虚拟船舶中压电站系统设计

郭家建，李婷云



虚拟船舶中压电站系统设计

郭家建，李婷云

（福建船政交通职业学院，福州 350007）

虚拟船舶中压电站系统以实际船舶的中压电站为原型。系统利用组态软件PIMS作为开发平台，通过数据库构建、人机交互界面设计及程序脚本的编写，实现虚拟船舶中压电站系统的各项操作功能。本系统是一个开放的系统，功能可以拓展。系统可以网络发布，在学员培训方面具有良好的应用前景。

船舶 中压电站 虚拟

0 引言

随着船舶的大型化、集中化、自动化发展，船舶的电气设备日益增多，船上的用电负荷迅速提升，使得船舶电力系统的容量在从量变向质变发展。现代大功率船舶采用传统的380 V(50 Hz)或440 V(60 Hz)低压电力系统会存在一系列问题，如电缆用量过大，电缆布置困难，短路电流过大等问题，而6600 V的交流中压电力系统在经济性、可靠性、安全性上有着独特的优势，因此中压电力系统是大功率船舶的很好选择[1]。

国际造船业发展至今，中压电力系统已经广泛应用在各种船型中，要求电子电气员和轮机员具备一定程度的中压电力系统知识和操作技能。STCW公约马尼拉修正案和我国海事局的电子电气员和轮机员适任考试大纲（理论考试知识点和评估）都有明确要求[2]。船舶中压电站的操作训练与考核也越来越受到重视。

船舶电站操作的实践性很强，要培养出高素质船舶机电管理人员，必须加强学员的实操训练环节[3]。利用模拟器进行船员培训是一种安全、经济、有效的做法。传统的物理模拟器，运行、维护成本高，培训效率低。本文利用组态软件PIMS设计纯虚拟的船舶中压电站系统。本系统具有以下优点：

1）系统的开发和运行的成本低；

2）可同时对多人进行培训，效率提高；

3）系统运行稳定可靠。

1 虚拟船舶中压电站系统的组成

虚拟船舶中压电站系统是以实际船舶的中压电站为原型，将实船上的中压电站的各个工作过程进行模拟仿真，如实还原中压电站系统的各种工作状态，便于学员掌握中压的电站相关操作。虚拟船舶中压电站系统模拟2台主柴油发电机，模拟发电机的参数如下：额定功率3800 kW，额定电压6600 V，额定频率60 Hz。虚拟船舶中压电站系统的组成包括：2个主柴油发电机控制屏、并车控制屏、侧推控制屏、小车开关控制屏。

虚拟船舶中压电站系统开发内容包括：系统功能分析、人机交互界面设计、数据库设计、网络发布等。系统的开发流程如图1所示。

图1系统开发流程图

2 人机交互界面设计

虚拟船舶中压电站系统利用组态软件PIMS作为开发平台。组态软件PIMS具有实时多任务、画面显示组态功能、丰富的功能模块、良好的开放性及实时数据库功能。人机界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，即人机交互的平台，利用PIMS软件来创建友好的人机交互界面。

2.1画面组态的设计

在PIMS软件中，进行画面组态的设计。根据实际船舶中压电站控制屏的样子，在组态软件PIMS中绘制出一样的画面。PIMS软件的一大优点，就是画面组态的设计方便、快捷。PIMS软件提供了大量的仪器、仪表等功能模块，用户可以直接使用；而一些没有的功能模块可以通过对相近模块进行改造得到，从而可以快速创建优美、逼真的画面。以主柴油发电机控制屏为例，包含：电压表、电流表、功率表等多种仪表，多个指示灯、按钮和开关。主柴油发电机控制屏人机交互界面如图2所示。整个画面生动、形象，让操作者有身临其境的感觉。

图2 No.1主柴油发电机控制屏

2.2建立动画连接

画面组态是静止的画面，要实现操作训练的功能，必须让画面动起来，这就需要建立动画连接。利用动画连接可以建立图形对象和变量或表达式之间对应关系，一旦建立了动画连接，那么在系统运行时，图形对象会依照不同的动画连接方式而随着变量的变化做出相应的动作。所以做过动画连接的图形对象可以反映变量或表达式的状态，进而反映设备的运行状况。

