態(tài)的邏輯判斷。推進(jìn)控制系統(tǒng)可實現(xiàn)慢轉(zhuǎn)起動、重復(fù)起動、三次起動失敗、調(diào)速器停油、安保停油和運行中換向等一系列遙控的邏輯操縱動作過程。

圖2 柴油主機操縱系統(tǒng)半實物仿真示教裝置

縮微平面布置半實物仿真柴油機操縱系統(tǒng)不僅節(jié)約成本，同時由于結(jié)構(gòu)清晰，便于學(xué)員直觀觀察各執(zhí)行機構(gòu)動作順序及過程，改善實驗教學(xué)效果，拓展學(xué)生思維。

2.機艙監(jiān)測與報警系統(tǒng)

機艙監(jiān)測與報警系統(tǒng)可實現(xiàn)船舶動力裝置和其輔助設(shè)備的運行狀態(tài)及重要參數(shù)的測量顯示、聲光報警、打印記錄、延伸報警、值班呼叫及火災(zāi)報警等系列功能。

綜合自動化實訓(xùn)平臺的機艙監(jiān)測與報警系統(tǒng)配置了一套全分布網(wǎng)絡(luò)型系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1。為能模擬實際船舶機艙動力設(shè)備參數(shù)變化，開發(fā)了一套機艙監(jiān)測與報警系統(tǒng)模擬示教板(如圖3)。示教板上絲印大型低速柴油機側(cè)視圖，并在相應(yīng)參數(shù)測試位置設(shè)置可調(diào)電阻或自鎖按鈕，發(fā)送柴油主機運行的重要模擬量和開關(guān)量信號，如氣缸掃氣箱空氣溫度、氣缸冷卻水出口溫度、活塞冷卻油出口溫度、氣缸排氣溫度、滑油壓力、滑油溫度、推力塊溫度、起動空氣壓力和控制空氣壓力等柴油主機重要參數(shù)。為便于教學(xué)，示教板設(shè)置了兩臺小型電加熱裝置，分別安裝實物PT100熱電阻和K型熱電偶溫度傳感器，由溫控儀面板旋鈕設(shè)定溫度，實現(xiàn)加熱器內(nèi)溫度控制；另外，還設(shè)置了一套可變液位的水柜，頂部安裝浮子開關(guān)，底部安裝電容式液位傳感器。示教板模擬信號和傳感器信號均由分布式處理單元采集，以Modbus總線傳輸?shù)缴衔槐O(jiān)控主機。當(dāng)出現(xiàn)參數(shù)越限，以圖形和列表的方式予以顯示并輸出報警，通過以太網(wǎng)通信實現(xiàn)延伸報警。集控室設(shè)兩臺操作員站，其中一臺為監(jiān)控主機，另一臺為從機，從機在監(jiān)控主計算機正常工作時接收局域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)并實時備份；當(dāng)主機故障或損壞時，可從機無縫切換替代其執(zhí)行監(jiān)測報警任務(wù)；駕駛室監(jiān)控計算機也接收局域網(wǎng)數(shù)據(jù)作為另一操作員站。

圖3 實驗平臺整體布置圖

三、船舶機艙綜合自動化實踐教學(xué)設(shè)計

當(dāng)前船舶電氣自動化的程度越來越高，要求船舶輪機管理人員有更高的電氣自動化專業(yè)素養(yǎng)。因此，加強輪機工程專業(yè)學(xué)生電氣自動化知識和能力培養(yǎng)，已是本專業(yè)教師的共識。但理論教學(xué)學(xué)時又不允許增加，學(xué)生電氣自動化方面理論知識相對于機電專業(yè)單薄甚至理論知識體系不完整的狀況很難改變。為解決輪機工程專業(yè)長期存在的“機強電弱”問題，通過摸索與實踐，認(rèn)為可通過優(yōu)化課程內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法和手段、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等辦法提高課堂效率，加強電氣自動化理論基礎(chǔ)；另外還需根據(jù)輪機專業(yè)畢業(yè)后上船管理輪機系統(tǒng)的特點，改進(jìn)實踐教學(xué)。改進(jìn)的途徑一方面需加大投入更新建設(shè)實驗儀器和設(shè)備；另一方面，實踐教學(xué)要盡可能采取模擬實船環(huán)境，在驗證理論的基礎(chǔ)上，提升學(xué)生分析和解決實際問題的能力。在上述思想指導(dǎo)下，開展了基于機艙綜合自動化實訓(xùn)平臺的實踐教學(xué)設(shè)計研究。