比如变量PA008的值表示柴油发电机主开关合闸指示灯的状态。为了在画面中反映它的状态，可以先在画面系统中绘制一个灯，然后再给该灯关联动画连接。使得当PA008的值等于0时，显示出暗绿色，表示柴油发电机主开关分闸；而在PA008的值等于1时显示出鲜绿色，表示柴油发电机主开关合闸；如下图3所示。这样通过观察图形的颜色，就可以判断柴油发电机主开关的状态了。

图3 指示灯变化图

3 数据库设计

PIMS组态软件融合了先进的数据接口技术，先进的通讯技术，现场总线技术以及网络技术。本系统的数据库设计，利用的是PIMS组态软件中的点组态数据库。点组态数据库一种实时的数据库，是PIMS系统的数据处理核心，是系统开发的重要支持部分。

利用组态软件PIMS中的点组态数据库来定义船舶中压电站系统中的控制对象，包括：仪表、指示灯以及按钮等等。船舶中压电站系统中包含了大量的控制对象，根据控制对象的特点，在点组态数据库中定义成不同的变量类型。例如：指示灯定义为开关变量，仪表定义为模拟变量。定义变量的目的是为了让控制对象实现相关的动作，从而模拟实际船舶中压电站系统的工作过程。

将所有控制对象的变量都定义在点组态数据库中，方便系统调用。而在系统运行前，也有利于系统的调试。

4 系统功能实现

完成界面设计和点组态数据库设计后，通过脚本语言的编写，让界面上的控制对象动起来，最终实现实际船舶中压电站系统工作状态的仿真。PIMS的脚本系统是一种基于对象和事件的编程语言。可以说，每一段脚本都是与某一个对象或触发事件紧密关联的。脚本类型包含：1）在对象上的脚本，如动画连接；2）事件驱动的脚本，主要用来实现各种复杂的控制逻辑关系，事件的来源可以在数据库上，也可以在人机界面上。

虚拟船舶中压电站系统主要可实现以下功能：

1）发电机手动起动、手动合闸；

2）发电机手动分闸、手动停机；

3）发电机手动准同步并车、手动负荷转移；

4）发电机手动解列、手动停机；

5）发电机自动起动、自动准同步并车；

6）发电机自动负荷转移、解列和自动停机；

7）中压负载起、停操作；

8）中压电站的“五防”联锁。

图4 程序流程图

这些功能的实现，事件驱动的脚本的编写是关键。以发电机手动准同步并车、手动负荷转移功能为例，初始状态为No.1柴油发动机正常工作，由于负载增加，需并联一台柴油发动机运行。发电机手动准同步并车、手动负荷转移的工作过程为，首先起动备用机组；然后在满足并车条件的情况下，选择恰当的时机并车；最后进行手动负荷转移。根据工作过程分析，先设计程序流程图，其程序流程图如图4所示。然后根据程序流程图，编写脚本程序，最终完成工作过程的仿真，实现其操作功能。

5 网络发布

本系统还可以进行Web发布。在PIMS上进行相应的设置，便可以将系统发布到网络上。在使用IE浏览器浏览系统前，需要对IE浏览器做一些必要的设置。在系统运行时，学员打开浏览器，在地址栏中输入Web服务器所在的IP地址并回车，即可在浏览器上看到运行的画面。此时，学员可以进行相关的操作训练。

6 结束语

利用PIMS组态软件设计的虚拟船舶中压电站系统，具有界面逼真，动作形象的特点。系统操作方便，大大提高了学员的训练效率，同时节约了训练的成本。在学员培训方面具有良好的应用前景。本系统是一个开放的系统，可以根据需要添加新的功能。此外，后续还可以开发自动评分系统，对虚拟船舶中压电站的操作项目进行电脑评分。

[1] 李凯, 秦俊峰. 船舶中压电站模拟器系统的研制[J].钦州学院学报, 2015, 30(11).

[2] 左蕾宁, 沈永福, 徐筱云. 轮机模拟器在高压电力系统培训中的应用[J]. 航海技术, 2012, (6).

[3] 李凯, 徐轶群, 邹文俊. 船舶电站物理仿真模拟器的设计与实现[J]. 集美大学学报(自然科学版), 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

福建省中青年教师教育科研项目（科技），编号：JA15660

郭家建(1985-)，男，讲师。研究方向：船舶电气、虚拟仿真。Email：happyguojiajian@163.com