1.綜合驗證性實驗設(shè)計

主機遙控和機艙監(jiān)測與報警兩大系統(tǒng)的管理與操作多是驗證性實驗，傳統(tǒng)實驗課程內(nèi)容單一，僅限于驗證某一個功能或結(jié)論?？紤]實驗內(nèi)容安排的主次和先后邏輯，設(shè)計了基于船舶機艙綜合自動化實訓(xùn)平臺綜合驗證性實驗(如圖4)。

圖4 機艙綜合自動化綜合驗證性實驗教學(xué)設(shè)計

實驗設(shè)計根據(jù)主機遙控和機艙監(jiān)測與報警兩大系統(tǒng)的管理與操作要求，結(jié)合柴油主機動力裝置系統(tǒng)間的內(nèi)在聯(lián)系，融合實踐教學(xué)知識點，形成綜合驗證性實驗。實驗教學(xué)首先介紹實驗平臺，通過系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及功能講解扼要回顧理論知識，再逐一演示主機遙控系統(tǒng)各項主要功能，包括車鐘功能試驗、邏輯程序控制、轉(zhuǎn)速與負(fù)荷控制、安全保護(hù)與應(yīng)急操作4個主要功能。車鐘功能實驗包括主、輔車鐘的功能演示，如主機操縱優(yōu)先級及車鐘無擾動切換操作。正常起動主機前可通過限位開關(guān)設(shè)置起動油量不足，模擬三次重復(fù)起動，此時主機首次起動，滿足慢轉(zhuǎn)起動條件，由主輔起動閥、空氣分配器及燃油換向凸輪演示主機起動過程中閥件動作過程；然后再正常起動主機，主機起動需滿足起動鑒別邏輯條件；當(dāng)主機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，將車鐘推到正車最大轉(zhuǎn)速，在加速過程中，實現(xiàn)加速速率限制、臨界轉(zhuǎn)速避讓和程序負(fù)荷限制等功能；在此過程中，安排監(jiān)測報警和安保實驗，調(diào)整主機參數(shù)模擬示教面板相應(yīng)參數(shù)，如排溫高、滑油失壓等，通過上位顯示觀測實時數(shù)據(jù)的變化，當(dāng)參數(shù)越限時將發(fā)出聲光報警提醒操作人員，并打印記錄故障信息；實訓(xùn)系統(tǒng)有6個延伸報警單元，可實時顯示報警信息及主機狀態(tài)信息，若輪機員未及時應(yīng)答報警信號，將出現(xiàn)失職報警甚至全船報警；對誤報警信號由上位系統(tǒng)實現(xiàn)閉鎖操作；繼續(xù)調(diào)整越限報警值達(dá)到故障降速、故障停車設(shè)定值時，主機將實現(xiàn)故障降速、故障停車操作。

在完成上述驗證演示操作后將車鐘手柄拉至倒車低速擋，對于可逆轉(zhuǎn)柴油機運行過程中的換向需滿足換向邏輯條件，并可通過空氣分配器和主起動閥開啟觀察到能耗和強制制動動作；當(dāng)主機轉(zhuǎn)速達(dá)到允許換向轉(zhuǎn)速后，燃油凸輪動作，完成換向過程；當(dāng)?shù)管囖D(zhuǎn)速穩(wěn)定后，再次加速，此時倒車最大轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)?shù)陀谡囎畲筠D(zhuǎn)速。上述實驗設(shè)計，通過實驗驗證主線，結(jié)合分支內(nèi)容，較好地理清系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能上的聯(lián)系，構(gòu)成一套完整的理論體系。

2.船員適任評估訓(xùn)練教學(xué)

實訓(xùn)平臺還可開展海船船員適任評估電氣自動化部分培訓(xùn)。因?qū)W員多數(shù)有上船經(jīng)歷，對輪機自動控制系統(tǒng)有一定認(rèn)識，課程內(nèi)容參照驗證性實驗教學(xué)設(shè)計。且針對適任評估考試要求，需突出操作過程和實驗步驟，培養(yǎng)動手操作能力，重點掌握設(shè)備維護(hù)操作及基本故障排除。如主機不許起動，教學(xué)中在起動主機前設(shè)置諸如起動空氣壓力不足、盤車機未脫開和三次起動失敗等不滿足起動準(zhǔn)備邏輯條件，由學(xué)員查看相應(yīng)主起動準(zhǔn)備邏輯控制條件界面，并分析查找原因后逐一排除。本實訓(xùn)平臺滿足適任評估考試項目如圖5。

圖5 適任評估訓(xùn)練考試項目

3.開放性綜合實驗教學(xué)

為提高實驗室利用率，改善實驗教學(xué)效果，開放性實驗是實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢。實驗內(nèi)容圍繞輪機工程專業(yè)電氣自動化專業(yè)課程，涉及基于PLC硬件組態(tài)、軟件編程、傳感器技術(shù)、現(xiàn)場總線等知識應(yīng)用，如何將多門專業(yè)課程在實踐項目中融合是開放性實驗要解決的重點。以機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計為例，實踐項目需根據(jù)機艙內(nèi)主要設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)實時顯示、越限報警等。系統(tǒng)中各類電氣的接線及調(diào)理電路等運用了電路基礎(chǔ)知識；采集現(xiàn)場溫度、壓力等熱工參數(shù)時融合了傳感器應(yīng)用技術(shù)；然后再運用PLC作為核心進(jìn)行控制運算，并完成與上層監(jiān)控層的數(shù)據(jù)交互，上位采用組態(tài)軟件進(jìn)行顯示、報警、數(shù)據(jù)記錄等界面程序編寫，最終與平臺預(yù)留接口交互，利用半實物仿真示教裝置進(jìn)行驗證(如圖6)。

圖6 機艙綜合自動化開放性實驗平臺

開放設(shè)計型實驗不僅能使學(xué)生更好地掌握輪機電氣自動化課程的理論知識，還能引導(dǎo)學(xué)生通過實驗去拓展知識、培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力和綜合實踐能力，加強獨立解決問題的能力，并促進(jìn)實踐教學(xué)與理論教學(xué)的有機結(jié)合，提高實踐課的教學(xué)質(zhì)量，全面提升學(xué)生的適應(yīng)能力，增強核心競爭力。

四、結(jié)語

依托船舶機艙綜合自動化實驗平臺開展實驗教學(xué)模式和方法改革，加強了學(xué)生對機艙綜合自動化系統(tǒng)的全面透徹理解，提高了教學(xué)質(zhì)量，夯實了學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)，增強了其就業(yè)競爭力。但實訓(xùn)平臺主要對象是主推進(jìn)裝置，未涉及輔助機械自控系統(tǒng)、船舶電站能量管理系統(tǒng)和閥門遙控等內(nèi)容，建設(shè)組成更完善、功能更齊全的機艙綜合自動化教學(xué)實訓(xùn)平臺值得進(jìn)一步探索。

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2017-05-17

：武漢理工大學(xué)校級重點教學(xué)研究資助項目(2012018)

：1006-8724(2017)03-0076-04

U676.2

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